1、磨削技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)2007年11月7日17:32 磨料磨具在線-般來講，按砂輪線速度vs高低將磨削分為普通磨削(vs<45 m/s)、高速磨削(45w vs<150m/s)>超高速磨削(vs$150m/s)。按磨削精度將磨削分為普通磨削、精密磨削(加工 精度1 um0.1 um、表面粗糙度ra0.2 um0.1 um)、超精密磨肖u(加工精度<0.1 u m,表而粗糙度raw0.025 u m)o按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削。高效磨削 包括高速磨削、超高速磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深切磨削(hedg)、砂帶磨削、快速短行程磨 削、高速重負(fù)荷磨削。高速高效磨削

2、、超高速磨削在歐洲、美國和口本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，如徳國 aa chen大學(xué)、bremm大學(xué)、美國connecticut大學(xué)等，有在實驗室完成了 vs為250 m/ s> 350 m/s、400 m/s實驗。據(jù)報道，徳國aachen大學(xué)正在進(jìn)彳亍目標(biāo)為500 m/s磨削實驗 研究。 在實用磨削方面，日本已有vs=200 nvs磨床在工業(yè)中應(yīng)用。我國對高速磨削及磨具研究已有多年歷史，如湖南大學(xué)在70年代末期便進(jìn)行了 80m/s、 1 20 m/s磨削工藝實驗；前兒年，某大學(xué)也計劃開展250 m/s磨削研究(但至今尚未見到這方 面報道)，所以說有些高速磨削技術(shù)還只實驗而己，尚未走出實

3、驗室，技術(shù)還遠(yuǎn)沒有 成熟， 特別超高速磨削研究還開展得很少。在實際應(yīng)用中，砂輪線速度vs般還4560 m/so國內(nèi)外都采川超精密磨削、精密修整、微細(xì)磨料磨具進(jìn)行亞微米級以下切深磨削研究, 以獲得亞微米級尺寸精度。微細(xì)磨料磨削，用于超精密鏡面磨削樹脂結(jié)合劑砂輪金剛石磨 粒平均直徑可小至4 um。日本用激光在研磨過人造單晶金剛石上切出大量等高性一致微 小切刃，對碩脆材料進(jìn)行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂輪超精密磨削主要用 于磨削難加工材料，精度可達(dá)0.025 umo日本廿發(fā)了電解在線修整(elid)超精密鏡面磨削 技術(shù)，使得用超細(xì)微(或超微粉)超硬磨料制造砂倫成為可能，可實現(xiàn)硬脆材料高精度

4、、高 效率超精密磨削。作平面研磨運(yùn)動雙端面精密磨削技術(shù)，其加工精度、切除率都比研磨高 得多，且可獲得很高平面度。電泳磨削技術(shù)也一種新超精密及納米燃削技術(shù)。隨著磨削技術(shù)發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中也占有相當(dāng)大比例。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會 (e mo)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%企業(yè)認(rèn)為磨削他們應(yīng)用最主要加工技術(shù)，車削只占23%,鉆削 占22%,其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床比例高達(dá)42%,車床占23%,銃床占22%,鉆 床占14%o我國從19491998年，開發(fā)生產(chǎn)通用磨床有1800多種，專用磨床有兒百種， 磨床擁有量占金屬切削機(jī)床總擁有u 13%左右。可見，磨削技術(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占 有極其重要位

5、置。為什么磨削技術(shù)會不斷地發(fā)展？主要原因如下：(1) 加工精度高由于磨削具有其它加工方法無法比擬特點(diǎn)，如砂輪上參與切削磨粒 多，切削刃多且?guī)缀涡螤畈煌粌H在較小局部產(chǎn)生加工應(yīng)力；磨具對斷續(xù)切肖u、工件碩度 變化不很敏感；砂輪可實現(xiàn)在線修銳等，因而可使加工件獲得很高加工精度。(2) 加工效率高如緩進(jìn)給深磨，一次磨削深度可達(dá)到025 mm,如將砂輪修整成所 需形狀，一次便可磨出所需工件形狀。而當(dāng)vs進(jìn)一步提高后，其加工效率則更高。(3) 工程材料不斷發(fā)展許多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工業(yè)中應(yīng)用不斷擴(kuò)大， 有些材料只能采用磨削加工，需要有新磨削技術(shù)及磨削工藝與之相適應(yīng)。(4) 新磨料磨具 如人

6、造金剛石砂輪、cbn砂輪出現(xiàn)，擴(kuò)大了磨削加工應(yīng)用范圍。(5) 相關(guān)技術(shù)發(fā)展 如砂輪制造技術(shù)、控制技術(shù)、運(yùn)動部件驅(qū)動技術(shù)、支撐技術(shù)等，促 進(jìn)了磨削技術(shù)及磨削裝備發(fā)展。總z,磨削技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)械加工中起著非常重要作用。目前，磨削技術(shù)發(fā)展趨勢， 發(fā)展超硬磨料磨具，研究粘密及超和密磨削、高速高效磨削機(jī)理并開發(fā)其新磨削工藝技術(shù), 研制高精度、高剛性自動化磨床。2磨削關(guān)鍵技術(shù)研究就磨削而言，特別就高速高效磨削、精密及超精密燃削而言，其涉及內(nèi)容廣泛，不僅包 括磨削本身技術(shù)，也集中了其它相關(guān)技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)介紹如下：2磨削機(jī)理及磨削工藝研究通過對磨削機(jī)理和磨削工藝研究，揭示各種磨削過程、磨削現(xiàn)象本質(zhì)，找出其

7、變化規(guī)律， 例如，磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度分布、切屑形成過程、磨削燒傷、磨削表面 完整性等影響因素和條件；不同工件材料（特別難加工材料和特殊功能材料）和磨削條件最 佳磨削參數(shù)；磨具磨損，新型磨具材料磨削性能等，只冇通過磨削機(jī)理和磨削工藝研究， 才能確定最佳磨削范圍，獲取最佳磨削參數(shù)。對普通磨削而言，在磨削機(jī)理和磨削工藝方血已開展了廣泛而深入研究。在精密及超精 密熾削、高速高效熾削磨削機(jī)理和磨削工藝方面，針對不同工程材料（如陶瓷和玻璃）國內(nèi) 外開展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整理論體系，還需進(jìn)行廣泛研究，找出其 內(nèi)在規(guī)律。可見，需要進(jìn)一步研究重點(diǎn)有，磨削過程、磨削現(xiàn)象（如磨削力

8、、磨削溫度、 磨削燒傷及裂紋等）研究；磨削工藝參數(shù)優(yōu)化研究；不同材料（常用材料）磨削機(jī)理研 究；磨削過程計算機(jī)模擬與仿真研究。2.2高速、高精度主軸單元制造技術(shù)主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機(jī)架幾個部分，它影響著加工系統(tǒng)精度、穩(wěn)定 性及應(yīng)用范圍，其動力學(xué)性能及穩(wěn)定性對高速高效磨削、精密超精密磨削起著關(guān)鍵作用。提高砂輪線速度主要提高砂輪主軸轉(zhuǎn)速，特別在砂輪直徑受到限制場合（如內(nèi)圓磨削）。 因而，適應(yīng)于高精度、高速及超高速磨床主軸單元磨床關(guān)鍵部件。而對于高 速高精度主軸 單元系統(tǒng)，應(yīng)該剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、可靠，功 耗低，壽命長, 同時，成本也應(yīng)適中。要滿足這些要求，主

9、軸制造及動平衡，主軸支撐（軸承），主軸系統(tǒng) 潤滑和冷卻，系統(tǒng)剛性等很重要。國外主軸單元技術(shù)發(fā)展很快，有些公司專門提供各種功能主軸單元部件，這種主軸單元 部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削機(jī)床上。近年來高速和超高速磨床越來越多地 用電主軸作為其主軸單元部件，如美國福特公司和ingersoll公司推出加工中心，其主軸單 元就用電主軸，其功率為65 kw,最高轉(zhuǎn)速達(dá)15 0（）0r/min,電機(jī)響應(yīng)時間很短；在emo' 97 ±,電主軸機(jī)床制造技術(shù)中最熱門功能部件，參展商達(dá)36家；美國landis公司超高速 曲軸、凸輪軸磨床砂輪主軸，也都用電主軸。目前，國內(nèi)主軸單元速度大約在

10、10 000r/min以下，且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待于考 驗和提高。同時，缺乏高速、高精度、大功率主軸單元（電主軸）。需要進(jìn)一步研究重點(diǎn)如下： 大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度驅(qū)動系統(tǒng)研究與開發(fā)；高剛性、高精度、高轉(zhuǎn)速重負(fù)荷軸承 或支承件研究與開發(fā)；高速、高剛性、高精度砂輪主軸和工件頭架主軸制造技術(shù)。2.3精密、高速進(jìn)給單元制造技術(shù)進(jìn)給單元包括伺服驅(qū)動部件、滾動單元、位置監(jiān)測單元等。進(jìn)給單元使砂輪保持正常工 作必要條件，也評價高速、高效及超高速磨床性能重要指標(biāo)之一，因此，要求進(jìn)給單元運(yùn) 轉(zhuǎn)靈活，分辨率高，定位和度高，沒有爬行，有較大移動范圍（既要適合空行程時快進(jìn)給， 又要適應(yīng)加工時小進(jìn)給或者微進(jìn)給），

11、既要有較大加速度，又要有足夠大推力，剛性高，動 態(tài)響應(yīng)快，定位精度好。數(shù)控機(jī)床普遍采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)（交直流伺服電機(jī)）與滾動絲杠組合軸向進(jìn)給方案。但隨著高 速高精度加工發(fā)展，國內(nèi)外都普遍采用了直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動技術(shù)，高動態(tài)性能直線電 機(jī)結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，可達(dá)到較高調(diào)整質(zhì)量，也可滿足上述要求，如德國西門子公司就在 cimt'97作了直線電機(jī)120nvniin高速進(jìn)給表演，而該公司直線電機(jī)最大進(jìn)給速度可達(dá)200 m/min,其最大推力可達(dá)6600 n,最大位移距離為504 mm。又如fl本三井精機(jī)公司生產(chǎn) 高 速工具磨床，主軸上下移動（行程25 mm）采用直線電機(jī)后，可達(dá)400次/min,原來

12、2倍，加 工效率提高34倍。我國國產(chǎn)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)（特別高速、高精度進(jìn)給系統(tǒng)）與國外相比還有 很大差距，其快速進(jìn)給速度一般為24 m/mino可見，為了適應(yīng)精密、高速及超高 速磨床發(fā) 展，在以下幾個方面應(yīng)重點(diǎn)研究：高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)研究；直線伺服電機(jī)設(shè) 計與應(yīng)用研究；高速精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程滾珠絲杠副研究；高精度導(dǎo)軌、新型導(dǎo)軌 摩擦副研究；能適應(yīng)超精密磨削高靈墩度、超微進(jìn)給機(jī)構(gòu)和超低摩擦系數(shù)導(dǎo)軌副研究。2.4砂輪制造及其新技術(shù)隨著工程材料發(fā)展及其應(yīng)用，cbn砂輪和人造金剛石砂輪應(yīng)用越來越廣泛，而砂輪許 用線速度也要求較高，一般在80m/s以上。單層電鍍cbn砂輪線速度可達(dá)250 m/s

13、,發(fā)展 超 高速磨削也需要150 m/s以上砂輪，但國內(nèi)80-120 m/scbn砂輪仍在研制之中。此外，砂輪設(shè)計，其截面形狀優(yōu)化、粘結(jié)劑結(jié)合強(qiáng)度及其適用性、砂輪基體材料、砂 輪制造技術(shù)（特別對微細(xì)磨料磨具制造技術(shù)）等都非常重要，仍需對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān): 砂輪基體材料及制造技術(shù)開發(fā)、設(shè)計及其優(yōu)化；砂輪新型粘結(jié)劑（特別適用于制造微細(xì) 磨料磨具粘結(jié)劑）研究；新型磨料制備工藝，如可使磨料容易產(chǎn)生新切削刃；新型砂輪 制造工藝，既要使砂輪具有足夠容屑空間，也耍有更好凸出性；適合于超精密磨削超微粉 砂輪制備技術(shù)。2.5機(jī)床支承技術(shù)及輔助單元技術(shù)機(jī)床支承技術(shù)主要指機(jī)床支承構(gòu)件設(shè)計及制造技術(shù)。輔助單元技術(shù)

14、包括快速工件裝夾 技術(shù)，高效冷卻潤滑液過濾系統(tǒng)、機(jī)床安全裝置、切屑處理及工件清潔技術(shù)、主軸及砂輪動 平衡技術(shù)等。磨床支承構(gòu)件砂輪架、頭架、尾架、工作臺等部件支撐基礎(chǔ)件。要求它有良好靜剛度、 動剛度及熱剛度。對于一些箱密、超高速磨床，國內(nèi)外都有采用聚合物混凝土（人造花崗巖） 來制造床身和立柱，也有將立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成，還有采用鋼板焊接件，并 將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高其抗震性，這些都收到了很好效果。應(yīng)在以下幾個方血（特別下一代磨床設(shè)計）加強(qiáng)研究：新型材料及結(jié)構(gòu)支承構(gòu)件優(yōu)化 設(shè)計及制造技術(shù)研究；砂輪動平衡技術(shù)研究；磨削液過濾系統(tǒng)研究；安全防護(hù)裝置設(shè) 計制造技術(shù)研究；精密自動跟刀架及支承

15、件研究。2.6砂輪在線修整技術(shù)在磨削過程中，砂輪由于磨鈍和磨損，需要進(jìn)行及時修整，特別對超細(xì)磨料砂輪而言， 更需頻繁修整。普通砂輪修整比較容易；人造金剛石砂輪和cbn砂輪修整（特別在線修整） 個難題。超硬磨料砂輪修圓及磨料開刃兩個很重要問題。目前，國內(nèi)一些學(xué)者正在研究激光修整 砂輪和電解修整砂輪，以期解決高效實用修整問題。重要關(guān)鍵問題有二：新、高效實用砂 輪修整技術(shù)及其裝置；砂輪在線修整技術(shù)。2.7環(huán)境友好相關(guān)磨削技術(shù)磨削過程中，冷卻液作用主要冷卻和潤滑、將磨削熱從工件表面帶走、沖刷掉磨削時留 在工件和砂輪表而上切屑。但，鑒于冷卻液對環(huán)境污染負(fù)而影響，磨削時應(yīng)盡可能少用冷 卻液或不用冷卻液，因

16、此，應(yīng)幵展對下列關(guān)鍵技術(shù)研究：對環(huán)境不產(chǎn)生污染冷卻劑；新 冷卻方法及冷卻裝置。2.8磨削過程檢測控制技術(shù)磨削過程檢測與控制，主要通過傳感器、分析及信號處理，對磨削過程進(jìn)行實時監(jiān)控， 例如對砂輪磨損及破損情況進(jìn)行監(jiān)測和控制，對工件尺寸、形狀與位置精度和加工表而質(zhì) 量進(jìn)行監(jiān)控。這需要研究新實用傳感器、檢測與監(jiān)控方法。有些學(xué)者提出，將新型非接觸式傳感器（聲發(fā)射傳感器）安裝在砂輪基體上，通過信號 接收器接收信號并對其進(jìn)行分析處理，以控制砂輪所受力，從而監(jiān)控砂輪磨損狀況。但尚未 見到更詳細(xì)實驗報道。國內(nèi)也開發(fā)了一些非接觸式測量傳感器及磨削過程在線監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)等，但與國外差 距很大。國內(nèi)應(yīng)以實用化為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)測試技術(shù)研究，研究精度高、可靠性好、實用 性 強(qiáng)測試技術(shù)與設(shè)備。同時，加強(qiáng)對砂輪磨損及破損、砂輪修整狀態(tài)，工件加工精度、加 工 表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，開展自適應(yīng)控制及智能控制研究。其關(guān)鍵技術(shù)有砂輪磨損及破損監(jiān)控技術(shù)；工件尺寸精度、形狀精度、位置精度和加 工表面質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)；精度高、可靠性好、實用性強(qiáng)測試技術(shù)與儀器。2.9磨削過程仿真與虛擬隨著計算機(jī)技術(shù)及模擬技術(shù)發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)