微机械制造中的微磨削加工技术

吴伟涛 刘宏楠辽宁广播电视大学 （沈阳 110034）



微机械制造中的微磨削加工技术

吴伟涛 刘宏楠
辽宁广播电视大学 （沈阳 110034）

摘 要微机械加工一般包含有很多种材料去除过程，微磨削是在传统磨削的基础上，采用直径小于1mm的微磨棒，在桌面化数控微磨床上实现多种材料的三维微加工，鉴于加工后的工件能获得纳米级表面粗糙度的良好效果，微磨削技术已成功应用在光学元件、微透镜阵列以及反射光栅等微结构的加工中。对于硬脆材料及其它难加工材料，微磨削将取代传统的研磨抛光工艺进行超精密加工，成为一种新的加工技术。

关键词微磨削；微磨棒；耕犁机理；数控微磨

近年来，随着微纳米科学技术的快速发展，以及微型元器件在诸多领域的广泛应用，微机械制造技术凭借其独特优势登上了工业制造领域的舞台。微机械加工一般包含有很多种材料去除过程，比如微切削、微铣削、微钻削及微细蚀刻、微细电火花等，而像传统的磨削加工一样，微磨削仍然作为微机械加工的最后一个步骤扮演着其重要的角色。由于微磨削加工在制造微小型零件方面，既能兼顾加工效率和产品质量，又能够适应微机械结构三维化、零件材料多样化、批量柔性化的产品要求，所以它在微传感器、微制动器、微流体设备和等微型器件的加工中更具有竞争优势。

1 国内外研究现状及发展动态

1.1 微磨削加工的设备技术

在微磨削加工中，通常采用的砂轮是直径小于1mm的微磨棒，由于这种微磨棒在实际加工中极易磨损，从而缩短了刀具的使用寿命，所以微磨削刀具和微型机床的制备是国内外早期研究的重点。

在微磨削刀具的制作上，国外Kentucky大学的Chris.J.Morgan［1］结合微电火花加工和线电极电火花磨削加工的方法，制备出了直径为110μm和1mm的PCD 微 磨 棒 。 Wiseonsin-Madision 大 学 的Patriek.J.Heaney［2］用热丝化学蒸气沉积的方法对微刀具进行金刚石微粉涂覆，制作成了多晶金刚石微磨棒，如图1（a）所示。另外，Kaiserslautern大学的J.C.Aurich等人［3］通过超精密桌面化微刀具加工机床，用电镀金刚石磨粒的方法制造出了刀具直径为13～100μm且磨粒直径为1～3μm的圆柱形微磨削刀具。国内东北大学的程军等人用电镀方法制作出了直径为600μm、磨粒为500#的金刚石微磨削刀具。另外，巩亚东教授等人采用冷喷涂工艺，在直径为0.5～0.9mm的硬质合金微小圆柱基体上，镀镍钴合金后冷喷涂直径为2～25μm的超硬磨料，制作出CBN微磨棒［4］。

在微型磨削机床的制作上，国外的Pil-Ho Lee等人［5］将压缩冷空气作为冷却剂引入到微磨削加工过程中，制备成了微磨削机床系统，如图1（b）所示。该系统使用压缩冷空气进行冷却有助于减小磨削力、延长刀具的使用寿命。另外，Michigan大学的Jie Feng等人针对微磨削陶瓷试验也研制了一套位置精度可达1μm、分辨率高达0.1μm的微磨削系统，该系统采用直流电机驱动，包含四个线性运动平台和两个电主轴，其中一个用于磨削加工，另一个用于砂轮修整。国内东北大学的巩亚东教授和蔺佳搭建了微磨削加工系统，舒启林和孔培培基于公理设计出了数控微磨床的结构，并进行了模拟仿真。

1.2 微磨削加工的基础理论

随着国内外对微磨削刀具和微磨削机床的设计及研制成功，学者们开始对微磨削加工的基础理论等进行试验研究和模型分析，并取得了一定的成果。

国外的Hahn和Linsay用试验的方法对微磨削过程中的材料去除率以及刀具磨损等方面的内容进行了研究，通过在加工过程中改变磨削参数，最终获得了经验方程。Tonshoff等人通过试验研究了微磨削过程中的磨屑厚度、温度和微磨削加工后的刀具形貌以及工件的表面粗糙度，并与传统磨削过程进行了对比。

图1 微磨削设备示意图

Michigan大学的Jie Feng等人通过对微磨削过程中的最大切屑厚度进行深入分析，在有限元的基础上结合软熔带方法建立了微磨削加工陶瓷材料过程中的磨削力仿真模型。国内的程军等人在硬脆材料去除机理的基础上，探讨了微磨削加工下硬脆材料的切屑形成过程，并建立了硬脆材料微磨削加工的去除机理模型。另外，哈尔滨工业大学的孙雅洲教授和郑青竹对微磨削过程中的磨削力和切削厚度建立了预测模型，并通过试验进行了验证。

2 微磨削加工的原理及特点

微磨削是在传统磨削的基础上，采用直径小于1mm的微磨棒，在桌面化数控微磨床上实现多种材料的三维微加工，鉴于加工后的工件能获得纳米级表面粗糙度的良好效果，微磨削技术已成功应用在光学元件、微透镜阵列以及反射光栅等微结构的加工中。

图2 微磨削加工过程示意图

微磨削与传统磨削的加工过程极为类似，都是将具有锋利切削刃的超硬磨粒附着在砂轮基体上后通过高速旋转来对工件进行材料去除，如图2所示，但由于微磨削采用的砂轮通常是直径小于1mm的微磨棒，即砂轮直径和工件直径的大小在同等数量级，所以在磨削过程中由单颗磨粒和工件之间的动力学和热力学影响等因素造成的尺寸效应就不容忽视了。

另外，在研究微磨削加工的机理时，由于微磨削与传统磨削一样，砂轮上的磨粒分布具有随机性，所以微磨削加工也是一个复杂的过程，需要从单颗磨料与工件之间的相互作用来研究加工机理，然后再推广到整个微磨削过程。国内外很多学者已成功建立出单颗磨料与工件的作用模型，如图3所示为Asma Perveen.M等人建立的垂直平面微磨削过程的切屑形成模型，该模型的建立耦合了微切削机理与耕犁机理，而且考虑了尺寸效应和摩擦效应等因素的影响。

图3 —微磨削原理及切屑成型示意图

3 微磨削加工的发展趋势

对于硬脆材料及其它难加工材料，微磨削将取代传统的研磨抛光工艺进行超精密加工，它作为一种新兴的加工技术，不仅可以有效的提高加工效率，而且还能改善加工表面的质量，具有很好的应用前景。目前，该技术无论在设备技术还是基础理论方面，都有一定的研究成果，但由于微磨削是相对较新的领域，所以需要更深一步地改进和完善。其研究趋势包括一下几个方面：

（1）微磨削加工中砂轮的形貌是一个关键的因素，通过它可以预测微磨削过程中由刀具磨损引起的一些机理变化。我们需要对新刀具和磨损后刀具上的磨粒尺寸进行对比分析，然后建立一个刀具磨损模型来代表微磨削过程中的刀具磨损机理，这样不仅可以有效避免微磨削实验中由刀具磨损而引起的实验中止现象，而且还可以大大减少做实验所需的时间和成本损耗。

（2）在微磨削过程中，由于磨屑大小和磨粒尺寸比较接近，所以极易在磨粒之间造成磨屑堵塞的现象，这样便阻碍了其他邻近磨粒对工件的抛光磨削等行为，影响了加工质量。因此，我们有必要建立一个表征磨粒空间特性的模型，这个模型必须结合表面粗糙度和微磨削力等工艺条件的影响，从而才能为微磨削过程提供更好的预测。

（3）对于硬脆材料的微磨削加工，如何保证精密零件的加工质量，砂轮的修整技术是关键，所以建议在微磨削系统的基础上增加一套砂轮修整设备，通过将微磨削技术和其他砂轮修整技术相结合，形成一种切实可行的、整形效率高的复合修整技术，这样既可延长刀具的使用寿命，降低经济成本，又可提高加工精度。

4 结语

随着微磨削加工技术的理论研究日趋成熟，其产业化应用也将会得到进一步的推广，但若想取得突破性进展，还需解决一些关键问题：如在微砂轮的制作过程中，如何提高砂轮磨粒粒径的均匀性和分布的均匀性；在微磨床的开发研制过程中，如何提高磨床的进给进度；在微磨削加工的过程中，如何优化工艺过程以提高效率、降低成本等。这些问题正是未来微磨削加工发展改进的方向，相信随着该技术的不断完善，将会对我国的工业建设产生巨大的影响。

参考文献

［1］Morgan，C.J.Micro-machining and micro-grinding with tools fabricated by micro electro-discharge machining［J］，Nanomanufacturing，2004（2）：242-258.

［2］Gäbler J，Schäfer L，Menze B，et al.Micro abrasive pencils with CVD diamond coating［J］.Diamond and related materials，2003，12（3）：707-710.

［3］Aurich J C，Engmann J，Schueler G M，et al.Micro-grinding tool for manufacture of complex structures in brittle materials［J］.CIRPAnnals-Manufacturing Technology，2009，58（1）：311-314.

［4］程军，巩亚东，武治政等.硬脆材料微磨削表面形成机理实验研究［J］.机械工程学报，2012（21）：190-198.

［5］郑青竹.微细磨削性能及微径砂轮磨损试验研究［D］.哈尔滨工业大学，2011.

（责任编辑：文婷）

中图分类号：TG580.699

文献标识码：A

文章编号：1003-3319（2016）02-00015-03