磨削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

1、 55 磨削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢*趙恒華宋濤蔡光起( 遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001;東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110004)摘要: 綜述了磨削加工的發(fā)展趨勢， 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。關(guān)鍵詞: 磨削精密磨削高效磨削超高速磨削中圖分類號: th161文獻(xiàn)標(biāo)識碼: athe development trends of grinding process technologyzhao he

2、nghua，song tao，cai guangqi( school of mechanical engineering，liaoning shihua university，fushun 113001，chn;school of mechanical engineering automation，northeastern university，shenyang 110004， chn)abstract:in this paper，the development trends of grinding process was summarized，mostly including high sp

3、eed grinding，ultra high speed grinding，precision and ultra precision grinding，creep deep grind-ing，high efficiency deep grinding，abrasive belt grinding and green grinding technology the mecha-nism and superiority of ultra high speed grinding process was analyzed the development foreground ofhigh spe

4、ed grinding and ultra high speed grinding process technology was describedkeywords:grinding;precision grinding;high efficiency grinding;ultra high speed grinding磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工藝方法， 一般來講， 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

5、規(guī)加工材料上競爭可能難分高下， 但對于陶瓷、 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、 高級磨料的應(yīng)用， 磨削依然保持強(qiáng)勢。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

6、 。當(dāng)前精密磨削是指被加工零件的加工精度在1 0. 1 m、 加工表面粗糙度為 ra0. 04 0. 016m; 超精密磨削一般是指加工精度達(dá)到或高于 0. 1m、 加工表面粗糙度值不大于 ra0 01 m。目前， 超精密加工技術(shù)正從微米、 亞微米級向納米級發(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

7、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*遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目( l2010248) 56 處:( 1) 超微量切除;( 2) 微刃的等高切削作用;( 3) 單顆粒磨削加工過程;( 4) 連續(xù)磨削加工過程。1 2未來的研究方向精密和超精密磨削技術(shù)雖然在各個方面已取得了優(yōu)異的成績， 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的需求。因此， 我們?nèi)孕柙谝韵聨讉€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

8、過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) 開發(fā)高精度、 高性能、 高自動化的磨床及測量裝置;( 3) 進(jìn)一步開發(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， 增加單位時間金屬比切除率和單位時間的金屬去除量， 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，

9、現(xiàn)已成為磨削加工技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。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)在國內(nèi)外對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 。高速磨削過程本質(zhì)的特點(diǎn)是: 隨著砂輪速度提高， 單位時間內(nèi)通過磨削區(qū)的磨粒數(shù)量增多， 每顆磨粒切下的切屑厚度減小， 切削力大幅度地減小6 。實(shí)踐表明， 采用

10、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， 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)展起來的一種高效加工方法， 對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

11、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， 只需經(jīng)過一次或數(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， 有效抑制了磨削時振動的產(chǎn)生， 磨削出的工件表面質(zhì)量優(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 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

12、、 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 mm10 。高效深磨與普通磨削的不同在于， 高效深磨可以通過一個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間短( 約為 0. 1 10s) 、 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

13、的工程材料， 從一般的家庭生活到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域無所不用。砂帶磨削作為一種有著 “萬能磨削” 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)揮著越來越重要的 57 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工件的加工過程。具體來講就是砂帶套在驅(qū)動輪、 張緊輪的外表面上， 并使砂帶張緊和高速運(yùn)行， 以產(chǎn)生的相對摩擦運(yùn)動， 對工件表面進(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

14、復(fù)合加工工藝，其磨削效率和精度都非常高， 且磨削速度相對穩(wěn)定。同時， 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)國際制造業(yè)發(fā)展的趨勢。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

15、、 管理等全過程， 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)相繼得到世界各國的重視并開展了深入的研究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題的困擾， 砂輪線速度始終沒有大的提高。直到 80 年代后期， 隨著立方氮化硼砂輪的更廣泛的應(yīng)用， 并對磨

16、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 前后的某個區(qū)域出現(xiàn)陡降， 這一趨勢隨著磨除率的進(jìn)一步增大還將繼續(xù)， 工件表面溫度也隨之出現(xiàn)回落。這也就是說明， 在越過產(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

17、高速磨削機(jī)理在超高速磨削加工過程中， 許多現(xiàn)象可通過最大磨屑厚度這一參數(shù)來解釋。在保持其他參數(shù)不變的條件下， 隨著 vs的大幅度提高， 在單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增多， 導(dǎo)致每個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小14 。超高速磨削時， 由于磨削速度極高， 單個磨屑的形成過程極短。若通過調(diào)整參數(shù)使磨屑厚度保持不變， 由于單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加， 磨除的磨屑增多， 磨削效率會大大提高。在極短的時間內(nèi)完成的磨屑的高應(yīng)變率( 可近

18、似認(rèn)為等于磨削速度) 形成過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)因塑性流動而形成的隆起高度變小， 磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小， 工件表層硬化及殘余應(yīng)力減小15 。由于超高速磨削時磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進(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:( 1) 磨削效率高。超高速磨削時， 單位時間內(nèi)通過磨削區(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

19、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， 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 58 面

20、粗糙度值， 在加工低剛度工件時， 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)磨削加工自動化。超高速磨削時， 單顆磨粒的切削力較小， 使每顆磨粒的可切削時間相對延長。在磨削力不變的條件下， 以磨削速度200 m/s 磨削時， 砂輪壽命比以80 m/s磨削時提高一倍， 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數(shù)關(guān)系增長， 使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時， 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

21、， 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 時提高一倍。同時， 超高速磨削對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)效益和社會效益。超高速磨削加工極大地縮短了加工時間， 提高了勞動生產(chǎn)率， 同時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， 降低了加工成本

22、， 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)語高速磨削能大幅提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量， 對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)國家所重視， 并已開始進(jìn)入實(shí)用化階段。我國在高速磨削技術(shù)研究利用方面和國外相比有較大差距， 大力加強(qiáng)高速磨削技術(shù)的研究、 推廣和應(yīng)用， 對提高我國機(jī)械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開發(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)一步開發(fā)計(jì)算機(jī)磨削仿真技術(shù)， 試圖運(yùn)用分子動力學(xué)解釋

23、磨屑去除原理， 對超高速磨削機(jī)理進(jìn)行深入研究; ( 2) 發(fā)展大功率的高速主軸; ( 3) 開發(fā)適合超高速磨削的新型砂輪; ( 4) 優(yōu)化冷卻潤滑系統(tǒng); ( 5) 大力開發(fā)數(shù)控化、 智能化磨床;( 6) 高速磨削向超音速邁進(jìn)。參考文獻(xiàn) 1陳東祥， 田延嶺 超精密磨削加工表面形貌建模與仿真方法j 機(jī)械工程學(xué)報， 2010， 46( 13) 2田躍輝 磨削技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢j 經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息: 工程技術(shù)版， 2009( 27) : 176 3吳云鋒， 陳潔 精密超精密加工技術(shù)綜述j 新技術(shù)新工藝， 2007( 6) : 38 40 4馮薇， 皮鈞 精密與超精密磨削的發(fā)展現(xiàn)狀 j 集美大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版， 2010， 15( 1) : 53 56 5李伯民， 趙波 現(xiàn)代磨削技術(shù)m 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003 6胡惜時 高效磨削及其應(yīng)用 j 內(nèi)燃機(jī)配件， 2007( 3) : 20 28 7鄧玉明 淺談高速強(qiáng)力磨削的發(fā)展與應(yīng)用j 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2008( 11) : 81 8蔡光起， 趙恒華， 高興軍 高速高效磨削加工及其關(guān)鍵技術(shù) j 制造技術(shù)與機(jī)床， 2004( 11