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磨削技術(shù)發(fā)展概述
一般來(lái)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(guó)和日本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，如德國(guó)的Aachen大學(xué)、Bremm大學(xué)、美國(guó)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(bào)道，德國(guó)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(guó)對(duì)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(jì)劃開展250m/s的磨削研究(但至今尚未見到這方面的報(bào)道)，所以說(shuō)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(méi)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(guó)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(jí)以下切深磨削的研究，以獲得亞微米級(jí)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(guò)的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致的微小切刃，對(duì)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(dòng)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(huì)(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(guó)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?，磨削技術(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(huì)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(wú)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?；僅在較小的局部產(chǎn)生加工應(yīng)力；磨具對(duì)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(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)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(shì)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(dòng)化磨床。
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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(guò)對(duì)磨削機(jī)理和磨削工藝的研究，揭示各種磨削過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)不同的工程材料（如陶瓷和玻璃）國(guó)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。可見，需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)有，①磨削過(guò)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(guò)程的計(jì)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(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架幾個(gè)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(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性對(duì)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(chǎng)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(duì)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(shí)溫升小、穩(wěn)定性好、可靠，功耗低、壽命長(zhǎng)、同時(shí)，成本也應(yīng)適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動(dòng)平衡，主軸的支撐（軸承），主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。
國(guó)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(lái)高速和超高速磨床越來(lái)越多地用電主軸作為其主軸單元部件，如美國(guó)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(shí)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(guó)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(guó)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(shí)，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(dòng)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(dòng)部件、滾動(dòng)單元、位置監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)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(méi)有爬行，有較大的移動(dòng)范圍（既要適合空行程時(shí)的快進(jìn)給，又要適應(yīng)加工時(shí)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(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)外都普遍采用了直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，高動(dòng)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(guó)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(dòng)（行程25mm）采用直線電機(jī)后，可達(dá)400次/min，是原來(lái)的2倍，加工效率提高3～4倍。我國(guó)國(guó)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(guó)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(gè)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(jì)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(lái)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(guó)內(nèi)80～120m/s的CBN砂輪仍在研制之中。
此外，砂輪的設(shè)計(jì)，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(duì)微細(xì)磨料磨具的制造技術(shù)）等都是非常重要的，仍需對(duì)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(jì)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(jì)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(rùn)滑液過(guò)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(dòng)平衡技術(shù)等。
磨床支承構(gòu)件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺(tái)等部件的支撐基礎(chǔ)件。要求它有良好的靜剛度、動(dòng)剛度及熱剛度。對(duì)于一些精密、超高速磨床，國(guó)內(nèi)外都有采用聚合物混凝土（人造花崗巖）來(lái)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(gè)方面（特別是下一代磨床的設(shè)計(jì)）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(jì)及制造技術(shù)的研究；②砂輪動(dòng)平衡技術(shù)的研究；③磨削液過(guò)濾系統(tǒng)的研究；④安全防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)制造技術(shù)的研究；⑤精密自動(dòng)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(guò)程中，砂輪由于磨鈍和磨損，需要進(jìn)行及時(shí)修整，特別是對(duì)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(gè)難題。
超硬磨料砂輪的修圓及磨料開刃是兩個(gè)很重要的問(wèn)題。目前，國(guó)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(wèn)題。重要的關(guān)鍵問(wèn)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(guò)程中，冷卻液的作用主要是冷卻和潤(rùn)滑、將磨削熱從工件表面帶走、沖刷掉磨削時(shí)留在工件和砂輪表面上的切屑。但是，鑒于冷卻液對(duì)環(huán)境污染的負(fù)面影響，磨削時(shí)應(yīng)盡可能少用冷卻液或不用冷卻液，因此，應(yīng)開展對(duì)下列關(guān)鍵技術(shù)的研究：①對(duì)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(guò)程的檢測(cè)控制技術(shù)
磨削過(guò)程的檢測(cè)與控制，主要是通過(guò)傳感器、分析及信號(hào)處理，對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，例如對(duì)砂輪的磨損及破損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)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(cè)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(guò)信號(hào)接收器接收信號(hào)并對(duì)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(bào)道。
國(guó)內(nèi)也開發(fā)了一些非接觸式測(cè)量傳感器及磨削過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、監(jiān)控技術(shù)等，但與國(guó)外差距很大。國(guó)內(nèi)應(yīng)以實(shí)用化為目標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試技術(shù)的研究，研究精度高、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)試技術(shù)與設(shè)備。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)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(cè)試技術(shù)與儀器。
2.9
磨削過(guò)程的仿真與虛擬
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及模擬技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行磨削基本參數(shù)及磨削工藝的仿真是一個(gè)重要的研究課題。利用計(jì)算機(jī)仿真，可以模擬磨削過(guò)程，并能分析和預(yù)測(cè)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(duì)砂輪進(jìn)行仿真，能對(duì)磨屑形成過(guò)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(guò)程的軟件工具。
虛擬磨床是虛擬制造技術(shù)中的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，可以建立一個(gè)逼真的虛擬磨削環(huán)境。
總之，我們的研究一方面要跟蹤國(guó)際科學(xué)研究的前沿，更要有創(chuàng)新，要符合自己的國(guó)情，所研究的成果要能夠應(yīng)用于生產(chǎn)，以推動(dòng)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步。