鈉鈣玻璃微磨削表面粗糙度試驗研究

溫雪龍 鞏亞東 程 軍 武治政

東北大學，沈陽，110819

0 引言

近年來，微切削的發展很快，尤其是在微小工具和模具的制造業上，微切削在發達國家已經逐漸進入商業化階段。但目前微切削加工所得到的微尺度表面質量相對較差，所以將傳統的磨削工藝運用到微尺度領域是現今及以后的發展趨勢和重要課題。

微磨削加工主要使用磨頭直徑小于1mm的微型磨棒對工件材料進行直接的去除加工，以此來形成所需的工件表面形貌，或者對其他加工工藝形成的加工表面進行再加工，以提高工件的表面質量，達到工件的使用要求［1］。近些年來，使用磨削工藝獲得納米級粗糙度的表面質量一直是國內外磨削領域的研究熱點問題。Gatzen等［2］將游離的磨粒嵌入到軟的金屬基盤中，制成磨具，并使用它對陶瓷材料進行納米磨削，得到了極優的表面質量（Ra＝0.79nm）。Morgan等［3］對 ULE玻璃進行槽加工，得到的槽底表面粗糙度Ra達到了5.7nm；他們還研究了一種利用微電火花加工（μEDM）和線電極電火花磨削加工（WEDG）修整多晶金剛石（PCD）工具的方法，制備了直徑110μm 和1mm 的 PCD微磨棒［4－5］。

國內外學者對傳統磨削進行了大量的研究與分析，利用傳統磨削可以得到納米級的表面粗糙度，但是對微尺度磨削的試驗與分析研究還比較少。本文對鈉鈣玻璃材料進行微磨削試驗研究，進而探索磨削因素對加工質量的影響。

1 硬脆材料微磨削材料去除機理

1.1 微磨削機理

對于微磨削而言，一個個微小的磨粒可以看作是一個個小的切削刃。微磨削的加工過程中，由于磨削切深與微磨粒的刀刃圓角半徑基本上都在同一個數量級上，所以微磨粒的刃口半徑是不可以像傳統磨削加工那樣被忽視的。實際的微磨削加工過程中磨粒的切削刃應該是一條近似圓弧形的表面。當微磨削的磨削深度相對于微磨粒刃口半徑Re較小時，磨粒的刃口半徑Re的存在就更不容忽視了。傳統磨削中一般磨削深度都比較大，很少涉及最大未變形切屑厚度hm這個概念，但是對于微尺度加工，磨削的深度非常小，因此研究最大未變形切屑厚度有著重要的意義［6］。

1.2 材料的最大未變形切屑厚度

最大未變形切屑厚度是指只有當磨削的切深大于某一個臨界的切深時才會有切屑的產生。如圖1所示，當切深h小于最大未變形切屑厚度hm時，工件材料將會發生彈性變形，但是沒有材料的去除，當切深接近最大未變形切屑厚度hm時，工件由于刀具的剪切作用而形成切屑，但是工件之前發生的彈性變形依舊存在。只有當切深大于最大未變形切屑厚度時，工件材料的彈性變形的影響迅速減小，同時刀具會去除工件切深以內的所有待磨削材料，這時候才會形成磨屑［7］。

多相多晶材料在不同晶粒的切屑形成時的最大未變形切屑厚度并不同，最主要的原因是不同的晶粒在加工過程中會有不同的彈性恢復高度。由于微磨削的磨削深度h一般都比磨粒的刃口半徑Re要小，在切深達到hm之前，微磨粒刃口處的材料會慢慢堆積，這嚴重影響了磨削的即時切深。當材料的即時切深達到hm時切屑即可形成，從而實現了工件材料的去除。

最大未變形切屑厚度hm與兩個因素有關，一個是微磨粒材料和工件之間的摩擦因數μ，該因素取決于微磨粒和晶粒的物理特性。另一個因素就是刃口半徑Re。有了這兩個計算參數，就可以用下式計算hm：

其中，β是刀具材料與工件材料間的摩擦角，可以由下面的公式計算：

當刀尖滑過或者加工去除晶粒材料后，這些晶粒必然會在刀具的后刀面上產生彈性恢復。彈性恢復高度hr一般來說是由晶粒材料的彈性模量E決定的，它可由下面的公式來確定：

當σ≤σp時，hr為

當σ＞σp時，hr為

其中，σp為每一個晶粒的比例應力極限，σ為施加在晶粒上的擠壓應力，由下面的公式計算：

由上文可知：當σ≤σp時，工件僅僅發生彈性形變，并沒有切屑的產生；當σ＞σp時，工件除了發生彈性形變之外，還要發生塑性變形［8］。

2 硬脆材料微磨削試驗研究

2.1 試驗與檢測設備

試驗設備如圖2所示，試驗所用三維微機械加工機床的尺寸為400mm×320mm×100mm，并且有50mm×50mm×50mm的工作空間。該機床由三臺精密直線電機驅動，并采用高精度光柵尺作為位置反饋系統，具備x、y、z三個方向10nm的分辨率和50mm的行程。機床配備有一臺高速氣動主軸，工作氣壓范圍為0.3～0.5MPa，對應的主軸轉速為120 000～160 000 r／min。機床還配備一個CCD立體顯微系統作為監視裝置，有40～240倍的放大能力，對整個微加工過程進行監測。整臺機床由基于運動控制器的開放式數控系統進行控制，并且配套有G代碼編程能力的人機界面交互軟件。

圖2 試驗設備

檢測設備有超景深顯微鏡，能夠在需要的測量倍數上測量出工件的二維與三維照片，低倍鏡的放大倍數最大為200倍，高倍鏡的放大倍數最大為5000倍。非接觸式三維輪廓儀，可以檢測微磨削加工對工件表面產生的影響、加工后工件的表面粗糙度數值，以及合成的三維形貌等。

2.2 微磨削試驗方案設計

本次試驗采用直徑為3mm、磨粒粒度為200號和500號的磨粒微磨棒，分別進行200號磨粒微磨棒粗磨與500號磨粒微磨棒精磨的三因素三水平槽磨正交試驗，其試驗方案如表1、表2所示，用以研究工作臺進給速度、磨削深度、機床主軸轉速對微磨削表面粗糙度的影響。

表1 微磨削槽磨粗磨（200號磨粒）三因素三水平試驗方案

表2 微磨削槽磨精磨（500號磨粒）三因素三水平試驗方案

為了進一步觀察同一個磨粒粒度的不同磨棒直徑對工件表面粗糙度的影響，針對500號磨粒微磨棒，在所有加工參數相同的情況下，設計一組磨棒磨頭直徑分別為0.6mm與0.9mm的對比試驗，進一步研究影響槽磨加工的表面粗糙度數的因素。

3 試驗結果分析

通過對鈉鈣玻璃材料進行溝槽的微磨削加工試驗，得到不同加工條件下的加工工件表面粗糙度值，如表3、表4所示，其中表4列出了500號磨粒磨頭直徑分別為0.6mm和0.9mm兩種微磨棒加工后得到的工件表面粗糙度Ra1和Ra2。

表3 200號磨粒槽磨試驗數據

表4 500號磨粒（磨頭直徑分別為0.6mm、0.9mm）槽磨試驗數據

3.1 不同進給速度對加工表面粗糙度的影響

進給速度直接影響切削力，較大的切削力將導致刀具偏移，加速刀具磨損并發生斷裂。根據試驗結果可以發現，微磨削加工后工件的表面粗糙度值與進給速度之間大致成線性關系，在微磨削過程中，工件材料都存在彈性恢復，只不過對于不同的晶粒材料，其彈性恢復高度值不一樣，根據式（4），加工過程中如果采用比較小的進給量，那么施加在晶粒上的擠壓應力較小，這樣能夠有效地減低工件的彈性恢復高度值，微磨削加工時工件的表面粗糙度值一般隨工件進給速度vw和磨削速度vs的比值（vw／vs）的增大而增大，在磨削速度vs一定的情況下，減小工件進給速度可以減小工件的表面粗糙度值，進而改善加工后工件的表面質量。從圖3可以看出，隨著進給速度的增大，工件的表面粗糙度值呈明顯上升趨勢，加工后的表面質量也越差。

3.2 磨削深度對加工表面粗糙度的影響

微加工過程中，由于存在最大未變形切屑厚度值的問題，所以磨削深度不能太小，否則工件材料就只能發生彈性形變，沒有材料的去除。在微磨削試驗中發現，當磨削深度值增大時，工件的表面粗糙度值隨著增大，但是達到一定的深度后如果磨削深度繼續增大，工件的表面粗糙度值會有一個下降的趨勢，如圖4所示。這是因為對于磨屑而言，隨著磨削深度的增大，磨屑的排出就越困難，更多的磨屑會堵塞在磨棒上面，導致磨棒與工件材料相接觸的有效磨粒數減少，影響磨削的表面質量。但是當磨削深度達到一定的數值再繼續增大的話，微磨削中發生在材料晶粒之間的斷裂會大幅度減小，更多的磨屑是在晶界之間產生的，由此斷裂的毛刺會減少很多，這就不難解釋隨著磨削深度的增大，工件表面粗糙度值會有一個減小的趨勢。這其實也是傳統工業上采用的提高加工效率的緩進給大縱深的磨削方式。

圖3 不同磨粒磨棒進給速度對工件表面粗糙度的影響

圖4 不同磨粒磨棒磨削深度對工件表面粗糙度的影響

3.3 主軸轉速對加工表面粗糙度的影響

微磨削加工過程中，由于微磨棒的直徑過小，一般為3mm左右，磨頭直徑一般小于1mm，所以相對傳統加工來說，即使微加工有更高的主軸轉速，磨粒的實際線速度也很小。本試驗中由于微加工機床采用的是高速的氣動主軸，能夠提供最大150 000r／min的轉速，相對來說，磨粒的線速度能夠達到7m／s左右。由圖5可知，磨粒的線速度越高，所得到的工件的表面粗糙度值越小，在高速加工過程中甚至能夠得到延性域相對比較好的表面。所以在微加工過程中，我們應該盡量使用高的主軸轉速。

3.4 不同磨頭直徑下磨削參數對工件表面粗糙度的影響

圖5 不同磨粒磨棒主軸轉速對工件表面粗糙度的影響

從圖6～圖8可以看出，用500號磨粒微磨棒加工得到的表面質量比200號磨粒微磨棒加工得到的表面質量更好。兩種直徑的微磨棒同樣是進給速度越小主軸轉速越高，工件的表面粗糙度越低，加工表面質量越好。磨削深度值增大時，工件的表面粗糙度值隨著增大，達到一定的深度后，如果磨削深度繼續增大，工件的表面粗糙度值會有一個下降的趨勢。這些變化規律與用200號磨粒微磨棒加工時所得到的規律基本一樣，但是用直徑0.9mm磨頭磨削加工后的工件表面粗糙度值比用直徑0.6mm磨頭加工后的工件表面粗糙度值要小，這主要是因為直徑0.9mm的磨頭直徑大，磨頭表面的磨粒數量要比直徑0.6mm的多，在其他加工參數相同的情況下，轉化成磨粒的線速度就越大，磨削效率越高，單位時間內通過工件單位面積的磨粒數越多，所以加工之后工件的表面質量就會相應好一些，這也啟示我們在以后的加工中盡可能使用磨頭直徑比較大的磨棒來進行磨削加工。

圖6 不同直徑磨棒磨削深度的影響

圖7 不同直徑磨棒進給速度的影響

圖8 不同直徑磨棒主軸轉速的影響

3.5 主軸轉速單因素試驗研究

經試驗研究，200號磨粒磨削時進給速度對工件表面粗糙度的影響較大，而500號磨粒磨削時主軸轉速對工件表面粗糙度的影響較大，綜合比較，機床主軸轉速對工件表面粗糙度的影響較大，如圖9所示。

圖9 不同加工參數對工件表面粗糙度的影響

為了進一步驗證這個結論，我們又進行了一組關于機床主軸轉速的單因素槽磨試驗，設定進給速度為10μm／s，磨削深度為10μm，所得試驗結果如表5所示。

表5 主軸轉速單因素試驗數據處理表

圖10所示為200號磨粒微磨棒主軸轉速對表面粗糙度的影響，可以明顯地看出：機床主軸轉速從35 000r／min升高到120 000r／min，工件加工表面粗糙度由490nm下降到137nm，即機床的主軸轉速越高，加工工件的表面質量越好。

圖10 200號磨粒微磨棒主軸轉速對表面粗糙度的影響

4 結論

（1）通過微磨削試驗，得出了進給速度、主軸轉速和磨削深度對加工表面質量的影響規律。用200號磨粒的微磨棒進行加工，工作臺進給速度從500μm／s下降到100μm／s，加工工件表面粗糙度Ra由999nm下降到373nm；主軸轉速從35 000 r／min增加到120 000r／min，加工工件表面粗糙度Ra由607nm下降到321nm。隨著進給速度的不斷減小，磨削速度的不斷增大，加工工件的表面質量越來越高。用500號磨粒的微磨棒進行加工，得到同樣的變化規律，只是加工后的表面粗糙度Ra更小，可以達到137nm，加工質量更高。

（2）當磨削深度不斷增大時，工件的表面粗糙度Ra隨著增大，但是磨削深度達到一定的大小時，如果磨削深度繼續增加，工件的表面粗糙度Ra會有一個下降的趨勢。用500號磨粒的微磨棒加工時較為明顯，當磨削深度為10μm，加工后的表面粗糙度Ra為273nm，隨著磨削深度增大到15μm，加工后的表面粗糙度Ra為457nm，磨削深度繼續增大到20μm，加工工件表面粗糙度Ra為293nm。所以，在微磨削加工過程中我們要選擇合適的磨削深度，既不能偏大，也不能偏小。

（3）綜合分析比較，兩種磨粒的微磨棒加工過程中主軸轉速對加工質量的影響最大。通過對500號磨粒微磨棒單因素試驗研究，當主軸轉速提高到120 000r／min，加工表面粗糙度Ra可以達到137nm，所以微磨削過程中一定要保證較高的主軸轉速。

［1］藺佳.微尺度磨削方法與表面質量的研究［D］.沈陽：東北大學，2009.

［2］Gatzen H H，Maetzig J C.Nanogrinding［J］.Precision Engineering，1997，21：134－139.

［3］Morgan C J，Vallance R R，Marsh E R.Specific Grinding Energy While Microgrinding Tungsten Carbide with Polycrystalline Diamond Micro Tools［C］／／ICOMM－2007 2nd International Conference on Micro－Manufacturing.Greenville，South Carolina，USA，2007：180－187.

［4］Morgan C J，Vallance R R，Marsh E R.Micro－machining and Micro－grinding with Tools Fabricated by Micro Electro－discharge Machining［J］.Nanomanufacturing，2006，1（2）：242－258.

［5］Vallance R R，Morgan C J，Shreve S M，et al.Micro－tool Characterization Using Scanning White Light Interferometry［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2004，14：1234－1243.

［6］Weule H，Huntrup V，Tritschler H.Micro－cutting of Steel to Meet New Requirements in Miniaturization［J］.Annals of the CIRP，2001，50：61－64.

［7］馬爾金S.磨削技術理論與應用［M］.蔡光起，鞏亞東，宋貴亮，譯.沈陽：東北大學出版社，2002.

［8］Moriwaki T.Experimental Analysis of Ultra－precision Machining［J］.Precision Engng.，1995，29（4）：287－290.