磨削技术的发展及关键技术

作者：湖南大学 周志雄 邓朝晖 陈根余 宓海青

欢迎访问e展厅 展厅 5 磨床/珩磨设备展厅 平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ... 1 磨削技术发展概述 一般来讲，按砂轮线速度Vs的高低将磨削分为普通磨削(Vs<45m/s)、高速磨削(45≤Vs<150m/s)、超高速磨削(Vs≥150m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削(加工精度1µm～0.1µm、表面粗糙度Ra0.2µm～0.1µm)、超精密磨削(加工精度<0.1µm，表面粗糙度Ra≤0.025µm)。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(HEDG)、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。 高速高效磨削、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、Bremm大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室完成了Vs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Vs=200m/s的磨床在工业中应用。 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(但至今尚未见到这方面的报道)，所以说有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度Vs一般还是45～60m/s。 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4µm。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025µm。日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术。 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。我国从1949～1998年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。 为什么磨削技术会不断地发展？主要原因如下： 加工精度高 由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切削、工件硬度的变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高的加工精度。 加工效率高 如缓进给深磨，一次磨削深度可达到0～25mm，如将砂轮修整成所需形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当Vs进一步提高后，其加工效率则更高。 工程材料不断发展 许多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工业中的应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相适应。 新的磨料磨具 如人造金刚石砂轮、CBN砂轮的出现，扩大了磨削加工的应用范围。 相关技术的发展 如砂轮制造技术、控制技术、运动部件的驱动技术、支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的发展。 总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前，磨削技术的发展趋势是，发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。 2 磨削的关键技术研究 就磨削而言，特别就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及的内容广泛，不仅包括磨削本身的技术，也集中了其它相关的技术。关键技术介绍如下： 2.1 磨削机理及磨削工艺的研究 通过对磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质，找出其变化规律，例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的形成过程、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素和条件；不同工件材料(特别是难加工材料和特殊功能材料)和磨削条件的最佳磨削参数；磨具的磨损，新型磨具材料的磨削性能等，只有通过磨削机理和磨削工艺的研究，才能确定最佳的磨削范围，获取最佳的磨削参数。 对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面，针对不同的工程材料(如陶瓷和玻璃)国内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的理论体系，还需进行广泛的研究，找出其内在的规律。可见，需要进一步研究的重点有，①磨削过程、磨削现象(如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等)的研究；②磨削工艺参数优化的研究；③不同材料(常用材料)的磨削机理的研究；④磨削过程的计算机模拟与仿真的研究。 2.2 高速、高精度主轴单元制造技术 主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速高效磨削、精密超精密磨削起着关键的作用。 提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特别是在砂轮直径受到限制的场合(如内圆磨削)。因而，适应于高精度、高速及超高速磨床的主轴单元是磨床的关键部件。而对于高速高精度主轴单元系统，应该是刚性好，回转精度高，运转时温升小、稳定性好、可靠，功耗低，寿命长，同时，成本也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑(轴承)，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的。 国外主轴单元技术的发展很快，有些公司专门提供各种功能的主轴单元部件，这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削机床上。近年来高速和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和英格索尔(Ingersoll)公司推出的加工中心，其主轴单元就是用的电主轴，其功率为65kW，最高转速达15,000r/min，电机的响应时间很短；在EMO'97上，电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件，参展商达36家；美国Landis公司的超高速曲轴、凸轮轴磨床的砂轮主轴，也都用电主轴。 目前，国内主轴单元的速度大约在10,000r/min以下，且其精度、刚性及稳定性有待于考验和提高。同时，缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元(电主轴)。需要进一步研究的重点如下：①大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发；②高刚性、高精度、高转速重负荷的轴承或支承件的研究与开发；③高速、高刚性、高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术。 2.3 精密、高速进给单元制造技术 进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等。进给单元是使砂轮保持正常工作的必要条件，也是评价高速、高效及超高速磨床性能的重要指标之一，因此，要求进给单元运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，有较大的移动范围(既要适合空行程时的快进给，又要适应加工时的小进给或者微进给)，既要有较大的加速度，又要有足够大的推力，刚性高，动态响应快，定位精度好。 数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合的轴向进给方案。但随着高速高精度加工的发展，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，可达到较高的调整质量，也可满足上述要求，如德国西门子公司就在CIMT'97作了直线电机120m/min高速进给的表演，而该公司的直线电机最大进给速度可达200m/min，其最大推力可达6600N，最大位移距离为504mm。又如日本三井精机公司生产的高速工具磨床，主轴上下移动(行程25mm)采用直线电机后，可达400次/min，是原来的2倍，加工效率提高3～4倍。我国国产数控进给系统(特别是高速、高精度进给系统)与国外相比还有很大的差距，其快速进给的速度一般为24m/min。可见，为了适应精密、高速及超高速磨床的发展，在以下几个方面应重点研究：①高速精密交流伺服系统及电机的研究；②直线伺服电机的设计与应用的研究；③高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究；④高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究；⑤能适应超精密磨削的高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的研究。 2.4 砂轮制造及其新技术 随着工程材料的发展及其应用，CBN砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广泛，而砂轮的许用线速度也要求较高，一般在80m/s以上。单层电镀CBN砂轮的线速度可达250m/s，发展超高速磨削也需要150m/s以上的砂轮，但国内80～120m/s的CBN砂轮仍在研制之中。 此外，砂轮的设计，其截面形状的优化、粘结剂的结合强度及其适用性、砂轮基体的材料、砂轮的制造技术(特别是对微细磨料磨具的制造技术)等都是非常重要的，仍需对一些关键技术进行攻关：①砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及其优化；②砂轮新型粘结剂(特别是适用于制造微细磨料磨具的粘结剂)的研究；③新型磨料的制备工艺，如可使磨料容易产生新的切削刃；④新型砂轮的制造工艺，既要使砂轮具有足够的容屑空间，也要有更好的凸出性；⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术。 2.5 机床支承技术及辅助单元技术 机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术。辅助单元技术包括快速工件装夹技术，高效冷却润滑液过滤系统、机床安全装置、切屑处理及工件清洁技术、主轴及砂轮的动平衡技术等。 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。对于一些精密、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。 应在以下几个方面(特别是下一代磨床的设计)加强研究：①新型材料及结构的支承构件的优化设计及制造技术的研究；②砂轮动平衡技术的研究；③磨削液过滤系统的研究；④安全防护装置的设计制造技术的研究；⑤精密自动跟刀架及支承件的研究。 2.6 砂轮在线修整技术 在磨削过程中，砂轮由于磨钝和磨损，需要进行及时修整，特别是对超细磨料砂轮而言，更需频繁修整。普通砂轮修整比较容易；人造金刚石砂轮和CBN砂轮的修整(特别是在线修整)是个难题。 超硬磨料砂轮的修圆及磨料开刃是两个很重要的问题。目前，国内一些学者正在研究激光修整砂轮和电解修整砂轮，以期解决高效实用的修整问题。重要的关键问题有二：①新的、高效实用的砂轮修整技术及其装置；②砂轮在线修整技术。 2.7 环境友好的相关磨削技术 磨削过程中，冷却液的作用主要是冷却和润滑、将磨削热从工件表面带走、冲刷掉磨削时留在工件和砂轮表面上的切屑。但是，鉴于冷却液对环境污染的负面影响，磨削时应尽可能少用冷却液或不用冷却液，因此，应开展对下列关键技术的研究：①对环境不产生污染的冷却剂；②新的冷却方法及冷却装置。 2.8 磨削过程的检测控制技术 磨削过程的检测与控制，主要是通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程进行实时监控，例如对砂轮的磨损及破损情况进行监测和控制，对工件的尺寸、形状与位置精度和加工表面质量进行监控。这需要研究新的实用的传感器、检测与监控方法。 有些学者提出，将新型非接触式传感器(声发射传感器)安装在砂轮的基体上，通过信号接收器接收信号并对其进行分析处理，以控制砂轮所受的力，从而监控砂轮的磨损状况。但尚未见到更详细的实验报道。 国内也开发了一些非接触式测量传感器及磨削过程的在线监测、监控技术等，但与国外差距很大。国内应以实用化为目标，进行相关测试技术的研究，研究精度高、可靠性好、实用性强的测试技术与设备。同时，加强对砂轮磨损及破损、砂轮修整状态，工件的加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究，开展自适应控制及智能控制的研究。 其关键技术有①砂轮的磨损及破损的监控技术；②工件的尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术；③精度高、可靠性好、实用性强的测试技术与仪器。 2.9 磨削过程的仿真与虚拟 随着计算机技术及模拟技术的发展，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿真是一个重要的研究课题。利用计算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分析和预测不同条件下磨削效果和磨床的性能，但仿真必须建立在有充分实验数据的基础之上。目前能使用砂轮地貌模型对砂轮进行仿真，能对磨屑形成过程、能量转换、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真，还开发了分析和仿真磨削过程的软件工具。 虚拟磨床是虚拟制造技术中的一个新的研究领域，可以建立一个逼真的虚拟磨削环境。 总之，我们的研究一方面要跟踪国际科学研究的前沿，更要有创新，要符合自己的国情，所研究的成果要能够应用于生产，以推动我国机械工业的进步。(end)

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