［摘要］介绍了精密磨削与超精密磨削的机理，阐述了精密磨床以及精密磨削与超精密磨削技术的研究现状，并分析了精密磨削与超精密磨削的发展趋势。

 
      0 引言

     磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削加工，它们能达到的磨削精度在生产发展的不同时期有不同的精度范围 。

     目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度为精度Ra在0. 16 ～ 1. 25 μm，加工精度> 1 μm 的磨削方法. 精密磨削当前可以达到的精度一般为表面粗糙度Ra为0. 04 ～ 1. 25 μm，加工精度为1 ～ 0. 5 μm.超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法，表面粗糙度可达到Ra≤0. 01 μm，精度≤0. 01 μm，甚至进入纳米级 。

      1、 精密与超精密磨削的机理

      精密磨削一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮，主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚石修整刀具以极小而又均匀的微进给( 10 ～ 15 mm/min) ，获得众多的等高微刃，加工表面磨削痕迹微细，最后采用无火花光磨，由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要求. 超精密磨削采用较小修整导程和吃刀量修整砂轮，靠超微细磨粒等高微刃磨削作用进行磨削［1］.精密与超精密磨削的机理与普通磨削有一些不同之处.

      1) 超微量切除. 应用较小的修整导程和修整深度精细修整砂轮，使磨粒细微破碎而产生微刃.一颗磨粒变成多颗磨粒，相当于砂轮粒度变细，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。
 
      2) 微刃的等高切削作用. 微刃是砂轮精细修整而成的，分布在砂轮表层同一深度上的微刃数量多，等高性好，从而加工表面的残留高度极小［ .

      3) 单颗粒磨削加工过程. 磨粒是一颗具有弹性支承和大负前角切削刃的弹性体，单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切屑形成形状相符合. 超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用. 当刀刃锋利，有一定磨削深度时，微切削作用较强; 如果刀刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不能切入工件，则产生塑性流动、弹性破坏以及滑擦。
 

      4) 连续磨削加工过程. 工件连续转动，砂轮持续切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切入量( 磨削深度) 和实际工件尺寸的减少量之间产生差值即弹性让刀量. 此后，磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态. 最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复为无切深磨削状态 。

      2 、精密与超精密磨床的发展

     精密磨床是精密磨削加工的基础. 当今精密磨床技术的发展方向是高精度化、集成化、自动化。

     英国Cranfield 大学精密工程公司( CUPE) 是较早从事超精密磨削加工机床研制的公司，该公司研制成功的OAGM2500 大型超精密磨床是迄今为止最大的超精密磨削加工设备，主要用于光学玻璃等硬脆材料的超精密磨削加工［3，6］. CUPE 生产的Nanocentre ( 纳米加工中心) 带有磨头，可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0. 1 μm，表面粗糙度Ra < 10 nm［3］. 2003 年英国Cranfield 大学和Cranfield 精密工程有限公司联合研制成功一种新型的超精密磨床，可在一个工序中以很高的加工效率完成硅片的延性域纳米磨削，获得很好的表面和亚表面完整性. 据称，用该超精密磨床磨削大直径硅片可以完全代替传统工艺的研磨和腐蚀工序，甚至有望取代抛光加工。

      美国Moore Nanotechnology system 公司生产的超精密磨床，采用的超精密静压导轨保持0. 3 μm 的直线度，加工几何精度达0. 1 μm，表面粗糙度Ra = 5 nm［8］. 美国LLNL 实验室为满足更大口径光学零件以及硬脆材料光学零件的超精密磨削加工的需求，2006 年开发下一代超精密光学加工设备POGAL( Optic Grinder and Lathe) ，其主轴的轴向、径向精度技术指标为50 nm。

     日本对超精密加工技术研究比美国晚，它是应电子和光学等民用工业的需求才发展起来的. 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. 其超精密磨削加工装备主要有东芝( TOSHIBA) 机械公司20 世纪90 年代生产的ULG － 100A ( H) 型超精密非球面加工机床，机床主轴采用高刚度空气静压轴承，两轴全闭环控制，轴位移分辨率0. 01 μm. 它可加工各种光学零件和非球面透镜注射成型金属( 铜、非电解镍) 模具、模压成型陶瓷( WC) 模具，成型模具利用金刚石刀具或砂轮进行车削和研磨加工，能达到镜面质量 。

      德国施奈德公司目前最典型的精密磨削设备是非球面超精密磨削加工中心SCGA121，该机床采用高刚度的混凝土聚合物作床身，多轴数控，既可以进行大去除量普通砂轮磨削，也可进行杯形砂轮磨削，同时与非球面抛光机床SCGA121，非球面在线检测系统AU 集成，可以实现非球面光学元件的超精密、高效柔性自动化加工［6］. 德国G＆N 公司开发的Multi2Nano 全自动系列纳米磨床，采用自旋转磨削原理，装备两个砂轮主轴分别进行粗、精磨，具有3 个( 或4 个) 操作工位，自动完成硅片的粗磨、精磨、清洗或装卸. 用于300 mm 硅片的超精密磨削可以获得纳米级的镜面，用于背面磨削可将硅片减薄到100 ～ 150 μm。

      国内中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室研制的FSGJ － I，集铣磨成形、磨边、精密抛光和检测于一体。 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室正在开展基于自旋转磨削原理的大直径硅片超精密磨削系统与装备的开发与研究，并取得了初步成果。

      3 、精密与超精密磨削技术的发展

     近年来，国外对精密和超精密磨削技术的开发研究获得了不少成果，主要体现在ELID ( ElectrolyticIn process Dressing) 镜面磨削新工艺的研究和加工硅片以及非球面零件的应用上. 用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒的平均粒径可小至4 μm. 直径300 mm 硅片的集成制造系统采用单晶金刚石砂轮使延性磨削和光整加工可以在同一个装置上进行，使硅片平面粗糙度达到Ra <1 nm ( Ry < 5 ～ 6 nm) ，平面度达到< 0. 2 μm/300 mm。

      日本国家理化学研究所的大森整教授于1987 年研制成功了在线修整砂轮的ELID 镜面磨削新工艺. ELID 镜面磨削技术是利用在线电解修整作用连续修整砂轮来获得恒定的出刃高度和良好的容屑空间，同时，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜被工件表面磨屑刮擦去除，电解过程继续进行，对砂轮表面进行修整，加工表面粗糙度Ra达到0. 02 ～ 0. 01 μm，表面光泽如镜［2］. 大森整教授将ELID 技术应用于硅片自旋转磨削工艺，实现了硅片的延性域磨削，亚表面损伤层深度< 014 μm，只有传统研磨硅片损伤层深度的1 /3 ～ 1 /10［10 － 11］. Ibaraki 大学的H. Eda 等人研究了基于自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮主轴与工件轴的夹角控制硅片的面型精度，应用精密气缸和磨削力检测系统进行控制压力磨削，可以在一个工序中完成硅片的延性域磨削加工和减小损伤层的磨抛( polishing-like grinding) 加工，加工300 mm 硅片达到表面粗糙度Ra < 1 nm，平面度< 0. 2 μm，表面损伤层减小到0. 1 ～ 0. 12 μm，能源消耗比传统工艺降低70 %。
 

      美国在应用ELID 磨削技术加工电子计算机半导体微处理器方面已取得突破性进展，在国防、航空航天及核工业等领域的应用研究也在进行. Pei Z J 等人对自旋转磨削法精密磨削硅片的加工过程以及加工参数、砂轮粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗糙度的影响进行了系统的试验研究。

      德国是最早研究ELID 磨削技术的几个国家之一. 在1991 年就有德国的机床厂家进行了系列ELID 专用机床的设计. 此外，英、法等国对ELID 磨削技术也进行了深入的研究.
超精密复合加工发展很快，如流体抛光加工、超声振动磨削、电化学抛光、超声电化学抛光、放电磨削、电化学放电修整磨削、动力悬浮研磨、磁流体研磨、磁性磨料抛光、动磁性磨料抛光、软粒子研磨、机械化学抛光、摆动磨料流抛光和电泳磨削技术等. 采用超声振动磨削加工微型硬质合金刀具比不采用超声振动时磨削直径可减小10 % ～ 20 %，长径比可增加50 %，能够获得直径11 ～23 μm，长度50 ～ 320 μm 的圆柱刀具. 电化学抛光可获得表面粗糙度50 nm，自由磨料抛光达8 nm，而将两者结合后可达6 nm，若将磨料粒度由21 μm 换为0. 51 μm，则可获得2 nm 的表面粗糙度. 采用振动磁性磨料抛光，磨料粒度90 μm，可获得表面粗糙度Ra为8 nm. 经流体抛光加工零热膨胀的玻璃陶瓷试件其表面粗糙度Ra低于0. 1 nm，断裂强度为546 MPa. 流体抛光加工不锈钢毛细管内壁表面粗糙度优于Ra = 0. 5 μm。

      我国对精密磨削的研究尚处于初级阶段，主要集中在高校. 哈尔滨工业大学以袁哲俊教授为首的ELID 课题组研制成功了ELID 磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮，在国产机床上开发出平面、外圆和内圆ELID 磨削装置，实现了多种难加工材料的精密镜面磨削. 目前正积极推广普及该技术，实现其产品化［8，15］. 东华大学机械学院的研究者利用固结磨粒低频振动( 频率f 为0. 5 ～ 20 Hz、振幅为0. 5 ～ 3 mm) 压力进给的精整加工，研究了适宜的经济加工条件及有关参数，并验证了经过磨削加工后的陶瓷工件，再经过超精加工可以进一步降低其表面粗糙度，可降低2 ～ 4 个等级［16 － 17］. 清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。

      4 、今后研究应关注的问题

      精密和超精密磨削技术在各方面均取得迅速发展，已成为先进制造技术的关键技术之一. 在今的研究中应着重关注以下几个问题: 1) 超精密磨削的基本理论和工艺研究，着重研究多颗粒磨削机理、磨削表面生成及影响因素等; 2) 开发高精度、高性能、高自动化的加工机械及测试装置的移动导向机构及轴承; 3) 目前ELID 镜面磨削技术存在的问题是向高速回转的砂轮供电非常困难，通常采用接触式电刷供电设备，该设备复杂昂贵，影响了ELID 镜面磨削技术的推广应用，所以解决ELID镜面磨削中向高速回转的砂轮供电问题也是应关注的问题; 4) 开发适于超精密加工并能获得超高精度，超高表面质量的新型材料，如超微粉烧结金属、超微粉陶瓷、非结晶半导体陶瓷、新高分子材料等。