超精密平面研磨機主要應(yīng)用于亞納米級超光滑平面零件、中小型精密平面零件的超精密研磨和拋光加工。此外,通過附加工裝,還可將其應(yīng)用于球類和圓柱類零件的超精密研磨、拋光加工。其主要技術(shù)指標為加工工件平面度0.03μm/(50mm×50mm),加工工件表面粗糙度Ra0.000 3μm。超精密研磨機具有高精度的拋光盤和運動主軸,軸向跳動精度優(yōu)于0.2μm,能使零件與拋光盤保持在一定間隙下平穩(wěn)運動。拋光盤主軸和工件主軸均為可調(diào)速的主動驅(qū)動軸,工件(上研磨盤)與拋光盤(下研磨盤)保持固定的偏心距繞各自軸線旋轉(zhuǎn),利用上下主軸的“定偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速”實現(xiàn)工件材料的均勻去除。在研磨機上配有金剛石切削機構(gòu),可以對下研磨盤(用金屬錫制成)進行在線超精密螺旋線溝槽車削修整。上研磨盤直徑Φ180mm,下研磨盤直徑 Φ500mm。本工藝試驗中,上、下研磨盤轉(zhuǎn)速相同,均為20r/min。

　　非接觸式研磨(浮動研拋)是實現(xiàn)超精密研磨拋光的有效方法,因其在微小研磨粒子的撞擊和研磨液的化學(xué)作用下產(chǎn)生研磨作用,可獲得極高的研磨表面質(zhì)量,所以具有廣泛的應(yīng)用范圍。

　　研磨時工件與研磨平板(拋光盤)不直接接觸,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, 通過研磨平板與工件的相對運動,使研磨粒子與工件表面在近似平行的方向上發(fā)生碰撞,從而產(chǎn)生機械、化學(xué)的去除作用。由于研磨粒子直徑很小,在與零件表面近似平行的方向上碰撞時產(chǎn)生的切削力很弱,理論上能夠?qū)崿F(xiàn)原子級的材料去除,同時不破壞材料的晶格組織,在被加工表面幾乎不產(chǎn)生變質(zhì)層,故非接觸式研磨可獲得極高的零件表面加工質(zhì)量。零件表面與研磨平板間存在液膜的均化效應(yīng),因此這種方法能夠獲得比其它研磨方法更高的面形精度。由于非接觸式研磨方法對材料的去除率較低,所以要求被研磨工件本身必須具有一定的精度與表面質(zhì)量。在研磨前,工件研磨表面的精度應(yīng)該控制在平面度1μm~3μm、表面粗糙度 Ra0.4μm~Ra0.8μm的范圍內(nèi),否則可能會造成嚴重塌邊以致無法達到工藝要求,需要重磨后再研磨,甚至導(dǎo)致工件報廢的后果。4 GCr15的非接觸式納米級表面超精密研磨

　　GCr15 軸承鋼含有較少量合金元素,綜合性能良好,球化退火后有良好的可切削性,淬火和回火后具有高而均勻的硬度,耐磨性與尺寸穩(wěn)定性好,接觸疲勞強度高。該鋼適宜制造各種軸承內(nèi)、外套圈及滾動體,還可用于制造某些刃具、量具、模具及精密構(gòu)件..某精密件材質(zhì)為GCr15軸承鋼,淬火后硬度為 HRC58~HRC62,研磨尺寸為80mm×40mm,工藝要求為粗糙度Ra5nm、平行度0.5μm、平面度0.2μm。傳統(tǒng)的研磨和拋光方法達到這一工藝要求有一定難度,而且不適于批量生產(chǎn)。為了形成標準的工藝規(guī)范,使研磨和拋光技術(shù)更多地依賴設(shè)備而非操作者的技術(shù)水平,提高并保證研磨、拋光的精度與質(zhì)量,本文采用我所自行研制的CJY500超精密平面研磨機,對GCr15軸承鋼進行超精密研磨、拋光工藝試驗,探索其工藝規(guī)律。

　　在初期研磨GCr15軸承鋼長方形工件時,采用研磨圓形微晶玻璃及不銹鋼件“放任自流”式研磨方法。工件置于上研磨盤中心,繞上研磨盤中心自轉(zhuǎn),中心的自轉(zhuǎn)速度為0,研磨速度慢;從圓心向外自轉(zhuǎn)速度逐漸變大,研磨速度逐漸變快。下研磨盤涂抹人造金剛石研磨膏,并用蒸餾水稀釋,在研磨過程中工件中心的研磨膏不斷地被擠出來,最終導(dǎo)致四周低中間高的“塌邊”現(xiàn)象。由Veeco RTI6100激光干涉儀測得塌邊量達5.87μm,而且研磨時間越長塌邊越嚴重。工藝試驗表明,研磨圓形工件的“放任自流”式研磨方法不適于研磨長方形工件。

　　為了減小塌邊量,對上研磨盤夾具進行如下改進: 一次裝夾兩個工件,并將其放置于上研磨盤兩側(cè)離中心盡可能遠的位置;離上研磨盤中心越遠,工件上任意兩點的線速度越接近,越能達到“均勻去除”的研磨效果。使用先粗后細的人造金剛石研磨膏作為研磨劑,順序為W14、W7、W3.5,此時研磨塌邊量減小為 4.43μm。但是,在研磨過程中工件中心的研磨膏還是不斷地被擠出來,導(dǎo)致工件與下研磨盤之間研磨膏分布不均勻,需要不斷地用手涂抹均勻。雖然塌邊量有所減小,但“塌邊”現(xiàn)象仍然沒有得到圓滿解決。為了解決研磨膏分布不均勻這一問題,對下研磨盤進行改進,由“放任自流”式研磨改為“圍追堵截”式研磨。在下研磨盤加防流罩,防止研磨膏外流。防流罩內(nèi)多加蒸餾水和研磨膏,把工件“浸泡”在研磨液中,工件與下研磨盤之間的研磨液分布較“放任自流”式均勻,材料去除也均勻,劃痕少、面形好,所以這種“圍追堵截”式研磨方法的研磨效果好。實際測量塌邊量減小為3.11μm,有效應(yīng)用范圍內(nèi)的塌邊量減小為0.28μm。“塌邊”現(xiàn)象得到有效解決。為了進一步提高工件的表面質(zhì)量,對研磨工藝進行第三次改進,增加“化學(xué)拋光”環(huán)節(jié):首先使用先粗后細(順序為W14、W7、W3.5)的人造金剛石研磨膏研磨至磨削紋消失,獲得極高的面形精度,有效范圍內(nèi)的平面度在0.18μm~0.35μm之間;然后使用PH值為8.3的化學(xué)拋光液進行化學(xué)拋光,提高工件的表面粗糙度,達到納米級“鏡面”效果。用2/3乙醚和1/3酒精的混合液擦凈拋光表面之后,由Talysurf-120粗糙度測量儀實際測量,表面粗糙度值可達到Ra5.1nm,達到了工件的工藝要求。這表明:這一非接觸式研磨拋光方法得到的納米級超光滑表面完全能夠滿足工件的使用要求。

　　超精密研磨拋光陶瓷、寶石、光學(xué)玻璃等硬脆材料時,工件表面不會生銹。但是在摸索GCr15軸承鋼研磨拋光工藝規(guī)律的過程中,發(fā)現(xiàn)工件表面在機械研磨之后不生銹,在化學(xué)拋光之后容易生銹,而且表面粗糙度值越低生銹速度越快。當(dāng)工件表面粗糙度拋光至納米級時,拋光表面在用蒸餾水清洗干凈之后的1min內(nèi)就會出現(xiàn)銹斑。這是由于拋光之后的GCr15表面與蒸餾水接觸迅速發(fā)生氧化反應(yīng)所致。

　　針對這一情況可采用如下清洗方法及防銹措施,: GCr15工件拋光之后,用蒸餾水涮洗干凈拋光表面殘留的研磨膏、拋光液,馬上用酒精棉擦凈拋光表面殘留的研磨膏、拋光液及蒸餾水,立刻涂抹黃油并粘貼油封紙防銹。