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精密和超精密加工技术的新进展www.tool-tool.com
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1．概述
精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
我 国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我 国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口 的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设 备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为 57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。
由 于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和 科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。下面对 国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。
2．精密机床技术的发展
精 密机床是精密加工的基础。当今精密机床技术的发展方向是：在继续提高精度的基础上，采用高速切削以提高加工效率，同时采用先进数控技术提高其自动化水 平。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统，成为一台加工中心；同时为实现高速切削，已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达5μm，已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能可以看出，现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。
3．使用金刚石刀具的超精密切削技术3.1 超精密切削技术的进展
金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份，不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。
使用单晶金刚石刀具在 超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃 口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM）方便地进行测量。
3.2 超精密切削机理的研究
对 超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。例如，超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而获得镜面，这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切 除的脆塑转换问题，最近对此提出了不少新见解。由超精密切削玻璃的实验结果可见，开始时切削厚度甚小，切除机理为塑性去除，加工表面无脆性破损痕迹。随着 切削厚度的增大，塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除，加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。
目前，使用计算机仿真和分子动力学 模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识，同时可以对超精 密切削效果作出比较准确的预报。由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到，由于晶体 的各向异性，导致在不同方向的切削力是不相等的。利用对超精密切削过程的分子动力学模拟，可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析，并能 对切除过程进行动画演示。
3.3 新的金刚石刀具晶体定向方法
由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。
4．超精密加工机床的进展
4.1 国外超精密机床的发展情况
研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。
美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。
英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。
日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。
4.2 我国超精密机床的发展情况
在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。
我 国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超 精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制 了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。
在 大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零 件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。
在多功能和高效专用超精密机床方面，目前我国基本上仍是空白。
5．精密磨削和精密研磨技术的发展
5.1 精密镜面磨削技术的发展
近 年来，国外对精密磨削和精密研磨技术的研究开发获得了不少成果和进展。日本国家理化学研究所的大森整教授研制成功了在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工 艺，可以对多种不同材料（如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅片等）零件的平面、外圆和内孔进行镜面磨削。ELID镜面磨削使用特制的铁基结合剂细粒度金 刚石（或CBN）砂轮，在磨削时在线对砂轮进行电解修整，电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削液（要求这种电解液不腐蚀机床）。用ELID镜面磨削新工艺 磨出的不同试件（光学玻璃平面、硅片平面和陶瓷内孔）的磨削表面粗糙度可以达到镜面水平（Ra=0.02～0.01μm）。ELID精密镜面磨削工艺具有 极好的生产应用前景。现在我国哈尔滨工业大学已研究并掌握了这项精密磨削新工艺。
5.2 精密平面研磨技术的发展
精 密研磨技术近年来亦有不少进展，特别是用于制造大规模集成电路的大直径硅基片的精研技术有很大提高。硅基片的表面质量要求极严，不仅要求表面粗糙度值极 小、无划伤、平面度好，而且要求表面无加工变质层。我国现在己能生产8吋的硅基片，正在研制加工10吋的硅基片，但都是采用国外引进工艺和使用进口设备。 我国亟需自主研究开发10～12吋硅基片的制造工艺和生产设备。
6．非球曲面精密加工技术的进展
6.1 非球曲面磨削技术的发展
目前，高精度非球曲面和自由曲面的应用日趋广泛，相应的加工制造技术亦发展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控镜面磨床，以后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在国外生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种可用于磨制各种精密自由曲面的多坐标数控磨床。
6.2 精密自由曲面抛光技术的发展
高 精度自由曲面现在多数采用抛光工艺作为最终加工工序。目前国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床。如日本Canon公司用于曲面光学镜片 最终抛光加工的精密曲面抛光机床，它具有三坐标数控系统，采用在线测量。加工曲面时，可根据实测的镜片曲面误差，控制抛光头的抛光时间和压力，使曲面抛光 工艺实现了半自动化。
美国以前已研制出大型六轴数控精密研磨机，用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡莱罗那州制造了直径8.4m的大型光学反射镜。制造该大型光学反射镜时，并未制造相应的大型研磨抛光机床，而是采用现场光学玻璃熔化铸造，在现场用多路激光对反射镜的型面进行在线精度检测，然后根据测得的几何形状误差，用带研磨头的小型设备进行局部研磨抛光，用“蚂蚁啃骨头”的方法成功研制出来大型高精度光学反射镜。
6.3 精密曲面磁流体抛光技术
国外最近发展了两种新型的曲面精密研磨抛光加工方法，第一种方法是用磁流体进行抛光；第二种方法用气囊进行抛光。
磁流体抛光的原理是采用永久磁铁或电磁铁工具，将混有磨料的 磁流体吸附在工具端部，对工件表面进行抛光。电磁铁工具通电后，磁流体吸附在反射镜工具的端部进行抛光加工，由于磁流体外形可随工件外形自动变化，因此对 磁铁工具的外形要求不严格，较易加工制造。除可用平面工具吸附磁流体进行抛光外，也可采用杆状工具，一端吸附磁流体，代替立铣刀在多轴数控联动机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光加工可获得很高的表面质量。
6.4 精密曲面气囊抛光技术
气囊抛光工艺是不久前由英国Zeeko公司研制成功的一种加工精密曲面的新方法。抛光工具的工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊，抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对进给运动（一般是工件作三轴联动的进给运动），使工件的全部表面都能被抛光。抛光时，工具气囊还需同时作摆动（摆动中心为汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜层磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。这种新的曲面抛光方法可用于加工非球回转曲面，也可用于加工自由曲面，抛光表面质量极高。
7．超大规模集成电路制造技术的进展
在过去30年里，集成电路技术获得了飞跃性发展，现以全球最大的芯片制造商英特尔（Intel）公司的计算机芯片为例，简要说明集成电路的发展情况。
英 特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来，已更新换代十多次。在这一次次的更新换代中，芯片的性能和集成度得到了大幅度提高。1971年英特尔公司 4004芯片的时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为10μm；1999年英特尔公司的Pentium III芯片（奔腾ΙΙΙ芯片），时钟速度已高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内，有2800万个晶体管，最小线宽为0.18μm；2001年3月 英特尔公司推出的Pentium 4芯片的时钟速度达1.7GHz，最小线宽为0.13μm，在面积为116mm2的芯片内包含的晶体管超过了4200万个。英特尔公司计划到2011年， 芯片时钟速度达到10GHz。30年来，计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10μm缩小到0.13μm。最近新的芯片时钟速 度已高达2.8～3.2GHz。
现在制造集成电路的光刻技术使用的光波为紫外光（波长0.24μm），已达到的最小线宽为 0.13μm。从理论上分析，光刻加工技术的极限线宽为 0.1～0.08μm。在光刻加工中，最小线宽与光波波长有关（光刻时的光斑直径等于半波长）。目前国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻加 工的线宽，这就需要使用波长更短的超紫外光作为曝光光源。使用超紫外光的光刻方法将有可能使光刻线宽达到70nm以下，但超紫外光会被空气吸收，因此光刻 需在真空中进行，这对于大规模工业生产将增添不少困难。现在国外制造的超大规模集成电路使用10～12吋晶片，用数控柔性生产线加工制造，可以很快试制出 新设计的集成电路块，并能小批量生产集成电路，价格也不贵。
我国的微电子工业近年来获得了飞速发展，已能生产多种较复杂的 大规模集成电路芯片，但使用的加工设备和生产工艺基本都是从国外引进的，因此最新的前沿技术 仍然掌握在外国人手中。我国现在制造大规模集成电路的水平是：已能用8吋硅晶片生产制造大规模集成电路，光刻能达到的最小线宽为0.18μm。我们正在努 力自主研发10～12吋硅晶片和线宽0.13～0.1μm的超大规模集成电路制造技术，希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先进水平。
8．微型零件、微型机械和微机电系统的精密制造技术新进展
随着纳米技术的迅速发展和应用范围日趋广泛，微型机械、微机电系统技术以及相应的精密微细加工、微型零件及微机械精密制造技术亦获得了快速发展。为了制造微型零件和微机械，精微机械加工发展迅速，现己达到较高水平。精微电火花加 工、精微超声振动加工、精微准分子激光加工、精微塑性成型加工等均已用于加工精度达微米级尺度的微小机构零件。此外，还发展了不少专用的新工艺，如立体光 刻技术、LIGA技术、牺牲层工艺等。并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机械制造厂等。下面只简要介绍精密微细机械加工技术的最新进展。
8.1 用SPM探针直接对试件进行雕刻加工
原 子力显微镜（AFM）的探针尖一般是用高硬度材料（如金刚石或Si3N4材料）制成，因此可以用探针尖对试件表面直接进行刻划加工，令针尖按微结构要求 的形状尺寸进行扫描，通过准确控制针尖的的作用力来控制刻划深度，即可获得具有精确形状要求的微小图形结构。AFM还可以进行精确的在线测量，以保证刻划 加工件的精度。
用AFM探针可以刻划出极微小精密的三维立体图形结构。如哈工大纳米技术中心用AFM探针尖雕刻加工出三个 不同的微图形结构。其中，由“HIT”图形结构 的截形可看出，用这种方法可雕刻出沟槽侧壁陡峭、表面光滑的深窄沟槽；另一个是是一个直径约20μm，深度约350nm的圆形凹坑结构；第三个是由4个 4μm×4μm方形凹槽组成的微结构。从上面的实例可看出，用AFM针尖可以在试件表面直接雕刻出具有较高精度和不同图形的微结构。
8.2 精微机械加工
精 微机械加工是制造微机械及微机电系统中的微型器件的重要方法，其特点是能够加工复杂微结构，加工精度、加工质量和加工效率均较高。近年来开发出了多种能 够高精度、高效率加工微型零件的精密微型机床。现在已能用金刚刀具车削出直径10～20μm的微针；使用精密磨削加工出φ8μm的钨针；使用微钻头加工出直径30～50μm的微孔。
现在国外已生产出主轴转速高达100000r/min的微型铣床和加工中心，可使用微型立铣刀进 行微结构的精密铣削；国外还生产出了能加工自由曲面的多坐标联动加工中心，例如日本Fanuc公司生产的加工微型零件的ROBOnano Ui五轴联动加工中心，它的主轴采用空气轴承，回转精度为0.05μm，转速为50000～100000r/min，直线运动的X，Y，Z方向数控系统分 辨率为1nm，工作台上回转台的B轴和铣削主轴倾斜的C轴均可转动360°，分辨率为0.00001°。
用ROBOnano Ui五轴联动加工中心可加工出不同截形的微槽，其中一种V形槽材料为含P的镍，齿距25μm，V形角77°；另一种V形槽材料为无氧铜，齿距100μm， V形角50º；还有一种是平行的窄深槽，材料为黄铜，齿距35μm，槽深100μm，侧面倾斜1.5°，加工件的齿距误差80nm，深度误差9.4μm。 由此可知，用精微机械可以加工出表面光洁、精度很高、尖角尖锐的微V形槽和窄深槽。
用这台ROBOnano Ui五轴联动加工中心还可以加工自由曲面的微型工件。用这台加工中心加工出自由曲面微型工件。加工时使用微型单晶金刚石立铣刀，在多轴联动条件下，在1mm直径的表面上加工出人面浮雕像。此外，还在1.16mm×1.16mm硅表面上加工出4×4阵列的凸面镜，凸面镜直径236μm，高度16μm，镜面曲率半径448μm，加工表面光洁。
精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
我 国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我 国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口 的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设 备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为 57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。
由 于国外一些重要的高精度机床设备和仪器对我国实行封锁禁运，而这些精密设备仪器正是我国发展国防工业和尖端技术所迫切需要的，因此，为了使我国的国防和 科技发展不受制于人，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工技术，争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。下面对 国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。
2．精密机床技术的发展
精 密机床是精密加工的基础。当今精密机床技术的发展方向是：在继续提高精度的基础上，采用高速切削以提高加工效率，同时采用先进数控技术提高其自动化水 平。瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世，该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统，成为一台加工中心；同时为实现高速切削，已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min，定位精度达5μm，已达到过去坐标镗床的精度。从这两台机床的性能可以看出，现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。
3．使用金刚石刀具的超精密切削技术3.1 超精密切削技术的进展
金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份，不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。
使用单晶金刚石刀具在 超精密机床上进行超精密切削，可以加工出光洁度极高的镜面。超精密切削的切削厚度可极小，最小切削厚度可至1nm。超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃 口极为锋锐，刃口半径在0.5～0.01μm。因刃口半径甚小，过去对刃口的测量极为困难，现在已可用原子力显微镜（AFM）方便地进行测量。
3.2 超精密切削机理的研究
对 超精密切削机理的研究近年来有了不少进展。例如，超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生脆性破裂痕迹而获得镜面，这涉及到极薄切削时脆性材料塑性切 除的脆塑转换问题，最近对此提出了不少新见解。由超精密切削玻璃的实验结果可见，开始时切削厚度甚小，切除机理为塑性去除，加工表面无脆性破损痕迹。随着 切削厚度的增大，塑性切除逐渐转化为脆性破裂去除，加工表面可见到明显的脆性破损痕迹。
目前，使用计算机仿真和分子动力学 模拟等方法对超精密切削过程及机理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削去除机理的认识，同时可以对超精 密切削效果作出比较准确的预报。由超精密切削所形成加工表面的计算机仿真模拟预测和计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力可以看到，由于晶体 的各向异性，导致在不同方向的切削力是不相等的。利用对超精密切削过程的分子动力学模拟，可以对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析，并能 对切除过程进行动画演示。
3.3 新的金刚石刀具晶体定向方法
由于金刚石硬度极高，且晶体各向异性，因此单晶金刚石刀具的刃磨极为困难。制造金刚石刀具及刃磨时都需要对晶体定向，过去的晶体定向方法主要是使用X光晶体定向仪，仪器昂贵，且定向操作相当繁琐。哈尔滨工业大学成功开发了一种新的激光晶体定向方法，所用设备较简单，且定向操作方便，可使金刚石晶体定向大大简化。
4．超精密加工机床的进展
4.1 国外超精密机床的发展情况
研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是：进一步提高超精密机床的精度，发展大型超精密机床，发展多功能和高效专用超精密机床。
美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。
英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。
日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。
4.2 我国超精密机床的发展情况
在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。
我 国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床，如北京机床研究所研制的加工直径800mm的超 精密车床和哈尔滨工业大学研制的超精密车床，这两台机床均有两坐标精密数控系统和两坐标激光在线测量系统，可以加工非球回转曲面；还有哈尔滨工业大学研制 了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频，是大功率激光系统中的重要元件。必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。
在 大型超精密机床方面，目前美、英、俄等国都拥有自行开发的大型超精密机床，而我国由于没有大型超精密机床，因此无法加工大直径曲面反射镜等大型超精密零 件，国外对这些大型超精密零件的出口有严格限制，从而严重影响了我国国防尖端技术的发展。现在我国正在加紧研制加工直径1m以上的立式超精密机床。
在多功能和高效专用超精密机床方面，目前我国基本上仍是空白。
5．精密磨削和精密研磨技术的发展
5.1 精密镜面磨削技术的发展
近 年来，国外对精密磨削和精密研磨技术的研究开发获得了不少成果和进展。日本国家理化学研究所的大森整教授研制成功了在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工 艺，可以对多种不同材料（如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃、硅片等）零件的平面、外圆和内孔进行镜面磨削。ELID镜面磨削使用特制的铁基结合剂细粒度金 刚石（或CBN）砂轮，在磨削时在线对砂轮进行电解修整，电解修整砂轮用的电解液同时用作磨削液（要求这种电解液不腐蚀机床）。用ELID镜面磨削新工艺 磨出的不同试件（光学玻璃平面、硅片平面和陶瓷内孔）的磨削表面粗糙度可以达到镜面水平（Ra=0.02～0.01μm）。ELID精密镜面磨削工艺具有 极好的生产应用前景。现在我国哈尔滨工业大学已研究并掌握了这项精密磨削新工艺。
5.2 精密平面研磨技术的发展
精 密研磨技术近年来亦有不少进展，特别是用于制造大规模集成电路的大直径硅基片的精研技术有很大提高。硅基片的表面质量要求极严，不仅要求表面粗糙度值极 小、无划伤、平面度好，而且要求表面无加工变质层。我国现在己能生产8吋的硅基片，正在研制加工10吋的硅基片，但都是采用国外引进工艺和使用进口设备。 我国亟需自主研究开发10～12吋硅基片的制造工艺和生产设备。
6．非球曲面精密加工技术的进展
6.1 非球曲面磨削技术的发展
目前，高精度非球曲面和自由曲面的应用日趋广泛，相应的加工制造技术亦发展迅速。高精度非球曲面和自由曲面可采用磨削方法加工。日本以超精密车床为基础，结合ELID镜面磨削技术，发展了加工回转体非球曲面的ELID精密数控镜面磨床，以后又发展了三坐标联动的数控ELID精密镜面磨床，可实现精密自由曲面的镜面加工。现在国外生产的超精密数控金刚石车床一般都带有磨头，可用磨头替代金刚石车刀磨制回转体非球曲面。国外还发展了多种可用于磨制各种精密自由曲面的多坐标数控磨床。
6.2 精密自由曲面抛光技术的发展
高 精度自由曲面现在多数采用抛光工艺作为最终加工工序。目前国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机床。如日本Canon公司用于曲面光学镜片 最终抛光加工的精密曲面抛光机床，它具有三坐标数控系统，采用在线测量。加工曲面时，可根据实测的镜片曲面误差，控制抛光头的抛光时间和压力，使曲面抛光 工艺实现了半自动化。
美国以前已研制出大型六轴数控精密研磨机，用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡莱罗那州制造了直径8.4m的大型光学反射镜。制造该大型光学反射镜时，并未制造相应的大型研磨抛光机床，而是采用现场光学玻璃熔化铸造，在现场用多路激光对反射镜的型面进行在线精度检测，然后根据测得的几何形状误差，用带研磨头的小型设备进行局部研磨抛光，用“蚂蚁啃骨头”的方法成功研制出来大型高精度光学反射镜。
6.3 精密曲面磁流体抛光技术
国外最近发展了两种新型的曲面精密研磨抛光加工方法，第一种方法是用磁流体进行抛光；第二种方法用气囊进行抛光。
磁流体抛光的原理是采用永久磁铁或电磁铁工具，将混有磨料的 磁流体吸附在工具端部，对工件表面进行抛光。电磁铁工具通电后，磁流体吸附在反射镜工具的端部进行抛光加工，由于磁流体外形可随工件外形自动变化，因此对 磁铁工具的外形要求不严格，较易加工制造。除可用平面工具吸附磁流体进行抛光外，也可采用杆状工具，一端吸附磁流体，代替立铣刀在多轴数控联动机床上对自由曲面进行抛光。磁流体抛光加工可获得很高的表面质量。
6.4 精密曲面气囊抛光技术
气囊抛光工艺是不久前由英国Zeeko公司研制成功的一种加工精密曲面的新方法。抛光工具的工作端是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊，抛光工作时，工具气囊旋转形成抛光运动，工件对气囊抛光工具作相对进给运动（一般是工件作三轴联动的进给运动），使工件的全部表面都能被抛光。抛光时，工具气囊还需同时作摆动（摆动中心为汽囊曲面的曲率中心），以使磨料薄膜层磨损均匀。由于工具气囊充气后具有弹性，可以自动适应工件的曲面形状，故同一工具可用于抛光加工外形曲率不同（但需相近）的曲面。这种新的曲面抛光方法可用于加工非球回转曲面，也可用于加工自由曲面，抛光表面质量极高。
7．超大规模集成电路制造技术的进展
在过去30年里，集成电路技术获得了飞跃性发展，现以全球最大的芯片制造商英特尔（Intel）公司的计算机芯片为例，简要说明集成电路的发展情况。
英 特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来，已更新换代十多次。在这一次次的更新换代中，芯片的性能和集成度得到了大幅度提高。1971年英特尔公司 4004芯片的时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为10μm；1999年英特尔公司的Pentium III芯片（奔腾ΙΙΙ芯片），时钟速度已高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内，有2800万个晶体管，最小线宽为0.18μm；2001年3月 英特尔公司推出的Pentium 4芯片的时钟速度达1.7GHz，最小线宽为0.13μm，在面积为116mm2的芯片内包含的晶体管超过了4200万个。英特尔公司计划到2011年， 芯片时钟速度达到10GHz。30年来，计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10μm缩小到0.13μm。最近新的芯片时钟速 度已高达2.8～3.2GHz。
现在制造集成电路的光刻技术使用的光波为紫外光（波长0.24μm），已达到的最小线宽为 0.13μm。从理论上分析，光刻加工技术的极限线宽为 0.1～0.08μm。在光刻加工中，最小线宽与光波波长有关（光刻时的光斑直径等于半波长）。目前国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻加 工的线宽，这就需要使用波长更短的超紫外光作为曝光光源。使用超紫外光的光刻方法将有可能使光刻线宽达到70nm以下，但超紫外光会被空气吸收，因此光刻 需在真空中进行，这对于大规模工业生产将增添不少困难。现在国外制造的超大规模集成电路使用10～12吋晶片，用数控柔性生产线加工制造，可以很快试制出 新设计的集成电路块，并能小批量生产集成电路，价格也不贵。
我国的微电子工业近年来获得了飞速发展，已能生产多种较复杂的 大规模集成电路芯片，但使用的加工设备和生产工艺基本都是从国外引进的，因此最新的前沿技术 仍然掌握在外国人手中。我国现在制造大规模集成电路的水平是：已能用8吋硅晶片生产制造大规模集成电路，光刻能达到的最小线宽为0.18μm。我们正在努 力自主研发10～12吋硅晶片和线宽0.13～0.1μm的超大规模集成电路制造技术，希望微电子工业的制造水平能尽快赶上世界先进水平。
8．微型零件、微型机械和微机电系统的精密制造技术新进展
随着纳米技术的迅速发展和应用范围日趋广泛，微型机械、微机电系统技术以及相应的精密微细加工、微型零件及微机械精密制造技术亦获得了快速发展。为了制造微型零件和微机械，精微机械加工发展迅速，现己达到较高水平。精微电火花加 工、精微超声振动加工、精微准分子激光加工、精微塑性成型加工等均已用于加工精度达微米级尺度的微小机构零件。此外，还发展了不少专用的新工艺，如立体光 刻技术、LIGA技术、牺牲层工艺等。并已开发了微型机械的自动装配技术和微型机械制造厂等。下面只简要介绍精密微细机械加工技术的最新进展。
8.1 用SPM探针直接对试件进行雕刻加工
原 子力显微镜（AFM）的探针尖一般是用高硬度材料（如金刚石或Si3N4材料）制成，因此可以用探针尖对试件表面直接进行刻划加工，令针尖按微结构要求 的形状尺寸进行扫描，通过准确控制针尖的的作用力来控制刻划深度，即可获得具有精确形状要求的微小图形结构。AFM还可以进行精确的在线测量，以保证刻划 加工件的精度。
用AFM探针可以刻划出极微小精密的三维立体图形结构。如哈工大纳米技术中心用AFM探针尖雕刻加工出三个 不同的微图形结构。其中，由“HIT”图形结构 的截形可看出，用这种方法可雕刻出沟槽侧壁陡峭、表面光滑的深窄沟槽；另一个是是一个直径约20μm，深度约350nm的圆形凹坑结构；第三个是由4个 4μm×4μm方形凹槽组成的微结构。从上面的实例可看出，用AFM针尖可以在试件表面直接雕刻出具有较高精度和不同图形的微结构。
8.2 精微机械加工
精 微机械加工是制造微机械及微机电系统中的微型器件的重要方法，其特点是能够加工复杂微结构，加工精度、加工质量和加工效率均较高。近年来开发出了多种能 够高精度、高效率加工微型零件的精密微型机床。现在已能用金刚刀具车削出直径10～20μm的微针；使用精密磨削加工出φ8μm的钨针；使用微钻头加工出直径30～50μm的微孔。
现在国外已生产出主轴转速高达100000r/min的微型铣床和加工中心，可使用微型立铣刀进 行微结构的精密铣削；国外还生产出了能加工自由曲面的多坐标联动加工中心，例如日本Fanuc公司生产的加工微型零件的ROBOnano Ui五轴联动加工中心，它的主轴采用空气轴承，回转精度为0.05μm，转速为50000～100000r/min，直线运动的X，Y，Z方向数控系统分 辨率为1nm，工作台上回转台的B轴和铣削主轴倾斜的C轴均可转动360°，分辨率为0.00001°。
用ROBOnano Ui五轴联动加工中心可加工出不同截形的微槽，其中一种V形槽材料为含P的镍，齿距25μm，V形角77°；另一种V形槽材料为无氧铜，齿距100μm， V形角50º；还有一种是平行的窄深槽，材料为黄铜，齿距35μm，槽深100μm，侧面倾斜1.5°，加工件的齿距误差80nm，深度误差9.4μm。 由此可知，用精微机械可以加工出表面光洁、精度很高、尖角尖锐的微V形槽和窄深槽。
用这台ROBOnano Ui五轴联动加工中心还可以加工自由曲面的微型工件。用这台加工中心加工出自由曲面微型工件。加工时使用微型单晶金刚石立铣刀，在多轴联动条件下，在1mm直径的表面上加工出人面浮雕像。此外，还在1.16mm×1.16mm硅表面上加工出4×4阵列的凸面镜，凸面镜直径236μm，高度16μm，镜面曲率半径448μm，加工表面光洁。
- May 06 Tue 2008 10:42
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精密和超精密磨削www.tool-tool.com
Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.1．精密和超精密磨削的技术关键
在 工具和模具制造中，磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性的作用。在磨削脆性材料时，由于材料本身的物理 特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后的表面比较粗糙。在某些应用场合如光学元件，这样的粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件的表面粗糙度，但由于很难控 制形状精度，抛光后经常会降低。为了解决这一矛盾，在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构相继推回了两种新的磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）和镜面磨削（Mirror Grinding）。
(1）塑性磨削它主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的 切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削 （Shere Mode Grindins）。由此磨削后的表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时的元规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。
塑 性磨削的机理至今不十分清楚在切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般来说， 临界切削深度在100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。根据这一理论，有些人提出了一种观点，即塑性磨削要靠特 殊磨床来实现。这种特殊磨床必须满足如下要求：
l）极高的定位精度和运动精度。以免因磨粒的切削深度超过100μm时，导致转变为脆性磨削。
2）极高的刚性。因为塑性磨削的切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性太低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。
对 形成塑性磨削的另一种观点认为切削深度不是唯一的因素，只有磨削温度才是切屑由脆性向塑性转变的关键。从理论上讲，当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程 度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。作者从实践中找到了支持这种观点的许多证据：比如在一台已经服役20多年的精度和刚 度不高的平面磨床上磨削SiC陶瓷，用40O0#的金刚石砂轮。工件表面粗糙度小于Rq5μm，表面上看不到脆断的痕迹。另外德国亚琛工业大学的 Konig教授作了如下试验，在普通的车床上，用激光局部加热一个SiN陶瓷试件，即能顺利地进行车削。这些实验均间接地说明温度对切屑形成机理有决定性 的影响。
（2）镜面磨削顾名思义，它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的 能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼等。为了能实现镜面磨削，日本东京大 学理化研究所的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。
镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在ELID发 明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID首次解决 了仅用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。
ELID磨削的关键是用与常规不同的砂轮，它的结 合剂通常为青铜或铸铁。在使用ELID磨削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。当电极与砂轮之间接上一电压时，砂轮的结合剂发生氧化。在切削力作用下，氧 化层脱落从而露出了锋利的磨粒。由于电解修整过程在磨削时连续进行，所以能保证砂轮在整个磨削过程中保持同一锋利状态。这样既可保证工件表面质量的一致 性，又可节约以往修整砂轮时所需的辅助时间。满足了生产率要求。
ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮，应用范围几 乎可以覆盖所有的工件材料。它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达Rq1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。 ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。最典型的例子就是加工各种泵的陶瓷密封圈，传统的工艺是先磨再抛光，采用 ELID磨削，只需一道工序，既节约时间又节省投资。
ELID也被用于加工其他几何形状如球面、柱面和环面等。按镜面的不同要求，可用于部分取代抛光或把抛光的时间降到最低的水平。
ELID 磨削虽有上述优点，但在某些应用场合也有一些缺点。比如在摩削玻璃时，如果采用较大的粒度（2μm），由于砂轮的磨粒连续更替，部分磨粒不断脱离结合剂而 成为自由磨粒，这些磨粒在工件与砂轮间作无规则的滚动，个别磨粒会在工件表面上造成局部的无规则的刻痕，其深度有时能超过磨料的半径。图3 是一个ELID磨削过的工件表面，若不考虑局部的刻痕，其表面粗糙度已达Rq5nm的水平，但由于这样的刻痕，使工件的抛光量要增加到3～5μm，镜面磨 削的应用价值在这种情况下被相应地减弱。
由此可见，是否要采用镜面磨削，关键在于应用场合。假如个别刻痕不影响工件的使用，镜面磨削可以取代研磨和抛光，并提高生产效率。否则必须综合考虑所有的加工过程以确定最佳的加工工序的组合。
- May 05 Mon 2008 18:29
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修整磨具<砂轮>的秘决www.tool-tool.com
Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.如 何能最大提高砂轮磨削性能的关键因素是好的整形和修锐（通称修整）工具和熟练的修整技巧。实际上，一个具有高质量修整工具和熟练掌握修 整砂轮技巧的操作者，能始终保持砂轮具有高的磨削性能。而不是只依靠购买所谓的好砂轮。这一点非常重要，因为车间不能按每个人操作的情况，配备专门的砂 轮。
修锐是一个将超硬磨粒砂轮的磨粒修磨锋利的处理过程。在这一过程中，需去除磨粒间的结合剂和磨钝的砂轮磨粒，使具有很强磨削 性能的砂轮磨粒突出结合剂之外，形成锐利的切削刃。修锐也必须从砂轮表面的气孔中，去除微小的材料，防止作用于砂轮上的磨削力增大，砂轮上的磨削力增大， 将会引起振动和造成零件表面烧伤。
没有适当的修锐 ，即使是最好的砂轮也不可能获得加工零件的高质量和尺寸一致性。实 际上 ，当 你 投 资了高质量的砂轮，为了获得高的磨削性能，很好地修整它们就显得非常重要。
整形可以说是砂轮准备工作的一部分，它与普通砂轮的修锐同时进行。对于超硬磨料砂轮，两道工序是分开进行的，首先对砂轮进行整形。在使用超硬磨料砂轮磨削中，整形是使用整形工具或滚轮进行，修锐经常是使用一个陶瓷结合剂的修整棒，在整形完成后，对砂轮进行修锐处理。
在 砂轮包括整形与修锐的修整之前，保证主轴轴承在一定的温度下（如通常的砂轮磨削状态）是很重要的。这样可避免损伤零件几何形状以及砂轮和修整工具的非正常 磨损。对于修整用的工具必须小心处理，因为它一般由质硬、耐磨但又很脆的金刚石材料制成，且对因轻微碰撞、受力引起微小裂纹和破碎都非常敏感。
因 为金刚石整形器本身就是一把刀具，需保持非常锋利。使用一个磨钝了的修整工具来修整砂轮表面，会使砂轮变钝。为了保持一个高质量和锋利的金刚石修整工具， 每隔一定时间，需要 1/8圈地旋转单点或带锥尖的修整工具。旋转次数可根据修整情况决定，根据经验，最少每天旋转一次。对于凿子头和成型的修整工具，一般需在它们磨钝前 180°地旋转一次。
大多数外圆磨床是将零件和砂轮置于一个水平线上。零件外圆的最高点与砂轮外圆的最高点称为零件/砂轮接触点，金刚石 修整工具应尽可能地在接近零件/砂轮接触点处修整砂轮。对于内圆磨床用砂轮，将金刚石修整工具接近砂轮外圆的最高点（即磨孔时零件/砂轮接触点）进行修 整，这一点更为重要。
采取微量修整
为减少修整时间，好象总存在一种想选择大些修除深度的诱惑。这是一种极其错误的想法。 必须选择最合适的修除深度对砂轮进行修整。选择太大的修除深度，会产生高的切削温度，减少修整器的使用寿命，还会将有用的砂轮层切除。最终结果是使修整器 和砂轮两者受损，适得其反。最佳的修整量为经几次修除后，既能恢复砂轮的几何形状，又能刚好产生出良好的磨削锋刃为准则。
使用单点修整工具，应以10-15o的轴心线倾斜角接触砂轮的直径方向。这样将使单点修整工具在定期转动时，产生一个削尖的作用。以多点接触的修整工具不需要倾斜这一角度。改为用修整工具的整个端面与砂轮表面接触。
横 向移动速度是修整工具在修整中通过砂轮表面的速度。它对加工零件要求的表面粗糙度和金属切削率都起有关键的作用。横向移动速度太慢，将会堵塞砂轮，损害零 件的表面粗糙度和金属切削率。太慢的横向移动速度还可以引起砂轮振动和烧伤零件表面。均匀较快的横向移动速度能修整出好的砂轮表面，提高砂轮的磨削性能， 增加磨削效率，降低零件表面粗糙度。
保持冷却
适当地使用冷却液，能加快修整速度和提高修整效率。根据经验，选用一股 3/8英寸直径的冷却液，能够从修整器上排除大量热量，延长修整器的使用寿命。当金刚石修整工具通过砂轮时，安装一个冷却液喷管，充满整个砂轮表面或不断 地加注冷却液到金刚石修整工具。当修整工具与砂轮接触开始修整后，决不允许修整工具，从冷却液中退出。否则会使金刚石修整工具，在冷、热的极端温度变化 下，产生裂纹或破裂。
使用过滤器对冷却液进行高精度过滤，能避免污垢或切屑在冷却液中的多次循环。被污染的冷却液能够使砂轮很快磨损，增 加砂轮的修整次数。只有在干式磨削时（只有在这种情况下，可以中断对金刚石修整工具的冷却），才对砂轮采取干式修整。在每天下班前，关掉冷却液后，让砂轮 空转几分钟。这样可以防止砂轮破裂。
振动是修整的大敌
在砂轮修整中，有效地减小振动，避免在砂轮表面留下修整痕迹、碰撞 和损坏修整工具等，是至关重要的。这意味着还必须保持砂轮平衡，这是砂轮本身的结构特点所决定的。密度的不均匀和整个砂轮几何形状的好坏，都会影响一个砂 轮的固有平衡。因此选择一个高质量的砂轮也是很重要的。
假如是一个高质量的砂轮，只需妥当的安装即能保持砂轮很好的平衡。按照砂轮制造商的出厂说明，砂轮上标有一个向上箭头，它表明砂轮经粗平衡后的轻端方位。然后用户可以根椐箭头指示，注意修整砂轮，使其达到动态平衡。冷却液均匀地加注，有时也能帮助砂轮保持平衡。
为了进一步地避免振动，需保证修整工具牢固地夹紧在夹座上和保持最小的悬垂量，以保证修整工具有足够的刚性。如果金刚石工具没有牢固夹紧，就会引起振动、产生噪音，在零件表面产生波纹，拉伤零件表面和损坏修整工具。
结论：一个超硬磨粒砂轮在开始磨削前，必须进行整形与修锐。遵循本文介绍的经验，将帮助你的砂轮产生出最隹的磨削效果。
The key to maximizing the performance of a production grinding application is having the right truing and dressing tool and using it correctly. In fact, a skillful operator with a quality dressing tool and good dressing technique can often improve the performance of a wheel that may not be the optimum wheel for the application. This skill is particularly important in shops where it isn’t practical to have a special wheel for each operation.
小知识
金刚石整修工具使用中应做到及不应该做的事项：
应该：
1. 在使用新的修整器之前，应从上次修整的进给中退出。许多质脆的金刚石修整工具，在开始与砂轮的接触中，都容易被损坏。
2. 以倾斜10-15°的角度安装金刚石修整工具头，使其指向砂轮的旋转方向。
3. 牢固地安装好修整器或夹紧修整工具，不得将工具头悬垂太长。
4. 在可能的情况下，尽量使用冷却液。在整个修整时间里，用冷却液浇注修整工具与砂轮接触处。
5. 在修整开始时，从砂轮的最高点修起，通常为砂轮的中部。
6. 注意进行轻微量的修除。修除的最大深度，对于粗修除：0.001-0.002 英寸。对于精修除：0.0005-0.001英寸。
7. 按有关手册选择合适的横向移动速度。横向移动速度越慢（在允许范围），获得砂轮表面粗糙度越低。
8. 必须在规定的时间间隔内对砂轮进行修整，防止砂轮变钝，使磨削力增大。
9. 在规定的时间间隔内，将刀夹中的修整工具，旋转1/8圈，以保证修整工具的始终锐利。
10. 当金刚石修整器或工具头变钝或明显地变平时，应及时地调整与更换。
11. 根据砂轮的直径大小，合理选择金刚石的CARAT量（纯金刚石含量），砂轮直径越大，选择的金刚石CARAT值越大。
不应该：
1. 在放置金刚石修整工具头到夹座时，注意不要撞击到砂轮表面。
2. 不能将单点的金刚石修整工具头垂直地对准砂轮中心，一般需倾斜10-15°。
3. 不能对发热的修整工具进行“淬火”（指突然变冷）。在干式修整时，必须保持两次修整的间隔时间，足以使发热的修整工具冷却。
4. 不能假定砂轮表面具有理想的平整。在开始修整时，找出砂轮的最高点位置，进行修整。
5. 如果可能的话，每次砂轮的修除量，在砂轮的半径上不能超过0.001英寸。过大的修除量能够引起金刚石修整工具头的过早磨耗和经常破碎。
6. 但也不能每次修除太小的余量。对于在旧的或刚性差的机床上使用的砂轮可以不进行修整。
7. 注意修整中不能在一个位置上停留太长的时间。这样将会使砂轮表面抛光，产生高温和损坏金刚石修整工具。每天至少转动修整工具一次。
8. 不能继续使用磨损或损伤了的修整工具。应及时对它进行调整或替换。
9. 不能在粗修整时选择过大修除量和太快的横向进给速度，然后在精修整时再选择小修除量和缓慢的横向进给速度。这样将会很快地损坏金刚石修整工具。如果可能的话，建议粗修整和精修整时，选择同样的横向进给速度
- May 05 Mon 2008 18:18
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成功磨削取决于砂轮修整www.tool-tool.com
Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.作者：上海海运学院 杨勇生 王珉
砂 轮的磨削性能不仅取决于砂轮结构特性，如磨粒、粒度和硬度等，且更多的取决于砂轮表面的形貌特征。砂轮表面形貌特性是指砂轮表面上磨粒切刃的瞬时状态，又 称瞬时特性，如磨粒切刃的分布、磨粒的磨耗、破碎和脱落以及容屑空间的堵塞等。瞬时特性在磨削过程中随着磨削时间的变化而变化，因此，必须对砂轮形貌特性 进行合理的评定。要使砂轮获得良好的磨削性能，就必须根据具体的磨削条件，进行砂轮结构特性与形貌特性的合理匹配，使砂轮表面的磨削达到最佳状态。
1砂轮形貌特性的评定
1) 磨粒切刃的几何参数
砂轮表面有许多大小不一、随机分布的磨粒切刃，为了描述磨粒切刃的几何特性，可定义磨粒切刃的几何参数：磨刃的前角gg，后角ag及磨刃钝圆半径rb(如图1所示)，显然，磨粒的形状尺寸及其在砂轮表面上的方位决定了磨刃的几何参数，进而影响磨刃的切削性能。
图1 磨粒切刃的几何参数
磨 粒切刃的形状极不规则，为了分析方便，可把磨粒形状理想化，简化的磨粒切刃分类如下：(1)圆锥或棱锥形；在进行粗修整或砂轮硬度较低时，易形成这种形 状；(2)球形；圆角半径为10～20µm；(3)圆角尖端的圆锥形：磨粒划痕的结果，磨粒切深大时，其切削作用接近于圆锥形；切深小时，切削接近于球 形；(4)平顶圆锥形：磨粒顶部被磨耗的形状，砂轮硬修整导程小时易形成这种形状。
从磨粒切刃的锋锐性考虑，圆锥或棱锥形(1)和圆角尖 端的圆锥形(3)接近于实际磨粒的棒状，锋利性较好；球形(2)和区顶圆锥形(4)分别接近于实际磨粒的块状和磨耗棒状，锋锐性较差。磨粒尺寸愈小，磨粒 切刃顶尖角eg愈小，则磨粒锋锐性愈好。磨粒在砂轮工作面上的方向和位置是随机分布的，从统计的观点来看，磨粒的方位对磨刃的前后角影响不大。磨刃的前角 主要取决于其顶尖角eg，一般磨粒的顶尖角eg愈小，磨刃的前角gg愈大。
2) 磨粒切刃的分布
磨粒切刃分布的特征参数主要有：(1)磨粒间距Lg。指砂轮圆周上先后磨削工件同一点的相邻二切刃的弧线距离，表示磨粒切刃分布状态的基本参数；(2)磨粒磨耗平台宽度b。指垂直于切削方向的磨耗磨粒切刃小平台宽度，表示磨粒切刃工作状态的基本参数。
由 上述特征参数可计算出砂轮工作面上单位面积的磨粒切刃数Mg(＝1/Lg2)，但磨粒切刃在砂轮工作面上的分布是不均匀的，而且高低参差不齐，因而有一个 磨粒切刃的定义问题，如果峰谷高度差Dh极小，由于二凸峰间没有足够的容屑空间，实际上只能起一个切刃的作用，一般规定Dh≥5µm或Dh≥(fr/2) (fr——径向进给量)才能算为两个切刃。由于磨削过程中的运动关系。也使埋入一定深度的磨刃不会参加切削，因而实际参加切削的磨刃数(有效磨粒切刃数) 大大少于砂轮表面的磨粒数。设磨粒间距为Lg，后磨粒切刃比前磨粒切刃在砂轮半径方向上低Dh，则有效磨粒切刃的条件为
(1)
由式(1)可知，当砂轮形貌特性不变时，随着工件速度Vw和切削深度ap的增大，砂轮速度Vs和砂轮半径ds减小，有效磨粒切刃数将增多。
另外，有效磨粒切刃数还与砂轮表面形貌状态有关，砂轮粒度号愈大，砂轮硬度愈高，修整时修整导程fd和修整深度ad愈小，有效磨粒切刃数也愈多。
3) 砂轮形貌特性的统计分析
用 触针法测量砂轮表面形貌，获得砂轮圆周方向上砂轮表面的形貌图(如图2所示)。形貌图中包含有磨粒切刃及邻接的容屑槽，磨粒切刃和容屑槽在砂轮径向上的分 布，可用任意给定的高度水平线以上的磨粒切刃和容屑槽的径向累积分布——径向概率分布来表示，该分布分别为形貌图中考虑的磨粒切刃和容屑槽总数的百分比。 图3为磨粒切刃和容屑槽的径向概率分布曲线，在砂轮表面最外层(即最高水平线之上)，磨粒切刃的径向概率分布(百分比)为0，而容屑槽的径向概率分布为 100%；在砂轮表面最内层(即最低水平线之下)，磨粒切刃及容屑槽的概率分布则刚好相反。
图2 砂轮表面的形貌图
图3 磨粒切刃和容屑槽的径向概率分布曲线
通 过统计砂轮表面形貌的磨粒切刃及容屑槽的径向概率分布，可以分析磨粒切刃及容屑槽的分布特点，达到用概率分布表示砂轮形貌特性的目的(如图3所示)。对于 新修整的锋利砂轮，砂轮表面形貌的磨粒切刃的径向概率分布曲线是多项式型，磨粒切刃的分布趋于集中于砂轮表层边缘处，也就是集中于砂轮工作区域，而容屑槽 的径向概率分布曲线为高斯型，砂轮表面工作区域的容屑槽相应的少；对于磨钝严重的砂轮，情况则刚好相反。
2 砂轮形貌特性的合理匹配
要使砂轮表面获得良好的磨削性能，可由所要求的磨削输出参数来选择砂轮的结构特性，并合理修整砂轮，使砂轮表面形貌特性达到最佳化。下面就以精密磨削和钛合金的磨削为例，分析砂轮表面形貌的匹配问题。
1) 精密与镜面磨削
精 密与镜面磨削是由砂轮磨粒上的微刃进行微量切削及摩擦抛光而完成的。磨削时要求砂轮表面上的微刃排列要整齐，破碎要均匀，单位面积微刃数要多，等高性要 好。为此，必须选择合理的砂轮结构，并进行精细的砂轮修整。由于刚玉磨料的强度和韧性均较高，精细修整后易形成等高性好的微刃，因而精密与镜面磨削时，可 选用刚玉磨料；对于粒度和结合剂，一般可选用粗粒度(46～80#)陶瓷结合剂砂轮或细粒度(240～260#)树脂结合剂砂轮。前者经过精细修整后形成 的微刃以切削为主体，一般适用于精密磨削；后者因结合剂的弹性作用，可使微刃在工件表面上的摩擦抛光作用明显，一般适用于镜面磨削。为了防止在磨削过程中 产生大块的磨粒脱落，应选用较硬的砂轮。为了在砂轮表面上获得良好的微刃，可选用尖端锋锐的单颗金刚玉修整器，用车削法进行精细修整。一般地，修整愈精 细，砂轮表层上磨粒的微刃数愈多，且趋向集中于砂轮表层，等高性愈好，砂轮表面形貌特性愈好；当修整速度一定时，砂轮速度愈高，磨粒上的微刃愈密集，等高 性也愈好，表面形貌特性愈好。
微刃切削时，刚开始微刃将精磨加工表面上残留的凸锋切掉，随着微刃钝化及堵塞，微刃的摩擦作用增加，微刃的 切削与摩擦的共同作用完成工件表面的精密磨削。由于砂轮与工件间存在一定的磨削压力，已钝化的微刃对工件表面进行摩擦抛光，即磨粒将微观凸峰压缩填补于加 工表面的凹谷之中，工件表面粗糙度进一步减少，镜面逐渐形成。由此可见，磨粒微刃与切削用量的合理匹配也是一个关键性问题，如磨削深度ap必须控制在微刃 的尺寸范围内，才能发挥其效益。
2) 钛合金的磨削
磨削钛合金时砂轮表面粘附堵塞严重，使磨粒切刃的锋锐性下降，砂轮表 面上的有效磨粒切刃数减少，磨削比下降。由于钛合金粘附堵塞的变形复杂，使磨削力及磨削温度较高，磨削烧伤是磨削钛合金时一种最严重的现象，因而在选择砂 轮时，可选择性脆而锋利的绿碳化硅(TL)磨粒及铈碳化硅(TS)磨粒(后者的磨削效果优于前者)。另外，由于立方氮化硼(CBN)磨粒的热稳定性好，切 削性能良好，故CBN磨粒是磨削钛合金的一种理想的磨粒。为了便于砂轮粘附堵塞的磨削，宜选用粒度大(46～80#)的软砂轮。若从砂轮组织结构来考虑， 可选用大气孔或多气孔的疏松砂轮。
砂轮经过金刚石滚轮的连续修整后，砂轮表面形成锋利的磨粒切刃及较大的容屑空间。由于磨粒粒度大而且组 织中存在气孔，从而减少了磨粒切刃密度，增加了容屑空间，改善了冷却散热条件。性脆磨粒的软砂轮，在磨削过程中也易产生磨粒的破碎与脱落，可保持磨粒的锋 利性，并使砂轮的磨粒平均间距略有增大，有利于减少砂轮粘附堵塞量及磨削烧伤。为了避免磨削钛合金的磨削烧伤，一种行之有效的方法是采用螺旋槽砂轮。砂轮 沟槽部分比重愈大，与工件相接触的工作部分比重愈小，砂轮有效磨粒切刃数减少，磨粒排列更趋于合理，从而有可能减少滑擦、耕犁所产生的摩擦力和无用功，使 磨粒的切削能力处于最佳状态，防止磨削烧伤的发生。
3 结束语
由上述分析可知，砂轮形貌特性是磨削过程中重要的输入参数之一，对砂轮的磨削性能有决定性的影响，砂轮表面形貌特性的好坏，必须根据具体的磨削条件进行合理的评价，而要达到砂轮磨削的最佳状态，就必须进行砂轮结构特性与形貌特性的合理匹配。
若要完全搞清砂轮结构特性、修整条件与砂轮形貌特性的因果关系以及砂轮表面形貌特性与磨削输出参数的相互关系，还有许多工作要做，一旦这些工作完成，就可由砂轮形貌特性预测磨削结果并由要求的磨削结果设计磨削过程，从而大大增加磨削过程的预测性及自适应性。
- May 05 Mon 2008 14:44
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