精密磨削和超精密磨削

随着技术创新与高科技产品的不断涌现，零件的加工精度和表面完整性要求愈来愈高。例如，广泛用于液压随动系统中精密偶件的阀芯与阀套的配合精度常要求达到μm级，录像头、影碟机等精密零件的加工精度已提高到0.1μm，激光陀螺平面反射镜的平面 度误差要求小于0.05μm、Ra＜0.001μm。目前作为传统精密加工方法的磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和抛光等方向发展。精密和超精密磨削的关键是最后一道工序，要从工件表面降去一层小于或等于工件最后精度等级的表面层。因此，要实现精密或超精密磨削，首先要减少磨粒单刃切除量，而使用微细或超微细微粉的磨粒是减少单刃切除量的最有效途径。日本镜面磨削时使用的磨具粒度为4000~8000#，其微粉的平均尺寸为1.5μm~4μm，加工后工件表面粗糙度可达Ra0.003μm~0.005μm。使用粒径为20nm的SiO2超微细微粉及锡抛光盘对蓝宝石单晶进行无损超精密研磨的抛光，可获得Ra＜1nm的表面。目前精密量块、光学平晶、集成电路的硅基片等精密零件都是采用上述方法来获得高质量的表面。为使研磨压力均匀可控，近几年来还开发了磁力研磨，磁流体超精研磨及弹性发射加工（EEM）等新技术。

实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制高速高精度的磨床主轴、导轨与微进给机构，精密的磨具及其平衡与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。我国郑州磨产磨具磨削研究所开发的喷涂陶瓷精密磨削工艺，其尺寸精度和加工表面粗糙度均与国外水平相当，磨削效率高于国外一倍左右。该工艺在张家口石油机械厂、武汉青山热电厂等单位使用后，取得了显著的经济效益。

二、开发了SG和ABN800等磨料新品种

SG磨料是美国Norton公司首先推出的。它是由亚微米级的Al2O3晶体，采用溶胶凝胶（Sol-gel）工艺合成并经烧结制成的新型陶瓷刚玉磨料。与普通电熔刚玉磨料相比，不但硬度高，而且因磨粒是微晶结构，它有很多晶解面，在外力作用下或在修锐和修整中仅微晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好，且剥落较少，用其制作的磨具具有耐磨性好、磨削热少，使用寿命长、磨削比（磨除材料体积与磨具消耗体积之比）大、切除率高和磨削质量好等优点，现已广泛用于航空航天、汽车、轴承、工模具、仪器仪表等领域的精磨与成形磨削等方面的加工。目前常用的是SG与WA（白刚玉）或A（棕刚玉）的混合磨料，其中SG所占比例有100%、50%、30%、20%、10%等多种，分别用SG、SG5、SG3、SG2、SG1来表示。国外一些性能优异的磨具制品，如德国Hermes磨料公司的CB宝石蓝砂轮、奥地利Tyrolit公司开发的CSS砂轮、美国Cincinnati Milacron公司生产的MSB砂轮、日本Noritake株式会社推出的新型CX陶瓷砂轮，都是类似SG磨料的微晶烧结刚玉的产品。

在激烈的市场竞争中，近年来美国Norton公司又推出了SG磨料的第二代产品——TG（Targa）磨料。它保留了SG的优点，在磨料形状上作了新的突破，很有细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工铬镍铁合金、高温合金等难加工材料。据称，TG磨料的材料切除率为刚玉的2倍，寿命为刚玉的7倍。

SG磨料的磨削性能介于刚玉与CBN（立方氮化硼）之间，价格适中，是一种很有应用前景的磨料新品种。新型SG磨料我国亦已开发成功，第七砂轮集团公司已在进行该磨料的工业性应用。

ABN800和ABN600是De Beers公司开发的CBN磨料新品种。其磨粒均是微晶结构，具有较高的抗压强度和热稳定性。其中ABN800有更独特的晶体特性，磨料在受力破碎时无论大小都具有尖角，使其在使用过程中能始终保持锋利的磨削性能，因而磨削时产生的磨削力小，功率消耗少，加工质量好，使用寿命长。近几年来在国际展览会上，国外展出的一些CBN磨具大多是ABN800和ABN600的微晶CBN磨料制品。

三、高效率磨削

高简编和高精度是现代制造技术追求的两大目标。大家知道，磨削虽然在达到的加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料切除率Q（单位时产内磨除材料的体积，mm3/s）难以与其他切削抗衡。这是因为Q等于磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内的作用磨粒数（磨屑数）三者的乘积。所以，为了提高磨削效率，必须采用增大单位时间内作用的磨粒数（如高速磨削、超高速磨削、砂带磨削等）、增大磨屑平均断面积（如各种重磨削）及增大磨屑平均长度（如缓进给深磨、立轴平磨）等许多高效率磨削技术。其中重负荷荒磨、超高速磨削、砂带磨削和高效深磨技术的发展尤为引人注目。

重磨削的发展，使磨削不仅适用于精密加工和超精密加工，而且也适用于粗加工与荒加工。

高速磨削是指磨削速度vc为50m/s~150m/s的磨削，而vc＞150m/s的磨削称为超高速磨削。近年来研究表明，超高速磨削不但可大幅度提高工效、延长磨具寿命用降低表面粗糙度，而且可对硬脆材料实现延性磨削，对高塑性材料和难磨材料也有良好的磨削效果。过去由于受磨具回转破裂速度的限制，以及磨削温度高和工件表面烧伤的制约，磨削速度长期停滞在80m/s左右。随着CBN磨料的使用和高速磨削机理研究的深入，现在工业上实用的磨削速度已达到了150m/s~250m/s，实验室中达到500m/s。超高速磨削需要有超高速磨削磨具、超高速磨床、磨削液及其供液过滤系统以及对磨削过程监控等相关技术作支撑。在IMTS98，Toyota Machinery USA展出的高速磨床，磨50HRC淬硬钢的传动轴，砂轮线速度达120m/s；展出的凸轮磨床，砂轮线速度为200m/s。我国在国家自然科学基金资助下，已建造了200m/s的超高速磨削试验台，并开展了对超高速磨削机理的系统研究。

砂带磨削的加工效率比普通磨削高5~10倍以上。由于它属于弹性磨削，有利于解决磨削烧伤和工作变形等问题。所以，工业发达国家的砂带磨削已占总磨削量的一半左右。近几年来国外的砂带已用Cubitron（美国3M公司）和SG磨料取代普通刚玉磨料，同时由于采用新基体、新结合剂而使砂带寿命延长。

缓进给深磨是一种大切深和缓进给的高效磨削技术，它不但工效高，而且磨削精度高和加工表面质量好。特别是近几年来出现的一种集超高速（150m/s~250m/s）、大切深（0.1mm~30mm）、快进给（0.5m/min~10m/min）于一体的高效深磨HEDG（High Efficiency Deep Grinding）新技术，它结合CBN砂轮与CNC技术，可使单位宽度砂轮上的材料磨除率高达2000mm3/mm·s~3000mm3/mm·s。用此法磨削成形表面和沟槽零件（如转子槽、钻头上螺旋槽）时，可获得远高于切削加工的材料切除率。我国东北大学已制造出了大功率超高效深磨磨床，砂轮电动机功率为55kW，磨削速度为250m/s。

四、超硬磨料磨削技术的新发展

由金刚石或CBN磨料制作的磨具称为超硬磨料磨具。由于其优良的磨削性能，现已广泛用于磨削技术各个方面，并成为超精密磨削、高效率磨削、难加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自动化和无人化等技术进步的基础。

金刚石和CBN磨料由于它们在加工材料适应方面的互补性，使由它们所构成的磨具可加工范围大为扩展，覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料的几乎全部被加工材料。

金刚石磨具是磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷和形容词石等硬脆材料的最佳磨具，但因其在700℃~800℃时容易碳化，所以它不适于磨削钢铁材料及超高速磨削。CBN磨料的出现导致磨削技术的革命，它能承受1300℃~1400℃的高温，对铁族元素化学惰性大，导热性好，磨钢料时的切除率高，磨削比大，磨具寿命长，是磨削淬硬钢、高速钢、高强度钢、不锈钢和耐热合金等高硬度韧性大的金属的最佳磨料。此外，CBN磨具还适用于超高速磨削，金属基体CBN磨具线速度超过250m/s也会不破碎。

CBN磨具的广泛使用主要是近几年各种高效高性能CNC磨床问世，以及磨具制造技术的进步，开发出了性能优异的单层电镀和高温钎焊等新磨具，促使了磨削技术的发展，其中尤以高效点磨削新工艺更受人们的青睐。

点磨削（Quickpoint Grinding）是由德国Junker公司首先推出的。它是利用钎焊CBN薄砂轮（宽度只有几mm）和超高砂轮线速度（120m/s~180m/s，高的可达200m/s~250m/s）来实现的。加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形成一定倾斜角，以使砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触。这样可大大减少磨削接触区面积，而极高的磨削速度既可使磨屑变薄、磨粒负荷减轻，又可使热量来不及传到工件和砂轮上，几乎都被磨屑所带走，提高工件加工精度和表面质量。使用表明，点磨削的磨削比大，砂轮寿命长，修整频率低，材料切除率高，同时由于它采用和NC车床一样的两坐标联动来实现复杂回转体零件的表面磨削，一次安装能加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形，比切入磨削有更大柔性，同时冷却效果极佳，磨削温度低，甚至可以真正实现干磨削，目前该工艺已在我国上海大众汽车有限公司桑塔纳轿车生产线上使用，取得了显著的经济效益。

五、磨削技术发展方向

磨削当前除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，自动化也是磨削技术发展的重要方向之一。目前磨削自动化在CNC技术日趋成熟和普及基础上，正在进一步向数控化和智能化方向发展，许多专用磨削NC软件和系统已经商品化。磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具和磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，并已达到实用水平。

我国在磨削过程建模与模拟，声发射过程监测与识别，工件表面烧伤及残余应力预报，磨削加工误差在线检测、评价与补偿等方面都有许多成果，并已开发出了新型并联磨削机器人。

我国人造磨料生产虽然起步较晚，但发展很快，在世界上已有相当的份额。

必须指出，近几年来国外磨削技术发展迅速，例如对硬脆材料磨削机理及工艺的研究，利用干磨削热量同时进行工件热处理，以及不使用磨削液的无污染磨削等方面，我国均有一定差距。为此，我们一方面要积极开展引进国外先进磨削技术的研究工作；同时在国内应结合生产，系统地开展和推广各种先进与实用的磨削技术。只有这样，才能使我国的磨削技尽快赶上国外先进水平，并能做到有所发展与创新。