［摘要］介（jiè）紹了精密磨削與超精（jīng）密磨削的機理，闡述了精密磨床以及精密磨（mó）削與超精密磨削技術的研究現狀（zhuàng），並分析了精密磨削與超精密磨削的（de）發展趨勢。

 
      0 引言（yán）

     磨削加工是主要的精密加工和超精密（mì）加工方法，一般（bān）分為普通磨削、精密磨削、超精密磨削加（jiā）工（gōng），它們能達到的磨削精度在生產發展的不同時（shí）期有不同的精度範圍（wéi） 。

     目（mù）前，普通磨削一般指加工表麵粗糙度為（wéi）精度Ra在0. 16 ～ 1. 25 μm，加工精度> 1 μm 的磨削方法. 精密磨削當前可以達到的精度（dù）一般為表麵（miàn）粗糙度（dù）Ra為0. 04 ～ 1. 25 μm，加工精度為1 ～ 0. 5 μm.超精密磨削是當代能達到（dào）最低磨削表麵（miàn）粗糙度值和最高加工精度的磨削（xuē）方法，表麵粗糙（cāo）度（dù）可達到Ra≤0. 01 μm，精度≤0. 01 μm，甚至進入納米級 。

      1、 精密與超精密磨削的機理

      精密磨削一般使用金剛（gāng）石和（hé）立方（fāng）氮化硼等高硬度磨料砂輪（lún），主要靠對砂輪的（de）精細修（xiū）整，使用金剛石修整刀具以（yǐ）極小而又均勻的微進給( 10 ～ 15 mm/min) ，獲得眾多的等高微刃，加工表麵磨削痕跡微細，最（zuì）後采（cǎi）用無（wú）火花光磨，由於微切削、滑（huá）移和摩擦等綜合作用，達到低表麵粗糙（cāo）度值和高精（jīng）度要求. 超精密（mì）磨削（xuē）采用較小修整導程和吃刀量修整砂輪，靠（kào）超微細磨粒等高微刃磨削作用進行磨削［1］.精（jīng）密與超精密磨削的機理與普通磨削有一些不同之處.

      1) 超微量切除（chú）. 應用較小的修整導程和修整深度精細修整砂輪，使（shǐ）磨粒細微破碎而產生微刃.一顆磨粒變成多顆（kē）磨粒，相當於砂輪粒（lì）度變細，微刃的微切削作（zuò）用就形成了（le）低粗糙度。
 
      2) 微刃的等高切削作用. 微刃是砂輪精細修（xiū）整而成的，分布在砂輪表層同一深度上的微（wēi）刃數量多，等高性好，從而加工表麵的殘留高度極小［ .

      3) 單（dān）顆粒磨削加工過程. 磨粒是（shì）一顆具有彈性支承和大負前角切（qiē）削刃的彈（dàn）性（xìng）體，單（dān）顆磨粒磨削時在與工件接觸過程中，開始是彈性（xìng）區，繼而是塑性區、切削區、塑性區，最後是彈性區，這與（yǔ）切屑形成形狀相符（fú）合. 超精密磨削時（shí）有微切削作用、塑性流動和彈性破壞作用，同時還有（yǒu）滑擦作（zuò）用. 當刀刃鋒利，有（yǒu）一定磨削（xuē）深度時，微切削（xuē）作用較（jiào）強; 如（rú）果刀刃不夠鋒利，或磨削深（shēn）度太淺，磨粒切（qiē）削刃不能切入工件，則產生塑性流動、彈（dàn）性（xìng）破壞以（yǐ）及（jí）滑擦。
 

      4) 連續磨削加工過程. 工件連續轉動，砂輪（lún）持續（xù）切入，開始磨削係統整個部分都產生彈性變形，磨削切入（rù）量( 磨削深度) 和實際工件尺寸的減少量之間產生差值（zhí）即彈（dàn）性讓刀（dāo）量. 此後，磨削切入量逐漸變得與實際工件（jiàn）尺寸減少量相等，磨削係統（tǒng）處於穩定狀態. 最後，磨削切（qiē）入量到達給定值，但磨削係統彈性變形逐漸恢複為無切深磨削狀態 。

      2 、精密與超精密磨床的發（fā）展

     精密磨（mó）床是精密磨削加工的基礎. 當今精密磨床（chuáng）技術的發展方向是高精（jīng）度化、集成化、自動化。

     英國（guó）Cranfield 大學精密工程公司( CUPE) 是較早從事超精密磨削加工機床研製的公司，該公司研製成功的OAGM2500 大型超精密磨床是迄今為止（zhǐ）最大的超精密（mì）磨削加（jiā）工設備，主要用於光學（xué）玻璃等硬脆材料的（de）超精密磨削加（jiā）工［3，6］. CUPE 生產的Nanocentre ( 納米（mǐ）加工中心) 帶有磨（mó）頭，可進行超精密磨削，加（jiā）工工件的形狀精度可達0. 1 μm，表麵粗糙度Ra < 10 nm［3］. 2003 年英（yīng）國（guó）Cranfield 大學和Cranfield 精密（mì）工程有限公司聯合研製成功一種新型的超（chāo）精密磨（mó）床（chuáng），可在一個工序中以很高的加工效率完（wán）成矽片的（de）延性域納米磨削，獲得很好的表麵和亞表麵完整性. 據稱，用（yòng）該超精（jīng）密磨（mó）床磨削大直徑矽片可以完全代替傳統工藝的研磨和腐蝕工序，甚至有（yǒu）望取代拋光（guāng）加工。

      美國Moore Nanotechnology system 公司生產的（de）超精密磨床，采（cǎi）用的超精密靜壓導軌保持0. 3 μm 的直線度，加工幾何精度達0. 1 μm，表麵粗糙（cāo）度Ra = 5 nm［8］. 美國LLNL 實驗（yàn）室為滿足更大口徑光學零（líng）件以（yǐ）及硬脆材（cái）料光學（xué）零件的超（chāo）精密磨削加（jiā）工的需求，2006 年開發下一（yī）代超精密光學（xué）加工設備POGAL( Optic Grinder and Lathe) ，其主軸的軸向、徑向精度技術指標為50 nm。

     日本對超（chāo）精密加工技術研究比（bǐ）美國晚，它是（shì）應電（diàn）子和光學等民用工業的需（xū）求才發展（zhǎn）起（qǐ）來的. 以超精密車床為基礎，結（jié）合ELID 鏡麵磨削技術，發展了加工回轉體非（fēi）球曲（qǔ）麵的ELID 精密數控鏡麵磨床以後又發展了三坐標聯動的數控ELID 精密鏡麵磨床（chuáng），可實現精密自由曲麵的（de）鏡麵加工. 其超精密磨削加工裝備主要有東芝( TOSHIBA) 機械公司（sī）20 世紀90 年代生產的ULG － 100A ( H) 型超（chāo）精密非球麵加工機床（chuáng），機床主軸采用高剛度空氣靜壓軸承，兩軸全閉環控製，軸位移分辨率0. 01 μm. 它可加工各種光學零件（jiàn）和非球麵透鏡注射成型金屬( 銅、非電解鎳) 模具、模壓成型陶瓷( WC) 模具，成（chéng）型（xíng）模具利用金剛石刀具或砂輪進行車削和（hé）研磨加工，能達到鏡麵質量 。

      德國施奈（nài）德公司目前最典型（xíng）的精密磨削設備是非球麵超精密磨削加工中心SCGA121，該機床采用（yòng）高剛度的混凝土聚合物作床身，多軸數控（kòng），既可以進行大去除（chú）量普通砂輪磨削，也可（kě）進行杯（bēi）形砂輪磨削，同時與非球麵（miàn）拋光機床SCGA121，非球麵在線檢測係統AU 集成，可以（yǐ）實現非球麵（miàn）光學元件的超（chāo）精密、高效柔性自動化加工［6］. 德（dé）國G＆N 公司開發的Multi2Nano 全自動係列納米磨床，采用自旋轉磨削原理，裝備兩（liǎng）個砂輪主軸分別進行粗（cū）、精磨，具有3 個( 或4 個) 操作工位，自動完成矽片的粗磨、精磨、清洗或裝卸. 用於300 mm 矽片的超精密磨削可以獲得納米級的鏡麵，用於背麵磨削可將矽片（piàn）減（jiǎn）薄（báo）到100 ～ 150 μm。

      國內中科院長春光（guāng）學精密機械與（yǔ）物理研究所應用光學國家重點實驗室研製的FSGJ － I，集銑磨成形、磨邊、精密拋光（guāng）和檢測於一體。 大連理工大學精密與特（tè）種加工教育部重點實（shí）驗室正在開展基於自旋轉（zhuǎn）磨削原理的大直徑矽（guī）片超（chāo）精密磨削係統與裝備的開發與研究，並（bìng）取得了初步成果（guǒ）。

      3 、精密與超精密磨削技術的發展

     近年來，國外對精密和超精密磨削技術的開發研究獲得了不（bú）少成果，主要體現在ELID ( ElectrolyticIn process Dressing) 鏡麵磨削新工藝的（de）研究和加工矽片以及非球麵零件的應用上. 用於超精（jīng）密鏡麵磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨（mó）粒的平均粒徑可小至4 μm. 直徑300 mm 矽片的集成製造係統采用單晶金剛（gāng）石砂輪使延性磨削和光整加工可以（yǐ）在同一個裝置上進行，使矽片平麵粗糙度達到Ra <1 nm ( Ry < 5 ～ 6 nm) ，平麵度達到< 0. 2 μm/300 mm。

      日本國家理化學研（yán）究（jiū）所的大森整教授於1987 年研製成功了在線修整砂輪的ELID 鏡麵磨削新工藝. ELID 鏡麵磨削技術是利用（yòng）在線電解修整作用連（lián）續（xù）修整砂輪來獲得恒定的出刃高（gāo）度和（hé）良好的容屑空間，同（tóng）時（shí），在砂輪表麵逐漸形成一層鈍（dùn）化（huà）膜（mó），當砂輪表（biǎo）麵的磨粒磨損後，鈍（dùn）化膜被工（gōng）件表麵磨屑刮擦去除，電解過（guò）程繼（jì）續進行，對砂輪表麵進行修整，加工表麵粗糙度Ra達到（dào）0. 02 ～ 0. 01 μm，表（biǎo）麵光澤如鏡［2］. 大森整教（jiāo）授將（jiāng）ELID 技術應用於矽片自旋轉磨削工藝，實現了矽片的延性域磨削，亞表（biǎo）麵損傷（shāng）層（céng）深度< 014 μm，隻有傳統（tǒng）研磨矽片損傷層深度的（de）1 /3 ～ 1 /10［10 － 11］. Ibaraki 大學的H. Eda 等人研究了基於（yú）自旋轉磨削原理的集成磨（mó）削係（xì）統，該係統采用超磁致伸縮微驅動裝置調整砂（shā）輪（lún）主軸與工件軸的夾角控製矽片的麵型精度，應（yīng）用精密氣缸和磨削力檢測係統進行控製壓力磨削（xuē），可以在一個工序中完成矽片的延性域磨削加工和減小損傷層的磨拋( polishing-like grinding) 加工（gōng），加工（gōng）300 mm 矽片達到表麵粗糙度Ra < 1 nm，平（píng）麵度< 0. 2 μm，表麵損傷層減小到0. 1 ～ 0. 12 μm，能源消耗比傳統工藝降低70 %。
 

      美國在應用ELID 磨削技術加工電子計算機半導體微處理器方麵已取得突破性進展，在國防、航空航天及核工業等領域的應用研究也在進行. Pei Z J 等人對自旋轉磨削法精密磨削矽片的（de）加工（gōng）過程以及加工參數、砂輪粒度（dù）、冷卻（què）液供給等加工（gōng）條件對磨削力、矽片麵型精度、表麵磨削紋路、表麵粗糙度的影響進行了係統的試驗研究（jiū）。

      德國是最早（zǎo）研究ELID 磨削技（jì）術的幾個（gè）國家之（zhī）一. 在1991 年就有德國的機床廠家進行了（le）係列ELID 專用機床的設計. 此外，英、法等國對（duì）ELID 磨削技術也進行了深入的研（yán）究（jiū）.
超（chāo）精密複合加工發展很快，如流體（tǐ）拋光加工、超聲振動磨削、電化學拋光、超聲電化學拋光、放電磨削、電（diàn）化學放電修整磨削、動力懸浮研磨、磁流體研磨（mó）、磁性磨料拋光、動（dòng）磁性磨料拋光、軟粒子研磨（mó）、機械化學拋光（guāng）、擺（bǎi）動磨料流拋光和（hé）電泳磨削（xuē）技術等. 采用超聲振動磨削加工微型硬質合金刀具比不采用超聲振動時磨（mó）削直徑可減小（xiǎo）10 % ～ 20 %，長徑（jìng）比可（kě）增加50 %，能夠獲得直徑11 ～23 μm，長度50 ～ 320 μm 的（de）圓柱刀具. 電化學拋光可獲得表（biǎo）麵粗糙度50 nm，自由磨料拋光達8 nm，而將兩者結合後可達6 nm，若將磨料（liào）粒度由21 μm 換（huàn）為0. 51 μm，則可獲得2 nm 的表麵粗糙度. 采用振動磁（cí）性磨料拋光，磨料粒（lì）度90 μm，可獲得表麵粗糙度Ra為（wéi）8 nm. 經流體拋光加工零熱膨脹的玻璃陶瓷試件其表麵粗糙度Ra低於0. 1 nm，斷裂強度為546 MPa. 流（liú）體拋（pāo）光加工不鏽鋼毛細管內壁表麵粗糙度優（yōu）於（yú）Ra = 0. 5 μm。

      我（wǒ）國對精密磨削的研究尚處於初級階段，主要集中在高校. 哈爾（ěr）濱工（gōng）業大學以袁哲俊教授為首的ELID 課題組研製成功了ELID 磨（mó）削專用的脈衝電源、磨削液和砂輪，在國產機床上開發出平麵、外圓和內圓ELID 磨削（xuē）裝置，實（shí）現了多種難加工（gōng）材料的精密鏡麵磨削. 目前正積極推廣普及該技（jì）術，實現其產品化［8，15］. 東（dōng）華大學機械學院的研究者利用固結磨粒低頻振動( 頻率f 為0. 5 ～ 20 Hz、振幅為0. 5 ～ 3 mm) 壓力進給的精整加工，研究了適（shì）宜的經濟加工條件及有關參數，並驗（yàn）證了經過磨削加工後的（de）陶瓷工件，再（zài）經過超精加工可（kě）以進一步降低其表麵粗糙度，可降低（dī）2 ～ 4 個（gè）等級［16 － 17］. 清（qīng）華大學在（zài）集成電路超精密加（jiā）工設備、磁（cí）盤（pán）加工及超精密砂帶（dài）磨削和研拋、金剛石微粉砂輪（lún）超精密磨削等方麵進（jìn）行了深（shēn）入研究，並有（yǒu）相應產品問世。

      4 、今後（hòu）研究應關注的問題

      精密和（hé）超精密磨削技術在各方麵均取得迅速發展，已成為先進製造技術的關鍵技術之一. 在今的研究中應（yīng）著重關注以下幾（jǐ）個問（wèn）題（tí）: 1) 超精密磨削的基本理論和工藝研究，著重研究多顆粒磨削機（jī）理、磨削表麵生成（chéng）及影響因素等; 2) 開（kāi）發（fā）高（gāo）精度、高性能、高自（zì）動化的加工機械及測（cè）試（shì）裝置的移動導向機構及軸承; 3) 目前ELID 鏡麵磨（mó）削技術存在的（de）問題是向高（gāo）速回轉的砂輪供電非常困難，通常（cháng）采用（yòng）接觸式電刷供（gòng）電設備，該設備複雜昂貴，影響了ELID 鏡麵磨削技術的推廣應用，所以解決（jué）ELID鏡麵磨削中向高速（sù）回轉的（de）砂（shā）輪供電問題也是應關注的（de）問（wèn）題（tí）; 4) 開發適於超精（jīng）密加工並能獲得超高精度，超高表麵質量（liàng）的新（xīn）型（xíng）材料，如超微粉燒結金屬、超微粉陶瓷、非結晶半導體陶瓷、新高分子材料等。