1、一 、 工 艺 因 素 及 其 选 择 原 则精 密 研 磨 与 抛 光 加 工 的 主 要 工 艺 因 素 包 括 加 工 设 备 、 研 具 、 磨 粒 、 加 工 液 、 工 艺 参 数 和加 工 环 境 等 ， 如 表 所 示 ， 这 些 因 素 决 定 了 最 终 加 工 精 度 和 表 面 质 量 。工 艺 因 素 实 例加 工 设 备 加 工 方 式运 动 方 式驱 动 方 式 单 面 研 磨 、 双 面 研 磨旋 转 、 往 复 摆 动手 动 、 机 械 驱 动 、 强 制 驱 动 、 从 动研 具 材 料形 状表 面 状 态 硬 质 、 软 质 （ 弹 性 、 粘 弹 性 ）
2、平 面 、 球 面 、 非 球 面 、 圆 柱 面有 槽 、 有 空 、 无 槽磨 粒 种 类材 质 、 形 状粒 径 金 属 氧 化 物 、 金 属 碳 化 物 、 氮 化 物 、 硼 化 物硬 度 、 韧 性 、 形 状几 十 微 米 -几 十 分 之 一 微 米加 工 液 水 性油 性 酸 性 -碱 性 、 表 面 活 性 剂表 面 活 性 剂加 工 参 数 工 件 、 研 具 相 对 速 度加 工 压 力加 工 时 间 1 -1 0 0 m/min0 .0 1 -3 0 N/cm-1 0 h加 工 环 境 温 度 室 温 变 化 0.1尘 埃 利 用 洁 净 室 、 净 化 工 作 台
3、图 1二 、 研 磨 与 抛 光 设 备常 用 的 研 磨 与 抛 光 设 备 如 图 2 所 示 ，单 面 /双 面 运 动 方 式 电 动机 数 驱 动 轴数 特 征 主 要 用 途单 面 加工 机 修 整 环 型 1 1 工 件 在 保 持 架 内 自 转 ， 研 磨 盘旋 转 抛 光 单 一 平 面 晶 体 、 金 属 、陶 瓷单 面 加工 机 行 星 运 动 型 1 2 将 工 件 放 入 太 阳 齿 轮 与 内 齿 轮之 间 的 环 状 保 持 架 内 ， 保 持 架带 动 工 件 作 行 星 运 动 同 上2 2双面加工机 2 方 定 向 1 2 上 下 研 磨 盘 不 动 ，
4、太 阳 齿 轮 与内 齿 轮 转 动 同 上2 23方向型 固 定 型 2 3 内 齿 轮 固 定 ， 上 下 研 磨 盘 与 太阳 齿 轮 转 动 晶 体 、 金 属 、陶 瓷 、 铝 、 玻璃 、 贵 、 化 合物3上 平 板固 定 性 2 3 固 定 上 研 磨 盘 ， 下 研 磨 盘 与 太阳 齿 轮 、 内 齿 轮 转 动 同 上3 34 方 向 型 2 4 传 动 上 ， 下 研 磨 盘 ， 太 阳 轮 ，内 轮 等 4 个 轴 ， 4 个 电 动 机 独 立传 动 ， 工 件 上 下 面 的 研 磨 长 度可 以 完 全 一 致 同 上3 44 4双 面 加工 机 摇 摆 动 型
5、 3 3 /4 /5 上 、 下 平 板 任 一 为 摇 摆 型 ， 则载 体 就 有 摆 动 型 ， 就 可 以 做 出与 行 星 运 动 不 同 的 轨 迹 同 上4 4 /5球 面 加工 机 摆 动 型 1 -4 1 -4 多 用 于 球 面 、 非 球 面 镜 片 研 磨 ，玻 璃 眼 膜 镜 片 ， 玻 璃图 2其 中 典 型 的 单 面 研 磨 /抛 光 设 备 如 图 3 所 示 的 修 整 环 型 加 工 设 备 。 加 工 时 将 被 加 工 面 ，以 一 定 的 负 载 压 于 旋 转 的 圆 形 研 具 上 。 工 件 本 身 跟 着 旋 转 ， 运 动 轨 迹 的 随
6、机 性 ， 使 工 件 表 面的 去 除 量 均 匀 。 同 时 ， 工 件 对 研 具 的 反 作 用 ， 也 使 研 具 表 面 磨 损 ， 为 避 免 加 工 精 度 恶 化 ， 在工 件 外 侧 配 置 旋 转 的 修 整 环 ， 使 研 具 表 面 的 磨 损 得 以 均 匀 修 整 。 另 一 种 应 用 最 普 遍 的 一 种 双研 磨 /抛 光 设 备 如 图 4 ， 可 利 用 这 种 设 备 加 工 高 精 度 平 行 平 面 、 圆 柱 面 和 球 面 。 加 工 时 工 件放 在 齿 轮 状 薄 形 保 持 架 的 载 物 孔 内 ， 上 下 均 有 工 具 座 。 为
7、 工 件 上 得 到 的 均 匀 不 重 复 的 加 工 轨迹 ， 工 件 保 持 架 齿 面 与 设 备 的 内 齿 圈 和 太 阳 轮 同 时 啮 合 ， 工 件 既 有 自 转 又 有 公 转 ， 做 行 星 运动 。 上 盘 将 载 荷 传 递 给 工 件 ， 具 有 一 定 的 浮 动 以 避 免 两 工 具 盘 不 平 行 造 成 工 件 上 下 两 加 工 不平 行 。图 3 修 整 环 型 抛 光 机 原 理 示 意 图1 -载 物 孔 2 -研 具 3 -滚 动 轴 承 4 -修 整 环 保 持 架 （ 可 调 ）5 -修 整 环 6 -基 盘 7 -工 件 8 -粘 结 剂
8、 9 -发 麻 载 荷图 4 双 面 研 磨 /抛 光 设 备 及 其 保 持 架 简 图a-设 备 结 构 示 意 图 b-工 件 保 持 架 和 内 齿 轮 、 太 阳 轮 轮 啮 合 c-不 同 形 状 工 件 的 保 持 架1 -内 齿 轮 2 -下 研 磨 盘 3 -上 研 磨 盘 4 -太 阳 齿 轮 5 -工 件 6 -保 持 架不 论 是 单 面 还 是 双 面 研 磨 抛 光 加 工 ， 工 件 与 研 具 的 相 对 运 动 轨 迹 对 工 件 面 形 精 度 有 重 要影 响 ， 对 其 基 本 要 求 如 下 ：1 ） 工 件 相 对 研 具 做 平 面 运 动 ， 能
9、 使 工 件 顺 那 个 各 点 具 有 相 同 或 相 近 的 研 磨 行 程 。2 ） 工 件 上 任 一 点 ， 尽 量 不 出 现 运 动 轨 迹 的 周 期 型 重 复 。3 ） 研 磨 运 动 平 稳 ， 避 免 曲 率 过 大 的 运 动 转 角 。4 ） 保 证 工 件 走 遍 整 个 研 具 表 面 ， 使 研 磨 盘 得 到 均 匀 磨 损 ， 进 而 保 证 工 件 表 面 的 平 面 度精 度 。5 ） 及 时 变 换 工 件 的 运 动 方 向 ， 使 研 磨 纹 路 复 杂 多 变 ， 有 利 于 减 少 表 面 粗 糙 度 并 保 证 表面 均 匀 一 直 。 常
10、 用 的 运 动 轨 迹 有 ： 次 摆 线 、 外 摆 线 和 内 摆 线 轨 迹 等 。虽 然 复 杂 运 动 轨 迹 的 重 复 性 较 小 ， 但 运 动 轨 迹 的 重 复 仍 是 不 可 完 全 避 免 的 。 这 样 ， 研 具表 面 形 状 就 会 在 一 定 程 度 上 “ 复 印 ” 到 工 件 表 面 上 。 为 消 除 抛 光 运 动 轨 迹 重 复 对 试 件 平 面 精度 的 影 响 ， 除 要 求 所 采 用 的 工 件 -研 具 相 对 运 动 方 式 具 有 较 少 的 轨 迹 重 复 次 数 外 ， 还 应 保 证研 具 具 有 较 高 的 面 形 精 度
11、。 为 此 ， 研 磨 /抛 光 机 上 通 常 专 门 配 备 有 研 具 的 高 精 度 平 面 修 整 装置 。三 、 研 磨 盘 与 抛 光 盘常 用 的 研 磨 盘 及 抛 光 盘 材 料 及 部 分 使 用 如 图 5 .常 用 的 研 磨 盘 材 料 有 铸 铁 、 玻 璃 、 陶 瓷 等 。研 磨 盘 是 用 于 土 敷 或 嵌 入 魔 力 奥 德 载 体 ， 时 磨 粒 发 挥 切 削 作 用 ； 同 时 又 是 研 磨 表 面 的 成 型 工具 。 研 磨 盘 本 身 是 在 研 磨 过 程 中 与 工 件 是 相 互 修 整 的 ， 研 磨 盘 本 身 的 几 何 精 度
12、 按 一 定 程 度 “ 复印 ” 到 工 件 上 ， 故 要 求 研 磨 盘 的 加 工 面 有 高 的 几 何 精 度 。 对 抛 光 盘 的 要 求 主 要 有 ：1 ） 材 料 硬 度 一 般 比 工 件 材 料 低 ， 组 织 均 匀 致 密 、 无 杂 质 、 异 物 、 裂 纹 和 缺 陷 ， 并 有 一 定 的磨 料 嵌 入 性 和 浸 含 性 。2 ） 结 构 合 理 ， 有 良 好 的 刚 性 、 精 度 保 持 性 和 耐 磨 性 。 其 工 件 表 面 应 具 有 较 高 的 几 何 精 度 。3 ） 排 屑 性 和 散 热 性 好 。分 类 对 象 材 料 部 分 使
13、 用 例硬质材料 金 属 铸 铁 、 碳 钢 、 工 具 钢 一 般 材 料 研 磨金 刚 石 抛 光非 金 属 玻 璃 、 陶 瓷 化 合 物 半 导 体 材 料 研 磨软质材料 软 质 金 属 Sn、 Pb、 In、 Cu 焊 接 陶 瓷 抛 光天 然 树 脂 松 脂 、 焦 油 、 蜜 蜡 、 树 脂 光 学 玻 璃 抛 光光 学 结 晶 抛 光合 成 树 脂 硬 质 发 泡 聚 氨 酯PMMA、 聚 四 氟 乙 烯聚 碳 酸 酯 、 聚 碳 酯 橡 胶 光 学 玻 璃 抛 光一 般 材 料 抛 光天 然 皮 革 麂 皮 金 属 抛 光人 工 皮 革 软 质 发 泡 聚 氨 酯氟 碳 树
14、 脂 发 泡 体 硅 晶 片 抛 光化 合 物 半 导 体 材 料 抛 光纤 维 非 织 布 （ 毛 毡 ）织 布 （ 尼 龙 、 棉 ） 纸 金 属 材 料 抛 光一 般 材 料 抛 光木 材 桐 、 杉 、 柳 金 属 模 抛 光图 5为 获 得 良 好 的 研 磨 表 面 ， 优 势 需 在 研 具 表 面 上 开 槽 。 槽 的 形 状 有 放 射 状 、 网 格 状 、 同 心圆 柱 和 螺 旋 状 等 。 槽 的 形 状 、 宽 度 、 深 度 的 间 距 等 要 根 据 工 件 材 料 、 形 状 及 研 磨 面 的 加 工 精度 而 选 择 。 在 研 具 表 面 开 槽 如
15、下 的 效 果 ：1 ） 可 在 槽 内 存 储 多 余 的 磨 粒 ， 防 止 磨 料 堆 积 而 损 伤 工 件 表 面 。2 ） 在 加 工 中 作 为 向 工 件 供 给 磨 粒 的 通 道 。3 ） 作 为 及 时 排 屑 的 通 道 ， 防 止 研 磨 表 面 被 划 伤 。四 、 磨 粒磨 粒 按 硬 度 可 分 为 硬 磨 粒 和 软 磨 粒 两 类 。 研 磨 用 磨 粒 需 具 有 下 列 性 能 ：1 ） 磨 粒 形 状 、 尺 寸 均 匀 一 致 ；2 ） 磨 粒 能 适 应 当 地 破 碎 ， 使 切 刃 锋 利 ；3 ） 磨 粒 熔 点 要 比 工 件 熔 点 高
16、；4 ） 磨 粒 在 加 工 液 中 容 易 分 散 。 对 抛 光 用 磨 粒 ， 还 要 考 虑 工 件 材 料 作 用 的 化 学 活 性 。 加工 对 象 不 同 需 用 的 磨 粒 也 不 同 。 如 果 磨 粒 硬 度 过 大 ， 会 在 加 工 表 面 产 生 较 深 的 划 痕 或 裂 纹 。相 反 地 ， 如 果 磨 粒 硬 度 过 小 ， 则 磨 粒 较 容 易 崩 溃 ， 加 工 状 态 不 稳 定 。五 、 加 工 液通 常 研 磨 抛 光 加 工 液 由 基 液 （ 水 性 或 油 性 ） 、 磨 粒 、 添 加 剂 三 部 分 组 成 ， 作 用 是 供 给 磨粒
17、、 排 屑 、 冷 却 和 润 滑 。 对 加 工 液 有 以 下 要 求 :1 )能 有 效 地 散 热 ， 以 避 免 研 具 和 共 建 表 卖 弄 热 变 形 ；2 )粘 性 低 ， 以 提 高 磨 料 的 流 动 性 ；3 )不 会 污 染 工 件 ；4 )化 学 物 理 性 能 稳 定 ， 不 因 放 置 或 温 升 而 分 解 变 质 ；5 )能 较 好 的 分 散 磨 粒 。研 磨 和 抛 光 时 ， 伴 随 有 发 热 ， 工 件 和 研 具 因 温 度 上 升 而 发 生 变 形 ， 难 以 进 行 高 精 度 研 磨 ，在 局 部 的 磨 粒 作 用 点 上 还 会 产
18、生 相 当 高 的 温 度 ， 使 加 工 变 质 层 深 度 增 加 。 适 当 的 供 给 加 工 液 ，可 以 保 证 研 具 有 良 好 的 耐 磨 性 和 工 件 的 形 状 精 度 及 较 小 的 工 件 加 工 变 质 层 。 添 加 剂 的 作 用 是防 止 或 延 缓 磨 料 沉 淀 ， 并 对 工 件 发 挥 化 学 作 用 以 提 高 研 磨 抛 光 的 加 工 效 率 和 质 量 。六 、 工 艺 参 数加 工 速 度 、 加 工 压 力 、 加 工 时 间 以 及 研 磨 液 和 抛 光 液 的 浓 度 是 研 磨 与 抛 光 加 工 的 主 要 工艺 参 数 。 在
19、 研 磨 抛 光 设 备 、 研 具 和 磨 料 先 选 定 的 条 件 下 ， 这 些 工 艺 参 数 的 合 理 选 择 是 保 证 加工 质 量 和 加 工 效 率 关 键 。加 工 速 度 是 指 工 件 与 研 具 的 相 对 速 度 。 加 工 速 度 增 大 使 加 工 效 率 提 高 。 但 当 速 度 过 高 时 ，由 于 离 心 力 作 用 ， 使 加 工 液 甩 出 工 作 区 ， 加 工 平 稳 性 降 低 ， 研 具 磨 损 加 快 ， 从 而 影 响 研 磨 抛光 的 加 工 精 度 。 一 般 粗 加 工 多 用 于 较 低 速 、 较 高 压 力 、 精 加 工
20、 多 用 于 低 速 、 较 低 压 力 。将 研 具 单 位 面 积 上 的 研 磨 痕 数 量 与 留 存 的 磨 料 粒 子 数 量 之 比 称 为 磨 料 作 用 率 。 磨 料 作 用率 与 加 工 压 力 之 间 的 关 系 如 图 6 所 示 。 由 图 可 见 ， 随 着 加 工 压 力 之 间 的 关 系 如 增 加 。 亦 即 ，单 颗 磨 粒 作 用 在 宫 会 见 表 面 上 的 力 增 加 ， 使 得 在 工 件 表 面 上 产 生 的 裂 纹 长 度 增 加 ， 进 而 引 起工 件 的 表 面 去 除 率 增 加 。 但 当 压 力 大 到 一 定 值 时 ， 由
21、 于 磨 粒 破 碎 及 工 件 与 研 具 的 接 触 面 积 增加 ， 实 际 接 触 点 的 接 触 压 力 不 成 正 比 增 加 ， 研 磨 抛 光 效 率 提 高 并 不 明 显 。加 工 压 力 p（ MPa） 的 计 算 公 式 如 下 ： Fp= NAF-工 件 被 加 工 表 面 所 承 受 的 总 压 力 /N;N-每 次 研 磨 抛 光 的 工 件 总 数 ；A-单 个 工 件 实 际 接 触 面 积 /mm。即 使 采 用 同 样 的 磨 粒 ， 加 工 压 力 减 小 对 减 小 表 面 粗 糙 度 有 利 ， 在 功 能 陶 瓷 材 料 最 终 抛 光阶 段 ，
22、如 采 用 仅 靠 工 件 自 重 进 行 悬 浮 抛 光 ， 可 获 得 极 好 的 表 面 质 量 。研 磨 抛 光 液 的 浓 度 也 对 加 工 质 量 和 加 工 效 率 有 重 要 影 响 。 当 浓 度 增 加 时 ， 参 与 研 磨 抛 光加 工 的 有 效 磨 粒 数 增 加 ， 材 料 去 除 率 增 加 。 但 当 浓 度 过 高 时 ， 磨 粒 的 堆 积 和 阻 塞 会 引 起 加 工效 率 的 降 低 ， 同 时 也 会 引 起 加 工 质 量 的 恶 化 。432 1 0 2 0 4 0加 工 压 力 /kPa图 6 磨 料 作 用 率 与 加 工 压 力 间 的 关 系W7白 玉 刚磨料作用率（% ）
