CN103722467B - 硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硬脆材料超精密加工技术领域，为实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工，为此，本发明采用的技术方案是，硬脆材料磨削脆‑延转化临界切削深度确定方法和装置，包括如下步骤：（1）根据超精密磨削所使用的砂轮确定自制多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距；（2）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角参数在所述的磨粒基体上加工出≥3个磨粒；（3）控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化；将完成划痕的工件利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜进行观察和测量。本发明主要应用于超精密加工。

Description

硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置

技术领域

本发明涉及硬脆材料超精密加工技术领域，具体涉及一种基于多磨粒刀具确定硬脆材料超精密磨削磨削脆-延转化临界切削深度的方法。

背景技术

随着现代工业的发展，硬脆材料(如红外光学晶体、工程陶瓷、石英、硅晶体、微晶玻璃等)已在航空航天、汽车、医疗、精密模具、光学及半导体等领域显示出广阔的应用前景。但由于硬脆材料硬度高、脆性大、加工性能差，难以采用普通加工方法进行超精密加工，从而制约了这些材料的推广应用。磨削是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工方法，在机械加工中常用于精加工及超精加工阶段。由于磨粒的硬度很高且具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。磨削加工能够获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值，因此是硬脆性材料加工的主要加工方式。

但传统的磨削加工方法具有效率低，周期长，精度不易保证等缺点，并且由于加工过程难以实现计算机控制，加工非球面等复杂工件表面时具有相当高的难度。20世纪80年代末，在对硬脆材料加工方法作了大量探索和尝试的基础上，出现了延性域磨削加工方法。即对材料进行磨削时，当最大磨削厚度小于临界磨削深度时，工件表面就会出现脆性-延性转变，脆性材料和磨粒接触区的应力达到剪切强度极限，产生塑性流动，形成切屑，材料以塑性变形的方式被去除，从而实现脆性材料的塑性域加工，得到低粗糙度的光滑表面的同时能很好地控制加工件的形状和精度。在磨粒切削工件表面时，材料表面开始产生微裂纹的磨粒切入厚度称为临界磨削厚度。一般情况下，脆性材料的临界磨削值仅有几纳米。因此当磨削深度小于临界切深时，硬脆材料的主要去除机制由脆性断裂转变为塑性流动。单颗粒上临界断裂载荷相对应的临界切深a_c可以表示为公式（2-2）。

$a_c=\mathrm{\β}\frac{E}{H}{\left(\frac{K_c}{H}\right)}^2---\left(1\right)$

式中，E为被加工材料的弹性模量；H为被加工材料的硬度；K_c为材料的断裂韧性；β为不同材料的系数。从公式（1）中可知，临界磨削深度和被加工材料的弹性模量、断裂韧性的平方成正比，和被加工材料硬度的三次方成反比，不同的脆性材料的脆-延转化临界切深深度是不同的。而且在实际磨削过程中，临界切深a_c还要受到机床特性、磨削液、砂轮磨料成份、砂轮修整、磨削工艺参数等的影响，因此式（1）只能作为定性分析，而无法用于准确定量计算临界切深a_c。临界切深a_c不能准确确定，磨削过程中实际切削深度参数就无法确定，如果实际磨削参数大于临界切深a_c，无法实现延性域磨削，不能获得超精密光滑表面；实际磨削参数远远小临界切深a_c，虽然能够实现延性域磨削，获得超精密光滑表面，但是势必造成加工效率低下，同时过小的磨削深度也会对磨削设备的进给精度、刚度提出很高的要求，设备的高昂价格致使加工成本升高。

本发明提出一种脆性材料超精密磨削脆-延转化临界磨削深度准确确定方法，利用自制的多磨粒金刚石刀具模拟砂轮磨削行为，在硬脆材料磨削机床上进行切深连续变化划削，通过表面轮廓仪、共聚焦显微镜等测量手段对划削形成的划痕进行观察和检测，根据划痕处材料的去除状态和行为，确定能够形成延性材料去除的最大切削深度，并可改变自制多磨粒金刚石刀具的形状、几何形状、间距、高度等参数以获得不同性能指标（粒度、浓度等）砂轮的临界切削深度。克服现有超精密磨削过程中临界切削深度无法准确确定导致的无法实现延性域磨削、加工效率低等问题。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工。并且通过本发明能够拓展到脆性材料的超精密加工材料去去除机理的研究等，为此，本发明采用的技术方案是，硬脆材料磨削脆-延转化临界切削方法，包括如下步骤：

（1）根据超精密磨削所使用的砂轮确定自制多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距：多磨粒刀具的磨粒数目≥3个，所述的磨粒通过聚焦离子束（FIB）加工或激光被加工在同一基体上，单个磨粒形状加工成和要使用砂轮磨粒形状相同，磨粒的间距S_B按照下面公式（2）给出：

$S_B=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{{6V}_g}}{d}_0---\left(2\right)$

式中，V_g为砂轮的浓度，d₀为砂轮的磨粒直径；

磨粒的前角为负值，具体数值按如下规则选择：磨粒直径d₀=20～70μm范围内，前角在-45°～-50°内选择；磨粒直径d₀=70～420μm范围内，前角在-50°～-55°内选择；

（2）选定加工磨粒基体，将其固定在刀台上；

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角参数在所述的磨粒基体上加工出≥3个磨粒，磨粒的粒径小时，采用聚焦离子束（FIB）加工方法进行加工；或者，对于粒径较大，形状精度要求不高的磨粒选用包括激光加工在内的微纳制造方法进行加工；

（4）将固定有多磨粒刀具的刀台固定在磨削机床的固定架上，所述固定台被安装在磨削机床的工作台上；

（5）将要加工工件固定在磨削机床主轴上，可以和主轴进行旋转；

（6）控制磨削机床工作台移动，带动固定在工作台上的固定架，进而带动固定在固定架（刀架）上的多磨粒刀具接近工件表面；

（7）控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化，具体划削方式按照以下两种方式进行：

（a）当实际磨削的线速度≤100mm/min时采用直线划削方式，所述的固定在机床主轴的工件不旋转，控制工件和多磨粒刀具在X、Y轴方向上产生相对运动，在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{l}{k}---\left(3\right)$

式中，l为划痕长度，k为系数，＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，k值越大得到临界切削深度a_c值越精确；

（b）当实际磨削的线速度＞100mm/min时采用阿基米德螺旋线划削方式，划削时，固定在主轴上的工件旋转，当工件旋转速度到所定划削速度v₀并稳定后，控制工件和多磨粒刀具接近并开始做切深连续变化划削，控制多磨粒刀具，在工件表面形成阿基米德螺旋轨迹，同时在Z轴方向上产生刀具连续进给运动。切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{k}---\left(4\right)$

式中，θ为工件转角，单位度；k为系数，单位度/纳米，k＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{v_0}{b-\mathrm{a\θ}}---\left(5\right)$

式中，b为划痕初始点距主轴旋转中心的距离；a为阿基米德螺旋线系数

将完成划痕的工件利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区，恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域，测量脆-延转化临界区域的深度即获得该材料在该机床上进行超精密磨削的脆-延转化临界切深深度a_c。

所述步骤进一步细化为：

（1）根据微晶玻璃磨削要使用的砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮浓度为75%，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式（2）计算可得磨粒间的间距为8.355μm，由于粒径大小介于d₀=20～70μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-45°；

（2）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数，通过聚焦离子束（FIB）加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个磨粒9，得到多磨粒刀具。

硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定装置，由超精密磨削机床、多磨粒刀具构成，多磨粒刀具的磨粒数目≥3个，磨粒形状和砂轮磨粒形状相同，磨粒的间距S_B按照下面公式（2）给出：

$S_B=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{{6V}_g}}{d}_0---\left(2\right)$

式中，V_g为砂轮的浓度，d₀为砂轮的颗粒直径；磨粒尺寸d₀=20～70μm范围内，前角在-45°～-50°内选择；磨粒尺寸d₀=70～420μm范围内，前角在-50°～-55°内；磨粒基体固定在超精密磨削机床刀台上。

超精密磨削机床工作台移动，带动固定在工作台上的刀台，进而带动固定在刀台上的多磨粒刀具接近工件表面，控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化；采用直线划削方式，划削时，固定在主轴上的工件旋转，当工件旋转速度到所定划削速度并稳定后，控制工件和多磨粒刀具接近，并从距离主轴旋转中心处开始进行切深连续变化划削，在工件表面形成阿基米德螺旋轨迹划痕，同时在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{36}$

按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{1.2\×{10}^5}{20-1.5\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

θ为工件转角，单位是度。

本发明根据所使用砂轮的特性自制多磨粒刀具，在要进行磨削的超精密磨削机床上根据不同实际磨削速度采用不同的划削方式，对所加工脆性材料进行化切深连续变化的划削，利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜、白光干涉仪等微纳尺寸测量手段，观察所形成划痕区及两侧的材料去除形态及行为，并界定材料脆性去除区、延性去除区及脆-延转换临界转换区，通过检测脆-延转化区间划痕的深度从而确定该硬脆材料在该机床加工时的临界切削深度。并且根据此临界切削深度指导该硬脆材料磨削时的磨削深度，实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工。

本发明的有益效果具体有以下几个方面：

（1）本发明根据所要使用的砂轮性能制造多磨粒（≥3）刀具，能够最大程度的接近于砂轮本身的材料去除特性。超精密磨削被看成是多个磨粒的微切削刃共同参与的材料去除过程，磨削过程中，脆性材料的去除不仅受到单个磨粒的机械去除作用，磨粒之间对机械去除作用的相互耦合影响也对脆性材料的去除产生至关重要影响，因此本发明方法得到的临界切深a_c比传统用单个磨粒方法得到的脆-延转变临界切削深度值更精确；

（2）本发明在同一刀具基体上制造出多磨粒，克服了利用胶粘或焊接方法导致的磨粒的安装误差，使微米级甚至纳米级尺寸的多磨粒刀具的形状及精度变得可控，保证了脆性材料脆-延转化临界切深a_c的精确获取；

（3）本发明方法在进行超精密磨削的机床上进行划削，测量得到的脆性材料脆-延转化临界切深a_c针对性更强。脆性材料脆-延转化临界切深a_c受到机床刚度、进给精度影响，不同机床得到的脆性材料脆-延转化临界切深a_c不同，本发明克服了由于机床不同导致的脆性材料脆-延转化临界切深a_c的误差，对实现脆性材料的最大效率延性域磨削具有更强的指导意义；

（4）本发明方法针对超精密磨削过程中所采用的不同磨削速度，设计了不同的划削方法，当实际磨削的线速度≤100mm/min时采用直线划削方式，当实际磨削的线速度＞100mm/min时采用阿基米德螺旋线划削方式，解决了一般机床工作台移动速度较慢，无法达到高速的问题，大大提高了本发明方法的普及性。

附图说明

图1是本发明基于多磨粒刀具划痕确定脆-延转化临界切削深度方法原理图；

图2是多磨粒刀具结构图；

图3是多磨粒刀具放大图；

图4是多磨粒刀具直线划痕示意图；

图5是多磨粒刀具阿基米德螺旋划痕示意图；

图6是脆性材料碳化钨硬质合金多磨粒划痕脆-延转化临界切削深度测量结果；

图7是脆性材料微晶玻璃多磨粒划痕脆-延转化临界切削深度测量结果。

图中，1-机床主轴 2-真空吸盘 3-工件 4-多磨粒刀具 5-固定架(刀架) 6-工作台7-刀台 8-安装孔 9-磨粒 10-划痕。

具体实施方式

为了解决现有超精密磨削过程中，由于临界切深a_c无法准确获得造成的实现延性磨削困难，加工效率低、加工设备要求高导致加工成本过高，难以形成稳定高效低成本的硬脆材料器件超精密磨削等问题，本发明提供一种脆性材料超精密磨削脆-延转化临界切深确定方法，基于要用于磨削的砂轮性能指标而设计制造的的多磨粒金刚石刀具，在磨削机床上进行切深连续变化划削，利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜、白光干涉仪等测量手段，观察划痕区及两侧的材料去除形态及行为确定脆-延转化区间，并通过检测脆-延转化区间划痕的深度从而确定该硬脆材料在该机床加工时的临界切削深度。并且根据此临界切削深度指导该硬脆材料磨削时的磨削深度，实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工。并且通过本发明能够拓展到脆性材料的超精密加工材料去去除机理的研究中等。

本发明所要解决的技术问题是克服目前硬脆材料超精密磨削过程中无法准确确定脆-延转化临界切削深度的问题，提供一种基于自制多磨粒刀具划削方法，能够根据划痕及两侧脆性材料的去除状态和材料行为，准确确定脆性材料脆-延转化临界切削深度，实现硬脆材料低损伤、高表面质量、高效精密加工，并拓展到脆性材料的超精密加工材料去去除机理的研究中。

由于用砂轮磨削时直接确定临界磨削深度比较困难，因此本发明刀具主要是用来模仿要使用砂轮，确定此砂轮磨削时的临界磨削深度。即使用本发明确定临界磨削深度，然后使用砂轮磨削时，使用本发明得到的磨削深度进行磨削。本发明方法通过以下步骤实现：

（1）确定多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距，由于砂轮磨削硬脆材料过程中同时有多个磨粒作用于工件表面，因此本发明所述的多磨粒刀具的磨粒数目≥3个。所述的磨粒通过聚焦离子束（FIB）加工方法被加工在同一基体上，这样可以避免分别加工磨粒后再焊接或者粘结时无法保证磨粒各自的绝对位置以及磨粒间的相对位置弊端。磨粒形状可以加工成和要使用砂轮磨粒形状相同。磨粒的间距S_B按照下面公式（2）给出：

$S_B=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{{6V}_g}}{d}_0---\left(2\right)$

式中，V_g为砂轮的浓度，d₀为砂轮的颗粒直径。

同时由于磨削过程是负前角切削的形式，因此保证所述的磨粒的前角为负值，具体数值可按如下规则选择：磨粒尺寸d₀=20～70μm范围内，前角在-45°～-50°内选择；磨粒尺寸d₀=70～420μm范围内，前角在-50°～-55°内选择。

（2）选定加工磨粒基体，将其固定在刀台上。

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数在同一磨粒基体上加工出复数个（≥3）磨粒，由于在超精密磨削过程中选用的砂轮磨粒的粒径比较小，采用聚焦离子束（FIB）加工方法进行加工，对于粒径较大，形状精度要求不高的磨粒也可选用激光加工微纳制造等方法。

（4）将固定有多磨粒刀具的刀台固定在磨削机床的固定架（刀架）上。所述固定台（刀架）被安装在磨削机床的工作台上。

（5）将要加工工件固定在磨削机床主轴上，可以和主轴进行旋转。

（6）控制磨削机床工作台移动，带动固定在工作台上的固定架（刀架），进而带动固定在固定架（刀架）上的多磨粒刀具接近工件表面。

（7）控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化。具体划削方式按照以下两种方式进行：

a）当实际磨削的线速度≤100mm/min时采用直线划削方式，所述的固定在机床主轴的工件不旋转，控制工件和多磨粒刀具在X、Y轴方向上产生相对运动，在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{l}{k}---\left(3\right)$

式中，l为划痕长度，k为系数，＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，k值越大得到临界切削深度a_c值越精确。

b）当实际磨削的线速度＞100mm/min时采用阿基米德螺旋线划削方式。由于一般情况下磨削速度较高（＞10m/s），划削时要达到如此高的速度需要足够的加速时间和距离，直线划痕无法满足要求。划削时，固定在主轴上的工件旋转，当工件旋转速度到所定划削速度v₀并稳定后，控制工件和多磨粒刀具接近并开始切深连续变化划削。控制多磨粒刀具，在工件表面形成阿基米德螺旋轨迹，同时在Z轴方向上产生刀具连续进给运动。切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{k}---\left(4\right)$

式中，θ（°）为工件转角，k(°/nm)为系数，＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，k值越大得到临界切削深度a_c值越精确。划削过程中，为保证多磨粒刀具对工件的划削速度一致，随着多磨粒刀具和工件接触并开始划削，按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{v_0}{b-\mathrm{a\θ}}---\left(5\right)$

式中，b为划痕初始点距主轴旋转中心的距离；a为阿基米德螺旋线系数。

（8）将完成划痕的工件利用表面轮廓仪,共聚焦显微镜等仪器进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区。恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域。测量脆-延转化临界区域的深度即获得该材料在该机床上进行超精密磨削的脆-延转化临界切深深度a_c。

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。

本发明的工作原理如下：本发明方法根据所使用砂轮的特性自制多磨粒刀具，在要进行磨削的超精密磨削机床上根据不同实际磨削速度采用不同的划削方式，对所加工脆性材料进行化切深连续变化的划削，利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜、白光干涉仪等微纳尺寸测量手段，观察所形成划痕区及两侧的材料去除形态及行为，并界定材料脆性去除区、延性去除区及脆-延转换临界转换区，通过检测脆-延转化区间划痕的深度从而确定该硬脆材料在该机床加工时的临界切削深度。并且根据此临界切削深度指导该硬脆材料磨削时的磨削深度，实现最大切深的延性域磨削，从而实现硬脆材料高表面质量、高效、高精度的生产加工。

具体实施例一

通过本发明方法获取了在某型号超精密磨床上的碳化钨硬质合金材料的脆性材料脆-延转化临界切深a_c。具体实施过程如下：

（1）根据碳化钨硬质合金磨削要使用的砂轮为W80的树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮浓度为75%，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式（2）计算可得磨粒间的间距为66.844μm，由于粒经大小介于d₀=70～420μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-50°。

（2）选定加工磨粒基体，将其固定在刀台7上。

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数，通过聚焦离子束（FIB）加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个（≥3）磨粒9，得到如图3所示的多磨粒刀具4。

（4）将固定有多磨粒刀具4的刀台7固定在磨削机床的固定架（刀架）5上。所述固定台（刀架）5被安装在磨削机床的工作台6上。

（5）将要加工工件3通过真空吸盘2固定在磨削机床主轴1上，可以和主轴进行旋转。

（6）控制磨削机床工作台6移动，带动固定在工作台6上的固定架（刀架）5，进而带动固定在固定架（刀架）5上的多磨粒刀具4接近工件3表面。控制多磨粒刀具4和工件3产生相对运动，在工件3表面开始划削，同时控制多磨粒刀具4连续进给，使划痕的深度连续变化。由于碳化钨工件超精密磨削时工件和砂轮的转速需达到90mm/min，小于100mm/min，因此采用直线划削方式。划削时，固定在主轴上的工件3旋转，当工件3旋转速度到所定划削速度120m/min并稳定后，控制工件3和多磨粒刀具4接近，并从距离主轴旋转中心20mm处开始进行切深连续变化划削，在工件3表面形成阿基米德螺旋轨迹划痕10，同时在Z轴方向上产生刀具4连续进给运动。切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{36}$

按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{1.2\×{10}^5}{20-1.5\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

（7）将完成划痕的工件利用白光干涉仪进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，如图6（a）所示区域；区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区。如图6（c）所示区域。恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域，如图6（b）所示区域。测量脆-延转化临界区域的深度a_c如图6（b）右图所示，为0.382μm，利用此a_c值即可在该机床上进行最大效率的延性域超精密磨削。

具体实施例二

通过本发明方法获取了在某型号超精密磨床上的微晶玻璃材料的脆性材料脆-延转化临界切深a_c。具体实施过程如下：

（1）根据微晶玻璃磨削要使用的砂轮为W20的树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮浓度为75%，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式（2）计算可得磨粒间的间距为8.355μm，由于粒经大小介于d₀=20～70μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-45°。

（2）选定加工磨粒基体，将其固定在刀台7上。

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数，通过聚焦离子束（FIB）加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个（≥3）磨粒9，得到如图3所示的多磨粒刀具4。

（4）将固定有多磨粒刀具4的刀台7固定在磨削机床的固定架（刀架）5上。所述固定台（刀架）5被安装在磨削机床的工作台6上。

（5）将要加工工件3通过真空吸盘2固定在磨削机床主轴1上，可以和主轴进行旋转。

（6）控制磨削机床工作台6移动，带动固定在工作台6上的固定架（刀架）5，进而带动固定在固定架（刀架）5上的多磨粒刀具4接近工件3表面。控制多磨粒刀具4和工件3产生相对运动，在工件3表面开始划削，同时控制多磨粒刀具4连续进给，使划痕的深度连续变化。由于微晶玻璃工件超精密磨削时工件和砂轮的转速需达到90mm/min＜100mm/min，因此采用直线划削方式。划削时控制工件3和多磨粒刀具4在X轴或者Y轴方向上以90mm/min产生相对运动，在Z轴方向上驱动多磨粒刀具4做连续进给运动，形成切削深度连续变化划削方式。切削深度a按照下式计算所得进行控制：

$a=\frac{1000}{100}=10\mathrm{nm}/\mathrm{\μm}$

（7）将完成划痕的微晶玻璃工件利用白光干涉仪进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，如图所示区域；区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区。恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域，如图7所示。测量脆-延转化临界区域的深度a_c如图7右图所示虚线所示，为0.097μm，利用此a_c值即可在该机床上进行最大效率的延性域超精密磨削。

具体实施例三

通过本发明方法获取了在某型号超精密磨床上的淬火钢材料的脆性材料脆-延转化临界切深a_c。具体实施过程如下：

（1）根据淬火钢工件磨削要使用的砂轮为W120的树脂结合剂CBN砂轮，砂轮浓度为100%，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式（2）计算可得磨粒间的间距为86.832μm，由于粒经大小介于d₀=70～420μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-50°。

（2）选定加工立方氮化硼(CBN)磨粒基体，将其固定在刀台7上。

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数，通过聚焦离子束（FIB）加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个（≥3）磨粒9，得到如图3所示的多磨粒刀具4。

（4）将固定有多磨粒刀具4的刀台7固定在磨削机床的固定架（刀架）5上。所述固定台（刀架）5被安装在磨削机床的工作台6上。

（5）将要加工工件3通过真空吸盘2固定在磨削机床主轴1上，可以和主轴进行旋转。

（6）控制磨削机床工作台6移动，带动固定在工作台6上的固定架（刀架）5，进而带动固定在固定架（刀架）5上的多磨粒刀具4接近工件3表面。控制多磨粒刀具4和工件3产生相对运动，在工件3表面开始划削，同时控制多磨粒刀具4连续进给，使划痕的深度连续变化。由于淬火钢工件超精密磨削时工件和砂轮的转速需达到1800m/min，大于100mm/min，因此采用直线划削方式。划削时，固定在主轴上的工件3旋转，当工件3旋转速度到所定划削速度1800m/min并稳定后，控制工件3和多磨粒刀具4接近，并从距离主轴旋转中心20mm处开始进行切深连续变化划削，在工件3表面形成阿基米德螺旋轨迹划痕10，同时在Z轴方向上产生刀具4连续进给运动。切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{36}$

按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{1.5\×{10}^5}{20-1.5\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

将完成划痕的淬火钢工件利用白光干涉仪进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区；区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区；。恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域。测量脆-延转化临界区域的深度，为0.681μm，利用此a_c值即可在该机床上进行最大效率的延性域超精密磨削。

具体实施例四

通过本发明方法获取了在某型号超精密磨床上的单晶硅材料的脆性材料脆-延转化临界切深a_c。具体实施过程如下：

（1）根据单晶硅工件磨削要使用的砂轮为W30的树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮浓度为100%，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式（2）计算可得磨粒间的间距为21.708μm，由于粒经大小介于d₀=20～70μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-45°。

（2）选定加工单晶金刚石磨粒基体，将其固定在刀台7上。

（3）按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角等参数，通过聚焦离子束（FIB）加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个（≥3）磨粒9，得到如图3所示的多磨粒刀具4。

（4）将固定有多磨粒刀具4的刀台7固定在磨削机床的固定架（刀架）5上。所述固定台（刀架）5被安装在磨削机床的工作台6上。

（5）将要加工工件3通过真空吸盘2固定在磨削机床主轴1上，可以和主轴进行旋转。

（6）控制磨削机床工作台6移动，带动固定在工作台6上的固定架（刀架）5，进而带动固定在固定架（刀架）5上的多磨粒刀具4接近工件3表面。控制多磨粒刀具4和工件3产生相对运动，在工件3表面开始划削，同时控制多磨粒刀具4连续进给，使划痕的深度连续变化。由于单晶硅工件超精密磨削时工件和砂轮的转速需达到1200m/min，大于100mm/min，因此采用直线划削方式。划削时，固定在主轴上的工件3旋转，当工件3旋转速度到所定划削速度1200m/min并稳定后，控制工件3和多磨粒刀具4接近，并从距离主轴旋转中心20mm处开始进行切深连续变化划削，在工件3表面形成阿基米德螺旋轨迹划痕10，同时在Z轴方向上产生刀具4连续进给运动。切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{36}$

按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{1.2\×{10}^5}{20-1.5\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

将完成划痕的单晶硅工件利用白光干涉仪进行观察和测量，区域内出现不超过10%的脆性材料断裂，即出现90%以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区；区域内出现超过10%的脆性材料断裂，即出现不超过90%的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区；。恰好为10%脆性材料去除、90%塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域。测量脆-延转化临界区域的深度，为0.083μm，利用此a_c值即可在该机床上进行最大效率的延性域超精密磨削。

Claims (2)

1.一种硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法，其特征是，包括下列步骤：

1)根据超精密磨削所使用的砂轮确定自制多磨粒刀具的磨粒数目、形状、间距：多磨粒刀具的磨粒数目≥3个，所述的磨粒通过聚焦离子束(FIB)加工或激光被加工在同一基体上，单个磨粒形状加工成和要使用砂轮磨粒形状相同，磨粒的间距S_B按照下面公式(2)给出：

$S_B=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{6V_g}}{d}_0---\left(2\right)$

式中，V_g为砂轮的浓度，d₀为砂轮的磨粒直径；

磨粒的前角为负值，具体数值按如下规则选择：磨粒直径d₀＝20～70μm范围内，前角在-45°～-50°内选择；磨粒直径d₀＝70～420μm范围内，前角在-50°～-55°内选择；

2)选定加工磨粒基体，将其固定在刀台上；

3)按照步骤1)选定的磨粒形状、间距、前角参数在所述的磨粒基体上加工出≥3个磨粒，磨粒的粒径小时，采用聚焦离子束(FIB)加工方法进行加工；或者，对于粒径较大，形状精度要求不高的磨粒选用包括激光加工在内的微纳制造方法进行加工；

4)将固定有多磨粒刀具的刀台固定在磨削机床的固定架上，所述固定架被安装在磨削机床的工作台上；

5)将要加工工件固定在磨削机床主轴上，可以随主轴进行旋转；

6)控制磨削机床工作台移动，带动固定在工作台上的固定架，进而带动固定在固定架即刀架上的多磨粒刀具接近工件表面；

7)控制多磨粒刀具和工件产生相对运动，在工件表面开始划削，同时控制多磨粒刀具连续进给，使划痕的深度连续变化，具体划削方式按照以下两种方式进行：

a)当实际磨削的线速度≤100mm/min时采用直线划削方式，所述的固定在机床主轴的工件不旋转，控制工件和多磨粒刀具在X、Y轴方向上产生相对运动，在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{l}{k}---\left(3\right)$

式中，l为划痕长度，k为系数，＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，k值越大得到临界切削深度a_c值越精确；

b)当实际磨削的线速度＞100mm/min时采用阿基米德螺旋线划削方式，划削时，固定在主轴上的工件旋转，当工件旋转速度到所定划削速度v₀并稳定后，控制工件和多磨粒刀具接近并开始做切深连续变化划削，控制多磨粒刀具，在工件表面形成阿基米德螺旋轨迹，同时在Z轴方向上产生刀具连续进给运动，切削深度a按照下式控制：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{k}---\left(4\right)$

式中，θ为工件转角，单位度；k为系数，单位度/纳米，k＞1，其大小影响临界切削深度a_c的精度，按照下式控制工件转速ω：

$\mathrm{\ω}=\frac{v_0}{b-a\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

式中，b为划痕初始点距主轴旋转中心的距离；a为阿基米德螺旋线系数；

将完成划痕的工件利用表面轮廓仪、共聚焦显微镜进行观察和测量，区域内出现不超过10％的脆性材料断裂，即出现90％以上的塑性流动去除形式的区域界定为延性去除区，区域内出现超过10％的脆性材料断裂，即出现不超过90％的材料塑性流动去除形式的区域界定为脆性去除区，恰好为10％脆性材料去除、90％塑性流动去除形式区域为脆-延转化临界区域，测量脆-延转化临界区域的深度即获得该材料在该机床上进行超精密磨削的脆-延转化临界切深深度a_c。

2.如权利要求1所述的硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法，其特征是，所述步骤进一步细化为：

(1)根据微晶玻璃磨削要使用的砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮浓度为75％，确定磨粒形状为四棱锥型，磨粒数目≥3个；将砂轮浓度及粒径代入式(2)计算可得磨粒间的间距为8.355μm，由于粒径大小介于d₀＝20～70μm范围内，因此按照所述的前角确定原则，选择磨粒的前角角度为-45°；

(2)按照步骤(1)选定的磨粒形状、间距、前角参数，通过聚焦离子束(FIB)加工方法在同一磨粒基体上加工出复数个磨粒9，得到多磨粒刀具。