第２２卷第５期
２０１０年ｌＯ月 超 硬材 料 工 程
ＳＵＰＥＲＨＡＲＤ ＭＡＴＥＲＩＡＩ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶｏＩ．２２ ｏｃｔ．２０１０
精磨高硬脆材料表面形貌分析及工具浓度的选择①
刘志环，王进保，肖乐银
（桂林矿产地质研究院，广西桂林５４１ＯＯ４）
摘要：文章对比了不同浓度的Ｗ４０、Ｗ１２、Ｗ７等粒度金刚石砂带精磨玛瑙时的工件表面形貌参数、以及 达到最佳粗糙度所需的磨削时间。实验结果表明，Ｗ４０砂带金刚石浓度应选择１３．５ ～ｌ６ （ｖｏｌ ），Ｗ１４ 砂带金刚石浓度应选择１１％～１３．５％，Ｗ７砂带金刚石浓度应选择≤１ｌ％。 关键词：金刚石砂带；金刚石浓度；精磨 中图分类号：ＴＱ１６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１４３３（２０１０）０５—００１２—０６
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｈｉｇｈ ｈａｒｄ
ａｎｄ ｂｒｉｔｔｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｃＯｎｃｅｎｔｒａｔｉＯｎ
ＬＩＵ Ｚｈｉ—ｈｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ—ｂａｏ，ＸＩＡＯ Ｌｅ—ｙｉｎ
（Ｇｕｉｌｉｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐａｐｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｈｅｎ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｇａｔｅ ｕｓｉｎｇ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｅｌｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｏｆ
ｄｉａｍｏｎｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｗａｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｏｕｎｇｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ
第 51 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.51，No.4Apr. 2024湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）
结构化砂轮磨削蓝宝石微沟槽底面质量的研究
周飞 1，2，许金凯 1，2†，张文通 1，2，于化东 3
（1.长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022；2.长春理工大学 跨尺度微纳制造教育部重点实验室，吉林 长春 130022；3.吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林 长春 130025）
摘要：针对蓝宝石这类超硬材料表面微结构难加工的问题，提出一种基于结构化砂轮的
磨削表面微结构方法.采用电火花线切割（Wire Electrical Discharge Machining， WEDM）技术对砂轮表面进行结构化修整，利用修整后的结构化砂轮磨削蓝宝石表面微结构，研究顺磨和逆磨方式下，结构化砂轮磨削速度、磨削深度和进给速度对蓝宝石微沟槽底部表面粗糙度的影响规律.研究结果表明，结构化砂轮磨削蓝宝石表面微沟槽形貌基本完整，且相对120 µm的加工深度，尺寸误差仅为1.4 µm，微沟槽的垂直度较好，垂直度偏差仅为4.9°；顺、逆磨方式下，随着磨削速度增大，磨削深度和进给速度减小，都可以减小蓝宝石微沟槽底部表面粗糙度；相较于逆磨方式，顺磨方式下微沟槽底面微坑较小，底面质量更优；在较优加工参数砂轮磨削速度 35 m/s、磨削深度1 µm、工件进给速度200 mm/min下，表面粗糙度从4.487 µm降低至2.923 µm.
关键词：蓝宝石；磨削；表面粗糙度；结构化砂轮；磨削方式；微沟槽中图分类号：O786 文献标志码：A
Research on Quality of Bottom Surface of Sapphire Micro-grooves Ground
by Structured Grinding Wheels
材料加工技术基础知识
陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、 低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。但由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此陶瓷材料的加工难度很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。为满足近年来科技发展对精细陶瓷、光学玻璃、晶体、石英、硅片和锗片等脆性材料制品日益增长的需要，在目前较为成熟的陶瓷材料加工技术的基础上，进一步研究开发高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技术显得尤为迫切。
二、陶瓷材料加工技术
金属材料的加工可根据材料种类、工件形状、加工精度、加工成本、加工效率等因素选择不同的加工方法。而对于陶瓷材料，由于其特殊的物理机械性能，最初只能采用磨削方法进行加工，随着机械加工技术的发展，目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料。
目前较为成熟的陶瓷材料加工技术主要可分为力学加工、电加工、复合加工、化学加工、光学加工等五大类，见 下表。
陶瓷材料主要加工方法
力学加工 磨料加工 研磨加工，抛光加工，砂带加工，滚筒加工，珩磨加工，超声加工，喷丸加工，粘弹性流动加工
塑性加工 金刚石塑性加工，金刚石塑性磨削
电加工 电火花加工，电子束加工，离子束加工，等离子束加工
复合加工 光刻加工， ELID磨削，超声波磨削，超声波研磨，超声波电火花加工
化学加工 腐蚀加工，化学研磨加工
光学加工 激光加工
1) 切削加工
陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。
机械加工表面质量
（一）加工表面质量概念
加工表面质量包含以下两个方面的内容：
1. 表面粗糙度与波度
根据加工表面轮廓的特征（波距L与波高H的比值），可将表面轮廓分为以下三种（图
4-40):L/H>1000，称为宏观几何形状误差，例如圆度误差、圆柱度误差等，它们属于加工精度范畴；L/H= 50~1000，称为波纹度，它是由机械加工振动引起的；L/H<50，称为微观几何形状误差，亦称表面粗糙度。
2.表面层材料的物理力学性能和化学性能
表面层材料的物理力学性能，包括表面层的冷作硬化、残余应力以及金相组织的变化。
(1)表面层的冷作硬化机械加工过程中表面层金属产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，塑性减 小，统称为冷作硬化。
(2) 表面层残余应力机械加工过程中由于切削变形和切削热等因素的作用在工件表面 层材料中产生的内应力，称为表面层残余应力。在铸、锻、焊、热处理等加工过程产生的内 应力与这里介绍的表面残余应力的区别在于前者是在整个工件上平衡的应力，它的重新分布
会引起工件的变形；后者则是在加工表面材料中平衡的应力，它的重新分布不会引起工件变
形，但它对机器零件表面质量有重要影响。
(3) 表面层金相组织变化机械加工过程中，在工件的加工区域，温度会急剧升髙，当 温度升髙到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。例如磨削淬火钢件时，常会出现回火烧伤、退火烧伤等金相组织变化，将严重影响零件的使用性能。
（二）对机器使用性能的影响
零件的耐磨性不仅与摩擦副的材料、热处理情况和润 滑条件有关，而且还与摩擦副表面质量有关。
1.表面质量对耐磨性的影响
（1）表面粗糙度对耐磨性的影响 表面粗糙度值大，接触表面的实际压强增大，粗糙不平的凸峰间相互咬合、挤裂，使磨损加剧，表面粗糙度值越大越不耐磨；但表面粗糙度值也不能太小，表面太光滑，因存不住润滑油使接触面间容易发生分子粘接，也会导致磨损加剧。表面粗糙度的最佳值与机器零件的工况有关，载荷加大时，磨损曲线向上向右位移，最佳粗
