磨削加工技術的發(fā)展趨勢
發(fā)布時間：
2013-08-12 14:04
磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工藝方法，一般來講，按照砂輪線速度ν的高低將其進行分類，把砂輪速度低于45 m/s的磨削稱為普通磨削，把砂輪速度高于45 m/s的磨削稱為高速磨削，把砂輪速度高于150 m/s的磨削稱為超高速磨削。
磨削與車、銑削在常規(guī)加工材料上競爭可能難分高下，但對于陶瓷、復合材料、超耐高溫合金等新一代材料就只能用磨削加工了。盡管硬車削已經(jīng)替代了很多磨削加工，但由于粘結技術的進步、高級磨料的應用，磨削依然保持強勢。作為先進制造技術中的重要領域，磨削加工技術已在機械、國防、航空航天、微加工、芯片制造等眾多領域得到廣泛應用。磨削加工的發(fā)展趨勢正朝著采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工藝及柔性復合磨削、綠色生態(tài)磨削方向發(fā)展。
一、精密及超精密磨削
采用超硬磨料磨具進行精密及超精密磨削是磨削技術發(fā)展的主要方向。由于精密、超精密磨削加工材料去除率較低，因此能夠獲得高精度和高表面質量的加工表面。當前精密磨削是指被加工零件的加工精度在1~0.1μm、加工表面粗糙度為Ra0.04~0.016μm;超精密磨削一般是指加工精度達到或高于0.1μm、加工表面粗糙度值不大于Ra0.01μm，目前，超精密加工技術正從微米、亞微米級向納米級發(fā)展。
1. 精密及超精密磨削機理
精密磨削一般使用金剛石和立方氮化硼等高硬度磨料砂輪，主要用金剛石修整刀具以極小而又均勻的微進給(10~15 mm/min)對砂輪進行精細修整，以獲得眾多的等高微刃，加工表面的磨痕較細，加工過程中，由于微切削、滑移、摩擦等綜合作用，加工工件達到了小的表面粗糙度值和高的精度要求。超精密磨削則采用較小的修整導程和較小的背吃刀量修整砂輪，靠超細微磨粒等高微刃的磨削作用進行磨削加工。精密與超精密磨削的機理與普通磨削有些許不同之處：
(1)超微量切除;
(2)微刃的等高切削作用;
(3)單顆粘磨削加工過程;
(4)連續(xù)磨削加工過程。
2.未來的研究方向
精密和超精密磨削技術雖然在各個方面已取得了優(yōu)異的成績，已成為先進制造技術中重要的組成部分，但是隨著科技的進步，在一定程度上仍然不能滿足社會的需求。因此，我們仍需在以下幾個方面做進一步的研究：
(1)超精密磨削理論及加工工藝，重點放在磨粒的切削過程以及影響加工精度和加工表面完整性的因素，并研究相應的最有效的解決辦法;
(2)開發(fā)高精度、高性能、高自動化的磨床及測量裝置;
(3)進一步開發(fā)新型材料，以滿足精密及超精密加工的要求并能獲得更高的加工精度。如超微粉燒結金屬、超微粉陶瓷、非結晶半導體陶瓷、新型高分子材料等。
二、高效磨削技術
高效磨削是一種先進的制造技術，在其不斷的發(fā)展中達到了一個嶄新的水平。所謂高效磨削，是指加大磨削負荷或提高砂輪線速度，增加單位時間金屬比切除率和單位時間的金屬去除量，以達到和車削、銑削那樣高的金屬切除率，或者甚至更高。高效磨削主要包括高速磨削、緩進給磨削、高效深磨和砂帶磨削，現(xiàn)已成為磨削加工技術發(fā)展的總體趨勢。高效磨削技術的大力推廣可有效地提高磨削效率、如工質量、砂輪耐用度，并降低生產(chǎn)成本。
1.高速磨削
高速磨削是相對于普通磨削而言的，一般指砂輪線速度高于45 m/s的磨削技術?，F(xiàn)在國內外對于高速磨削砂輪的線速度一般采用50~80 m/s，工件進給速度在1 000~10 000 m/min。高速磨削工藝一般不適用于加工大平面或圓柱形表面的精加工，主要用于溝槽和缺口件磨削及切入磨削。高速磨削過程本質的特點是：隨著砂輪速度提高，單位時間內通過磨削區(qū)的磨粒數(shù)量增多，每顆磨粒切下的切屑厚度減小，切削力大幅度地減小。實踐表明，采用高速磨削有以下優(yōu)點：
(1)由于砂輪速度增大，一定體積的工件有更多的切削刃來切削，所以磨粒的未變形切削厚度減小，磨削力減小;
(2)高速磨削時，由于磨粒的未變形切削厚度減小，因而磨粒不容易破碎和脫落，從而砂輪的磨損減小;
(3)在磨粒最大未變形切削厚度不變的情況下，可加大磨削深度或工件速度，因而可以有效地提高磨削效率;
(4)切削變形程度小，每顆磨粒切削后的殘留切痕深度減小，可改善表面粗糙度及減小尺寸、形狀誤差。
2.緩進給磨削
緩進給磨削是繼高速磨削之后發(fā)展起來的一種高效加工方法，對成型表面的加工有顯著的成效。緩進給磨削是強力磨削的一種，又稱深切緩進給磨削或蠕動磨削。緩進給磨削與普通磨削的不同在于采用增大磨削深度、降低磨削速度、砂輪與工件有較大的接觸面積和高的速度比，達到很高的金屬切除率。磨削工件時，只需經(jīng)過一次或數(shù)次行程即可磨到所需的形狀和尺寸精度。由于砂輪的磨削深度大，致使砂輪與工件的接觸面積加大，有效抑制了磨削時振動的產(chǎn)生，磨削出的工件表面質量優(yōu)于普通的磨削加工方法。
3.高效深磨
高效深磨這一概念首次是由德國Bremen大學的Werner教授于1980年創(chuàng)立的，目前歐洲企業(yè)在高效深磨技術應用方面居領先地位。高效深切磨削是在高速磨削與緩進給磨削的基礎上形成的磨削工藝，是現(xiàn)代磨削技術的高峰，它是以加大磨削深度、提高砂輪速度及工件進給速度，從而獲得高的磨除率以及高的磨削精度的磨削工藝。高效深磨的砂輪速度在100~250 m/s，工件進給速度在0.5~10 m/min，磨削深度在0.1~ 30 mm。高效深磨與普通磨削的不同在于，高效深磨可以通過一個磨削行程完成以前多道工序才能完成的粗、精加工，獲得高于普通磨削100~1 000倍的金屬去除率，并能獲得類似于普通磨削的加工表面質量。
高效深切磨削具有加工時間短(約為0.1~10s)、磨削力大、磨削速度高等特點，除了具備超高速磨削的技術外，還要求機床具有高的剛度。
4.砂帶磨削
砂帶磨削幾乎能加工所有的工程材料，從一般的家庭生活到工業(yè)生產(chǎn)的各個領域無所不用。砂帶磨削作為一種有著“萬能磨削”和“冷態(tài)磨削”之稱的新型磨削工藝，已經(jīng)被當做與砂輪磨削同等重要的不可缺少的加工方法，在世界制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，并有著廣泛的應用及發(fā)展前景。
砂帶磨削是以砂帶為磨具并輔之以接觸輪(或亞磨板)、張緊輪、驅動輪等磨頭主體以及張緊快換機構、調偏機構等功能部件共同完成對工件的加工過程。具體來講就是砂帶套在驅動輪、張緊輪的外表面上，并使砂帶張緊和高速運行，以產(chǎn)生的相對摩擦運動，對工件表面進行磨削加工的一種磨削加工方法。砂帶磨削是綜合了磨削、研磨、拋光多種作用的復合加工工藝，其磨削效率和精度都非常高，且磨削速度相對穩(wěn)定。同時，砂帶磨削成本低，安全可靠，易于操作，并有著廣闊的工藝靈活性和適應性。如今，砂帶磨削正朝著強力、高速、高效和精密方向發(fā)展。在加工工藝方面，與特種加工相結合的復合加工方法是砂帶磨削很有前途的發(fā)展方向之一。
三、綠色磨削
綠色磨削是一種綜合考慮資源優(yōu)化利用和環(huán)境影響最小的磨削加工系統(tǒng)。實現(xiàn)綠色磨削是國家綠色制造目標與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，也是21世紀國際制造業(yè)發(fā)展的趨勢。作為先進磨削技術，綠色磨削要在發(fā)展新型磨削技術的基礎上，融合綠色生產(chǎn)技術、信息技術和現(xiàn)代管理技術的成果，并將其綜合應用于磨削工藝設計、實施、管理等全過程，以實現(xiàn)清潔、低耗、高效、優(yōu)質加工，提高磨削工藝的先進性和綠色性。目前，具有較高綠色性能的少磨削液磨削、干式半干式磨削、快速點磨削、冷風磨削、液氮冷卻磨削等等先進磨削技術相繼得到世界各國的重視并開展了深入的研究。
四、超高速磨削技術
砂輪線速高于45m/s的磨削技術稱為高速磨削。早在20世紀60年代，砂輪的線速度Vs已提高到了60m/s，70年代又提高到80m/s，但其后的十幾年由于受到砂輪回轉破裂速度的制約和工件燒傷問題的困擾，砂輪線速度始終沒有大的提高。直到80年代后期，隨著立方氮化硼砂輪的更廣泛的應用，并對磨削機理進行了更加深入的研究，發(fā)現(xiàn)在高磨除率的情況下，隨著砂輪線速度VS的增大，磨削力在Vs=100m/s前后的某個區(qū)域出現(xiàn)陡降，這一趨勢隨著磨除率的進一步增大還將繼續(xù)，工件表面溫度也隨之出現(xiàn)回落。這也就是說明，在越過產(chǎn)生熱損傷的磨削用量區(qū)之后，磨削用量的進一步增大，不僅不會使熱損傷加劇，反而使熱損傷不再發(fā)生，從而為發(fā)展高速磨削奠定了理論基礎。超高速磨削雖未規(guī)定嚴格的界限，但通常把砂輪線速度高于150 m/s的磨削稱為超高速磨削。超高速磨削既能獲得高效率，又能達到高精度，能對各種材料和形狀的工件進行高效率精密加工，堪稱先進制造學科的前沿技術。
1. 超高速磨削機理
在超高速磨削加工過程中，許多現(xiàn)象可通過最大磨屑厚度這一參數(shù)來解釋。在保持其他參數(shù)不變的條件下，隨著Vs的大幅度提高，在單位時間內參與切削的磨粒數(shù)增多，導致每個磨粒切下的最大磨屑厚度變小，磨屑變得非常細薄，即超高速磨削是每顆磨粒的切削厚度變薄。實驗表明，其截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一，使得每顆磨粒承受的磨削力大大變小，總的磨削力也大大減小。超高速磨削時，由于磨削速度極高，單個磨屑的形成過程極短。若通過調整參數(shù)使磨屑厚度保持不變，由于單位時間內參與切削的磨粒數(shù)增加，磨除的磨屑增多，磨削效率會大大提高。在極短的時間內完成的磨屑的高應變率(可近似認為等于磨削速度)形成過程與普通磨削有很大差別，主要表現(xiàn)為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側因塑牲流動而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表層硬化及殘余應力減小。由于超高速磨削時磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進給速度大大加快，加上應變率響應的溫度滯后，導致磨削表面磨削溫度降低，因此能越過容易發(fā)生磨削燒傷的區(qū)域。
2. 超高速磨削特點
超高速磨削與普通磨削相比，具有以下顯著的優(yōu)勢：
(1)磨削效率高。超高速磨削時，單位時間內通過磨削區(qū)的磨粒數(shù)增多，如保持每顆磨粒的切深與普通磨削一樣，其切入進給量可以大大增加，金屬去除率得到提高，磨削效率大幅度提高。其材料去除率可與切削、銑削相比，為此，磨削加工既可以作為精加工也可以作為粗加工，可以大大減少機床種類，簡化工藝流程。
(2)加工精度高。在進給量不變的條件下，超高速磨削的磨屑厚度更薄，在磨削效率不變時，法向磨削力隨磨削速度的增大而大幅度減小，繼而減小磨削過程中的變形，提高工件的加工精度。
(3)可以得到高質量、小粗糙度值的工件表面。
在材料磨除率不變的條件下，提高磨削速度可以減小單顆磨粒的切削厚度，使磨削劃痕變淺，表面塑性隆起高度減小，同時由于應變率響應的溫度滯后影響，使殘留在工件表面上的應力減小，因而能明顯減小磨削表面粗糙度值，在加工低剛度工件時，易于保證加工精度。
(4)砂輪耐用度大幅提高，有利于實現(xiàn)磨削加工自動化。超高速磨削時，單顆磨粒的切削力較小，使每顆磨粒的可切削時間相對延長。在磨削力不變的條件下，以磨削速度200 m/s磨削時，砂輪壽命比以80 m/s磨削時提高一倍，而在磨削效率不變條件下，砂輪壽命可提高7.8倍。砂輪壽命與磨削速度成對數(shù)關系增長，使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時，磨削速度由30 m/s提高到160 m/s，砂輪磨削比由900提高到5 100，有利于實現(xiàn)自動化磨削。
(5)可磨削難加工材料。超高速磨削可實現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削，使陶瓷材料的磨削加工成為了現(xiàn)實，并且能夠獲得極好的磨削表面質量和極高的磨削效率：例如，在采用金剛石砂輪以Vs=160 m/s的速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比Vs=80 m/s時提高一倍。同時，超高速磨削對高塑性和難磨材料也能獲得良好的磨削效果。如鎳基耐熱合金、鈦合金、鋁及鋁合金在超高速磨削條件下，由于磨屑形成時間短，塑性變形較小，因而使這種材料的加工變得容易得多。
(6)擁有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。超高速磨削加工極大地縮短了加工時間，提高了勞動生產(chǎn)率，同時減少了能源的消耗和噪聲的污染。在超高速磨削加工中，由于砂輪的使用壽命延長，降低了加工成本，又由于超高速磨削中大部分熱量被磨屑帶走，加工表面溫度較低，減小了冷卻液的需求量，污染也相應減小。
五、結語
高速磨削能大幅提高生產(chǎn)效率和加工質量，對難磨材料的加工也實現(xiàn)了突破性的進展。高速磨削技術正為世界工業(yè)發(fā)達國家所重視，并已開始進入實用化階段。我國在高速磨削技術研究利用方面和國外相比有較大差距，大力加強高速磨削技術的研究、推廣和應用，對提高我國機械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開發(fā)具有十分重要的意義。
高速磨削技術雖然已經(jīng)取得了可喜的成果，但其前景更為廣闊。欲將磨削速度進一步提高，主要從以下幾方面繼續(xù)進行研究：(1)進一步開發(fā)計算機磨削仿真技術，試圖運用分子動力學解釋磨屑去除原理，對超高速磨削機理進行深入研究;(2)發(fā)展大功率的高速主軸;(3)開發(fā)適合超高速磨削的新型砂輪;(4)優(yōu)化冷卻潤滑系統(tǒng);(5)大力開發(fā)數(shù)控化、智能化磨床;(6)高速磨削向超音速邁進。
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