免修整型柔性砂轮对硬脆材料的磨削特性

魔神

    

磨削加工中的振动是影响磨削精度的重要因素之一。对于磨削中砂轮振动对加工工件精度影响的研究，某文献中作了叙述。为了消除砂轮振动的影响，笔者在另一文献提出一种结构简单，采用特殊砂带作为磨削工具同时具备柔性砂轮的消振性能的新型柔性砂轮。本文对这种新型砂轮的磨削特性继续进行研究。

实验条件

磨床 柔性砂轮 橡胶环 工件 磨削液	冈本G—52 电镀金刚石#140 #50 石英105mm×4.1mm 2%水溶冷却液
普通磨削	砂轮速度v=1200m/min 进给量Δ=100,200μm/次 走刀速度v=5,3.6m/min 当量切深gm/2a=9.3×10-5
深切磨削	砂轮速度v=1200m/min 进给量Δ=5000μm/次 走刀速度v=0.4m/min 当量切深gm/2a=5.3×10-5

1 实验设备及条件

根据柔性砂轮高效的磨削特性，将免修整柔性砂轮应用于对半导体石英基板的磨削中。实验以高效磨削为目标，采用大进给量磨削和深切磨削方式。研究磨削过程中砂轮的磨削力、磨削精度、砂轮的磨损及表面磨粒的变化情况。实验中采用KISTLER 5011型动力计测量磨削力；由KEYENCE LT8000非接触式激光测量仪测量砂轮的圆周精度和磨损量。实验条件如附表所示。

2 磨削实验

1. 大进给量磨削
   以附表中的磨削条件设定：砂轮磨粒的当量切深 g_m/2a=9.3×10^-5。第一次磨削进给量Δ1=100μm/次、走刀速度v1=5m/min；第二次磨削进给量Δ2=200μm/次、走刀速度v2=3.6m/min。磨削加工能率Z′为

   Z′=Δ.v

   (1)

   
   式中　Δ——磨削进给量，μm/次
   v——走刀速度，m/min
   由实验条件得 Z′1=8.3mm³/mm.s;Z′2=12mm³/mm.s。图1为实验测得的磨削力和工件去除量关系曲线。从图中曲线可以得出：当磨粒的当量切深g_m/2a不变时，改变磨削进给量Δ对法向磨削力Fn的影响不大。当进给量Δ减小时，切向磨削力Ft增大。磨削过程中Ft基本不变，而法向磨削力Fn的变化呈线性增大趋势。
   

   图1 磨削力和工件去除量关系

   图2 实际切深和工件去除量关系

   比较普通金刚石砂轮和柔性砂轮的实验结果可以得到：柔性砂轮的磨削力Fn为普通砂轮磨削的大约1/10，而且磨削过程中砂轮的吸振性能良好，达到柔性砂轮磨削的要求。
   图2为实际切深和工件去除量之间的关系曲线。从曲线中得出：在磨削去除量小于300mm³时，因为砂轮弹性变形的影响，实际切深 小于理论值。整个磨削过程中进给残留量保持在70μm左右。
2. 深切磨削
   从以上的磨削过程得出：柔性砂轮的磨削力较小，因此适应于深切磨削加工。深切磨削可以达到高的磨削精度和小的表面粗糙度值，并相对减小砂轮的磨损。
   深切磨削中设定：磨削进给量Δ3=500μm/次，加工能率Z′₃=33.3mm³/mm·s。
   

   图3 深切磨削磨削力和工件去除量关系

   图4 深切磨削后工件形状误差

   图3为深切磨削中磨削力和工件去除量关系曲线。分析磨削过程可以得出：由于深切磨削中砂轮磨粒对工件的切削过程不同，正向磨削和逆向磨削过程中切向磨削力F_t有较大变化，正向磨削力F_t是逆向磨削力F_t的大约4倍。法向磨削力F_n随磨削过程的进行而不断增大。
   图4为深切磨削后测得工件表面的横向和纵向形状误差曲线。从图中数据可以得出：柔性砂轮磨削保持刚性砂轮的磨削特征，磨削后工件形状精度达到同等粒度砂轮的加工水平。

3 磨削精度及磨损

图5为磨削过程中柔性砂轮圆周误差的变化曲线。从图中可以得出：在磨削初期砂轮圆周误差的增长较快，随着磨削过程的进行而趋向于稳定。

图5 磨削条件对砂轮圆周误差的影响

图6　磨削条件对工件表面粗糙度的影响

图7 砂轮磨损量曲线

图6为大进给量磨削(Δ₁=100μm/次，Δ₂=200μm/次)和深切磨削(Δ₃=5000μm/次)时测得工件表面粗糙度变化情况。从图中得出：在深切磨削中工件表面粗糙度达到R_a1.8μm。

图7为磨削中测得柔性砂轮的磨损曲线。从图中得出：柔性砂轮在整个磨削中磨损量呈上升趋势。

4 表面磨粒观察

图8为在金属带基上电镀#140号金刚石磨粒的柔性砂轮，在深切磨削石英前后表面磨粒状态照片。从照片中可以看出：深切磨削后，砂轮表面有近40%的磨粒发生破碎和磨损，而发生脱落的磨粒较少。因此磨削过程中法向磨削力F_n呈上升趋势。

图8 磨削前后砂轮表面磨粒变化

5 结论

针对新型柔性砂轮高效磨削的特性，将其应用于半导体石英基板的磨削。通过大进给量磨削和深切磨削实验结果得出：

1. 柔性砂轮的法向磨削力F_n为通常刚性砂轮的1/10以下，而磨削精度达到相同水平。
2. 柔型砂轮可实现高效磨削，在深切磨削中加工能率Z达到33.3mm³/mm·s。
3. 磨削过程中柔型砂轮的磨损量和刚性砂轮处于同一水平。
4. 磨削过程中砂轮表面磨粒发生磨损和破碎较多，法向磨削力F_n呈上升趋势。

大魔

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