趙恒華 宋 濤 蔡光起

（①遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001;②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004）

磨削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)*

趙恒華①宋 濤①蔡光起②

（①遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001;②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004）

綜述了磨削加工的發(fā)展趨勢(shì)，主要包括高速磨削、超高速磨削、精密和超精密磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深切磨削、砂帶磨削及綠色磨削技術(shù)。分析了超高速磨削加工的機(jī)理及超高速磨削的優(yōu)越性。闡述了高速超高速磨削加工技術(shù)的發(fā)展前景。

磨削 精密磨削 高效磨削 超高速磨削

磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工藝方法，一般來(lái)講，按照砂輪線速度v的高低將其進(jìn)行分類，把砂輪速度低于45 m/s的磨削稱為普通磨削，把砂輪速度高于45 m/s的磨削稱為高速磨削，把砂輪速度高于150 m/s的磨削稱為超高速磨削。

磨削與車、銑削在常規(guī)加工材料上競(jìng)爭(zhēng)可能難分高下，但對(duì)于陶瓷、復(fù)合材料、超耐高溫合金等新一代材料就只能用磨削加工了。盡管硬車削已經(jīng)替代了很多磨削加工，但由于粘結(jié)技術(shù)的進(jìn)步、高級(jí)磨料的應(yīng)用，磨削依然保持強(qiáng)勢(shì)。作為先進(jìn)制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域，磨削加工技術(shù)已在機(jī)械、國(guó)防、航空航天、微加工、芯片制造等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。磨削加工的發(fā)展趨勢(shì)正朝著采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工藝及柔性復(fù)合磨削、綠色生態(tài)磨削方向發(fā)展。

1 精密及超精密磨削

采用超硬磨料磨具進(jìn)行精密及超精密磨削是磨削技術(shù)發(fā)展的主要方向。由于精密、超精密磨削加工材料去除率較低，因此能夠獲得高精度和高表面質(zhì)量的加工表面［1］。當(dāng)前精密磨削是指被加工零件的加工精度在1～0.1 μm、加工表面粗糙度為Ra0.04～0.016 μm;超精密磨削一般是指加工精度達(dá)到或高于0.1 μm、加工表面粗糙度值不大于Ra0.01 μm。目前，超精密加工技術(shù)正從微米、亞微米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展［2－4］。

1.1 精密及超精密磨削機(jī)理

精密磨削一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪，主要用金剛石修整刀具以極小而又均勻的微進(jìn)給（10～15 mm/min）對(duì)砂輪進(jìn)行精細(xì)修整，以獲得眾多的等高微刃，加工表面的磨痕較細(xì)，加工過(guò)程中，由于微切削、滑移、摩擦等綜合作用，加工工件達(dá)到了小的表面粗糙度值和高的精度要求。超精密磨削則采用較小的修整導(dǎo)程和較小的背吃刀量修整砂輪，靠超細(xì)微磨粒等高微刃的磨削作用進(jìn)行磨削加工［3，5］。精密與超精密磨削的機(jī)理與普通磨削有些許不同之處：

（1）超微量切除;

（2）微刃的等高切削作用;

（3）單顆粒磨削加工過(guò)程;

（4）連續(xù)磨削加工過(guò)程。

1.2 未來(lái)的研究方向

精密和超精密磨削技術(shù)雖然在各個(gè)方面已取得了優(yōu)異的成績(jī)，已成為先進(jìn)制造技術(shù)中重要的組成部分，但是隨著科技的進(jìn)步，在一定程度上仍然不能滿足社會(huì)的需求。因此，我們?nèi)孕柙谝韵聨讉€(gè)方面做進(jìn)一步的研究：

（1）超精密磨削理論及加工工藝，重點(diǎn)放在磨粒的切削過(guò)程以及影響加工精度和加工表面完整性的因素，并研究相應(yīng)的最有效的解決辦法;

（2）開(kāi)發(fā)高精度、高性能、高自動(dòng)化的磨床及測(cè)量裝置;

（3）進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型材料，以滿足精密及超精密加工的要求并能獲得更高的加工精度。如超微粉燒結(jié)金屬、超微粉陶瓷、非結(jié)晶半導(dǎo)體陶瓷、新型高分子材料等。

2 高效磨削技術(shù)

高效磨削是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，在其不斷的發(fā)展中達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。所謂高效磨削，是指加大磨削負(fù)荷或提高砂輪線速度，增加單位時(shí)間金屬比切除率和單位時(shí)間的金屬去除量，以達(dá)到和車削、銑削那樣高的金屬切除率，或者甚至更高［6］。高效磨削主要包括高速磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深磨和砂帶磨削，現(xiàn)已成為磨削加工技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)。高效磨削技術(shù)的大力推廣可有效地提高磨削效率、加工質(zhì)量、砂輪耐用度，并降低生產(chǎn)成本。

2.1 高速磨削

高速磨削是相對(duì)于普通磨削而言的，一般指砂輪線速度高于45 m/s的磨削技術(shù)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速磨削砂輪的線速度一般采用50～80 m/s，工件進(jìn)給速度在1 000～10 000 m/min。高速磨削工藝一般不適用于加工大平面或圓柱形表面的精加工，主要用于溝槽和缺口件磨削及切入磨削［2，7］。高速磨削過(guò)程本質(zhì)的特點(diǎn)是：隨著砂輪速度提高，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)磨削區(qū)的磨粒數(shù)量增多，每顆磨粒切下的切屑厚度減小，切削力大幅度地減?。?］。實(shí)踐表明，采用高速磨削有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于砂輪速度增大，一定體積的工件有更多的切削刃來(lái)切削，所以磨粒的未變形切削厚度減小，磨削力減小;

（2）高速磨削時(shí)，由于磨粒的未變形切削厚度減小，因而磨粒不容易破碎和脫落，從而砂輪的磨損減小;

（3）在磨粒最大未變形切削厚度不變的情況下，可加大磨削深度或工件速度，因而可以有效地提高磨削效率;

（4）切削變形程度小，每顆磨粒切削后的殘留切痕深度減小，可改善表面粗糙度及減小尺寸、形狀誤差。

2.2 緩進(jìn)給磨削

緩進(jìn)給磨削是繼高速磨削之后發(fā)展起來(lái)的一種高效加工方法，對(duì)成型表面的加工有顯著的成效。緩進(jìn)給磨削是強(qiáng)力磨削的一種，又稱深切緩進(jìn)給磨削或蠕動(dòng)磨削［2］。緩進(jìn)給磨削與普通磨削的不同在于采用增大磨削深度、降低磨削速度、砂輪與工件有較大的接觸面積和高的速度比，達(dá)到很高的金屬切除率［8］。磨削工件時(shí)，只需經(jīng)過(guò)一次或數(shù)次行程即可磨到所需的形狀和尺寸精度。由于砂輪的磨削深度大，致使砂輪與工件的接觸面積加大，有效抑制了磨削時(shí)振動(dòng)的產(chǎn)生，磨削出的工件表面質(zhì)量?jī)?yōu)于普通的磨削加工方法。

2.3 高效深磨

高效深磨這一概念首次是由德國(guó)Bremen大學(xué)的Werner教授于1980年創(chuàng)立的，目前歐洲企業(yè)在高效深磨技術(shù)應(yīng)用方面居領(lǐng)先地位［8］。高效深切磨削是在高速磨削與緩進(jìn)給磨削的基礎(chǔ)上形成的磨削工藝，是現(xiàn)代磨削技術(shù)的高峰，它是以加大磨削深度、提高砂輪速度及工件進(jìn)給速度，從而獲得高的磨除率以及高的磨削精度的磨削工藝［9］。高效深磨的砂輪速度在100～250 m/s，工件進(jìn)給速度在0.5 ～10 m/min，磨削深度在0.1～30 mm［10］。高效深磨與普通磨削的不同在于，高效深磨可以通過(guò)一個(gè)磨削行程完成以前多道工序才能完成的粗、精加工，獲得高于普通磨削100～1 000倍的金屬去除率，并能獲得類似于普通磨削的加工表面質(zhì)量［11］。

高效深切磨削具有加工時(shí)間短（約為0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高等特點(diǎn)，除了具備超高速磨削的技術(shù)外，還要求機(jī)床具有高的剛度。

2.4 砂帶磨削

砂帶磨削幾乎能加工所有的工程材料，從一般的家庭生活到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域無(wú)所不用。砂帶磨削作為一種有著“萬(wàn)能磨削”和“冷態(tài)磨削”之稱的新型磨削工藝，已經(jīng)被當(dāng)做與砂輪磨削同等重要的不可缺少的加工方法，在世界制造業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并有著廣泛的應(yīng)用及發(fā)展前景［8］。

砂帶磨削是以砂帶為磨具并輔之以接觸輪（或亞磨板）、張緊輪、驅(qū)動(dòng)輪等磨頭主體以及張緊快換機(jī)構(gòu)、調(diào)偏機(jī)構(gòu)等功能部件共同完成對(duì)工件的加工過(guò)程。具體來(lái)講就是砂帶套在驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪的外表面上，并使砂帶張緊和高速運(yùn)行，以產(chǎn)生的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的一種磨削加工方法。砂帶磨削是綜合了磨削、研磨、拋光多種作用的復(fù)合加工工藝，其磨削效率和精度都非常高，且磨削速度相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，砂帶磨削成本低，安全可靠，易于操作，并有著廣闊的工藝靈活性和適應(yīng)性。如今，砂帶磨削正朝著強(qiáng)力、高速、高效和精密方向發(fā)展。在加工工藝方面，與特種加工相結(jié)合的復(fù)合加工方法是砂帶磨削很有前途的發(fā)展方向之一。

3 綠色磨削

綠色磨削是一種綜合考慮資源優(yōu)化利用和環(huán)境影響最小的磨削加工系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)綠色磨削是國(guó)家綠色制造目標(biāo)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，也是21世紀(jì)國(guó)際制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。作為先進(jìn)磨削技術(shù)，綠色磨削要在發(fā)展新型磨削技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合綠色生產(chǎn)技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，并將其綜合應(yīng)用于磨削工藝設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理等全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)清潔、低耗、高效、優(yōu)質(zhì)加工，提高磨削工藝的先進(jìn)性和綠色性。目前，具有較高綠色性能的少磨削液磨削、干式半干式磨削、快速點(diǎn)磨削、冷風(fēng)磨削、液氮冷卻磨削等等先進(jìn)磨削技術(shù)相繼得到世界各國(guó)的重視并開(kāi)展了深入的研究［12］。

4 超高速磨削技術(shù)

砂輪線速度高于45 m/s的磨削技術(shù)稱為高速磨削。早在20世紀(jì)60年代，砂輪的線速度Vs已提高到了60 m/s，70年代又提高到80 m/s，但其后的十幾年由于受到砂輪回轉(zhuǎn)破裂速度的制約和工件燒傷問(wèn)題的困擾，砂輪線速度始終沒(méi)有大的提高。直到80年代后期，隨著立方氮化硼砂輪的更廣泛的應(yīng)用，并對(duì)磨削機(jī)理進(jìn)行了更加深入的研究，發(fā)現(xiàn)在高磨除率的情況下，隨著砂輪線速度Vs的增大，磨削力在Vs=100 m/s前后的某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)陡降，這一趨勢(shì)隨著磨除率的進(jìn)一步增大還將繼續(xù)，工件表面溫度也隨之出現(xiàn)回落。這也就是說(shuō)明，在越過(guò)產(chǎn)生熱損傷的磨削用量區(qū)之后，磨削用量的進(jìn)一步增大，不僅不會(huì)使熱損傷加劇，反而使熱損傷不再發(fā)生，從而為發(fā)展高速磨削奠定了理論基礎(chǔ)。超高速磨削雖未規(guī)定嚴(yán)格的界限，但通常把砂輪線速度高于150 m/s的磨削稱為超高速磨削。超高速磨削既能獲得高效率，又能達(dá)到高精度，能對(duì)各種材料和形狀的工件進(jìn)行高效率精密加工，堪稱先進(jìn)制造學(xué)科的前沿技術(shù)［13］。

4.1 超高速磨削機(jī)理

在超高速磨削加工過(guò)程中，許多現(xiàn)象可通過(guò)最大磨屑厚度這一參數(shù)來(lái)解釋。在保持其他參數(shù)不變的條件下，隨著Vs的大幅度提高，在單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致每個(gè)磨粒切下的最大磨屑厚度變小，磨屑變得非常細(xì)薄，即超高速磨削是每顆磨粒的切削厚度變薄。實(shí)驗(yàn)表明，其截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一，使得每顆磨粒承受的磨削力大大變小，總的磨削力也大大減?。?4］。超高速磨削時(shí)，由于磨削速度極高，單個(gè)磨屑的形成過(guò)程極短。若通過(guò)調(diào)整參數(shù)使磨屑厚度保持不變，由于單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，磨除的磨屑增多，磨削效率會(huì)大大提高。在極短的時(shí)間內(nèi)完成的磨屑的高應(yīng)變率（可近似認(rèn)為等于磨削速度）形成過(guò)程與普通磨削有很大差別，主要表現(xiàn)為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側(cè)因塑性流動(dòng)而形成的隆起高度變小，磨屑形成過(guò)程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表層硬化及殘余應(yīng)力減?。?5］。由于超高速磨削時(shí)磨粒在磨削區(qū)上的移動(dòng)速度和工件的進(jìn)給速度大大加快，加上應(yīng)變率響應(yīng)的溫度滯后，導(dǎo)致磨削表面磨削溫度降低，因此能越過(guò)容易發(fā)生磨削燒傷的區(qū)域。

4.2 超高速磨削特點(diǎn)

超高速磨削與普通磨削相比，具有以下顯著的優(yōu)勢(shì)：

（1）磨削效率高。超高速磨削時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)磨削區(qū)的磨粒數(shù)增多，如保持每顆磨粒的切深與普通磨削一樣，其切入進(jìn)給量可以大大增加，金屬去除率得到提高，磨削效率大幅度提高［16－17］。其材料去除率可與切削、銑削相比，為此，磨削加工既可以作為精加工也可以作為粗加工，可以大大減少機(jī)床種類，簡(jiǎn)化工藝流程。

（2）加工精度高。在進(jìn)給量不變的條件下，超高速磨削的磨屑厚度更薄，在磨削效率不變時(shí)，法向磨削力隨磨削速度的增大而大幅度減小，繼而減小磨削過(guò)程中的變形，提高工件的加工精度。

（3）可以得到高質(zhì)量、小粗糙度值的工件表面。在材料磨除率不變的條件下，提高磨削速度可以減小單顆磨粒的切削厚度，使磨削劃痕變淺，表面塑性隆起高度減小，同時(shí)由于應(yīng)變率響應(yīng)的溫度滯后影響，使殘留在工件表面上的應(yīng)力減小，因而能明顯減小磨削表面粗糙度值，在加工低剛度工件時(shí)，易于保證加工精度。

（4）砂輪耐用度大幅提高，有利于實(shí)現(xiàn)磨削加工自動(dòng)化。超高速磨削時(shí)，單顆磨粒的切削力較小，使每顆磨粒的可切削時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。在磨削力不變的條件下，以磨削速度200 m/s磨削時(shí)，砂輪壽命比以80 m/s磨削時(shí)提高一倍，而在磨削效率不變條件下，砂輪壽命可提高7.8倍。砂輪壽命與磨削速度成對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時(shí)，磨削速度由30 m/s提高到160 m/s，砂輪磨削比由900提高到5 100，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化磨削［17－19］。

（5）可磨削難加工材料。超高速磨削可實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削，使陶瓷材料的磨削加工成為了現(xiàn)實(shí)，并且能夠獲得極好的磨削表面質(zhì)量和極高的磨削效率。例如，在采用金剛石砂輪以Vs=160 m/s的速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比Vs=80 m/s時(shí)提高一倍。同時(shí)，超高速磨削對(duì)高塑性和難磨材料也能獲得良好的磨削效果。如鎳基耐熱合金、鈦合金、鋁及鋁合金在超高速磨削條件下，由于磨屑形成時(shí)間短，塑性變形較小，因而使這種材料的加工變得容易得多［20］。

（6）擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。超高速磨削加工極大地縮短了加工時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)減少了能源的消耗和噪聲的污染。在超高速磨削加工中，由于砂輪的使用壽命延長(zhǎng)，降低了加工成本，又由于超高速磨削中大部分熱量被磨屑帶走，加工表面溫度較低，減小了冷卻液的需求量，污染也相應(yīng)減小。

5 結(jié)語(yǔ)

高速磨削能大幅提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，對(duì)難磨材料的加工也實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展。高速磨削技術(shù)正為世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所重視，并已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化階段。我國(guó)在高速磨削技術(shù)研究利用方面和國(guó)外相比有較大差距，大力加強(qiáng)高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對(duì)提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

高速磨削技術(shù)雖然已經(jīng)取得了可喜的成果，但其前景更為廣闊。欲將磨削速度進(jìn)一步提高，主要從以下幾方面繼續(xù)進(jìn)行研究：（1）進(jìn)一步開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)磨削仿真技術(shù)，試圖運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)解釋磨屑去除原理，對(duì)超高速磨削機(jī)理進(jìn)行深入研究;（2）發(fā)展大功率的高速主軸;（3）開(kāi)發(fā)適合超高速磨削的新型砂輪;（4）優(yōu)化冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng);（5）大力開(kāi)發(fā)數(shù)控化、智能化磨床;（6）高速磨削向超音速邁進(jìn)。

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The development trends of grinding process technology

ZHAO Henghua①，SONG Tao①，CAI Guangqi②
（①School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，CHN;②School of Mechanical Engineering＆ Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，CHN）

In this paper，the development trends of grinding process was summarized，mostly including high －speed grinding，ultra－h(huán)igh speed grinding，precision and ultra－precision grinding，creep deep grinding，high efficiency deep grinding，abrasive belt grinding and green grinding technology.The mechanism and superiority of ultra－h(huán)igh speed grinding process was analyzed.The development foreground of high－speed grinding and ultra－h(huán)igh speed grinding process technology was described.

Grinding;Precision Grinding;High Efficiency Grinding;Ultra－h(huán)igh Speed Grinding

TH161

A

* 遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（L2010248）

趙恒華，男，1957年生，教授、博士。主要研究方向?yàn)槌咚倌ハ骷庸ぜ夹g(shù)與理論。發(fā)表論文80余篇。

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2011－03－23）

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