固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来,制成专用磨具,在高速研磨机上进行高速研磨的方法。所用的专用磨具是根据工件的要求,用不同的磨料制成丸片,再用丸片制成不同形状的磨具,其构造如图1.5所示。固着磨料高速研磨国外是在20世纪60年代发展起来的,我国是20世纪70年代起开始发展的。固着磨料研磨较好地解决了传统的散粒磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率,而加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍,因此固着磨料高速研磨一出现就受到了人们的重视。长春理工大学从20世纪70年代起开始从事固着磨料研磨加工技术的研究,并成立了专门从事这一技术研究的课题组,探讨了在固着磨料研磨中,研磨压力、研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质量的影响。当时加工对象仅限于玻璃,因此所探讨的固着磨料研磨加工的各参数的作用一般都是指加工玻璃。这些研究有力地推动了这一新技术的推广应用。
但固着磨料研磨也存在着一个新问题,就是磨具在研磨中会出现磨损,这就导致了磨具的面形精度下降,以致被加工件面形精度下降。这就要求人们要经常地及时修整磨具。以往的散粒磨料研磨,所使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固着磨料研磨的磨具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具修整十分困难,因此限制了固着磨料研磨的广泛应用。长春理工大学的老师们也早就开始探讨磨具磨损规律,针对球面研磨,发现了磨具理想磨损的数学表达式,也称为余弦磨耗规律,并得出根据此规律磨具磨片的分布规则。此后,课题组又专门研究了平面固着磨料研磨中磨具磨损,并探讨了磨具设计问题。然而磨具磨损与研磨加工中磨具和工件间的相对运动及运动轨迹有着十分密切的关系。为此在20世纪70年代末80年代初长春理工大学的李懋和老师和刘桂玲老师又分别探讨了平面研磨和球面研磨中,磨具和工件间的相对运动,刘绍东老师开始从力学角度分析磨具磨损原因。这些研究都是假定工件的转速是已知的,而且是不变的。因此,这些研究成果对浮动研磨中,工件转速未知的情况,显得勉强,但这些研究成果都为进一步研究浮动研磨磨具磨损规律奠定了基础。
进人20世纪80年代,我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的有北京理工大学的查立豫教授、浙江大学的曹天宁教授等。他们既探讨研磨机理、研磨工艺,又探讨磨具与工件间的相对运动。后来裴庆魁、林锦文、章黎明、王翠娣、王锴、辛企明等一批专家学者都从事着固着磨料研磨加工技术的研究。华劲松和王忠琪等人还将固着磨料研磨技术引人抛光领域,研究新型固着磨料抛光片,用于进行高速抛光。张红霞等人还专门研究了在采用固着磨料抛光片进行抛光中,如何保证工件材料的均匀去除问题。
不仅国内的专家学者从事固着磨料研磨这一技术的研究,而且国外也有人从事这一技术的研究。David F.Edwards等人研究了金刚石固着磨料研磨机理,固着磨料研磨加工工件已加工表面粗糙度及破坏层等的变化规律。其研究的加工材料是玻璃,重点是探讨工件已加工表面粗糙度和材料去除量随研磨加工时间的变化规律。他们还比较了不同冷却液的效果,发现了表面粗糙度与破坏层深度有一恒定关系,这就使人们能根据工件表面粗糙度值来确定下道工序的去除深度。目前国外较重视磨料性能的改进,以及丸片制作技术的研究,探讨如何避免丸片的脱层及裂缝,避免丸片中混入空气,提高磨料和结合剂的均匀性等。为了更好地改善固着磨料研磨效果、提高丸片质量,日本东京大学的JuichiIkeno等人还研究了利用电泳沉积法制造高质量、细磨粒丸片,采用他们研制的丸片加工硅片,使加工表面质量得到了很大改善,达到8nm(波峰-波谷值)。还有人采用金刚石丸片研磨加工球面和非球面,提高了加工效率,取得了很好的效果。
但是人们对在固着磨料浮动研磨中修整磨具还缺乏深人的研究,而且因磨具磨损及磨具表面凸凹不平对工件容易产生撞击,损坏工件,所以目前国外的固着磨料研磨机的转速还不算高,尽管提高了研磨加工效率,但也不理想。德国的Peter wolters公司生产的固着磨料研磨机,磨具最高转速为148r/min。由于缺少对磨具磨损强度分布的适当控制技术,使得人们仍要经常修整磨具,以保证磨具的面形精度和被加工工件表面的面形精度。这既浪费磨料,又增加辅助工时,同时对修整磨具工人操作技术水平提出了很高的要求。因此还要进一步完善固着磨料研磨加工技术。
尽管以往人们对固着磨料研磨进行了许多研究,特别是对磨具磨损进行了深人探讨,但还没能从根本上解决磨具磨损问题。这主要是因为目前的研磨机常常采用浮动研磨,磨具和工件二者之中,一个是主动旋转,其运动是已知的;而另外一个则是浮在其上,靠研磨切削力带动随之转动,也称为浮动(我们称这种研磨为浮动研磨),其运动是未知的。过去许多人只是探讨磨具和工件运动均为已知的情况下磨具工件间的相对运动。由于这与浮动研磨条件不一致,因此对浮动研磨的指导作用受到限制。在浮动研磨中分析磨具工件间相对运动比较困难,因此人们只好做一些假设,以求出这一未知的运动。最简单的假设是二者转速大小相等,方向相同。并且有人对这一假设的合理性进行了证明,但在证明前又做了假设,假设磨具和工件二者中的浮动件只受另一主动件的研磨切削力作用,而受外部的摩擦阻力矩等因素的影响很小,可以忽略。事实上研磨加工是一种精密和超精密加工,对工件面形要求较高。尽管在探讨磨具工件间的相对运动时忽略的因素很不重要,引起的误差很小,但由于该误差是累积发散型的,因此随着加工的进行,磨具和工件的面形误差都将逐渐增大,这对加工极为不利。有人曾对浮动研磨中的浮动件的运动假设做了改进。但都存在着忽略因素,在理论上,也就不可避免地引起磨具和工件面形误差。