磨削加工的发展趋势论文_磨削加工的发展趋势

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磨削加工的发展趋势

王 哲

（北京石油化工学院机械工程学院，机G111班）

摘 要 多年以来随着我国制造业技术水平的不断发展进步，机械制造业有了长足的发展，磨削加工作为机械制造业金属切削加工方法中的一种，有着不可替代的位置及十分重要的作用，相对于早期的磨削加工技术，今天的金属磨削加工技术有了很大的变化，无论是从材料性质，刀具材料以及磨削加工技术等都有了很大的发展变化，本文主要就磨床磨削加工及发展趋势做简单的介绍。关键词 超高速磨削相关技术；数控磨床；精密磨削；刀具材料

1引言

对于目前机械加工领域磨削加工技术发生的变化，磨削加工技术的发展变化，本文作了简要的论述，磨削加工技术的主要发展方向是自动化、集成化、高速化、精密化等方向发展，分别对应的数控磨床、超高速磨削技术、精密磨削技术，此外刀具材料也发生了很大的变化，向能够耐高温、可用于高速加工等。本文主要引用近几年发表的文献，对于研究磨削加工技术发展有一定的帮助，本文就几个磨削加工的主要发展方向作简要的论述。

在机械制造中，有许多金属加工方法，例如切削加工、电加工、冷冲压、铸造、锻造、焊接、粉末冶金、化学加工和特种加工等。金属切削加工时利用切削刀具在工件上切除多余的金属层，从而获得具有一定的尺寸、形状、位置和表面质量的机器零件的一种加工方法。他已被广泛应用于生产实践中。金属切削机床是用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机床。在各类机械制造部门所拥有的装备中，机床占百分之五十以上，所负担的工作量占总加工量的一半以上，机床的技术水平高低直接影响机械产品的质量和零件制造的经济性。

我们对于磨削技术发展应该有一个简单的了解，一般来讲，按砂轮线速度的高低将磨削分为普通磨削和高速磨削以及超高速磨削。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。

高速高效磨、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的 Aachen大学、美国Connecticut大学等，有的在实验室完成了V为250m/s、350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工业中应用。在我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验，前几年某大学也计划开展250m/s的磨削研究。在实际应用中，砂轮线速度，一般还是45m/s-60m/s。

对于磨削加工是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的切削工具，磨削是由砂轮表面大量随机分布的磨粒在工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用的综合结果。磨削的基本特点如下：

[2][2]（1）磨削的切削速度高，导致磨削温度高。普通外圆磨削时V=35m/s，高速磨削V＞50m/s。磨削产生的切削热80%～90%传入工件(10%～15%传入砂轮，1%～10%由磨屑带走)，加上砂轮的导热性很差，易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。

（2）能获得高的加工精度和小的表面粗糙度值。加工精度可达IT6-IT4，表面粗糙度值可达Ra0.8-0.02μm。磨削不但可以精加工，还可以粗磨、荒磨、重载荷磨削。

（3）磨削的背向磨削力大。因磨粒负前角很大，且切削刃钝圆半径较大，导致背向磨削力大于切向磨削力，造成砂轮与工件的接触宽度较大。会引起工件、夹具及机床产生弹性变形，影响加工精度。因此，在加工刚性较差的工件时(如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。

（4）砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨粒有破碎产生较锋利的新棱角，及磨粒的脱落而露出一层新的锋利磨粒，能够部分地恢复砂轮的切削能力，这种现象叫做砂轮的自锐作用，有利于磨削加工。

（5）能加工高硬度材料。磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性较大的有色金属工件。

磨削加工与其他切削加工方式相比，还具有以下特点：

（1）磨削速度很高，每秒可达30m～50m磨削温度较高，可达1000～1500度。磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右。

（2）磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。

（3）磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如瓷件、硬质合金等。

（4）磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。

（5）当磨削加工时，从砂轮上飞出大量细的磨屑，而从工件上飞溅出大量的金属屑。磨屑和金属屑都会使操作者的眼部遭受危害，尘未吸入肺部也会对身体有害。

（6）由于砂轮质量不良、保管不善、规格型号选择不当、安装出现偏心，或给进速度过大等原因，磨削时可能造成砂轮的碎裂，从而导致工人遭受严重的伤害。

（7）在靠近转动的砂轮进行手工操作时，如磨工具、清洁工件或砂轮修正方法不正确时，工人的手可能碰到砂轮或磨床的其他运动部件而受到伤害。

（8）磨削加工时产生的噪音最高可达110dB以上，如不采取降低噪声措施，也会影响健康。

[1]2超高速磨削

超高速加工的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon曲线，创造性地预言了超越Talor切削方程式的非切削工作区域的存在，提出如能够大幅度提高切削速度，就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削，超高速磨削既能获得高效率，又能达到高精度，能对各种材料和形状进行高效率精密加工。因此，使用超硬磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，是先进制造学科的前沿技术。

[1]2.1超高速磨削砂轮技术

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。

超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料。粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀三种，其中以单层电镀用的最多。这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用。近几年，美国诺顿（Norton）公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70～80%，结合剂抗拉强度超过了1533N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。

日本Noritake公司推出一种被称为CFRP的碳纤维复合树脂基体材料，其比弹性是钢的2.1倍，密度和热膨胀系数分别是钢的1/5 和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮已较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果也很好。

高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀 CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2（电镀镍基结合剂为345～449N/mm2）。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。

[1][1]

[1]2.2快速点磨削技术 快速点磨削是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的超高速磨削技术。它集成了超高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。该工艺主要用于轴、盘类零件加工。其CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以超高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，成为超高速磨削的主要技术形式之一。

德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用, 尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等。这些零件大都包括切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。

快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下：

（1）快速点磨削通过数控系统控制砂轮轴线在垂直方向与工件轴线的偏角为±0.5°(图 1）在水平方向根据工件母线特征在0～30°范围内变化，最大限度减小砂轮/工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩干涉。砂轮动平衡可在机自动完成，径向跳动精度在0.002mm内。

（2）快速点磨削采用厚度为4～6mm的超硬磨料薄砂轮，并采用 “三点定位安装系统”专利技术快速安装，重复定位精度高，并可解决离心力造成的涨孔问题。

（3）为获得高磨除率和不使砂轮产生过大离心力，工件也作高速相对旋转（最高可达12000r/min），实际磨削速度是砂轮和工件两者速度的叠加，达到200m/s-250m/s。

（4）磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完成，而周边仅起光磨作用。因此，砂轮圆周磨损极慢，使用寿命长（最长可达1年），磨削比可达16000～60000，一片“快速点磨”砂轮可磨去数吨钢，砂轮修整率低（每次修整可加工2×105个零件），生产效率比普通磨削提高6倍。

（5）装有两坐标数控金刚石滚轮修整器，在砂轮宽度方向磨损达10%以上时自动精确修整，避免过早修整以控制成本。

（6）砂轮与工件接触面积小，磨削力大大降低、磨削热少，同时砂轮薄、冷却效果好，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现“冷态”加工，提高了加工精度和表面质量。

（7）由于磨削力极小，靠顶尖摩擦力即能使方便夹紧工件，被称为“顶尖磨削”和“削皮磨削”。

（8）由于采用 CNC 实现复杂表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工。它还可以使车磨工序合并，进一步提高加工效率。

（9）使用高速磨削油喷注进行冷却。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须

[4]在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元。用快速点磨削方法磨削主轴，装夹一次可完成外圆、轴肩、沟槽和紧固螺纹4个部位的磨削；磨凸轮轴，装夹一次可完成轴颈、止推面肩部和端部外径3个部位的全部磨削，尺寸精度达到IT6，Ra≤0.8µm，周期时间150s，与传统工艺比较，大大节约了成本。

图1 快速点磨削接触区

2.3高速超高速磨床

对于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主轴系统和机床的高抗振性。高速超高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度，还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序，高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。

磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的效果。

进给系统是评价高速超高速磨床性能的重要指标之一，而随着高速高超高速加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。[11]

3数控磨床

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。

数控平面磨床相对于车床，铣床等采用数控系统较晚，因为他对数控系统的特殊要求。近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作工能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。CNC磨床在整个磨床类产品中已占大多数。

4精密磨削

磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削加工，它们能达到的磨削精度在生产发展的不同时期有不同的精度范围。

目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度为精度Rａ在0.16-1.25μｍ，加工精度大于１μｍ的磨削方法。精密磨削当前可以达到的精度一般为表面粗糙度Rａ在0.04-1.25μｍ，加工精度为1-0.5μｍ。超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法，表面粗糙度可达到Rａ≤0.01μｍ，精度≤0.01μｍ，甚至进入纳米级。精密与超精密磨削的机理与普通磨削有一些不同之处：

（1）超微量切除。应用较小的修整导程和修整深度精细修整砂轮，使磨粒细微破碎而产生微刃。一颗磨粒变成多颗磨粒，相当于砂轮粒度变细，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。

（2）微刃的等高切削作用。微刃是砂轮精细修整而成的，分布在砂轮表层同一深度上的微刃数量多，等高性好，从而加工表面的残留高度极小。

（3）单颗粒磨削加工过程。磨粒是一颗具有弹性支承和大负前角切削刃的弹性体，单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切屑形成形状相符合。超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。当刀刃锋利，有一定磨削深度时，微切削作用较强；如果刀刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不能切入工件，则产生塑性流动、弹性破坏以及滑擦。

（4）连续磨削加工过程。工件连续转动，砂轮持续切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切入量（磨削深度）和实际工件尺寸的减少量之间产生差值即弹性让刀量。此后，磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态。最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复为无切深磨削状态。

5刀具材料

切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。提高加工效率将会带来巨大的社会、经济效益。前北美机械工程师协会主席Hom曾说“每节省加工工时一分钟，美国就可节省一亿美元”可见提高加工效率对国民经济具有十分重要的意义。陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3-10 倍，因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍增长，大幅度提高社会生产力。其次，由于现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工工件，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。有资料介绍，难加工材料己超过43%。这些难加工材料的采用，给制造技术带来很大的困难，传统刀具是难以对付的，往往要采用费时费电的退火加工和磨加工等方法。新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93-95)，因而可以加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间;可以提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命。第三，硬质合金刀具大量消耗着W、Co等战略性贵重金属，节约这些资源是各国的基本政策，而广泛采用陶瓷刀具则是有效措施。陶瓷刀具的主要原料二氧化硅和三氧化二铝是地壳中最丰富的成分，是取之不尽，用之不竭的资源。

6结论

伴随着我国机械制造业不断发展进步，我国的磨削加工制造技术也在不断地向前发展，本文中介绍了超高速磨削相关技术、精密磨削技术、数控磨床在实际中的应用和磨削用刀具材料的发展，文章主要借鉴近几年发表的文章对目前磨削加工技术发展作了简要的介绍。对于生产实际也有一定的借鉴意义。

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