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磨削技術(shù)發(fā)展概述
一般來講，按砂輪線速度Vs的高低將磨削分為普通磨削(Vs<45m><150m><>
高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，如德國的Aachen大學(xué)、Bremm大學(xué)、美國的Connecticut大學(xué)等，有的在實(shí)驗(yàn)室完成了Vs為250m/s、350m/s、400m/s的實(shí)驗(yàn)。據(jù)報道，德國Aachen大學(xué)正在進(jìn)行目標(biāo)為500m/s的磨削實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)用磨削方面，日本已有Vs=200m/s的磨床在工業(yè)中應(yīng)用。
我國對高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史，如湖南大學(xué)在70年代末期便進(jìn)行了80m/s、120m/s的磨削工藝實(shí)驗(yàn)；前幾年，某大學(xué)也計劃開展250m/s的磨削研究(但至今尚未見到這方面的報道)，所以說有些高速磨削技術(shù)還只是實(shí)驗(yàn)而已，尚未走出實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)還遠(yuǎn)沒有成熟，特別是超高速磨削的研究還開展得很少。在實(shí)際應(yīng)用中，砂輪線速度Vs一般還是45～60m/s。
國內(nèi)外都采用超精密磨削、精密修整、微細(xì)磨料磨具進(jìn)行亞微米級以下切深磨削的研究，以獲得亞微米級的尺寸精度。微細(xì)磨料磨削，用于超精密鏡面磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均直徑可小至4μm。日本用激光在研磨過的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致的微小切刃，對硬脆材料進(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)0.025μm。日本開發(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)超硬磨料制造砂輪成為可能，可實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨運(yùn)動的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，且可獲得很高的平面度。電泳磨削技術(shù)也是一種新的超精密及納米磨削技術(shù)。
隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中也占有相當(dāng)大的比例。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削占23%，鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。我國從1949～1998年，開發(fā)生產(chǎn)的通用磨床有1800多種，專用磨床有幾百種，磨床的擁有量占金屬切削機(jī)床總擁有量的13%左右?？梢姡ハ骷夹g(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占有極其重要的地位。
為什么磨削技術(shù)會不斷地發(fā)展？主要原因如下：
加工精度高。由于磨削具有其它加工方法無法比擬的特點(diǎn)，如砂輪上參與切削的磨粒多，切削刃多且?guī)缀涡螤畈煌粌H在較小的局部產(chǎn)生加工應(yīng)力；磨具對斷續(xù)切削、工件硬度的變化不很敏感；砂輪可實(shí)現(xiàn)在線修銳等，因而可使加工件獲得很高的加工精度。
加工效率高。如緩進(jìn)給深磨，一次磨削深度可達(dá)到0～25mm，如將砂輪修整成所需形狀，一次便可磨出所需的工件形狀。而當(dāng)Vs進(jìn)一步提高后，其加工效率則更高。
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)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技術(shù)及磨削工藝與之相適應(yīng)。
新的磨料磨具如人造金剛石砂輪、CBN砂輪的出現(xiàn)，擴(kuò)大了磨削加工的應(yīng)用范圍。
相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。如砂輪制造技術(shù)、控制技術(shù)、運(yùn)動部件的驅(qū)動技術(shù)、支撐技術(shù)等，促進(jìn)了磨削技術(shù)及磨削裝備的發(fā)展。
總之，磨削技術(shù)的快速發(fā)展，在機(jī)械加工中起著非常重要的作用。目前，磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢是，發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削機(jī)理并開發(fā)其新的磨削工藝技術(shù)，研制高精度、高剛性的自動化磨床。
2
磨削的關(guān)鍵技術(shù)研究
就磨削而言，特別就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及的內(nèi)容廣泛，不僅包括磨削本身的技術(shù)，也集中了其它相關(guān)的技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)介紹如下：
2.1
磨削機(jī)理及磨削工藝的研究
通過對磨削機(jī)理和磨削工藝的研究，揭示各種磨削過程、磨削現(xiàn)象的本質(zhì)，找出其變化規(guī)律，例如，磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度的分布、切屑的形成過程、磨削燒傷、磨削表面完整性等的影響因素和條件；不同工件材料（特別是難加工材料和特殊功能材料）和磨削條件的最佳磨削參數(shù)；磨具的磨損，新型磨具材料的磨削性能等，只有通過磨削機(jī)理和磨削工藝的研究，才能確定最佳的磨削范圍，獲取最佳的磨削參數(shù)。對普通磨削而言，在磨削機(jī)理和磨削工藝方面已開展了廣泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削機(jī)理和磨削工藝方面，針對不同的工程材料（如陶瓷和玻璃）國內(nèi)外開展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整的理論體系，還需進(jìn)行廣泛的研究，找出其內(nèi)在的規(guī)律?？梢?，需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)有，①磨削過程、磨削現(xiàn)象（如磨削力、磨削溫度、磨削燒傷及裂紋等）的研究；②磨削工藝參數(shù)優(yōu)化的研究；③不同材料（常用材料）的磨削機(jī)理的研究；④磨削過程的計算機(jī)模擬與仿真的研究。
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)的精度、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)鍵的作用。
提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，特別是在砂輪直徑受到限制的場合（如內(nèi)圓磨削）。因而，適應(yīng)于高精度、高速及超高速磨床的主軸單元是磨床的關(guān)鍵部件。而對于高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該是剛性好，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，主軸的制造及動平衡，主軸的支撐（軸承），主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。
國外主軸單元技術(shù)的發(fā)展很快，有些公司專門提供各種功能的主軸單元部件，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，如美國福特公司和英格索爾(Ingersoll)公司推出的加工中心，其主軸單元就是用的電主軸，其功率為65kW，最高轉(zhuǎn)速達(dá)15,000r/min，電機(jī)的響應(yīng)時間很短；在EMO'97上，電主軸是機(jī)床制造技術(shù)中最熱門的功能部件，參展商達(dá)36家；美國Landis公司的超高速曲軸、凸輪軸磨床的砂輪主軸，也都用電主軸。
目前，國內(nèi)主軸單元的速度大約在10,000r/min以下，且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待于考驗(yàn)和提高。同時，缺乏高速、高精度、大功率的主軸單元（電主軸）。需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)如下：①大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度的驅(qū)動系統(tǒng)的研究與開發(fā)；②高剛性、高精度、高轉(zhuǎn)速重負(fù)荷的軸承或支承件的研究與開發(fā)；③高速、高剛性、高精度的砂輪主軸和工件頭架主軸的制造技術(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)給單元是使砂輪保持正常工作的必要條件，也是評價高速、高效及超高速磨床性能的重要指標(biāo)之一。因此，要求進(jìn)給單元運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，分辨率高，定位精度高，沒有爬行，有較大的移動范圍（既要適合空行程時的快進(jìn)給，又要適應(yīng)加工時的小進(jìn)給或者微進(jìn)給），既要有較大的加速度，又要有足夠大的推力，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))與滾動絲杠組合的軸向進(jìn)給方案。但隨著高速高精度加工的發(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)性能的直線電機(jī)結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，可達(dá)到較高的調(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)120m/min高速進(jìn)給的表演，而該公司的直線電機(jī)最大進(jìn)給速度可達(dá)200m/min，其最大推力可達(dá)6600N，最大位移距離為504mm。又如日本三井精機(jī)公司生產(chǎn)的高速工具磨床，主軸上下移動（行程25mm）采用直線電機(jī)后，可達(dá)400次/min，是原來的2倍，加工效率提高3～4倍。我國國產(chǎn)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)（特別是高速、高精度進(jìn)給系統(tǒng)）與國外相比還有很大的差距，其快速進(jìn)給的速度一般為24m/min?？梢?，為了適應(yīng)精密、高速及超高速磨床的發(fā)展，在以下幾個方面應(yīng)重點(diǎn)研究：①高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究；②直線伺服電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用的研究；③高速精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程滾珠絲杠副的研究；④高精度導(dǎo)軌、新型導(dǎo)軌摩擦副的研究；⑤能適應(yīng)超精密磨削的高靈敏度、超微進(jìn)給機(jī)構(gòu)和超低摩擦系數(shù)的導(dǎo)軌副的研究。
2.4
砂輪制造及其新技術(shù)
隨著工程材料的發(fā)展及其應(yīng)用，CBN砂輪和人造金剛石砂輪的應(yīng)用越來越廣泛，而砂輪的許用線速度也要求較高，一般在80m/s以上。單層電鍍CBN砂輪的線速度可達(dá)250m/s，發(fā)展超高速磨削也需要150m/s以上的砂輪，但國內(nèi)80～120m/s的CBN砂輪仍在研制之中。
此外，砂輪的設(shè)計，其截面形狀的優(yōu)化、粘結(jié)劑的結(jié)合強(qiáng)度及其適用性、砂輪基體的材料、砂輪的制造技術(shù)（特別是對微細(xì)磨料磨具的制造技術(shù)）等都是非常重要的，仍需對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)：①砂輪基體材料及制造技術(shù)的開發(fā)、設(shè)計及其優(yōu)化；②砂輪新型粘結(jié)劑（特別是適用于制造微細(xì)磨料磨具的粘結(jié)劑）的研究；③新型磨料的制備工藝，如可使磨料容易產(chǎn)生新的切削刃；④新型砂輪的制造工藝，既要使砂輪具有足夠的容屑空間，也要有更好的凸出性；⑤適合于超精密磨削的超微粉砂輪的制備技術(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)主要是指機(jī)床的支承構(gòu)件的設(shè)計及制造技術(shù)。輔助單元技術(shù)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)、主軸及砂輪的動平衡技術(shù)等。
磨床支承構(gòu)件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺等部件的支撐基礎(chǔ)件。要求它有良好的靜剛度、動剛度及熱剛度。對于一些精密、超高速磨床，國內(nèi)外都有采用聚合物混凝土（人造花崗巖）來制造床身和立柱的，也有的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，這些都收到了很好的效果。
應(yīng)在以下幾個方面（特別是下一代磨床的設(shè)計）加強(qiáng)研究：①新型材料及結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計及制造技術(shù)的研究；②砂輪動平衡技術(shù)的研究；③磨削液過濾系統(tǒng)的研究；④安全防護(hù)裝置的設(shè)計制造技術(shù)的研究；⑤精密自動跟刀架及支承件的研究。
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，特別是對超細(xì)磨料砂輪而言，更需頻繁修整。普通砂輪修整比較容易；但人造金剛石砂輪和CBN砂輪的修整（特別是在線修整）卻是個難題。
超硬磨料砂輪的修圓及磨料開刃是兩個很重要的問題。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(shí)用的修整問題。重要的關(guān)鍵問題有二：①新的、高效實(shí)用的砂輪修整技術(shù)及其裝置；②砂輪在線修整技術(shù)。
2.7
環(huán)境友好的相關(guān)磨削技術(shù)
磨削過程中，冷卻液的作用主要是冷卻和潤滑、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面上的切屑。但是，鑒于冷卻液對環(huán)境污染的負(fù)面影響，磨削時應(yīng)盡可能少用冷卻液或不用冷卻液，因此，應(yīng)開展對下列關(guān)鍵技術(shù)的研究：①對環(huán)境不產(chǎn)生污染的冷卻劑；②新的冷卻方法及冷卻裝置。
2.8
磨削過程的檢測控制技術(shù)
磨削過程的檢測與控制，主要是通過傳感器、分析及信號處理，對磨削過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，例如對砂輪的磨損及破損情況進(jìn)行監(jiān)測和控制，對工件的尺寸、形狀與位置精度和加工表面質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。這需要研究新的實(shí)用的傳感器、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）安裝在砂輪的基體上，通過信號接收器接收信號并對其進(jìn)行分析處理，以控制砂輪所受的力，從而監(jiān)控砂輪的磨損狀況。但尚未見到更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)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的在線監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)等，但與國外差距很大。國內(nèi)應(yīng)以實(shí)用化為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)測試技術(shù)的研究，研究精度高、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)的測試技術(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)，工件的加工精度、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)控制及智能控制的研究。
其關(guān)鍵技術(shù)有：①砂輪的磨損及破損的監(jiān)控技術(shù)；②工件的尺寸精度、形狀精度、位置精度和加工表面質(zhì)量的在線監(jiān)控技術(shù)；③精度高、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)的測試技術(shù)與儀器。
2.9
磨削過程的仿真與虛擬
隨著計算機(jī)技術(shù)及模擬技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)行磨削基本參數(shù)及磨削工藝的仿真是一個重要的研究課題。利用計算機(jī)仿真，可以模擬磨削過程，并能分析和預(yù)測不同條件下磨削效果和磨床的性能，但仿真必須建立在有充分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。目前能使用砂輪地貌模型對砂輪進(jìn)行仿真，能對磨屑形成過程、能量轉(zhuǎn)換、磨削力變化、磨削區(qū)溫度、磨削精度和磨削表面質(zhì)量進(jìn)行仿真，還開發(fā)了分析和仿真磨削過程的軟件工具。
虛擬磨床是虛擬制造技術(shù)中的一個新的研究領(lǐng)域，可以建立一個逼真的虛擬磨削環(huán)境。
總之，我們的研究一方面要跟蹤國際科學(xué)研究的前沿，更要有創(chuàng)新，要符合自己的國情，所研究的成果要能夠應(yīng)用于生產(chǎn)，以推動我國機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步。