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磨削技术的发展及关键技术

2007年11月7日 17:32 磨料磨具在线
一般来讲，按砂轮线速度Vs高低将磨削分为普通磨削(Vs＜45 m/s)、高速磨削 (45≤Vs＜150 m/s)、超高速磨削(Vs≥150 m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削(加工精度1 μm～0.1 μm、表面粗糙度Ra0.2 μm～0.1 μm)、超精密磨削(加工精度＜0.1 μm , 表面粗糙度Ra≤0.025 μm)。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Aa chen大学、Bremm大学、美国Connecticut大学等，有在实验室完成了Vs为250 m/ s、350 m/s、400 m/s实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500 m/s磨削实验 研究。在实用磨削方面，日本已有Vs=200 m/s磨床在工业中应用。
我国对高速磨削及磨具研究已有多年历史，如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、1 20 m/s磨削工艺实验；前几年，某大学也计划开展250 m/s磨削研究(但至今尚未见到这 方面报道)，所以说有些高速磨削技术还只实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有 成熟，特别超高速磨削研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度Vs一般还 45～60 m/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研究，以 获得亚微米级尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削树脂结合剂砂轮金刚石 磨粒平均直径可小至4 μm。日本用激光在研磨过人造单晶金刚石上切出大量等高性一致 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0.025 μm。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，可实现硬脆材料高精度、 高效率超精密磨削。作平面研磨运动双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高平面度。电泳磨削技术也一种新超精密及纳米磨削技术。
随着磨削技术发展，磨床在加工机床中也占有相当大比例。据1997年欧洲机床展览会(E MO)调查数据表明，25%企业认为磨削他们应用最主要加工技术，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，开发生产通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床 拥有量占金属切削机床总拥有量13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要位置。
为什么磨削技术会不断地发展？主要原因如下：
(1)加工精度高　由于磨削具有其它加工方法无法比拟特点，如砂轮上参 与切削磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小局部产生加工应力；磨具对断续切 削、工件硬度变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高加工精 度。
(2)加工效率高　如缓进给深磨，一次磨削深度可达到0～25 mm，如将砂轮修 整成所需形状，一次便可磨出所需工件形状。而当Vs进一步提高后，其加工效率则 更高。
(3)工程材料不断发展　 许多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工业中应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工 ，需要有新磨削技术及磨削工艺与之相适应。
(4)新磨料磨具　如人造金刚石砂轮、CBN砂轮出现，扩大了磨削加工 应用范围。
(5)相关技术发展　如砂轮制造技术、控制技术、运动部件驱动技术、 支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备发展。
总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要作用。目前，磨削技术发展趋势 ，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磨削工艺 技术，研制高精度、高刚性自动化磨床。
2　磨削关键技术研究
就磨削而言，特别就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及内容广泛，不仅包括 磨削本身技术，也集中了其它相关技术。关键技术介绍如下：
2.1　磨削机理及磨削工艺研究
通过对磨削机理和磨削工艺研究，揭示各种磨削过程、磨削现象本质，找出其变化规律 ，例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度分布、切屑形成过程、磨削烧伤、磨削 表面完整性等影响因素和条件；不同工件材料(特别难加工材料和特殊功能材料)和磨削 条件最佳磨削参数；磨具磨损，新型磨具材料磨削性能等，只有通过磨削机理和磨 削工艺研究，才能确定最佳磨削范围，获取最佳磨削参数。
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研究。在精密及超精密 磨削、高速高效磨削磨削机理和磨削工艺方面，针对不同工程材料(如陶瓷和玻璃) 国 内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整理论体系，还需进行广泛研究，找 出其内在规律。可见，需要进一步研究重点有，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）研究；②磨削工艺参数优化研究；③不同材料（常用材料）磨削机理研究；④磨削过程计算机模拟与仿真研究。
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作用。
提高砂轮线速度主要提高砂轮主轴转速，特别在砂轮直径受到限制场合（如内圆磨 削）。因而，适应于高精度、高速及超高速磨床主轴单元磨床关键部件。而对于高 速高精度主轴单元系统，应该刚性好，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，主轴制造及动平衡，主轴支撑 (轴承)，主轴系统润滑和冷却，系统刚性等很重要。
国外主轴单元技术发展很快，有些公司专门提供各种功能主轴单元部件，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Ingersoll公司推出加工中心，其主轴 单元就用电主轴，其功率为65 kW，最高转速达15 000 r/min，电机响应时间很短； 在EMO’97上，电主轴机床制造技术中最热门功能部件，参展商达36家；美国Landis公 司超高速曲轴、凸轮轴磨床砂轮主轴，也都用电主轴。
目前，国内主轴单元速度大约在10 000 r/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、大功率主轴单元(电主轴)。需要进一步研究重点如 下：①大功率、高转速和高精度驱动系统研究与开发；②高刚性、高精度、高转速重负 荷轴承或支承件研究与开发；③高速、高刚性、高精度砂轮主轴和工件头架主轴制 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。进给单元使砂轮保持正常工作 必要条件，也评价高速、高效及超高速磨床性能重要指标之一，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，有较大移动范围(既要适合空行程时快 进给，又要适应加工时小进给或者微进给)，既要有较大加速度，又要有足够大推力 ，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)与滚动丝杠组合轴向进给方案。但随着高 速高精度加工发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能直线 电机结合数字控制技术，可达到较高调整质量，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120 m/min高速进给表演，而该公司直线电机最大进给速度可达 200 m/min, 其最大推力可达6600 N，最大位移距离为504 mm。又如日本三井精机公司生产 高速工具磨床，主轴上下移动(行程25 mm)采用直线电机后，可达400次/min，原来2 倍，加工效率提高3～4倍。我国国产数控进给系统(特别高速、高精度进给系统)与国外相 比还有很大差距，其快速进给速度一般为24 m/min。可见，为了适应精密、高速及超高 速磨床发展，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研究；②直线伺服电机设计与应用研究；③高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副研究；④高精度导轨、新型导轨摩擦副研究；⑤能适应超精密磨削高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数导轨副研究。
2.4　砂轮制造及其新技术
随着工程材料发展及其应用，CBN砂轮和人造金刚石砂轮应用越来越广泛，而砂轮许 用线速度也要求较高，一般在80 m/s以上。单层电镀CBN砂轮线速度可达250 m/s，发展超 高速磨削也需要150 m/s以上砂轮，但国内80～120 m/sCBN砂轮仍在研制之中。
此外，砂轮设计，其截面形状优化、粘结剂结合强度及其适用性、砂轮基体材料、 砂轮制造技术(特别对微细磨料磨具制造技术)等都非常重要，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开发、设计及其优化；②砂轮新型粘结剂(特别适用于制造微细磨料磨具粘结剂)研究；③新型磨料制备工艺，如可使磨料容易产生新切削刃；④新型砂轮制造工艺，既要使砂轮具有足够容屑空间，也要有更好凸出性；⑤适合于超精密磨削超微粉砂轮制备技术。
2.5　机床支承技术及辅助单元技术
机床支承技术主要指机床支承构件设计及制造技术。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 动平衡技术等。
磨床支承构件砂轮架、头架、尾架、工作台等部件支撑基础件。要求它有良好静刚度 、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，也有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，这些都收到了很好效果。
应在以下几个方面（特别下一代磨床设计）加强研究：①新型材料及结构支承构件优化设计及制造技术研究；②砂轮动平衡技术研究；③磨削液过滤系统研究；④安全防护装置设计制造技术研究；⑤精密自动跟刀架及支承件研究。
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砂轮修整(特别在线修整) 个难题。
超硬磨料砂轮修圆及磨料开刃两个很重要问题。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，以期解决高效实用修整问题。重要关键问题有二：①新、高效实用砂轮修整技术及其装置；②砂轮在线修整技术。
2.7　环境友好相关磨削技术
磨削过程中，冷却液作用主要冷却和润滑、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切屑。但，鉴于冷却液对环境污染负面影响，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研究：①对环境不产生污染冷却剂；②新冷却方法及冷却装置。
2.8　磨削过程检测控制技术
磨削过程检测与控制，主要通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程进行实时监控， 例如对砂轮磨损及破损情况进行监测和控制，对工件尺寸、形状与位置精度和加工表面 质量进行监控。这需要研究新实用传感器、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，以控制砂轮所受力，从而监控砂轮磨损状况。但尚 未见到更详细实验报道。
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，进行相关测试技术研究，研究精度高、可靠性好、实用性 强测试技术与设备。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研究。
其关键技术有①砂轮磨损及破损监控技术；②工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量在线监控技术；③精度高、可靠性好、实用性强测试技术与仪器。
2.9　磨削过程仿真与虚拟
随着计算机技术及模拟技术发展，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺仿真一个 重要研究课题。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 果和磨床性能，但仿真必须建立在有充分实验数据基础之上。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软件工具。
虚拟磨床虚拟制造技术中一个新研究领域，可以建立一个逼真虚拟磨削环境。
总之，我们研究一方面要跟踪国际科学研究前沿，更要有创新，要符合自己国情，所 研究成果要能够应用于生产，以推动我国机械工业进步。