脆性材料的延性磨削——纳米磨削技术

1.2.3 冈本工作机械制作所的UPG—63NC超精密平面磨床

冈本工作机械制作所是日本最著名的磨床制造厂之一，创建于1925年，此后一直从事磨床生产。主要产品有平面、仿形、内圆磨床和齿轮夹攻机床等。其中以平面磨床规格最多、产量最大。其销售额约占日本总销售额的20％。
早在1968年，冈本公司制造了世界上第一台NFG—5型NC成型磨床，成为数控磨床的先驱。此后10余年一直致力于数控磨床的实用化，80年代就批量生产数控平面磨床。该公司注意在开发高档平面磨床的同时，积极发展中低档数控平面磨床。
冈本公司最新研制的UPG—63NC精密成型磨床具有较高的水平。概机床主要用来以高精度和高效率地磨削具有复杂形状的金属模具和精密零件。
该机床在结构上具有重心低的特点。立柱宽、床身低、牢固的筋条布局、合理的壁厚使机床刚度、平衡性和稳定性好等。机床的三向导轨刚性较高，纵向采用双V滚珠导轨、横向是双 V滚柱导轨，垂直导轨则采用涂TURCITE耐磨材料的 H型高刚性结构。垂直和横向可实现同时二坐标控制，最小垂直进给量为0.1μm。垂直和横向用的滚珠丝杠，其外径为40mm，中间通内循环冷却水，因此可保证稳定的进给量。
机床采取了许多防止热变形措施，液压油用油温控制。衔温水通过热交换器，使液压油经冷却后再进行循环，电磁吸盘也用水冷却。
砂轮修整器装在工作台最右边，通过同时控制Y和Z轴把砂轮修至规定形状。用NC装置发出指令，金刚石修整器可以倾斜成任意角度，可避免在修整时砂轮和金刚石修整器的干涉。该机床采用间断修整法，到最后精磨时再修整轮廓。这样，既达到高精度磨削，又大大减小了砂轮磨损。

高刚度结构

通过采用加大砂轮头架和立柱接触面的独特立柱部件结构，采用立柱移动式。

静压导轨

通过将砂轮轴的上下走刀轴作成油静压导轨，能实现0.1μm分辨率的定位精度。将工作台左右走刀做成六面制约的静压导轨，不会因悬浮引起工作台倾斜，加工直线性、平面度好。可以测量、补偿因工作台浮起的尺寸减小，确保尺寸精度。用自准直光管测量，垂直面内俯仰为0.6μm/750mm，水平面内偏摆为1.1μm/750mm大拖板前后走刀为静压导轨，能作垂直度、平面度很好的加工，也能进行高间距精度的沟槽加工。
同时进行压力、流量控制，当压力下降时，安全开关工作，自动停车。进行污染控制，不用担心因异物混入引起主轴损坏。静压油温度利用自动温度调整装置控制，保证加工精度。

砂轮轴为油静压轴承

采用水冷式全封闭内装式电机(己作动平衡)驱动，以减轻主轴系统
的振动。进行全自动砂轮动平衡。主轴回转精度在0.1μm以下。

热位移对策

工作油、静压油以及油流的温度独立控制。

丰富的加工软件

自动磨削循环、修锐循环、位移切入循环等。nextpage

1.2.4 德国JUNG公司JP系列龙门式柔性高精度平面磨床

德国JUNG公司是国际上知名度较高的平面磨床生产厂，有40余年的历史，该公司的平面和成型磨床以精度高、使用寿命长而著称。JUNG公司的主要平磨产品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。
工作台纵向运动一般都设二套运动装置，往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。JUNG公司平面磨床基型有 JF415(400×150mm)、JF520(500×200mm)、JF625(600×250mm)等。其中水平较高的是 JF520CNCB型四坐标数控平面和成型磨床。该机采用高精度连续轨迹控制以及图形辅助操作，控制系统是以西门子SINUMERIK810为基础，配用JUNG公司开发的专用软件。JP系列是 JUNG公司最新产品，该系列机床一反JUNG公司的传统结构，首次采用了龙门式框架结构，可以满足大尺寸工件和新型工程材料的磨削加工需要。
JP系列是小型的龙门式平磨，总体刚性特别好。机床床身是具有加强筋的铸铁结构，由三个吸振点支撑，刚性和抗扭性好。由于采用隔热性好的铸件，避免了冷却液，环境温度和床身之间的温度差。龙门双立柱用聚合混凝土制成，具有抗振和热稳定性，并隔绝冷却液和环境温度对机床的影响。
横梁采用体积大的铸铁结构，并装有导向杆。可对磨头在横梁上的运动进行精确调节，使之与工作台保持平行。工作台采用涂耐磨材料的双平导轨，用预加载荷大节距波珠丝杠和AC伺服电机驱动，抗振性好而不会产生爬行。可实现快速往复式运动和低速缓进给运动。
精密磨头装置由Y向和z向运动构成， Z向导轨为耐磨涂塑平导轨，Y向采用预加载荷滚动导轨，磨头用预加载荷滚珠丝杠和交流电机驱动。磨头采用液压预紧的滚珠轴承，刚性很好。采用隔热措施，电机对磨头无任何影响。
数控系统可由用户根据用途选择，X、Y、Z三向均为闭环定位控制，垂直和横向最小进给量0.1μm。

1.3 国内超精密平面磨床的发展

超精密平面磨床的研制在国内基本还是一片空白，目前还没有见到过国内厂家或科研单位研制成功超精密平面磨床的报道。中国航空精密机械研究所正在研制的龙门式超精密平面磨床采用了许多新的技术，如中置砂轮结构的气浮主轴技术、液体静压导轨和真空吸附导轨技术、配重及卸荷技术、分辨率为0.01μm的砂轮微量进给技术、计算机误差补偿技术、砂轮ELID修整技术及液体动平衡技术等，最终加工精度指标为：直线度0.5岭gt/1000mgl，平面度lμm/500×500mm，表面粗糙度Ra0.005—0.02μm。这台设备的研制成
功，将可以用来进行脆性材料的延性方式磨削技术即纳米磨削技术的研究。

2 脆性材料的延性方式磨削——纳米磨削技术

2.1 脆性材料延性方式磨削的提出

2.1.1 脆性材料的加工历史和加工原理

脆性材料的加工史和石器时代同样古老，在新石器时代其加工手法大致如下，(1)利用石的相互敲击所生成的裂纹，除去材料的“打”(2)利用应力集中的“割”(3)利用石的相互磨“擦”(4)加入石的细粒的“打光”而目前金刚石等宝石加工的主要加工工序为:

(1)沿路理面“割”——cleaving
(2)使用金刚石磨粒的锯“切”——sawing
(3)利用金刚石彼此成形工序的“擦”——brushing
(4)靠金刚石磨粒和铸铁研具作小平面加工的“粗打光”——grinding
对于用脆性材料制作的光学零件在最初大量生产时，其传统加工工序由一下三种工序构成：
(1)粗加工——grinding
(2)精磨——lapping
(3)打光——polishing
从上面可以看到，石器加工、宝石加工和光学零件等脆性材料加工都应用了利用游离磨粒的研磨、抛光原理，我们称此为“压力复印原理”。而与此相对应的则是基于“运动复印原理”的表面范成加工，这种技术在19世纪后半期才出现，最早出现的是用单颗粒金刚石修锐器进行磨削砂轮的修整加工。另一方面，从材料去除的破坏机理看上述的加工方法，除去宝石加工和光学零件打光工序外，其余则都属于脆性破坏机理。

2.1.2 脆性材料延性加工的开端

1960年代后半期，软质金属光学零件的加工可以用金刚石切削从而达到光学零件所要求的精度。超精密金刚石切削床的出现，表示具有悠久历史的切削加工技术有了创新。在精密工程方面，出现了“超精密”这一新的领域。在其基于将工具和工件的相对运动作为形状复印在工件上的“运动复印原理”基础上，机床具有形状创成功能，在一定条件下，能得到所要求的光学精度。这就要求机床运动精度的不断提高，此时美国等国家研制成功了各种型号的超精密车床。由于机床具有很高的运动精度，工件和工具的相对运动精度在加工过程中能被正确地复印，这段时间进行了切屑生成机理、材料去除机理以及工具等方面的研究，得到了许多成果。
1987年，NCSU精密工程中心进行了单晶锗的金刚石切削实验，得到了延性、脆性迁移点dc值，这个值表示了刀具与工件间的干涉量——切削深度，这是根据“运动复印原理”作为前提从脆性方式加工转变到延性方式加工最早的实验结果。dc值在设计运动复印型机床进行延性方式切削乃至延性方式磨削时，是最关键的基准值。
在脆性材料的精密加工领域中，主要还是通过研磨、抛光作为其关键加工技术，即使对脆性材料进行磨削加工，也是靠材料脆性破坏生成加工表面。由于运动复印精度低，加工表面层损伤多，磨削加工只能研作为研磨加工的前道工序加以利用。
1980年代前半期，有报导利用进给量分辨率比原来高10倍的的新型磨床，进行水晶磨削加工时，若能减小工件和工具的干涉量，对于水晶这样的脆性材料，则靠塑性流动能生成切屑，这说明基于“运动复印原理”的超精密磨削是可能实现的。从这开始，欧美的国的研究人员开始研究脆性材料的超精密磨削，并且以切削方面的超精密切削加工为基础，提出了脆性材料的延性方式磨削。在1987年的美国精密工程会的年度大会上，论述了工具和工件的干涉量和从切屑生成方面的脆性破坏迁移到延性破坏的关系的实验及其结果。在欧美，有关延性方式磨削的研究从基础水平开始踏实地在进行，之后有关脆性一延性迁移的研究、超精密磨床、超精密运动机理、砂轮的研究，也陆续地在发表。
随着玻璃等脆性材料延性加工机理研究的进行，利用微小负荷压入脆性材抖引起塑性变形，微小进给引起脆性材料连续型切削的生成等现象的观察，1989年第15届PrecisionEngineering研讨会报告中出现了脆性材料延性方式的磨削、切削论文。宫下等在原来脆性破坏的基础上，利用砂轮在磨削过程中的创成和提高磨粒自锐作用为前提而形成的塑性领域的加工理论，称为微细磨削。换言之，使用微细修正的砂轮，在塑性领域进行磨削实验，使用SIC砂轮磨削玻璃，生成了全面塑性流动的表面。

2.2 脆性材料的延性方式磨削的意义

在一定条件下，玻璃和陶瓷等脆性材料能用金刚石砂轮，在塑性方式(无裂纹)下加工，这种过程称为延性方式磨削。这对于复杂且高精度的光学零件和陶瓷零件的加工具有很重要的意义。
硬脆材料的硬度高、脆性大，其物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比有很大差异。一般，硬脆材料用断裂韧性和断裂强度表征材料属性，于硬脆材料在韧性和强度方面相互之间差异大，所以硬脆材料的磨削既于金属材料的塑性剪切过程，又不同于一般高脆性材料(如金刚石)的纯性断裂过程。随着尖端科技的不断发展，更加需要高质量的硬脆材料产品，如激光与红外光学晶体、陶瓷、石英玻璃等，这些高质量的产品一般采用研抛技术获得，但生产周期长，产品成本高。近年来，超精密磨削技术的进步，使得磨削表面的质量同研抛表面的质量十分接近，并且加工效率大幅度提高。
1970年代开始实用化的超精密金刚石车削技术的加工精度，可以说满足了光学零件上所要求的精度。利用这种技术加工的光学零件，如多面体镜，各种非球面透镜模具，红外用各种透镜，非球面金属镜等。最近，随着短波长光学，特别是X射线光学领域研究的进展，X射线反射镜等的需要明显增多。这些X射线领域的光学元件多采用非球面透镜，形状精度要求nm级，表面粗糙度埃级，为了达到这种要求，单利用超精密车削及研抛己不能满足要求。为范成更高精度的形状，可利用研性磨削工艺，而这些X射线光学零件，要求无加工变质层，所以急需解决的问题是延性方式磨削的实用化。
光学玻璃用磨削范成形状后，经过研磨、抛光工序，最终精加工成光学零件，但成本较高。近年来，随着模压非球面光学元件应用的增加，零件数量减少和装配工序简单化，实现了成本的下降和零件性能的提高。而硬质合金制造的非球面透镜模具，能通过磨削加工成镜面，这只适用于小型的非—球面透镜的制作。但是，对于中型和大型的玻璃光学元件，并且批量少时，可应用延性磨削技术或研磨、抛光作最后的加工。光学用非球面透镜利用磨削加工，加工表面粗糙度为Rmaxlμm左右，并且有很高的形状精度，但要进一步提高加工表面粗糙度使之达到研抛面的水平极难，最终还是要通过研抛达到零件最终要求，但这又有可能破坏以有的磨削精度。因此，在非球面光学元件的加工中，在磨削阶段达到所要求的形状精度的同时，应尽可能减少研抛的加工量。所以磨削的最终目标是得到接近研抛面质量的加工面。
用碗型树脂结合剂金刚石砂轮超精密平面磨削为代表的光学玻璃BK7的结果，能得到表面粗糙度Ra0.1nm，Rmaxl.8nm，这个水平与原来的研磨面相比是一个数量级的。所以只用无研磨工序的超精密磨削精加工光学材料成为可能。但是为了进一步实用化，新型磨床的开发，加工面的加工变质层或残余应力层的研究十分必要。应用延性磨削技术，会产生加工面的残余应力比研磨抛光大，磨粒的切削刃磨损等问题，若解决这些问题，原来广泛使用的硬脆材料的镜面加工可由超精密磨削加工替代研磨加工。

2.3 实现脆性材料延性方式磨削的原理

实现脆性材料的延性方式磨削主要基于两种原理，一是“压力复印原理”，另一则是“运动复印原理”。工件和工具间的支持刚性或高或低，从加工压力的控制功能来看，刚性低时比较容易实现脆性材料的延性磨削。但是，当刚性高时，如果机床同时具备很高的运动精度，磨削砂轮也有很高的形状精度，而且磨粒切削刃高度分布均匀，则可以进行象研磨、抛光一样的低接触压力磨削加工。这两种情况就是为了实现脆性材料的延性方式加工而设计的压力复印型机床和运动复印型机床。现分述如下：

2.3.1 压力复印加工以及机床的设计

对脆性材料破坏机理的研究，最早是通过金刚石压头的挤压试验、刻划试验进行的。玻璃和金属材料比较，抗张强度小，成为多发生脆性破坏。
谷口等作了球面压头压下时材料发生变形的实验，从材料的破坏情况可以表明：当压头半径和压力小时，玻璃也和金属一样发生塑性变形。此外材料上的缺陷和应力分布都会影响到脆性和塑性的转变。应力场的扩大，会像裂纹那样，在应力集中上，发生脆性破坏。这就是压力复印加工的基本原理。
根据Brown长年的光学玻璃加工经验，根据磨粒粒径不同，材料去除机理有脆性方式加工，微细裂纹加工和延性方式加工三种，每种方式材料去除率变化明显。当压力设定在1N/cm²左右进行压力加工时，或像浮动抛光的那样在更微小加工压力的场合下，将之和磨削加工方面的砂轮接触压力比较是有明显的差别。从这种情况能容易地推断脆性材料的磨削加工成为脆性方式磨削。这种情况下磨削砂轮的切削刃高度在砂轮进给量范围中能广泛分布，这相当于游离磨粒粒径的离散。
利用游离磨粒进行压力复印加工，主要参数有(1)磨粒粒径(2)粒径的一致性(3)加工压力。从以上的情况分析可以探讨诸如研磨、抛光型压力复印型机床的设计标准。
压力设定功能：从材料去除机理上看，研具、抛具和工件加工面之间加工压力的设定分辨率必须要足够高，并且在工件的整个加工面上，压力分布一致。
研具、抛具基准面几何形状误差能复印在工件加工面上，所以当加工精度要求充分高时，研具和抛具基准面的几何形状必须加以考虑，研具的磨损也需要和砂轮修整一样进行修正加工。研具、抛具及工件接触面存在运动误差，这些误差引起动态加工压力变化，从而使压力控制功能的下降，所以机床刚性、运动物体质量的选择很重要。

2.3.2 运动复印加工以及机床的设计

最近在利用金刚石工具进行的压入试验、刻划试验中，对圆锥压头的负荷作了探讨，发现以负荷表示延性、脆性迁移点并不是最理想的。对于研磨和磨削加工，从各个磨粒的压入、拉划作用进行实验并建立模型，从而探讨从纵向裂纹到残余裂纹，从横向裂纹到材料的去除机理。而以上实验只是将负荷作为输入条件来考虑，对于游离磨粒、固定磨粒主要是从压力复印原理来考虑的。现在还有必要从另外一个角度探讨脆性材料的去除机理，即从运动复印原理来考虑。
在日本过去磨床称为研磨盘，但是熊谷认为用磨削砂轮进行材料的去
除机理不是研磨，而是靠自锐磨粒的研削，因此，磨床才被称为研削盘。所谓研磨盘是指使用砂轮的抛光机械，如果说研磨盘和研削盘的不同即为“压力复印功能”和“运动复印功能”的不同，则有必要探讨今日的研削盘(磨床)运动复印功能的极限。

(1)运动复印功能的频率极限

工件的刚度作为Ks，加工系统的刚度为Km，工件、砂轮间的相对位移振幅为ai与复印在加工面上的波纹度振幅ao的比例ao/ai。频率特性，以工件的l转周期，或一个行程周期1/T作为界限，在低频率侧上，运动复印能忠实地进行，但在高频侧则是属于压力复印。 nextpage

(2)运动复印功能的误差极限

磨削开始压力Fth(当工”具和工件之间的压力达到Fth时磨削加工开始进行)和能进行磨削的区域，磨削开始压力对应的弹性变形量为：
当设定进给量小于Δ时，材料除去不能进行，所以，形状误差和尺寸误差的修正功能极限也即为么。运动复印功能的极限都受到加工系统的刚度Km的支配，要进行纳米磨削技术的研究，必须控制运动复印误差的极限为纳米级，所以原来的磨床刚
度明显不足。
利用金刚石进行的切削试验中所得到的延性、脆性迁移点dc值，在磨床设计中应予充分考虑。也就是砂轮工作面上各个磨粒切削刃的进给量应控制在dc值以下，必须规定规定必要的机床运动精度、刚度和磨削砂轮的修整加工精度，具体方案如下：
工作台的走刀分辨率：dc/10工作台的走刀直线性：dc/每走刀行程工件、砂轮系统支承刚性：＞磨削负载/走刀分辨率工件、砂轮支承系统运动精度；＜dc修整加工精度：＜dc砂轮切削刃高度分布：＜dc利用满足如上条件的超精密、高刚度机床，可以进行脆性材料的超精密、大批量生产的纳米磨削技术的研究。

2.3.3 基于运动复印原理的超精密磨削加工技术

使用粗磨粒磨削砂轮也能延性方式磨削，也就是进行纳米磨削加工，要求磨床具有高刚性、超精密化，同时测量系统、控制系统的毫微米技术在机床开发中也不可忽视。尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等加工精度和机床的运动，磨削砂轮的几何学和切削刃高度分布的相互关系在超精密加工技术领域必须加以考虑。
零件加工尺寸误差由机床进给系统的分辨率决定，形状误差则由砂轮的几何误差、工件、砂轮支承系统的运动误差决定，粗糙度主要由砂轮工作面上的切削刃高度分布所决定。从上述分析可以看到机床的运动误差，磨削砂轮和磨粒切削刃高度分布的几何误差能复印工件尺寸误差、形状误差和粗糙度，是利用运动复印原理的超精密磨削技术的基础。

2.4 脆性材料延性方式磨削的实现

通过工件和工具的相对运动的材料去除机理，相互间的运动精度对材料的破坏机理起着支配作用，工件和刀具间的干涉量d比dc值大时，成为脆性方式去除加工，此时运动复印误差大，反之则成为延性方式去除加工，运动复印误差小。要实现延性方式磨削。砂轮工作面上所有的切削刃，必须保证从刚修整加工开始到加工结束满足上述条件。
脱落磨粒的直径比dc值大时，可能产生裂纹或划伤。因此，进行延性方式磨削的条件可以分为：用磨粒粒径比dc值小的微粒磨粒磨削砂轮、比dc值大的粗粒磨粒磨削砂轮进行磨削两种情况。将前者称为!型，后者称为II型。基于这种延性方式磨削的成立条件、分类及其相关技术课题。