目前,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。国内外光学玻璃、陶瓷、宝石等硬脆材料的研磨抛光工艺已经比较成熟,但对于硬度较高的钢质材料研磨抛光经验较少。研磨硬质合金,表面粗糙度达到Ra10.7nm;对*大直径Φ50mm的12CrNi3A(不锈钢)平板阀进行研磨,表面粗糙度达到Ra5nm~Ra8nm;针对内径为Φ40mm、外径为Φ56mm的YG6硬质合金圆环进行双面研磨,表面粗糙度达Ra0.88nm。长方形结构的工件研磨难度要稍大一些,因为长方形结构的工件研磨时塌边量要远远大于圆(环)形结构,这导致研磨表面粗糙度、平面度降低,因此,长方形结构超精密研磨的表面质量迫切需要得到提高。

　　本文进行长方形结构的纳米级表面超精密研磨技术研究,采用机械研磨和化学抛光相结合的非接触式超精密研磨(浮动研抛)方法对尺寸为80mm×40mm、淬火后硬度HRC58~HRC62的GCr15轴承钢进行超精密研磨,*终使其达到粗糙度Ra5nm、平行度0.5μm和平面度0.2μm的工艺要求。这种方法能够有效地提高研磨效率与精度,降低加工成本。

　　2超精密研磨抛光机工作原理

　　超精密研磨机主要应用于亚纳米级超光滑平面零件、中小型精密平面零件的超精密研磨和抛光加工。此外,通过附加工装,还可将其应用于球类和圆柱类零件的超精密研磨、抛光加工。其主要技术指标为加工工件平面度0.03μm/(50mm×50mm),加工工件表面粗糙度Ra0.000 3μm。超精密研磨机具有高精度的抛光盘和运动主轴,轴向跳动精度优于0.2μm,能使零件与抛光盘保持在一定间隙下平稳运动。抛光盘主轴和工件主轴均为可调速的主动驱动轴,工件(上研磨盘)与抛光盘(下研磨盘)保持固定的偏心距绕各自轴线旋转,利用上下主轴的“定偏心、同方向、同转速”实现工件材料的均匀去除。在研磨机上配有金刚石切削机构,可以对下研磨盘(用金属锡制成)进行在线超精密螺旋线沟槽车削修整。上研磨盘直径Φ180mm,下研磨盘直径Φ500mm。本工艺试验中,上、下研磨盘转速相同,均为20r/min。

　　非接触式超精密研磨原理

　　非接触式研磨(浮动研抛)是实现超精密研磨抛光的有效方法,因其在微小研磨粒子的撞击和研磨液的化学作用下产生研磨作用,可获得极高的研磨表面质量,所以具有广泛的应用范围。

　　研磨时工件与研磨平板(抛光盘)不直接接触,工件的研磨平面靠自身重量浸泡于具有微小研磨粒子的研磨液中,通过研磨平板与工件的相对运动,使研磨粒子与工件表面在近似平行的方向上发生碰撞,从而产生机械、化学的去除作用。由于研磨粒子直径很小,在与零件表面近似平行的方向上碰撞时产生的切削力很弱,理论上能够实现原子级的材料去除,同时不破坏材料的晶格组织,在被加工表面几乎不产生变质层,故非接触式研磨可获得极高的零件表面加工质量。零件表面与研磨平板间存在液膜的均化效应,因此这种方法能够获得比其它研磨方法更高的面形精度。由于非接触式研磨方法对材料的去除率较低,所以要求被研磨工件本身必须具有一定的精度与表面质量。在研磨前,工件研磨表面的精度应该控制在平面度1μm~3μm、表面粗糙度Ra0.4μm~Ra0.8μm的范围内,否则可能会造成严重塌边以致无法达到工艺要求,需要重磨后再研磨,甚至导致工件报废的后果。4 GCr15的非接触式纳米级表面超精密研磨

　　4.1特点

　　GCr15轴承钢含有较少量合金元素,综合性能良好,球化退火后有良好的可切削性,淬火和回火后具有高而均匀的硬度,耐磨性与尺寸稳定性好,接触疲劳强度高。该钢适宜制造各种轴承内、外套圈及滚动体,还可用于制造某些刃具、量具、模具及精密构件..某精密件材质为GCr15轴承钢,淬火后硬度为HRC58~HRC62,研磨尺寸为80mm×40mm,工艺要求为粗糙度Ra5nm、平行度0.5μm、平面度0.2μm。传统的研磨和抛光方法达到这一工艺要求有一定难度,而且不适于批量生产。为了形成标准的工艺规范,使研磨和抛光技术更多地依赖设备而非操作者的技术水平,提高并保证研磨、抛光的精度与质量,本文采用我所自行研制的CJY500超精密研磨机,对GCr15轴承钢进行超精密研磨、抛光工艺试验,探索其工艺规律。

　　4.2 常规研磨中出现的问题

　　在初期研磨GCr15轴承钢长方形工件时,采用研磨圆形微晶玻璃及不锈钢件“放任自流”式研磨方法。工件置于上研磨盘中心,绕上研磨盘中心自转,中心的自转速度为0,研磨速度慢;从圆心向外自转速度逐渐变大,研磨速度逐渐变快。下研磨盘涂抹人造金刚石研磨膏,并用蒸馏水稀释,在研磨过程中工件中心的研磨膏不断地被挤出来,*终导致四周低中间高的“塌边”现象。由Veeco RTI6100激光干涉仪测得塌边量达5.87μm,而且研磨时间越长塌边越严重。工艺试验表明,研磨圆形工件的“放任自流”式研磨方法不适于研磨长方形工件。

　　4.3 研磨工艺改进方案

　　为了减小塌边量,对上研磨盘夹具进行如下改进:一次装夹两个工件,并将其放置于上研磨盘两侧离中心尽可能远的位置;离上研磨盘中心越远,工件上任意两点的线速度越接近,越能达到“均匀去除”的研磨效果。使用先粗后细的人造金刚石研磨膏作为研磨剂,顺序为W14、W7、W3.5,此时研磨塌边量减小为4.43μm。但是,在研磨过程中工件中心的研磨膏还是不断地被挤出来,导致工件与下研磨盘之间研磨膏分布不均匀,需要不断地用手涂抹均匀。虽然塌边量有所减小,但“塌边”现象仍然没有得到圆满解决。为了解决研磨膏分布不均匀这一问题,对下研磨盘进行改进,由“放任自流”式研磨改为“围追堵截”式研磨。在下研磨盘加防流罩,防止研磨膏外流。防流罩内多加蒸馏水和研磨膏,把工件“浸泡”在研磨液中,工件与下研磨盘之间的研磨液分布较“放任自流”式均匀,材料去除也均匀,划痕少、面形好,所以这种“围追堵截”式研磨方法的研磨效果好。实际测量塌边量减小为3.11μm,有效应用范围内

　　的塌边量减小为0.28μm。“塌边”现象得到有效解决。

　　为了进一步提高工件的表面质量,对研磨工艺进行第三次改进,增加“化学抛光”环节:首先使用先粗后细(顺序为W14、W7、W3.5)的人造金刚石研磨膏研磨至磨削纹消失,获得极高的面形精度,有效范围内的平面度在0.18μm~0.35μm之间;然后使用PH值为8.3的化学抛光液进行化学抛光,提高工件的表面粗糙度,达到纳米级“镜面”效果。用2/3乙醚和1/3酒精的混合液擦净抛光表面之后,由Talysurf-120粗糙度测量仪实际测量,表面粗糙度值可达到Ra5.1nm,达到了工件的工艺要求。这表明:这一非接触式研磨抛光方法得到的纳米级超光滑表面完全能够满足工件的使用要求。

　　4.4 研磨表面的清洗及防锈措施

　　超精密研磨抛光陶瓷、宝石、光学玻璃等硬脆材料时,工件表面不会生锈。但是在摸索GCr15轴承钢研磨抛光工艺规律的过程中,发现工件表面在机械研磨之后不生锈,在化学抛光之后容易生锈,而且表面粗糙度值越低生锈速度越快。当工件表面粗糙度抛光至纳米级时,抛光表面在用蒸馏水清洗干净之后的1min内就会出现锈斑。这是由于抛光之后的GCr15表面与蒸馏水接触迅速发生氧化反应所致。

　　针对这一情况可采用如下清洗方法及防锈措施,: GCr15工件抛光之后,用蒸馏水涮洗干净抛光表面残留的研磨膏、抛光液,马上用酒精棉擦净抛光表面残留的研磨膏、抛光液及蒸馏水,立刻涂抹黄油并粘贴油封纸防锈。