［摘（zhāi）要］介紹了精密磨（mó）削與超精密磨（mó）削的機理，闡述了（le）精密磨床以及精密磨削與超精密磨削技術的研究現狀，並分析（xī）了精密磨削與超（chāo）精密磨削的發展趨勢。

 
      0 引言

     磨削（xuē）加工是主要的精密加工（gōng）和超精密加工方法，一般分為普通（tōng）磨削、精密磨削、超（chāo）精密（mì）磨（mó）削加工，它們能（néng）達到的磨（mó）削精度在生產發展的不同時期有（yǒu）不（bú）同的（de）精度範圍（wéi） 。

     目前，普通磨削一般指加工表麵粗糙度為精（jīng）度Ra在0. 16 ～ 1. 25 μm，加工精度（dù）> 1 μm 的磨削（xuē）方法. 精密磨削當前可以達到的精度一般為表麵粗糙（cāo）度Ra為0. 04 ～ 1. 25 μm，加工（gōng）精度為1 ～ 0. 5 μm.超精密磨削是當代能達到（dào）最低（dī）磨削表麵粗糙（cāo）度值和最高加工精度的（de）磨削方法，表麵粗糙度可達到Ra≤0. 01 μm，精度≤0. 01 μm，甚（shèn）至進入納米級 。

      1、 精密與超精密（mì）磨（mó）削的機（jī）理

      精密磨削一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪，主要靠對砂（shā）輪的精細修（xiū）整，使用金剛石修整刀具以極小而（ér）又均勻的微進給( 10 ～ 15 mm/min) ，獲得眾多的等高微刃，加工表麵（miàn）磨削痕跡（jì）微細，最（zuì）後采用無火花光磨，由於微切削、滑（huá）移和摩擦等綜合作用，達到低表麵粗糙度值和高精度要求. 超精密磨削采用較小修整（zhěng）導（dǎo）程和吃刀量修整砂輪，靠超微細磨粒等高微刃磨削作用進行磨削（xuē）［1］.精密與超精密磨削的機理與普通磨削（xuē）有一些不同之處.

      1) 超微量切除. 應用較小的修整導程和修整深度精細修整砂輪，使磨（mó）粒細微破碎而產生微刃.一顆磨粒（lì）變成多顆磨粒，相當於（yú）砂輪粒度變細，微刃的微切削作（zuò）用就形成了低（dī）粗糙度。
 
      2) 微刃（rèn）的等高切削作用. 微刃是砂輪精細修整而成的，分（fèn）布在砂輪表層同（tóng）一深度上（shàng）的微刃數量多，等高性好，從（cóng）而加工（gōng）表麵的殘留高度極小［ .

      3) 單顆粒磨削加工過程（chéng）. 磨粒是一顆（kē）具有彈性（xìng）支承和大（dà）負前角切削刃的彈性體，單（dān）顆磨粒磨削時在與（yǔ）工件接觸過程中，開始是彈性區，繼而是（shì）塑性區、切削區、塑性區，最後是彈（dàn）性區，這（zhè）與切屑（xiè）形成形狀相符合（hé）. 超精密磨削時有微（wēi）切削作用、塑（sù）性流動和彈性破壞作用，同時還有（yǒu）滑擦作用. 當刀刃鋒利，有一定磨削深度時，微切削作用（yòng）較強（qiáng）; 如果刀刃不夠鋒利（lì），或磨削深度（dù）太淺，磨粒切（qiē）削刃不能切入工件，則產生塑性流動、彈性破壞以及滑擦。
 

      4) 連續磨削加工過程. 工件連續轉動，砂輪持續切（qiē）入，開始（shǐ）磨削係統整個部分都產生（shēng）彈性變形，磨削切入量( 磨削深度) 和實際工件尺寸的減少量之（zhī）間產生差值即彈性讓刀量. 此後，磨削（xuē）切入量逐（zhú）漸變得與實際（jì）工（gōng）件尺寸減少量相等，磨削係統處（chù）於（yú）穩定狀態. 最後，磨削切入量到（dào）達給（gěi）定值，但磨（mó）削係統彈性變形逐（zhú）漸（jiàn）恢複為無切深磨削狀態 。

      2 、精密與超（chāo）精密磨床的發展

     精（jīng）密磨床是精密（mì）磨削加（jiā）工的基礎. 當今精密磨床（chuáng）技術的（de）發展方向是高精度化、集（jí）成化、自動化。

     英國Cranfield 大學精（jīng）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（gōng）的OAGM2500 大型超精密磨床是迄今為止最大的超精密磨削加工設備，主要用（yòng）於光學玻璃等硬脆材料的超精密（mì）磨削加工［3，6］. CUPE 生產的Nanocentre ( 納米加（jiā）工中心) 帶（dài）有磨頭（tóu），可進行超精密磨削，加工工件的形狀精（jīng）度可達0. 1 μm，表麵粗糙度Ra < 10 nm［3］. 2003 年英國Cranfield 大學和Cranfield 精密工程（chéng）有限公司（sī）聯合研製成功一種新型的超精密磨床，可在一個工序中以很高（gāo）的（de）加工效率完成（chéng）矽片的延性域納米磨削，獲得很好的表麵（miàn）和亞表麵完整性. 據稱（chēng），用該超精密磨床磨削（xuē）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（zhì）有望取代拋光加工。

      美國Moore Nanotechnology system 公司生產的超精密磨床，采（cǎi）用的超精密靜壓導軌保持0. 3 μm 的直線度（dù），加工幾何精度達0. 1 μm，表麵粗糙度Ra = 5 nm［8］. 美國LLNL 實驗室為（wéi）滿（mǎn）足更（gèng）大口徑光學（xué）零件以及硬脆材料光學零件的超精密（mì）磨削加工（gōng）的需求，2006 年開發下一代（dài）超精密光學加工設備POGAL( Optic Grinder and Lathe) ，其主（zhǔ）軸（zhóu）的軸向、徑向精度技術指標為50 nm。

     日本對超精密加工技術（shù）研究比美國晚，它是應（yīng）電子和光學（xué）等民（mín）用工業的需求才發展起來的. 以超精密車床為基礎，結合ELID 鏡麵磨（mó）削技術，發展了（le）加工回轉體非球曲麵的ELID 精密數控鏡麵磨床以（yǐ）後又（yòu）發展了三坐標聯動的數控ELID 精（jīng）密（mì）鏡麵磨床，可實現精密自由曲麵的鏡麵加工. 其超精密磨削加工裝備主要有東芝( TOSHIBA) 機械公（gōng）司20 世紀90 年（nián）代生產（chǎn）的ULG － 100A ( H) 型超精密非球麵加工機床，機床主（zhǔ）軸（zhóu）采用高剛度空氣靜壓軸承，兩（liǎng）軸全閉環（huán）控製，軸位移分辨率0. 01 μm. 它可加工各種光學零件和非球麵透鏡注射成（chéng）型金（jīn）屬( 銅、非電解鎳) 模具、模壓成型陶瓷( WC) 模具（jù），成型模具利用金剛石刀具或砂輪進行車削和研磨加（jiā）工，能達到鏡麵質量 。

      德國施奈德公司目前最典型的精密磨（mó）削設備是非球麵超精（jīng）密（mì）磨削加工中心SCGA121，該機床（chuáng）采用高剛度的混凝土聚合物（wù）作床身（shēn），多軸數控，既可（kě）以進行大去除量普通砂輪磨削，也可進行（háng）杯（bēi）形砂（shā）輪磨削，同時與非球麵拋光機床SCGA121，非球麵在線（xiàn）檢測係統AU 集成，可以實現非球麵光學元件的超（chāo）精密、高效柔性自動化加工（gōng）［6］. 德國G＆N 公司開發的（de）Multi2Nano 全自動係列納米磨床，采用自旋轉磨（mó）削（xuē）原理，裝備兩個（gè）砂輪主軸分別進行粗、精磨，具有3 個( 或4 個) 操作工位，自動完成矽片的（de）粗磨、精磨（mó）、清洗（xǐ）或裝卸. 用於300 mm 矽片的超（chāo）精密磨削可以獲得納米級的鏡麵，用於（yú）背麵（miàn）磨（mó）削可將矽片減薄到100 ～ 150 μm。

      國內（nèi）中科院長春光學精密機械與物理（lǐ）研究所應用光學國（guó）家重（chóng）點實驗室研製（zhì）的FSGJ － I，集銑磨成形、磨邊、精密拋光和檢（jiǎn）測於一體（tǐ）。 大連理（lǐ）工大學精（jīng）密與特種加工教育部重點實（shí）驗室正在開展基於自旋（xuán）轉磨削原理的大直徑矽片超（chāo）精密磨削係統（tǒng）與裝備的開發與研究（jiū），並取得了初步成果。

      3 、精密與超精密磨削技術的發展

     近年來，國外對精密和超（chāo）精密磨削技術的開發研究獲得了不少成果，主要體現（xiàn）在ELID ( ElectrolyticIn process Dressing) 鏡（jìng）麵磨削（xuē）新工藝的研究和加工矽片以及非球麵零件（jiàn）的應用上. 用於超精密鏡麵磨削的樹脂結合（hé）劑（jì）砂輪的金（jīn）剛石磨（mó）粒的平均（jun1）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石砂輪（lún）使延性磨削和光整加工可以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（huà）學研究所的大森整教（jiāo）授於1987 年研製成（chéng）功了在線（xiàn）修整砂輪的ELID 鏡麵磨削新工藝. ELID 鏡麵磨削技（jì）術是利用在線電解修整作用連續修整砂輪來獲得恒（héng）定的出刃高度和良好的容屑空間，同（tóng）時，在砂（shā）輪表麵逐漸形成（chéng）一（yī）層鈍化膜，當砂輪（lún）表麵的磨粒磨損後（hòu），鈍（dùn）化膜被工件表麵磨屑刮（guā）擦去除，電解過程（chéng）繼續（xù）進行，對砂（shā）輪表麵進行修整，加工（gōng）表麵粗糙度Ra達到0. 02 ～ 0. 01 μm，表麵光澤如鏡（jìng）［2］. 大森（sēn）整教授將ELID 技術應（yīng）用於（yú）矽（guī）片自旋轉磨削工（gōng）藝，實現了矽片的延性（xìng）域磨削，亞表（biǎo）麵損傷層深度< 014 μm，隻有傳統研磨矽片損傷層深（shēn）度的1 /3 ～ 1 /10［10 － 11］. Ibaraki 大學的H. Eda 等人研究了基於自旋（xuán）轉磨削原理的集成磨削係統，該係統采用超磁（cí）致伸縮（suō）微驅動裝置調（diào）整（zhěng）砂輪主軸與（yǔ）工件軸的夾角控製矽片的麵型精度，應用精密氣（qì）缸和磨削力檢測係統進行（háng）控製壓力磨削，可以在一個工（gōng）序中完成矽片的延性域磨削加工（gōng）和減小損傷層的磨拋( polishing-like grinding) 加工，加工300 mm 矽（guī）片達到表麵粗糙度Ra < 1 nm，平麵度< 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（wēi）處（chù）理（lǐ）器方（fāng）麵已取得突破性進展，在（zài）國防、航（háng）空航天（tiān）及核工業等領（lǐng）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加工過程以及加工參數、砂輪粒度、冷卻液供給等加工條件對磨削力、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。

      德國（guó）是最早研（yán）究ELID 磨削技（jì）術的幾個國家之一. 在1991 年就有德國（guó）的機床廠家進行了係列ELID 專用機床的（de）設計. 此外，英、法等國對（duì）ELID 磨（mó）削技術也進行了深入的研究.
超精密複合加工發展很快，如流（liú）體拋光加工、超聲振（zhèn）動磨削、電化學拋光、超聲電化學拋光、放電磨削（xuē）、電化（huà）學放電修整磨（mó）削、動力懸浮研磨、磁流體研（yán）磨、磁性磨料拋光、動磁性（xìng）磨料拋（pāo）光、軟粒子研磨、機械化學拋光、擺動磨料流拋光和電泳磨削技術等. 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（zhèn）動時磨削直徑可減小10 % ～ 20 %，長徑比可增加50 %，能夠獲得直徑11 ～23 μm，長度50 ～ 320 μm 的圓柱刀具. 電化學（xué）拋光可獲得（dé）表麵粗糙度50 nm，自由磨（mó）料拋（pāo）光達8 nm，而將兩者結合後可（kě）達6 nm，若（ruò）將磨料粒度由21 μm 換為0. 51 μm，則（zé）可獲得2 nm 的表麵粗糙（cāo）度. 采用振動磁（cí）性磨料拋光，磨料粒度90 μm，可獲（huò）得表麵粗糙度Ra為8 nm. 經流體拋光加工零熱膨脹（zhàng）的玻璃陶瓷試件其表麵粗（cū）糙度Ra低於0. 1 nm，斷裂強度為546 MPa. 流體拋光加工不鏽鋼毛細管內壁表（biǎo）麵粗糙度優於Ra = 0. 5 μm。

      我（wǒ）國對精密磨削的研究尚處於（yú）初級階段，主要集中在高校. 哈爾（ěr）濱工業大學以袁哲俊教授為（wéi）首的ELID 課題組研製成功了ELID 磨削專用的（de）脈衝電源、磨削液和砂輪，在國產（chǎn）機床上開發出平麵、外圓和內圓ELID 磨削（xuē）裝置，實現了多種難加工材料的精密鏡麵磨削. 目前正積極（jí）推廣普及該技（jì）術，實現其產品化［8，15］. 東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（jiā）工，研究了適（shì）宜的經濟加工條件及（jí）有（yǒu）關（guān）參數，並驗證了經過磨削（xuē）加工後的陶瓷工件，再經過超精加工可以進一步降低其表麵粗糙度，可降低2 ～ 4 個（gè）等級［16 － 17］. 清（qīng）華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及超（chāo）精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削等方麵進行了深入研究，並有相應產品問世。

      4 、今後研究（jiū）應關注的問題

      精密和超精密磨削技術（shù）在各方麵（miàn）均取得迅速發展，已成為先進（jìn）製造（zào）技術的關鍵技術（shù）之一（yī）. 在今的研究中應著重關（guān）注以下幾個問題: 1) 超精密磨削的基本理（lǐ）論和工藝研究，著重研（yán）究多顆粒（lì）磨削機理、磨削（xuē）表麵生成及影響因素等; 2) 開發高精度、高性能、高自動化的加（jiā）工機械及測試裝（zhuāng）置（zhì）的移動導向機構及軸承; 3) 目前ELID 鏡麵磨削技術存在的問題是向高速回轉的砂輪供電非常困難，通常采用接觸式電刷供電設備，該設備複雜昂貴，影響了ELID 鏡麵磨削（xuē）技術的推廣應用，所以解決ELID鏡麵（miàn）磨削中向高速回轉（zhuǎn）的砂輪供電問題（tí）也是應（yīng）關注的問題; 4) 開發適於超精密加工並能獲得超高精度，超高表麵（miàn）質（zhì）量的新型材料，如超微粉燒結（jié）金屬、超微粉陶瓷、非結晶半導體陶瓷、新高分子材料等。