CN1102369A - 脆性材料磨削的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用普通磨削设备以实现在“塑性加工模 式区域”进行磨削的脆性材料机械加工方法及其设 备。通过工件和包括有无数磨粒的磨轮之间的相对 运动，同时使磨轮以一规定压力与工作表面压力接 触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表 面。磨削或抛光的实施是以这样的方式设定这一规 定压力，即能使无数磨粒中参与所述磨削或抛光的磨 粒进入工作表面的磨削深度d小于一临界磨削深度d_c，d_c是工件产生脆性断裂的最小磨削深度。

Description

该项发明涉及到在恒定压力下对脆性材料如玻璃，陶瓷和晶体材料进行精磨的方法。它尤其涉及到用于光学设备如照像机，视频器件和显微镜的脆性材料的磨削方法和设备。

本项发明所用的术语“脆性材料”是指一种硬质的脆性材料，即非晶材料，如光学玻璃，石英玻璃和非晶硅，晶体材料如萤石、硅、KDP（磷酸二氢钾），KTP（KTIOPO₄）和水晶及陶瓷材料如碳化硅，矾土和氧化锆。总的来说，这些材料都有一个小于10×10⁶N/m^3/2的平面应变断裂韧度KIC（临界应力强度因子）。

当对这些脆性材料进行磨削时，这些材料通常是在“脆性加工模式的区域”（简称脆性模式区）内进行加工，随之带来的是脆性断裂，在加工面下会出现碎裂和碎片。然而，正如大家所知的那样，如果磨削深度非常小，这些脆性材料也可以在“塑性加工模式的区域”（简称塑（韧）性模式区）内进行加工，而不会出现断裂和碎片，这就象金属材料如铁和铝的加工方式。

是在“脆性加工模式区”内或在“塑性加工模式区”内进行磨削取决于磨削所用磨轮每颗磨粒的磨削深度。导致脆性断裂发生的最小磨削深度被称之为“临界磨削深度”，也就是说当磨削深度由零逐渐增大到该值时就发生脆性断裂，不同的材料这个值也不同。

当对脆性材料如玻璃，陶瓷或晶体在恒压下进行精磨时，一般采用的是由树脂结合剂或其它类似有弹性的材料制成的磨粒较细的磨轮来进行磨削。制成一个树脂基体磨轮，就是将酚醛树脂，聚酰亚胺树脂或类似的材料粉末与磨粒相混合，然后压力成形，最后烧结而成。

通过一个用普通的球形成形磨轮于恒压下磨制一个球形透镜的加工过程可以了解到：将一个已经模压成球形透镜形状的毛坯必须首先进行一个或两个阶段的粗磨加工，然后进行精磨也就是细磨，最后，由处于自由状态的磨粒对球形透镜进行一或两次抛光以精修球形透镜。一般来说，树脂结合剂磨轮用作抛光工序前进行的精修也就是用作细磨工序的磨削工具。

近年来，一些研究机构研究出一种具有固定磨削深度的精磨方法。这种方法也称为“塑性加工模式磨削”。据此方法，磨轮上的磨粒高度经过高精密修整变得均匀整齐，用这样一个高精密，大刚度的机器以小于临界磨削深度的很小深度来磨削被磨材料（这里所指的临界磨削深度是当被磨材料的磨削深度逐渐增大到该值时，材料的加工方式就由塑性加工转变为脆性加工模式）。由此方法，可清楚的得出这样的结论：即使象玻璃这样的脆性材料也可以象金属那样在塑性加工模式下进行磨削加工。此外，日本已公开的专利（申请人KOKAI）No.5-16070和5-185372的说明书中也详细地对该技术作了说明。即在塑性加工模式下进行磨削加工，磨轮的磨粒尖端的高度必须经过高精密修整使其变得均匀整齐。

然而，这种普通的磨削方法也存在着某些问题，尤其是在使用一种弹性胶结磨轮如树脂结合剂磨轮进行磨削加工时，由于结合剂自身的弹性，使得许多细磨粒都沉陷在结合剂（材料）里面，靠磨粒磨进加工材料和靠磨粒磨削被磨材料表面的凸起部分对被磨材料进行磨削加工的进展很缓慢。

更准确的说，图11中所示的剖面图，用图解的方式简要说明了使用一个树脂结合剂磨轮1进行细磨削的工作状况。磨粒3在结合剂2中处于沉陷状态。因为外露磨粒3的尖端高度是均匀整齐并达到某一特定程度的，所以每一颗粒的磨削深度也基本上是相同的。只要选择合适的磨粒直径和结合剂的弹性，所有磨粒的切削深度都能保证小于临界磨削深度d_c。在有些情况下，在上述所指的塑性加工方式区内进行精磨加工在明确的条件下可以实现。然而，当使用一个树脂结合剂磨轮时，各磨粒的磨削深度具有细微的差别，这是因为磨粒的锋利程度不同和磨粒磨削量的不同造成的。因此，就会出现一些磨粒削深度超过临界磨削深度d_c。这样在被磨材料或工件4上产生了裂纹K，即脆性断裂。最后得出的结果是：在塑性加工模式区内进行稳定的磨削是无法实现的。此外，当磨削在进行中并且被磨材料4的表面经过树脂结合剂磨轮恒压下的高精密的磨削已很平坦时，磨粒3通常就很少再参与磨削，所以，越来越多的磨粒将停止对材料的磨削，相应的，即使加工时间延长，加工材料的磨削量会减少到7或8微米，而且，大于该值的磨削是无法实现的。

因此，用一个弹性树脂结合剂磨轮来进行精磨涉及到许多不稳定的因素和大量的专门技术知识，所以它是不现实的。

在上述提及的在塑性加工模式区内进行的磨削中，微小的磨削深度是由高精度，大刚度的专用机器来设定的。其中，磨轮上的磨粒尖高度经过高精密修整后是均匀而整齐的，这种方法使得脆性材料如玻璃能够在塑性加工模式区内进行磨削。

图12是一个剖面图，它用图解的方式简要说明了在塑性加工模式下加工的状况。此时的磨粒已经过修整，因此外露的粒尖已加工成具有一个平坦的形状。为了使磨轮的磨粒3能够按图示的要求以磨削深度d精确地磨入工件4，应施加一个大的载荷并实施定位控制以确保磨削深度小于临界磨削深度d_c，d_c是保证工件4不出现脆性断裂的临界值。换句话说，在塑性加工模式区内进行的磨削，要求磨削深度d被精确的控制和设定。为此，必须具备大刚度专用磨削机器以及一个附属控制单元，那么，加工的费用也必然很高。

因此，鉴于采用普通的弹性树脂结合剂磨轮进行磨削和采用大刚度专用磨削机器在塑性加工模式下进行磨削加工中出现的问题，该项发明的目的之一就是提供一种方法和设备，使得脆性材料即使采用普通的磨削设备也能在塑性加工模式区内进行令人满意的磨削加工成为现实。

为达到以上目的，该项发明在脆性材料的磨削加工中采用了一种恒压下的精密磨削方法;它利用了一种电沉积型或金属粘接型的硬结合剂。这种方法的特点在于磨削时通过控制总载荷P以使磨轮所有参加磨削的磨粒的磨削深度小于最小磨削深度（临界磨削深度c_c），在临界磨削深度时加工模式成为脆性。在这里，磨粒也称为“有效粒子”。

根据本发明中所涉及的方法，通过确定一个发生脆性断裂的最小临界载荷P_c以及在实践中注意在低于该值的条件下进行磨削加工，以前所遇问题都可以迎刃而解。

图1和图2表示出了可完成这类磨削加工的两种方法。

图1是一个剖面示意简图，它用图解的方式来举例说明应用本发明进行磨削加工的状况。图中，工件4在一固定载荷P下紧靠磨轮1，磨轮上的磨粒3由结合剂2固定。同时，磨轮1绕其轴线5转动，工件4绕其轴线6转动。图1说明了恒压磨削方法。采用此方法，相对于工件4所有有效磨粒3-1的切削深度通过控制总载荷P的方法都设定在小于工件的临界磨削深度d_c的范围内。通常，在图1所示例子中所用的磨轮为硬质结合剂磨轮，如容易购买的电沉积型磨轮（此种磨轮采用电镀技术，用镍、铜或类似材料将基板上的磨粒进行电镀加以固定）或金属粘接磨轮（此种磨轮采用粉末冶金技术，将镍、铜、铁或类似材料粉末与磨粒相混合，然后再对混合物进行加压成形和烧结）。但是，采用这些磨轮，其磨粒的外露粒尖高度一般情况下并不均匀整齐。因此，采用图1中的磨削方法，在加工过程中，磨轮上仍存在一些未与磨削工件4相接触的磨粒，如磨粒3-2，这些磨粒被称作无效粒子。

因此，在确定总载荷P时，如果到达临界磨削深度的切削量给出，那么，磨轮与工件之间接触面上的有效磨粒的数量（N_MAX）以及每颗磨粒所承受的载荷（临界载荷P_c）可以测量出;在临界磨削深度进行磨削时的总载荷按N_MAX·P_c也可计算出。如果施加在单颗磨粒上的载荷P满足关系式P＜P_c，那么，在塑性加工模式区内进行磨削就成为可能。如果在这样一些情况下;磨轮上的磨粒高度不规则整齐，有效磨粒数N减少至N_MAX或更少，即N≤N_MAX。如果P＜P_c，关系式N·P＜N_MAX·P_c也同样成立。因为N·P表示磨削时的总载荷（P），这就足以保证对磨削加工时对总载荷的控制，从而达到在塑性加工模式下进行磨削加工的目的（见如下所列公式1）。

P＜N_MAX·P_c…公式（1）

以下是有关临界载荷P_c和N_MAX测量方法的介绍。

〈临界载荷P_c的测量〉

当某一载荷（P）已经给出，那么，对应于工件，单颗磨粒的磨削深度（d）与下列因素有关：

1）施加在单颗磨粒上的载荷（P）;

2）由磨粒的特征参数如锐利度，坚硬度等决定的因子（R）。

3）由工件材料的特征参数如硬度、弹性模量等决定的因子（H）。

4）磨削时，磨粒与工件之间的相对速度（V）。

这些可以表示为d＝F（P，R，H，V）。

在实际用磨轮来对脆性材料进行磨削加工之前，先进行一次模拟加工，将一个与实际将进行磨削加工的脆性材料工件一样的模型工件以与实际磨削时一样的相对速度，用一连结有与实际磨削时所用磨轮含有的磨粒类型相同的单颗磨粒的单元模型工具来进行磨削加工。通过这种模拟加工，单颗粒磨粒所承受载荷P与磨削深度d之间的关系就可以预先测出。

在模拟加工中，对单元模型工具在模型工件上的磨削深度（d）加以改变，当以磨削深度（d）进行磨削加工时，作用在它们之间的载荷（P）可以测量出。单颗磨粒的磨削深度（d）与载荷（P）之间的关系可以用图表示出来。同时，发生脆性断裂的最小磨削深度也可在加工后通过观察判断出来，该磨削深度就定该种脆性材料的临界磨削深度d_c。

这种模拟加工是通过采用一组模型工具进行的。每颗磨粒在其磨削深度相当于临界磨削深度d_c时所承受的载荷，即每颗磨粒的临界载荷P_c可从d、p关系曲线中获得。d、P关系曲线是根据由磨粒特征参数所决定的因子R，将单个d、P关系曲线加以平均而得出的。

〈有效磨粒的最大值N_MAX的测量〉

为了测量有效磨粒的数目，对一个由聚丙烯树脂或类似材料制成的一个平面模型工件进行刮削，所用的磨轮是一个平面模型磨轮，它的规格特性（有关结合剂和磨粒）与实际进行脆性材料磨削的磨轮的规格是相同的，并记下刮削次数。至于有效磨粒的最大数N_MAX的确定是，将模型工件从与模型磨轮的最初接触点开始进行磨削直至达到实际是以脆性材料被磨削时的临界磨削深度（d_c），然后将模型磨轮和模型工件朝与磨削方向垂直的方向相对转动一段很小的距离，因而模型工件上就会留下刮痕。然后，将模型工件从设备上卸下，借助于显微镜或其它类似工具就可以数出模型工件上每单位面积刮痕的数目。每单位面积的刮痕数与磨轮与实际需进行磨削加工的工件之间的接触面积之乘积就被用作有效磨粒的最大数N_MAX。

所以，这就为脆性材料提供了一个在恒压下进行精密磨削的方法。此方法的实现是通过测量N_MAX、P_c和确定磨削时总载荷P的变化范围，以及通过使磨轮中参加磨削的所有磨粒（有效粒子）的磨削深度小于最小磨削深度（临界磨削深度d_c）。当在临界磨削深度进行磨削加工时，加工模式就转变为脆性加工模式。同样，这也为使用该方法在恒压下进行精密磨削加工提供了设备。

图2是一个剖面简图，它列举另一个例子用图解的方式来说明本发明所涉及的磨削加工的状况。图2中所表示的磨削加工方法的基本特点与图1中所表示的是相同的，在这里就不再重复详细叙述。按照图2中所表示的磨削加工方法的特点，所用磨轮1磨粒3尖端的高度预先已经过修整变得均匀整齐，具有很高的精度，并比加工过程中工件4的临界磨削深度d_c要小得多。据此方法，磨粒3中每颗磨粒的磨削深度都相等。并且，在图1中所示的无效磨粒都不复存在。

为了生产出磨粒尖端高度都均匀整齐的磨轮，可以采用如同日本专利申请No.5-96040中发明人所建议的方法。采用此方法，就是采用一个形状与要加工的磨轮的磨削面形状一样的模型，在模型面上的磨粒是散布的，用金属镀层或类似材料制成的粘结层复盖在磨粒上，随后将做成的粘结层从模型中剥离出来，再将其粘附于磨轮的基件表面上，把表面形状与模形状相反的粘结层进行侵蚀处理，所以，磨粒就从粘结层中突出来。

为了在塑性加工模式区内进行磨削加工，施加在单颗磨粒上的载荷（P）应控制在小于临界载荷范围内。换句话说，两者之间应满足关系式P＜P_c的要求。

如图2所示，磨轮上磨粒尖端的高度都是均匀相等的，因而所有磨粒的磨削深度也相等。如果N代表有效磨粒数，那么P＝P·N。设定P（磨削时的总载荷）在下面公式（2）中所示范围内，施加在单颗磨粒上的载荷P将小于临界载荷P_c，并且，用普通的恒压磨削机器就能在塑性加工模式下进行磨削加工。

P＜P_c·N 公式…（2）

从下面按有关本发明实施例的详细说明并参阅附图，此项发明进一步的目的、特点和优点就可以一目了然。

图1是一个剖面简图，根据本发明所涉及的磨削加工方法，用图解的方法对一实例的加工状况予以说明。

图2是一个剖面简图，根据本项发明，通过列举另一个例子对磨削加工状态予以说明。

图3A是第一个的设备的前视图，该设备用作测量磨粒的磨削深度和承受的载荷;

图3B是第一个设备中Z部位的放大图;

图4是表示磨粒磨削深度与所承受载荷之间相互关系的曲线图;

图5是第二个设备的前视图，它用以测量有效磨粒的数目;

图6表示出用图5中所示设备由磨轮在聚丙烯树脂材料上产生的刮痕;

图7是确定塑性加工模式下磨削条件的流程图;

图8是一个曲线图，它表面出采用树脂结合剂磨轮，在塑性加工模式下进行磨削加工的磨削深度与时间的关系;

图9是加工一个球形透镜的流程图;

图10是一个剖面简图，它表示一透镜中心振荡运动型的球面加工机器;

图11是一个剖面简图，它表示用普通树脂结合剂磨轮进行磨削加工情况;和

图12是一个剖面简图，它表示在塑性加工模式下进行磨削加工的情况。

以下内容是结合附图对能采用普通的磨削设备，在塑性加工模式下进行令人满意加工的本发明具体实施例加以具体说明。

图3A是第一个设备200的剖面图，该设备通过使用构成一磨轮的单颗磨粒用于测量磨轮上磨粒的临界载荷和临界磨削深度，而图3B是第一个设备200中Z部位的放大图。设备200包括一个垂直定位滑块55，它支撑着一空气轴承52;一个安装在空气轴承52上的工具以及一个放置工件57的工作台59。工件57的移动是靠移动工作台59来实现，它由安装好的工具来进行加工。垂直定位滑块55安装在一个柱体56上，并由球形螺丝53和电动机54来定位。

工作台59安装在基座板60上，并由气缸61驱动。一个用于测量加工时载荷大小的载荷传感器58安装在工作台59上。当传感器58的输出经放大器62放大后，被测出的载荷值就由一个记录器（存储器）63记录下来。

在测量载荷P和磨削深度d之间的相互关系时，将借助铜焊连接有单颗磨粒66的工具柄部65安装在一工具托座64上，磨粒66与实际进行磨削加工磨轮所含的磨粒类型相同。托座64安装在空气轴承52上，空气轴承52由垂直定位滑块55固定在某一位置上，在此位置，磨粒66将以磨削深度d磨削工件57。然后，气缸61以某一速度将工作台59移动，在这个速度下，工具转动一圈的进程量为H。这样，工件57上的磨削槽就以螺旋式加工方法进行间歇性加工。此时施加给工件57的力由载荷传感器58测出。

将这种加工重复进行数次，并每次对其磨削深度d加以改变。也可以在一次加工中，将磨削深度d不断的加以变化，这样就可以获得磨削深度d和载荷P之间的相互关系，并可用曲线图表示出来（见图4）作为一例子。当将磨削深度d加大，加工模式就会由塑性转变为脆性加工模式，在前者条件下，磨削槽67不会碎裂，而在后者条件下，磨削槽底部或周围会出现碎裂。当脆性工作模式发生时，通过判读磨削深度d，工件57的临界磨削深度d_c就可以测量出来。

在实际中，通过改变如图3A中的磨粒AB和C的磨削深度d来测量载荷P。在图3A中所举第一例子中，第一个设备200中磨粒A，B和C的材料，类型及直径都是相同的。测量的结构以曲线图的形式表示出来（如图4）。实例中磨粒的直径大约为100μm，工件的材料是日本大原（oharak.k）生产的冠状玻璃。

从图4可以看出，尽管进行加工时所用磨粒具有相同粒径，但是A，B，C三种磨粒的d-p曲线有很大不同，这是由于磨粒诸如粒子边缘的圆度和粒子方向此类的性能不同造成的。因而，为了确定临界载荷，有必要对几种不同的磨粒进行测量，然后取其平均值。例如，如果临界磨削深度为0.5μm，基于对图4所示的A、B、C三种磨粒取其平均值的结果就得到P_c为0.078N（8gf）。如此可以得到单颗粒磨粒的临界磨削深度d_c以及此时的载荷P_c。

有效磨粒的最大数通过采用图5所示的第二台装置300测得。装置300构成如下：垂直定位滑块75支撑一空气轴承72，刀具安装在空气轴承72上。工作台79之上放置工件77，工件77靠工作台79的运动产生运动，并为安装的刀具所加工。垂直定位滑块75安装在柱状物76上，由球形螺旋73和电机74定位。

空气轴承72由电机71带动旋转，靠装在电机内的角度探测器（编码器，未画出）判定所转过的很小角度位置。

工作台79安装在一基盘80上，由球形螺丝81和电机82驱动。

测量有效磨粒最大数的方法如下，采用与制造实际加工使用的磨轮相同方法制作的平面形状的磨轮83，且具有同样的性能规格，把它连接到图5所示设备的空气轴承72上;一材质为聚丙烯树脂或同类物的平面形模型工件77通过工件基座78安装到工作台79上;工作台79定位后使得模型工件77位于磨轮83之下，垂直定位滑块75下降到与模型工件77接触，然后进一步降落直到被加工的脆性材料从初始接触位置算起的临界磨削深度为d_c而中止。

此时空气轴承72靠电机71转动一个很小角度α（例如1-10°），垂直定位滑块75升起，图6所示的诸如此类刮痕就留在了模型工件77上。

这些刮痕是磨轮83的磨粒磨削模型工件时留下的痕迹。通过计数模型工件表面积S₀上的从最突出的磨粒到临界磨削深度d_c这一高度范围内磨粒刮出的刮痕数量，就可以得到磨粒的数量（N_MAX），有效磨粒的最大数N_MAX根据磨轮和实际加工工件的接触面积S由N_MAX＝（N_MAX）×S/S₀给出。

图7的流程图总结了前面所述，说明了确定塑性加工模式磨削条件的过程。更明确指出，在流程图S₁步骤，实际使用磨轮的单颗磨粒是通过上述第一台装置200连结固定其上的。其次，实际被磨削的工件57是在S₂步骤采用装置200紧固的，然后当增加磨削深度d时于步骤S₃测量载荷P;于S₄步骤在工件57上磨削出槽67;并于S₅步骤确定断裂K是否发生。如果断裂K出现，程序就进行到S₆步骤。断裂K发生时，为临界磨削深度d_c并测量此时的压力P_c，就得到了表明图4所示相关关系的图形。

接下来，在S₇步骤，使用第二台装置300时其上附着有无数上述单颗磨粒的磨轮83紧固在支撑基座上;模型工件77在S8步骤固定;磨轮于S9步骤朝模型工件77下落，直到下落高度等于临界磨削深度d_c为止;磨轮83在S10步骤转过一个角度α;在S11步骤计数刮痕的数量。根据工件和磨轮的接触面积S，有效磨粒的最大数N_MAX由N_MAX＝（N_MAX）×S/S₀（S12步骤）得到。塑性模式磨削条件在S13步骤可知。

图8是磨削量与磨削时间的关系图，分两种情形即：在前面提到的塑性模式磨削条件下进行磨削及按照先有技术的方法用树脂粘结剂磨轮进行磨削。用树脂粘结剂磨轮进行常规磨削的情况下，其磨削量在大约14秒钟内就超出了在塑性模式磨削条件下的磨削量，但是14秒钟以后就不能再增加了。相比之下，证实了在塑性模式磨削条件下，其磨削量基本上呈线性增加的趋势，所以材料获得更大的磨削量成为现实。

为防止磨粒在磨削时脱落，使用其中的粘结材料的维氏硬度超过300的坚硬粘结磨轮比电沉积型或金属型粘结剂磨轮更有效。坚硬粘结磨轮使得在长时间内以塑性模式稳定地磨削脆性材料成为可能。

图9的流程图说明了采用球形磨轮进行恒压磨削制作球形透镜的过程，制作球形透镜的方法如下：用一、两个阶段粗磨压力成形毛坯，然后进行称为细磨的精磨，最后用自由状态下磨粒对球形面进行一、两次抛光。此时树脂粘结剂磨轮用作磨削刀具对其进行精整后再进行称为细磨的抛光。然而，图例中所示的这个过程不是采用常规树脂粘结剂磨轮来实现的，而是借助具有高硬度的镍基金属粘结剂成形球形磨轮来完成的。磨轮的磨粒为金刚石粒子，其平均粒径是50μm。

图10是局部剖开的结构视图，表示为透镜球心振荡运动型球面加工机床的一个实例，用以进行球形透镜的精密恒压磨削。下面将用简单的术语介绍此加工机床的结构。

工件心轴外壳93安装在垂直定位滑块91上，便于自由地上下运动。外壳93支撑工件心轴94的方式使得心轴94可以自由旋转且上下运动。转动心轴94的传送带97伸展在心轴94和紧固在外壳93上的工件旋转电机96的输出轴之间。驱动电机96用来转动心轴94。不过细节未在图中表示出，其中心轴94是中空的，旋转式密封（未画出）连接到其上端，并通过一个真空软管和真空泵（未画出）相连。

卡盘99紧固在工件心轴94下端，工件101通过接触构件100安装在卡盘里面。工件101通过真空泵产生的负压作用被吸到心轴94的下端。接触构件100用于吸收磨削时工件101的振动，其材料为橡胶或同类物。磨削液供液嘴110位于工件101之上，为其提供磨削液。

心轴94的中间部分有凸缘94a，压力设定螺旋95套在心轴94上，并与外壳93的上端（未画出）靠螺纹接合。加压螺圈弹簧98位于凸缘94和螺旋95之间。结果工件心轴94在图中朝下偏心，当未进行磨削，即工件心轴外壳93在图中向上运动时，凸缘94a触到外壳93内部的止档93a，因此限制了心轴94的位置。

另一方面，磨削时工件101接触旋转的磨轮102，靠此工件心轴94的凸缘94a与外壳93内部的止档93a分开从压缩加压螺圈弹簧98，于是工件101在总载荷P的作用下朝着磨轮102的方向受压。设定总载荷P的方法如下：通过调整压力设定螺旋95设定加压弹簧98的初始压缩量l₁，磨削时通过调整外壳93的位置设定加工压缩量l₂，最后根据螺圈弹簧98的弹簧模量K按照公式P＝K×（l1+l2）计算出P。

刀具心轴104通过摇摆盘107连接在工件心轴94下方，用于转动心轴104的皮带伸展在心轴104与装在摇摆盘107上的工具旋转电机105的输出轴之间，通过驱动电机105转动心轴104。

摇摆盘107通过摆轴驱动电机（未画出）能够围绕摆轴（未画出）进行摇摆，并能在加工时于设定的限度内摇摆。

刀具安装构件103的厚度可调，以便使得磨轮102的球面中心与摆轴和工件心轴104中心轴线的交点重合。磨轮102通过螺旋与心轴104相连，图中未画出。

当使用上述装置进行磨削时，如图示首先外壳93依靠垂直定位滑块91向上运动，使得卡盘99处于远离磨轮102的位置，通过接触构件110把工件101装到卡盘99里，由于真空泵（未画出）的负压作用工件被吸到心轴94的下端。其次，外壳93沿着垂直定位滑块91在图中向下运动，使得工件101接近磨轮102，甚至在工件101接触磨轮102后外壳进一步下降。当这完成时，凸缘94a与止档93a分开，工件101以上面提及的方式朝着磨轮102的方向受压。外壳93的运动中止在凸缘94a与止档93a分开的位置，此时有前面提及的加工压缩量l2。在这些条件下，当磨削液供给装置为工件101和磨轮102喷洒磨削液时驱动工件旋转电机96和刀具旋转电机105对工件101进行磨削。

为防止磨削工件101时磨轮102的偏心磨损，必要时磨轮102可以绕摆轴（未画出），即磨轮102的球面中心摇摆。

用于此实施例中的球形透镜工件其凸表面为ψ10，R30，材质为由大原（Ohara    K.K）制造的重火石玻璃PBH6。

以下测量和计算完成之后才实际进行球形透镜的加工。

（1）测量临界磨削深度d_c和PBH6玻璃的临界载荷P_c

临界磨削深度通过在图3A所示的第一台设备200上采用具有平均粒径50μm的金刚石磨粒即可得到，同时得到了与图4类似的d-p曲线。结果得到，对于PBH6玻璃材质工件，其临界磨削深度d_c近似为0.8μm，此时的载荷P_c平均为0.049N（0.005kgf）。

（2）测量有效磨粒的最大数（N_MAX）

平面磨轮其规格（镍作粘结剂;金刚石磨粒的平均直径为50μm）与使用的球形磨轮的规格相同。将此平面磨轮用第二台装置300（图5）切入0.8μm的深度（上面提及的测量值d_c）以测出聚丙烯树脂上刮痕数来测量有效磨粒的数量，并测量每平方厘米的面积上有效磨粒的最大数。其值大约为500粒/厘米²。

球形透镜的表面积M由下面的公式给出

M＝2πR〔R-{R²-（d/2）²}^1/2〕;（3）

其中R代表曲率半径，d为外径。

因此，对于外径为ψ10，R为30的球面，把此值代入式（3），就得到M＝0.79cm²。这就是说，在磨轮表面上参与磨削的磨粒最大数量N_MAX为500×0.79＝395（粒）。

根据前述结果，在临界磨削深度下总载荷为395×0.005＝1.975（kgf）。因此，加工时保持总载荷P不超过1.975kgf进行磨削的情况下，就能保持d/d_c，且磨削能以塑性模式进行。

球形透镜（PHB6;凸面为ψ10和R30）的恒压磨削在下列加工条件下进行：

总载荷P：1.5kgf

磨轮旋转速率：6000rpm

透镜旋转速率：100rpm

振荡角：5°-15°

磨削液：将JISK2241的No.2    W2稀释100倍的可溶型水状磨削液。

磨削后工件表面为塑性方式磨过的表面，其表面粗糙度K_max为0.1μm，工件磨削量（从透镜中心量起的工件厚度的减少量）在30秒的加工时间内为10μm。

在同样条件下加工500个透镜，得到3稳定的表面粗糙度和磨削量，还进一步发现磨轮的磨粒没有任何磨损迹象。

第二个实施例

图9所示的流程图代表此发明的第二个实施例。其中的精磨不是采用常规的树脂粘结剂磨轮来实现的，而是采用电沉积型粘结剂球形磨轮来完成。球形磨轮大约有3000个有效磨粒，其端部高度精确到均为0.1μm，有效磨粒的测量方法如下：用显微镜或同类物直接观察磨轮表面，并计数在一确定表面积上的磨粒，最后根据磨轮和透镜间的接触面积把此值表示出来，即为有效磨粒的数量。

磨粒为金刚石磨粒，平均粒径为100μm。加工设备是一透镜球心振荡运动型球面加工机床，类似于第一个实施例中的设备。加工于恒压下进行。作为工件的球形透镜其凸面为ψ10、R30，材质为由大原（Ohara    K.K）制造的冠状玻璃BSL7。

在球形透镜实际加工之前，要按照第一个实施例中的方法进行P_c的测量，结果得到P_c为0.078（8gf）。设定此载荷的目的是使得实际载荷不超过此值。更具体指出，此时旋加于磨轮的总载荷为98N（10kgf），加工在下列条件下进行，以便使得每个磨粒承受的载荷大约为0.033N（3.4gf）。

磨轮旋转速率：5000rpm

透镜旋转速率：1000rpm

振荡角：5-15°

磨削液：将JISK2241的No.2 W2稀释100倍的可溶型水状磨削液尽管所用磨轮的粘结剂为电沉积型，且其磨粒的平均粒径较大（100μm），但是与采用常规的树脂粘结剂磨轮进行精密的情况相比，比较短的时间就得到了极理想的表面粗糙度。最大粗糙度R_max不超过0.1mm（采用树脂粘结剂磨轮时为0.5μm），整个透镜表面便为以塑性模式磨削过的表面。再者，因为加工是在大载荷且磨粒端部高度一致的条件下进行，精磨过程中就能用较高的磨削速度，于10秒种加工时间内磨削量（从透镜中心量起的工件厚度的减少量）为15mm。而且，磨削加工是由端部高度相同的许多磨粒进行的，所以磨粒几乎未蒙受任何磨损，并能稳定地加工5000多个透镜。

这样，按上述每个实施例中提及的方法进行磨削时，与采用常规方法进行精磨的情况相比，能以较高的效率得到极理想的表面粗糙度，这使得缩短加工过程成为可能。此外，精磨时采用坚硬粘结电沉积型磨轮或金属粘结剂磨轮，磨轮的形状不会产生任何变化，其磨削的锐利程度也不会有任何恶化的趋势，大量脆性材料能以稳定的方式进行加工。

更进一步看，每一实施例中的磨削与常规的“塑性模式磨削”都有质的不同。现已不使用价格昂贵的特为塑性模式磨削设计的专用机床。更确切地说，使用的是诸如常规恒压磨削机床这样的廉价机床，其加工的精度和稳定度比常规“塑性模式磨削”更胜一筹，也比采用先有技术的方法降低了加工脆性材料的成本。

因此，根据上面所述的发明，提供了一种磨削脆性材料的一种方法和设备。采用这种方法，即便使用普通磨削装置，在塑性模式区进行磨削也能获得满意的结果。

此发明其它特点和优点从下述说明及附图中可知。在图中相同的参考字符代表同一或类似的部件。

此发明并不仅限于上述实施例，在它的宗旨和范围内可有多种变化形式。因此，制订下列权利要求以把此发明的范围公之于众。

Claims (17)

1、一种脆性材料的机械加工方法，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具以一规定压力与工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面，该磨削工具包括有在一基底上的无数磨粒。该方法的特点是：磨削或抛光的实施是以这样的方式设定的一规定压力，即能使无数磨粒中参与所述磨削或抛光的磨粒进入所述工作表面的磨削深度d小于一临界磨削深度d_c，d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度。

2、一种脆性材料的机械加工方法，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具以总载荷P与工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面，该磨削工具包括有在一基底上的无数磨粒。该方法的特点是：磨削或抛光的实施是满足这一条件P＜N_MAX·P_c，其中：

N_MAX是代表当所述磨削工具按这样的方式进入所述工作表面，即无数磨粒中参与所述磨削或抛光的有效磨粒进入所述工作表面的磨削深度d达到一临界磨削深度d_c时，所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的最大值。d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度;和

P_c是代表当所述单颗磨粒已切入所述工作表面达到所述临界磨削深度d_c时，每一单颗磨粒的临界载荷。

3、按权利要求2的方法，其中所述工件的平面应变断裂韧度（临界应力强度因子）KIC小于10×10⁶N/m^3/2（兆牛/米^3/2）以及上述磨削工具和上述工件之间相对运动时所述工作表面受磨削或抛光作用。

4、一种脆性材料的机械加工方法，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具以总载荷P与工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面，所述磨削工具包括有在一基底上的无数磨粒。该方法的特点在于以下步骤：

测量临界磨削深度d_c，d_c是在所述工件上发生脆性断裂的最小磨削深度;

计量有效磨粒数的最大值N_MAX，有效磨粒是指所述工作表面已被切入至临界磨削深度d_c时，在所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的磨粒数目;

测定单颗磨粒已切入所述工作表面至所述临界切削深度d_c时的每单颗磨粒的临界负载P_c和

在满足P＜N_MAX·P_c条件下实施磨削或抛光。

5、一种脆性材料的机械加工方法，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具以总载荷P与所述工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面，所述磨削工具包括有在一基底上的无数磨粒。该方法的特点在于为实现：

测量临界磨削深度d_c，d_c是在所述工件上发生脆性断裂的最小磨削深度；

计量有效磨粒数的最大值N_MAX,有效磨粒是指所述工作表面已被切入至临界磨削深度d_C时，在所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的磨粒数目；

测定单颗粒磨粒已切入所述工作表面至所述临界切削深度d_C时的每单颗磨粒的临界载荷P_c；和

在满足P<N_MAX·P_c条件下实施磨削或抛光。

上述方法应包括如下步骤：

在一保持架上固定所述的单颗磨粒，逐步使其切入所述工件至所述临界切削深度d_c，此时计量每一所述单颗有效磨粒的临界载荷P_C,该步骤是用第一设备实施的；

在一所述工件的模型样件上产生刮痕，这是由包括有无数磨粒的所述磨削工具切入所述模型样件至所述临界磨削深度d_c后，通过使所述样件旋转一规定角度以形成刮痕，并通过计量刮痕数来得到在所述磨削工具和所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的所述最大值N_MAN，这一步骤是用第二设备来实施的，以此获得P<N_MAX·P_C这一条件。

6、按权利要求1－5任一项的方法，其中所述磨削工具是一在基底上的无数磨粒的尖端高度做成非常精确的均匀一致的工具，该高度低于上述的临界磨削深度d_c。

7、按权利要求1-6任一项的方法，其中所述磨削工具是一个所含磨粒的平均直径大于20μm，其保持（基底）材料的硬度大于维氏硬度300的磨削工具。

8、按权利要求1-7任一项的方法，其中所述工件是由玻璃、水晶材料和陶瓷材料中的一种构成。

9、按权利要求8的方法，其中所述工件是光学透镜、光学镜子和电学棱镜中的任一种。

10、按权利要求8的方法，其中所述工件的工作表面或具有规定曲率的球表面。

11、一种脆性材料的机械加工方法包括如下步骤：

提供一种仿形磨削工具，它包括有在一基底上的无数磨粒，所述磨削工具位于设置在摇摆机构内的一磨削工具轴上，其中所述无数磨粒的尖端限定出一球形包络面，其曲率半径是沿一工件的工作表面按其曲率半径的目标值仿形得到的;

把所述工件由一工件加压机构所提供的支持部分所支持;

通过使所述工件和所述磨削工具产生相对旋转和相对摇动，并满足P＜N_MAX·P_c这一条件以实施磨削或抛光，其中：

N_MAX是代表当所述磨削工具已进入所述工作表面到一临界磨削深度d_c时，所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的最大值。d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度;和

P_c是代表当所述单颗磨粒已切入所述工作表面达到所述临界磨削深度d_c时，每一单颗磨粒的临界载荷。

12、按权利要求11的方法，其中所述工件的形状是一具有直径D、曲率半径R（绝对值）以及表面积为M的球面透镜，M由下式限定：

M＝2πR〔R-{R²-（d/2）²}^1/2〕;

有效磨粒数的最大值N_NAX在单位的表面积M内应少于3000;和

通过使所述工件和所述磨削工具产生相对旋转和相对摆动以使所述工件在小于临界磨削深度d_c条件下实施磨削或抛光。

13、一种脆性材料机械加工方法包括以下步骤：

通过一次或两次磨削操作，使一个由脆性材料构成的毛坯的工作表面加工至近似于目标形状，所述毛坯将被赋予工件的最后和完整形状;

在满足P＜N_MAX·P_c这一条件，通过所述工件和一磨削工具之间的相对运动以磨削或抛光所述工作表面，同时使所述磨削工具在总载荷P作用下与工件的所述工作表面压力接触下实施磨削或抛光的步骤，所述磨削工具包括设置于一基底上的无数磨粒，式中：

N_MAX是代表当所述磨削工具按这样的方式进入所述工作表面，即进入所述工作表面的所述无数磨粒中参与所述磨削或抛光的有效磨粒的磨削深度d达到一临界磨削深度d_c时，所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的最大值。d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度;和

P_c是代表当所述单颗磨粒已切入所述工作表面达到所述临界磨削深度d_c时，每一单颗磨粒的临界载荷;和

以处于自由状态的磨粒实施最后抛光的步骤。

14、按权利要求13的方法，其中所述工件是一光学部件。

15、一种脆性材料的机械加工设备，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具按一规定压力与一工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面。该磨削工具包括有在一基底上的无数磨粒。该方法的特点在于：磨削或抛光的实施是以这样的方式设定一规定压力，即能使无数磨粒中参与所述磨削或抛光的磨粒进入所述工作表面的磨削深度d小于一临界磨削深度d_c，d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度。

16、一种脆性材料的机械加工设备，通过工件和磨削工具之间的相对运动，同时使所述磨削工具按一总载荷P与一工作表面压力接触，用以磨削或抛光由脆性材料构成的工件工作表面，其特点在于磨削或抛光的实施时满足P＜N_MAX·P_c这一条件，其中：

N_MAX是代表当所述磨削工具按这样的方式进入所述工作表面，即进入所述工作表面的无数磨粒中参与所述磨削或抛光的有效磨粒的磨削深度d达到一临界磨削深度d_c时，所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的最大值。d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度;和

P_c是代表当所述单颗磨粒已切入所述工作表面达到所述临界磨削深度d_c时，每一单颗磨粒的临界载荷。

17、一种脆性材料的机械加工设备，其特点在于：

一种仿形磨削工具，它包括有在一基底上的无数磨粒，所述磨削工具位于设置在摇摆机构内的一磨削工具轴上，其中所述无数磨粒的尖端限定出一球形包络面，其曲率半径是沿一工件的工作表面按其曲率半径的目标值仿形得到的;

所述工件由一工件加压机构所提供的支持部分所支持;

通过所述工件和所述磨削工具的相对旋转和相对摆动，同时满足P＜N_MAX·P_c这一条件以实施磨削或抛光，其中：

N_MAX是代表当所述磨削工具已进入所述工作表面至一临界磨削深度d_c时，所述磨削工具与所述工件之间接触区域内呈现的有效磨粒数的最大值。d_c是所述工件产生脆性断裂的最小磨削深度;和

P_c是代表当所述单颗磨粒已切入所述工作表面达到所述临界磨削深度d_c时，每一单颗磨粒的临界载荷。

Images