CN109834553B - 微沟槽结构表面的精密磨削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，具体步骤包括：一、建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型：1)微沟槽结构的砂轮修整，2)建立砂轮形貌的修整模型，二、微沟槽结构表面的精密磨削加工方法：1)建立磨粒运动轨迹，2)形成微沟槽结构表面，3)微沟槽结构表面加工结果。该方法可说明微沟槽结构表面与修整及磨削条件之间的关系，可有效提高微沟槽结构表面的精密磨削加工精度及加工质量，对微沟槽结构表面磨削加工形成具有重要意义。

Description

微沟槽结构表面的精密磨削加工方法

技术领域

本发明涉及一种精密磨削加工技术，尤其是一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法。

背景技术

微结构表面是指具有规律阵列与空间特征，且高深宽比微小的拓扑几何形状，其尺寸精度高，一般在微米级。相对于光滑表面，特定的微结构能够改善表面光学、摩擦学等性能，具有重要的应用价值。微结构表面先后使用了超精密金刚车、飞轮切、电火花加工和激光加工等多种加工方法，而精密磨削加工仍然是主要的微结构加工方法之一。在磨削过程中，砂轮形貌特征很大程度上决定了磨削零件的微结构特征。因此，微结构表面磨削的关键是产生有结构化的砂轮形貌。

精密磨削主要是形成随机沟槽结构，对于规则微沟槽结构的精密磨削加工方法至今没有有效解决，其困难在于如何通过修整控制砂轮形貌，以及综合考虑修整和磨削运动学对于微沟槽结构形成的影响。因此，需要发明一种基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，提出一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，该方法可说明微沟槽结构表面与修整及磨削条件之间的关系，可有效提高微沟槽结构表面的精密磨削加工精度及加工质量，对微沟槽结构表面磨削加工具有重要意义。

发明内容

本发明是基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立了微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，提出一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，该方法可说明微沟槽结构表面与修整及磨削条件之间的关系，可有效提高微沟槽结构表面的精密磨削加工精度及加工质量，对微沟槽结构表面磨削加工形成具有重要意义。

本发明的技术方案如下：

一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，具体步骤为：

一、建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型

1)微沟槽结构的砂轮修整

运用圆弧修整器，首先从右到左和从左到右对砂轮进行两次修整，由此在砂轮表面形成交替排列的网状沟槽结构；由于砂轮沟槽结构部分的磨粒被去除，形成砂轮无效磨削区域，使非沟槽结构的砂轮有效区域磨料层能够有接触并去除工件材料，并可在工件表面形成微沟槽；

2)建立砂轮形貌的修整模型

通过单次修整模型能够近似描绘出从两个方向结构修整后的砂轮轮廓，沿着砂轮修整轴向横截面轮廓的模型可以根据修整重叠率U_d值，U_d<1和U_d≥1分为两组，修整重叠率U_d是修整器接触宽度b_d与修整导程f_d的商，修整重叠率U_d<1时的砂轮表面轮廓中有一部分砂轮表面的未被修整，而砂轮未修整部分是砂轮的最大半径，定义为磨削时的等效砂轮半径R：

R_s和R_w分别是砂轮半径和工件半径；

砂轮轴向表面轮廓中，点D对应于砂轮被修整的最深点h等于修整深度a_d，当U_d<1时，砂轮被修整的最深点h是砂轮轴向的峰谷高度，则BF代表圆弧修整器与砂轮的接触宽度b_d，为：

r_d为圆弧修整器的给定半径，

用一个简单的转换z＝f_a×α/2π，砂轮周向轮廓的建模可以转换为：

f_d为修整导程，α为砂轮极坐标角度，砂轮名义半径可以计算为：

α₂和α₃之间的砂轮表面高于磨削切深d，则不会切削工件，α₁，α₂和α₃的值可由方程式确定，α₃至2π和α₁至α₂之间的砂轮表面是砂轮有效区域，分别为切入阶段和切出阶段，

当修整重叠率U_d≥1，修整后的砂轮峰谷高度h可以通过修整器圆弧半径和修整导程来计算：

式(8)表明，当U_d≥1，峰谷高度是h与修整导程f_d和修整器圆弧半径r_d有关，轴向轮廓的局部砂轮半径仍可通过圆弧修整器半径r_d确定，如公式(9)，此时α₁的值变为零，并且砂轮有效区域变为α₃到2π和0到α₂之间的砂轮表面，它们分别是切入阶段和切削阶段：

当U_d≥1时，α₂和α₃通过以下公式计算：

二、微沟槽结构表面的精密磨削加工方法

1)建立磨粒运动轨迹

工件微结构的形成是修整后砂轮中所有单个磨粒切削作用的结果，由于表面微结构与磨削运动学直接相关，应结合砂轮修整，考虑磨粒轨迹模型以帮助理解微沟槽结构表面的磨削形成；

在磨削时，假设砂轮以旋转角度

逆时针旋转，在与砂轮极坐标角度α示出在相同的空间中，修整后的砂轮有效区域磨粒切入工件，并在相关坐标系中沿摆线路径移动去除工件材料，磨粒路径用方程式(12-a)表示逆磨，方程式(12-b)用于顺磨：

其中r＝R*(v_w/v_s)是一个理想的砂轮半径，且沿假想砂轮滚动线向前，v_w是工件的线速度，v_s是砂轮的线速度；

每个有效磨粒，位于半径ρ(α)>R-d的有效区域内，以角度

切入工件材料并以角度切出工件，通过在方程(12-a)和(12-b)中代入y＝0和由公式(5)-(7)或(10)-(11)得到的极坐标角度α来计算砂轮旋转的角度

和

对于逆磨:

对于顺磨:

带入公式(13-a)和(13-b)至公式(12-a)和(12-b)中，获得磨粒轨迹的横坐标x和纵坐标y，最终得到切向沟槽轮廓；当计算切向沟槽轮廓长度时，应考虑有效区域最大砂轮半径的磨粒位置，当U_d≥1时，对应于最大半径R的α值为0，当U_d<1时，对应于最大半径可以通过公式(8)计算，而α的范围为0～α₁，对应所考虑的情况，在公式(12-a)和(12-b)中代替这些值，可以得到沟槽的切向轮廓，而通过公式(14-a)和(14-b)的磨粒轨迹模型可以推导出切向沟槽结构长度尺寸模型：

公式(12-a)和(12-b)～(14-a)和(14-b)表明根据可以通过磨粒运动轨迹计算沟槽结构轮廓及其长度，并能体现逆磨和顺磨的区别；

2)形成微沟槽结构表面

当砂轮切入工件时，砂轮和工件之间的速度比q＝v_w/v_s在工件圆周方向上缩放，砂轮旋转一周，工件将向前移动一段纵向节圆长度L，工件结构的节圆长度为：

L＝2πR_sq＝2πR_sv_w/v_s (15)

v_w是工件的线速度，v_s是砂轮的线速度，

这表明节圆长度包含单个微沟槽结构，而微结构特征将在每个节圆长度中重复沿切削方向，如果沟槽长度小于节圆长度，工件表面会重复完整单个沟槽，如果沟槽长度大于节圆长度，微沟槽将产生干涉，重叠干涉部分则被移除；

当沟槽形成是单个完整的，其沟槽深度等于名义磨削切深，而沟槽干涉时，实际的沟槽深度d’小于名义磨削切深，可以通过几何推导计算：

lw为沟槽结构长度，

在沟槽形成时，考虑节圆长度对切向沟槽长度的影响，通过公式(12-a)和(12-b)带入实际的沟槽深度，可以获得完整单个沟槽或沟槽干涉形成的切向轮廓，带入公式(14-a)和(14-b)能得到沟槽结构长度lw；

3)微沟槽结构表面加工结果

外圆磨削过程中，修整和磨削参数都对微结构轮廓及尺寸有一定的影响，通过选择一定修整深度，修整进给，线速度，节圆长度，以及不同的磨削切深，对微结构磨削进行切向轮廓加工，形成在不同的磨削切深下的沟槽长度和切向轮廓。

本发明的有益效果：

本发明是基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立了微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，提出一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，该方法可说明微沟槽结构表面与修整及磨削条件之间的关系，可有效提高微沟槽结构表面的精密磨削加工精度及加工质量，对微沟槽结构表面磨削加工形成具有重要意义。

附图说明

图1为修整方式及微结构磨削示意图；

(a)修整方式，(b)工件表面形成微沟槽；

图2为U_d<1时砂轮的轴向截面轮廓图；

图3为U_d>1时砂轮的轴向截面轮廓图；

图4为磨粒顺磨、逆磨的切削摆线路径图；

图5为节圆长度对微沟槽形成的影响示意图；

(a)工件表面重复完整单个沟槽，(b)微沟槽产生干涉；

图6为不同磨削切深下的沟槽结构长度示意图；

图7为不同磨削切深下的切向轮廓(U_d<1)图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，具体步骤为：

一、建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型

1.微沟槽结构的砂轮修整

1.1砂轮修整

在磨削过程中，砂轮表面形貌会一定程度映射到工件表面上，这为微沟槽表面的磨削形成打下基础。通过特定修整获得规则排列深度大于磨削深度的结构化砂轮，结构化砂轮的有效部分在磨削时切入并去除工件材料，从而能够在工件表面形成规则的微沟槽。

基于此原理，本文运用圆弧修整器，首先从右到左和从左到右对砂轮进行了两次修整，修整方式如图1(a)所示，由此在砂轮表面形成交替排列的网状沟槽结构。由于砂轮沟槽结构部分的磨粒被去除，形成砂轮无效磨削区域，在磨削过程中它们不会去除工件表面材料。而非沟槽结构的砂轮有效区域磨料层能够有接触并去除工件材料，并如图1(b)所示在工件表面稳定地形成微沟槽。

1.2砂轮形貌的修整模型

通过单次修整模型能够近似描绘出从两个方向结构修整后的砂轮轮廓。沿着砂轮修整轴向横截面轮廓的模型可以根据修整重叠率U_d值(U_d<1和U_d≥1)分为两组。修整重叠率U_d是修整器接触宽度b_d与修整导程f_d的商。图2示出了修整重叠率U_d<1时的砂轮表面轮廓，其中有一部分砂轮表面的未被修整。砂轮未修整部分是砂轮的最大半径，定义为磨削时的等效砂轮半径R。

R_s和R_w分别是砂轮半径和工件半径。

图2的砂轮轴向表面轮廓中，D点对应于砂轮被修整的最深点h，它也等于修整深度a_d。当U_d<1时，砂轮被修整的最深点h也是砂轮轴向的峰谷高度。AF是修整导程f_d，AB则是未被修整的砂轮表面长度c，BF代表圆弧修整器与砂轮的接触宽度b_d：

r_d为圆弧修整器的给定半径。

用一个简单的转换z＝f_a×α/2π，砂轮周向轮廓的建模也可以转换为

点C和E代表磨削切深d，限制了砂轮有效磨削区域的长度。假设圆弧修整器的给定半径为r_d，砂轮名义半径可以计算为：

如图2所示，α₂和α₃之间的砂轮表面高于磨削切深d，则不会切削工件，α₁，α₂和α₃的值可由方程式确定，α₃至2π和α₁至α₂之间的砂轮表面是砂轮有效区域，分别为切入阶段和切出阶段，

当修整重叠率U_d≥1，修整后的砂轮峰谷高度h可以通过修整器圆弧半径和修整导程来计算。

式(8)表明，当U_d≥1，峰谷高度是h与修整导程f_d和修整器圆弧半径r_d有关。轴向轮廓如图3所示，局部砂轮半径仍可通过金刚石修整器半径r_d确定，如公式9。此时α₁的值变为零，并且砂轮有效区域变为α₃到2π和0到α₂之间的砂轮表面，它们分别是切入阶段和切削阶段。

当U_d≥1时，α₂和α₃通过以下公式计算：

2.微沟槽结构表面的精密磨削加工方法

2.1磨粒运动轨迹

工件微结构的形成是修整后砂轮中所有单个磨粒切削作用的结果。由于表面微结构与磨削运动学直接相关，应结合砂轮修整，考虑磨粒轨迹模型以帮助理解微沟槽结构表面的磨削形成。

在磨削时，假设砂轮以旋转角度

逆时针旋转，在与砂轮极坐标角度α示出在相同的空间中，如图4所示。修整后的砂轮有效区域磨粒切入工件，并在相关坐标系中沿摆线路径移动(即图4中的O_wup或O_wdown)去除工件材料，磨粒路径用方程式(12-a)表示逆磨，方程式(12-b)用于顺磨。

其中r＝R*(v_w/v_s)是一个理想的砂轮半径，且沿假想砂轮滚动线向前。

每个有效磨粒，主要位于半径ρ(α)>R-d的有效区域内(主要集中在0-α₁，α₁-α₂和α₂-2π间)，以角度

切入工件材料并以角度

切出工件。通过在方程(12-a)和(12-b)中代入y＝0和由公式(5)-(7)或(10)-(11)得到的极坐标角度α来计算砂轮旋转的角度

和

对于逆磨:

对于顺磨:

带入公式(13-a)和(13-b)至公式(12-a)和(12-b)中，获得磨粒轨迹的横坐标和纵坐标，最终得到切向沟槽轮廓。当计算切向沟槽轮廓长度时，应考虑有效区域最大砂轮半径的磨粒位置。当U_d≥1时，对应于最大半径R的α值为0，当U_d<1时，对应于最大半径可以通过公式8计算，而α的范围为0～α₁。对应所考虑的情况，在公式(12-a)和(12-b)中代替这些值，可以得到沟槽的切向轮廓，而通过公式(14-a)和(14-b)的磨粒轨迹模型可以推导出切向沟槽结构长度尺寸模型。

公式(12-a)和(12-b)～(14-a)和(14-b)表明根据可以通过磨粒运动轨迹计算沟槽结构轮廓及其长度，并能体现逆磨和顺磨的区别。

2.2微沟槽结构表面的形成

当砂轮切入工件时，砂轮和工件之间的速度比q＝v_w/v_s在工件圆周方向上缩放。砂轮旋转一周，工件将向前移动一段纵向节圆长度L。工件结构的节圆长度为：

L＝2πR_sq＝2πR_sv_w/v_s (15)

v_w是工件的线速度，v_s是砂轮的线速度。

这表明节圆长度包含单个微沟槽结构，而微结构特征将在每个节圆长度中重复。沿切削方向，如果沟槽长度小于节圆长度如图5(a)，工件表面会重复完整单个沟槽。如果沟槽长度大于节圆长度，微沟槽将如图5(b)那样产生干涉，重叠干涉部分则被移除。

当沟槽形成是单个完整的，其沟槽深度等于名义磨削切深，而沟槽干涉时，实际的沟槽深度d’小于名义磨削切深，可以通过几何推导计算：

lw为沟槽结构长度，在沟槽形成时，考虑节圆长度对切向沟槽长度的影响，通过公式(12-a)和(12-b)带入实际的沟槽深度，可以获得完整单个沟槽或沟槽干涉形成的切向轮廓，带入公式(14-a)和(14-b)能得到沟槽结构长度lw。

2.3微沟槽结构表面加工结果

外圆磨削过程中，修整和磨削参数都对微结构轮廓及尺寸有一定的影响，选择修整深度ad＝20μm，修整进给fd＝350μm，bd＝280μm，线速度vs＝35m/s，节圆长度L＝500μm，磨削切深d＝2/4/6μm，对微结构磨削进行切向轮廓加工，在不同的磨削切深下的沟槽长度和切向轮廓如图6，图7所示。

Claims (1)

1.一种微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，其特征在于：该方法基于外圆规则微结构沟槽表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，考虑节圆长度对微结构形成的影响，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型，具体步骤为：一、建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型

1)微沟槽结构的砂轮修整

运用圆弧修整器，首先从右到左和从左到右对砂轮进行两次修整，由此在砂轮表面形成交替排列的网状沟槽结构；由于砂轮沟槽结构部分的磨粒被去除，形成砂轮无效磨削区域，使非沟槽结构的砂轮有效区域磨料层能够有接触并去除工件材料，并在工件表面形成微沟槽；

2)建立砂轮形貌的修整模型

通过单次修整模型能够近似描绘出从两个方向结构修整后的砂轮轮廓，沿着砂轮修整轴向横截面轮廓的模型根据修整重叠率U_d值分为U_d<1和U_d≥1两组，修整重叠率U_d是修整器接触宽度b_d与修整导程f_d的商，修整重叠率U_d<1时的砂轮表面轮廓中有一部分砂轮表面的未被修整，而砂轮未修整部分是砂轮的最大半径，定义为磨削时的等效砂轮半径R：

R_s和R_w分别是砂轮半径和工件半径；

砂轮轴向表面轮廓中，点D对应于砂轮被修整的最深点的距离等于修整深度a_d，当U_d<1时，砂轮被修整的最深点的距离是砂轮轴向的峰谷高度h，则BF代表圆弧修整器与砂轮的接触宽度b_d，为：

r_d为圆弧修整器的给定半径，

用一个简单的转换z＝f_a×α/2π，砂轮周向轮廓的建模可以转换为：

f_d为修整导程，α为砂轮极坐标角度，砂轮名义半径计算为：

α₂和α₃之间的砂轮表面高于磨削切深d，则不会切削工件，α₁，α₂和α₃的值由方程式确定，α₃至2π和α₁至α₂之间的砂轮表面是砂轮有效区域，分别为切入阶段和切出阶段，

当修整重叠率U_d≥1，修整后的砂轮峰谷高度h通过修整器圆弧半径和修整导程来计算：

式(8)表明，当U_d≥1，峰谷高度h是与修整导程f_d和修整器圆弧半径r_d有关，轴向轮廓的局部砂轮半径通过圆弧修整器半径r_d确定，公式(9)，此时α₁的值变为零，并且砂轮有效区域变为α₃到2π和0到α₂之间的砂轮表面，它们分别是切入阶段和切削阶段：

当U_d≥1时，α₂和α₃通过以下公式计算：

二、微沟槽结构表面的精密磨削加工方法

1)建立磨粒运动轨迹

工件微结构的形成是修整后砂轮中所有单个磨粒切削作用的结果，由于表面微结构与磨削运动学直接相关，应结合砂轮修整，考虑磨粒轨迹模型以帮助理解微沟槽结构表面的磨削形成；

在磨削时，假设砂轮以旋转角度

逆时针旋转，在与砂轮极坐标角度α示出在相同的空间中，修整后的砂轮有效区域磨粒切入工件，并在相关坐标系中沿摆线路径移动去除工件材料，磨粒路径用方程式(12-a)表示逆磨，方程式(12-b)用于顺磨：

其中r＝R*(v_w/v_s)是一个理想的砂轮半径，且沿假想砂轮滚动线向前，v_w是工件的线速度，v_s是砂轮的线速度；

每个有效磨粒，位于半径ρ(α)>R-d的有效区域内，以角度切入工件材料并以角度

切出工件，通过在方程(12-a)和(12-b)中代入y＝0和由公式(5)-(7)或(10)-(11)得到的极坐标角度α来计算砂轮旋转的角度和

对于逆磨:

对于顺磨:

带入公式(13-a)和(13-b)至公式(12-a)和(12-b)中，获得磨粒轨迹的横坐标x和纵坐标y，最终得到切向沟槽轮廓；当计算切向沟槽轮廓长度时，应考虑有效区域最大砂轮半径的磨粒位置，当U_d≥1时，对应于最大半径R的α值为0，当U_d<1时，对应于最大半径可以通过公式(8)计算，而α的范围为0～α₁，对应所考虑的情况，在公式(12-a)和(12-b)中代替这些值，得到沟槽的切向轮廓，而通过公式(14-a)和(14-b)的磨粒轨迹模型推导出切向沟槽结构长度尺寸模型：

公式(12-a)和(12-b)、(13-a)和(13-b)、(14-a)和(14-b)表明根据磨粒运动轨能计算沟槽结构轮廓及其长度，并能体现逆磨和顺磨的区别；

2)形成微沟槽结构表面

当砂轮切入工件时，砂轮和工件之间的速度比q＝v_w/v_s在工件圆周方向上缩放，砂轮旋转一周，工件将向前移动一段纵向节圆长度L，工件结构的节圆长度为：

L＝2πR_sq＝2πR_sv_w/v_s (15)

v_w是工件的线速度，v_s是砂轮的线速度，

这表明节圆长度包含单个微沟槽结构，而微结构特征将在每个节圆长度中重复沿切削方向，如果沟槽长度小于节圆长度，工件表面会重复完整单个沟槽，如果沟槽长度大于节圆长度，微沟槽将产生干涉，重叠干涉部分则被移除；

当沟槽形成是单个完整的，其沟槽深度等于名义磨削切深，而沟槽干涉时，实际的沟槽深度d’小于名义磨削切深，可以通过几何推导计算：

lw为沟槽结构长度；

在沟槽形成时，考虑节圆长度对切向沟槽长度的影响，通过公式(12-a)和(12-b)带入实际的沟槽深度，获得完整单个沟槽或沟槽干涉形成的切向轮廓，带入公式(14-a)和(14-b)能得到沟槽结构长度lw；

3)微沟槽结构表面加工结果

外圆磨削过程中，修整和磨削参数都对微结构轮廓及尺寸有一定的影响，通过选择一定修整深度、修整进给、线速度、节圆长度以及不同的磨削切深，对微结构磨削进行切向轮廓加工，形成在不同的磨削切深下的沟槽长度和切向轮廓。

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