1、Prospect of Grinding Technology磨削技术的发展磨削技术的发展栗正新栗正新 教授教授河南工业大学材料学院河南工业大学材料学院2019.4pThe figure below illustrates a typical flat surface grinding machine.1 磨削技术要素磨削技术要素 磨床、磨具、夹具、磨削参数和被加工材料磨床、磨具、夹具、磨削参数和被加工材料p外圆磨床 1 磨削技术要素磨削技术要素 磨床、磨具、夹具、磨削参数和被加工材料磨床、磨具、夹具、磨削参数和被加工材料分类：分类：p按砂轮线速度Vs磨削分为:普通磨削(Vs45m/s)、高速
2、磨削(45Vs150m/s)、超高速磨削(Vs150m/s)。p按磨削精度将磨削分为:普通磨削、精密磨削(加工精度1m0.1m、表面粗糙度Ra0.2m0.1m)、超精密磨削(加工精度0.1m，表面粗糙度Ra0.025m)。p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 1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述特点：特点：p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；
3、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。p加工效率高 如缓进给深磨，一次磨削深度可达到025mm，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。1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述特点：特点：p适应性强工程材料不断发展 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。p 磨削工具种类多各种各样的磨料磨具种类繁多。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。1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述发展趋势：发展趋势：p高速加工效率高高速高效磨削、超
4、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70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验；前几年，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V
5、s一般还是4560m/s。1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述发展趋势：发展趋势：p高效重负荷磨削砂带磨削 1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述发展趋势：发展趋势：p高精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4m。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。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0.025m。1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述发展趋势：发展趋势：p高精日本开发了电解在线修
6、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。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。1 磨削技术发展概述磨削技术发展概述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，
7、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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.1 磨削机理及磨削工艺的研究 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，研究的重点有：磨削过程、磨削现象(
8、如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等)的研究；磨削工艺参数优化的研究；不同材料(常用材料)的磨削机理的研究；磨削过程的计算机模拟与仿真的研究。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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。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
9、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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.2 高速、高精度主轴单元制造技术 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：大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发；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；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 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研
10、究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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.3 精密、高速进给单元制造技术 在以下几个方面应重点研究：高速精密交流伺服系统及电机的研究；直线伺服电机的设计与应用的研究；高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研
11、究；高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究；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 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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。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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.4 砂轮制造及其新技术 关键
12、技术：砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及其优化；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；新型磨料的制备工艺，如可使磨料容易产生新的切削刃；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；适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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
13、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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.5 机床支承技术及辅助单元技术应在以下几个方面(特别是下一代磨床的设计)加强研究：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；砂轮动平衡技术的研究；磨削液过滤系统的研究；安全防护装置的设计制造技术的研究；精密自动跟刀架及支承件的研究。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.5 机床支承技术及辅助单元技术应在以下几个
14、方面(特别是下一代磨床的设计)加强研究：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；砂轮动平衡技术的研究；磨削液过滤系统的研究；安全防护装置的设计制造技术的研究；精密自动跟刀架及支承件的研究。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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：新的、高效实
15、用的砂轮修整技术及其装置；砂轮在线修整技术。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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：对环境不产生污染的冷却剂；新的冷却方法及冷却装置。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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
16、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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究2.8 磨削过程的检测控制技术 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
17、研究。其关键技术有砂轮的磨损及破损的监控技术；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；精度高、可靠性好、实用性强的测试技术与仪器。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究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。2 磨削的关键技术研究磨削的关键技术研究END
