2 高效率磨粒加工技术发展

1. 高速超高速磨削
   超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。通常将砂轮线速度大于45m/s的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早，最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达到210～230m/s。1979年德国Bremen大学的P. G. Werner教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1983年德国Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60kW，转速为10000r/min，砂轮直径为400mm，砂轮圆周速度达到了209m/s。Aachen工业大学实验室磨削速度已达到500m/s，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer公司开发的CBN砂轮磨削线速度在60m/s以上，并向120～130m/s方向发展。
   美国60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1967年诺顿公司在市场上出售线速度为61m/s的砂轮和磨床。到70年代初，60m/s的磨床已有相当数量，70m/s,80 m/s乃至90m/s的磨床也相继出现。1993年，美国的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203m/s,用以加工淬硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等人，以149m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的地貌和磨削机理。目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用CBN砂轮。可实现以160m/s的速度，75mm
   ^{3/mm·s的磨除率，对高温合金Incone1718进行高效磨削，加工后Ra1～2µm，尺寸公差±13µm 。另外采用直径400mm的陶瓷CBN砂轮，以150～200m/s的速度磨削，可达到RaO.81µm，尺寸公差±2.5～5µm。美国高速磨削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。}
   日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。日本70年代中期，就能生产45m/s和60m/s的高速磨床。1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s，90年代日本推出了120m/s和250m/s的高速磨床。日本广泛地用CBN砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化。至2000年，日本已进行500m/s的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起;一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为V
   _{s+Vw的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近l000m/s。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。}
   我国高速磨削起步较晚，1958年开始推广高速磨削技术。1964年郑州磨料磨具磨削研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验。1974年郑州磨料磨具磨削研究所进行了50～60m/s的磨削试验，1982年10月，湖南大学进行了60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。八十年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的YLM—1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到80m/s，磨削压力在2500～5000N以上。1995年，汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。至2000年湖南大学一直在开展高速磨削研究工作。在2000年中国数控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始，湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW，最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床，并先后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机制研究、高速钢的高速深磨研究、超高速单颗粒CBN磨削试验研究、高速单颗粒磨削机理研究、超高速磨削温度场研究、磨削摩擦系数的研究、超高速磨削砂轮表面气流场的研究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平。
2. 快速点磨削
   快速点磨削(Quick – point Grinding)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人、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。在齿轮加工、机床制造、纺织与印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也有广阔应用前景。我国部分汽车制造企业目前也引进了几十台这一工艺设备，并取得了明显效益。但应用领域尚小，仅限于汽车发动机轴类零件的加工。由于国内目前没有开展系统的工艺理论和应用研究，没有掌握其核心技术及理论，不能掌握工艺参数设计和编程技术，不能配套生产砂轮及相关附件，只能就单一零件由国外垄断定制，全部工艺和设备均依赖于进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削机理、规律、磨削质量控制及点磨削工艺等深入系统的理论与实验研究及相关技术信息也未见更多报道。因此，跟踪国际先进技术，深人开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平具有重要意义。国内东北大学已开始进行超高速点磨削机理研究及机床开发。
3. 缓进给磨削
   缓进给磨削也称作深切缓进给强力磨削，其特点是采用大的切削深度(1～30mm，比普通磨削大1～1000倍)和很小的工件进给速度(3～300 mm/min，是普通磨削的1/100～1/1000)。缓进给磨削通过增大砂轮切深来增加磨屑长度，以获得高磨除率(高出普通磨削5倍以上)。该方法在平面磨削中占有主导地位，主要用在磨削沟槽和成型表面。近年德、英、美、日和瑞士等国发展了一系列专用缓进给成形磨床，特别是滚珠丝杠和直线电机技术的应用更加促进了缓进给磨削技术的实用化。缓进给磨削的特点如下:

   1. 加工效率高。由于磨削深度大增，接触弧长增加，同时参加切削的磨粒数增多，因此可以直接磨削出要求的工件形状，使粗、精加工合并，大大提高了加工效率;
   2. 扩大了磨削工艺范围。由于可对毛坯一次加工成形，故可有效解决一些难加工材料加工问题，例如燃气轮机叶片成形表面加工，高温合金、不锈钢、高速钢型面或沟槽的磨削等，其效率比铣削高二十多倍。用CBN砂轮缓进给磨削真空泵转子槽，不仅比铣削效率高，，而且加工质量好，成本节约40%左右;
   3. 砂轮冲击损伤小，工件形状精度稳定。由于缓进给和行程次数减少，减轻了砂轮与工件边缘的冲
      撞次数和冲撞程度，延长了砂轮的使用寿命，也减小加工表面波纹度的产生;
   4. 磨削力大、磨削温度高，切屑长并在磨削区严重变形，易堵塞砂轮。因此缓进给磨削加工时必须充分供给大量切削液，以降低磨削温度，保证磨削表面质量;
   5. 加工精度达2～5µm，表面粗糙度Ra0.1～0.4µm。
4. 高效深切磨削(HEDG)
   高效深磨(High Eficiency Deep Grinding，HEDG)技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100～250m/s)、高进给速度(0.5～10m/min)和大切深(0.1～30mm)为一体的高效率磨削技术。高效深磨概念是由德国Bremen大学Werner教授于1980年创立。目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位，高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率(磨除率比普通磨削高100～1000倍)，表面质量也可达到普通磨削水平。由于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度，生产效率大幅度提高。后来又进一步在CBN砂轮基础上开发出200～300m/。的超高速深磨磨床。采用陶瓷结合剂砂轮以120m/s的速度磨削，比磨削率可达500～1000mm
   ^{3/mm·s，比车削和铣削高5倍以上。英国用盘形CBN砂轮对低合金钢51CrV4进行了146m/s的高效深磨试验研究，材料去除率超过400mm3/mm·s 。德国Guhring Automation公司FD613超高速平面磨床，150m/s及CBN磨削宽1～10mm、深30mm的转子槽时工作台进给速度达3000mm/min，在125m/s沟槽磨床上，磨削深20mm的钻头沟槽可一次完成，金属磨出率达500400mm3/mm·s。高效成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助CNC系统和CBN成型砂轮完成更复杂型面的加工，表面质量可与普通磨削媲美。此项技术已成功地用于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。普通磨削、缓进给磨削、高效深切磨削方法工艺参数对比见下表。普通磨削、缓进给磨削、高效深切磨削工艺参数对比表参数普通磨削缓进给磨削高效深切磨削ap(mm)0.001～0.050.1～300.1～30V_{w(m/min)1～300.05～0.50.5～10
   Vs(m/s)20～6020～6080～200Zw(mm3/mm·s)0.1～101.0～1050～2000砂轮WA60HVWA60HVWA60HV
   磨削液水基磨削液油溶性磨削液水基磨削液}}
5. 高速孟负荷荒磨
   重负荷荒磨是以较大的法向修磨压力快速切除加工余量为目的的磨削方法，适用于钢坯的修磨，铸、锻件的清理以及钢板的粗磨等，磨除金属量一般占钢坯质量的3%～7%。一般不需要修整砂轮，磨削速度通常在50～l00m/s，法向磨削力一般在2.5～15kN，金属磨除率达1000kg/h，磨削功率一般为100～150kW，个别达到300kW。该技术近年发展较快，砂轮线速度已普遍达到80m/s，有的高达120m/s。磨削法向力可达10000～12000N，甚至高达30000N ;材料磨除率可达500～600kg/h，最高可达1000kg/h。重负荷荒磨机床已基本实现自动化，法向压力可随进给速度的变化而自动调整并能保持砂轮转速恒定，大大提高了荒磨生产效率。东北大学从?0年代开始进行高速重负荷钢坯荒磨实验研究，建立了完整的高速重负荷荒磨理论体系，近年还研制开发了用于钢坯自动修磨的并联机器人，最大修磨压力达2520N～5000N，最大金属磨除率达1780g/min。重负荷荒磨的技术特点包括:(1)磨削压力、砂轮速度和金属磨除率高、磨削功率大，要求机床具有足够的刚度和强度;(2)使用高强度、高硬度和粗粒度的重负荷荒磨砂轮。一般均采用树脂结合剂和棕刚玉、微晶刚玉、烧结刚玉和错刚玉等高韧性磨料，超硬级硬度，且砂轮不需要修整;(3)采用干式磨削方式。
6. 砂带磨削
   砂带磨削作为一种在材料表面精密加工中有着，“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型涂附磨削工艺，在现代制造工业中，其已经被当作与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。在工业发达国家，砂带磨削应用已经十分普遍，砂带磨床抓有量已经逐步接近砂轮磨床，其产值比几乎为1:1。
   自上世纪60年代以来，静电植砂技术等取得新进展，使美、英、日、德等国砂带制造技术和砂带磨床都取得长足进步。拥有量已接近砂轮磨床、其产值比美国为49:51，德国45:55 ，日本25:75 ，砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上，涂附磨具加工已成为发达国家获得高额经济效益的重要手段。美国三家著名砂带集团开发四万多种规格的砂带，55家公司生产砂带磨削机床。目前，全世界国家每年生产近40万台砂带磨床和近9500万平方米砂带。砂带磨削目前正沿着强力、高速、高效和精密方向发展，如日本在90年代初利用电泳吸附现象研制成功超微磨粒砂带，加工如精密陶瓷、石英、硅片等脆性材料的精度可达十几个纳米，并能实现塑性方式磨削。美国生产的一种砂带磨床可以完成5台铣床的工作量，以往用硬质合金端铣刀加
   
   工铸铁轴承体，每件加工时间为4.8min，采用强力砂带磨床，加工时间减少到0.8min，一年可节约加工费4.5万美元。
   我国砂带磨削研究及涂附磨具制造起步较晚。近年部分高校和科研院校开展了砂带磨削技术研究与开发。“七五”期间由郑州三磨所、华中理工大学和湖南大学共同完成了“砂带磨削工艺的试验研究”的攻关课题。东北大学试验研究了金属线材、叶片型面等的砂带磨削;重庆大学先后完成“摆线砂带磨齿工艺”、“高精度平面砂带磨削工艺”等项目，近期又对电解砂带复合磨削新工艺进行研究，目前开展了对发动机连杆端面和西气东输石油管道焊缝强力砂带磨削方面的研究。湖南大学系统研究了砂带磨削温度，1992通过190柴油机缸盖平面强力砂带磨削工艺试验国家鉴定。华中理工大学开展了五坐标联动数控砂带磨削叶片型面研究。华东纺织大学最近研究提出应用超微磨粒电泳吸附砂带实现脆性材料塑性磨削，以期突破砂带磨削的精度限制，实现纳米加工。我国第二砂轮厂和上海砂轮厂先后从德、意、瑞士等国引进砂带制造成套技术和设备，年产砂带分别为5×10
   ^{6m2和6×106m2。}

3 高效率磨粒加工关键技术

1. 高效磨削砂轮
   高效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效磨削时的切削力等。高效磨削砂轮可以使用刚玉、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。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50%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm
   ^{2(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。为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构需有利于磨粒分裂。要达到砂轮自锋利的目的，除了应尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的空间分布。为此对砂轮应有一套完善的修整技术。砂轮修整是决定磨削质量的关键因素之一，不同的修整方法具有不同的特点，因而应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料等因素，以选择最佳修整方案。}
2. 主轴及其轴承技术
   高效率磨床主轴单元的性能在很大程度上决定了高效率磨削加工的极限，因而，为实现高效率磨削加工，对砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求主轴有足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。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。主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达200m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。
3. 高效率磨床
   高速高效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。此外还要求机床有高动态精度、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。如德国西门子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。
4. 磨削液供给技术
   高速磨削时，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注人方法，增加磨削液进人磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。常用的磨削液注人方法有:手工供液法和浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。在超高速条件下，为了实现对磨削区的冷却，冲走切屑，磨削液的喷注必须有足够大的动量，以冲破砂轮周围的高速气流，使磨削液抵达磨削区。为了保证超高速磨削的表面质量，提高磨削液的利用率，减少磨削液中残留杂质对加工质量及机床系统的不良影响，必须采用一套高效高过滤精度的磨削液过滤系统。从喷嘴喷注在砂轮上的磨削液，会在强大离心力作用下形成严重的油雾。所以超高速磨床还要把磨削区封闭起来，并要及时抽出油雾。然后利用离心和静电的方法进行油气分离。
5. 砂轮、工件安装定位及安全防护技术
   高速及超高速磨削砂轮动能很大，必须设置高强度半封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内最好敷设缓冲材料，以吸收或减少砂轮碎块的二次弹射。
6. 磨削状态检测及数控技术
   高效率磨削加工中，由于砂轮线速度极高，砂轮由于超高速引起的破碎现象时常发生，砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保证加工质量和零件表面完整性的关键;在超高速加工中，砂轮与工件的对刀精度，砂轮与修整轮的对刀精度将直接影响到工件的尺寸精度和砂轮的修整质量，因此，在超高速磨削加工中，在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素。目前，声发射技术已成功用于超高速磨削的无损检测，利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒与工件磨擦、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。因此利用声发射技术可监测磨削裂纹和磨削烧伤，砂轮破碎砂轮磨损、砂轮与工件接触、砂轮与修整轮接触，并取得了令人满意的效果。此外，工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术，高精度、高可靠性、实用性强的测试技术与仪器都是高效率磨削所必不可少的关键技术。

4 结语