1 前言 现在用户要求产品的性能完美和可靠,并要求一次制造合格,因此要求零件有更高的精 度、表面粗糙度与表面完整性和严格的制造一致性,并大量使用新型材料。正因如此,磨削始终是 精密和超精密加工的主要方法。随着ＣＢＮ磨料的使用和高效磨削技术的进步,以及磨削过程自动 化、数控化和智能化的发展,也使磨削占有越来越重要的地位。1994年美国磨床(包括抛光机 床)产量占金切机床的18%,超过了车床、铣床、钻镗床及齿轮机床的产量。通过ＥＭＯ’97 (1997年法国国际机床展览会)期间的调查,25%的企业认为磨削是最主要的加工方式,而 磨床在企业中占有的比例高达42%。2 精密磨削和磨粒加工技术的发展 用于超精密镜面磨 削的树脂结合剂金刚石砂轮,平均粒径可小至4μｍ。使用粒径20ｎｍ的微细磨粒磨片,磨出的 集成电路板沟槽边沿没有崩角现象。用8000#粒度铸铁结合剂金刚石砂轮精磨ＳｉＣ镜面,表 面粗糙度可达Ｒａ2～5ｎｍ。日本还利用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切割出大量等高性一 致的微小切刃,对硬脆材料进行精密加工,效果很好。对极细粒度的磨具而言,砂轮锋锐性的保持 是一个大问题。金属基微细超硬磨料砂轮在线电解修整(ＥＬＩＤ)技术,很好地解决了这一问题 。用6000#～8000#粒度的钢结合剂金刚石砂轮和ＥＬＩＤ技术精磨100ｍｍ(4英寸 )硅片,去除率为3～5μｍ/ｍｉｎ,平面度为λ/6。在控制力磨削的双端面精磨中,工件既 作公转又作自转。磨具的磨料粒度一般为3000#～8000#。在磨削过程中微滑擦、微耕犁 、微切削和材料微疲劳断裂同时起作用,使磨痕交叉而均匀,能获得和精密研磨相同的加工精度和 比研磨高得多的去除率,另外还有很高的平面度和两平面的平行度。目前它是磁盘基片等零件的主 要精加工方法。研磨与抛光是超精密加工的又一主要方式。磁流体研磨、动力悬浮研磨、磁力研磨 、软粒子研磨、机械化学抛光、摆动磨料流抛光等均是具体的形式。磁性磨料抛光(ＭＡＰ)用在 加工中心上抛光零件复杂形面,也用于修整超硬磨料砂轮。3 高效率磨削技术的发展 高效率 磨削有:增大磨屑平均断面积的重负荷荒磨和强力磨削;增大磨屑平均长度的沟槽深磨、切断磨削 和立轴平磨,增大单位时间内的作用磨粒数的高速磨削和宽砂轮、多砂轮磨削。其中重负荷荒磨、 超高速磨削和高效深磨技术的发展尤其引人注目。珩磨尺寸的在线检测和自动尺寸控制、动力进给 和超硬磨料油石的应用,使珩磨成为高效率的精加工工序。近来年,重负荷荒磨的砂轮速度普遍达 到80ｍ/ｓ,个别达到120ｍ/ｓ;磨削力一般为10000～12000Ｎ,个别达到30 000Ｎ;磨削功率一般为100～150ｋＷ,个别达到300ｋＷ;最高磨除率可达500ｋ ｇ/ｈ。随着机床自动化方面的进步,荒磨生产率也有了很大的提高。超高速磨削的砂轮圆周速度 在150ｍ/ｓ以上。它可以大幅度提高磨削效率,延长砂轮寿命和减小表面粗糙度值,并可对硬 脆材料实现延性域磨削,对高塑性和难磨材料,也有良好的磨削效果。在超高速外圆磨床上可从毛 坯直接磨成曲轴,磨除率达2ｋｇ/ｍｉｎ。在通常的磨削中磨削镍基合金磨除率低,进给速度不 超过1ｍ/ｍｉｎ。但在140ｍ/ｓ的砂轮圆周速度下,其磨削力随磨除率提高的幅度很小,进 给速度可达到60ｍ/ｍｉｎ,磨除率可提高至40ｍｍ3/ｍｉｎ。国外还开发了500ｍ/ｓ 的超高速砂轮。由于缓进给深磨增加了磨屑长度,从而可获得高的金属切除率,因此在沟槽磨削、 成形磨削和外圆磨削中都有应用。使用砂轮连续修整技术后,使缓进给深磨更臻完善。在ＣＢＮ砂 轮应用的基础上,集超高速、高进给速度(0.5～10ｍ/ｍｉｎ)和大切深(0.1～30ｍ ｍ)为一体的高效深磨技术成为又一个飞跃,是超高速磨削在高效磨削方面应用的典型。它可以获 得高于切削的磨除率。采用梳状ＣＢＮ砂轮和切入磨削方式,可一次磨除回转体零件的毛坯余量, 生产效率极高。4 磨削自动化、数控化和智能化 近年几乎所有种类的磨床都有ＣＮＣ产品, ＣＮＣ工具磨床已从3轴发展到10轴。可实现联机测量、自动交换砂轮和自动装卸工件的磨加工 中心的出现,标志ＣＮＣ磨削达到了一个新的水平。磨削数控系统的开发也有很大进展,许多专用 磨削数控软件和系统也已经商品化。连续轨迹数控技术的应用,使磨削技术有了很大发展。典型的 有成型曲面磨削、凸轮轴凸轮曲线磨削、曲轴轴颈磨削和复杂回转体的快速点磨法。在通常的曲轴 轴颈磨削中,工件绕轴颈中心回转,需要多次装卡且存在较大安装误差。在曲轴连续轨迹数控磨削 中,由Ｃ轴(工件)和Ｘ轴(砂轮横向位置)联动形成曲柄销轴颈表面。一次安装即可完成全部磨 削,工艺路线短,加工精度和生产效率高。高精度非球面镜的镜面磨削,也是连续轨迹数字控制磨 削的一个领域。80年代开发的应用小接触面积磨削和连续轨迹数控的快速点磨技术,在应用ＣＢ Ｎ砂轮和超高砂轮周速后,该技术又有了新的发展。利用两坐标联动可实现复杂回转体零件的表面 磨削,能在一次安装中加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽,比切入磨削有更大的柔性。 它的生产效率可提高6倍,可加工各种材料,砂轮寿命长,一次修整后可加工几万个零件,相当于 一台使用永久性超硬刀具的高精度数控车床。价格昂贵的超硬磨料砂轮的应用,要求有尽可能小的 消耗和非常仔细的修整,还要尽可能发挥超硬磨料砂轮的优越性。这推动了磨削加工智能化技术的 发展。它可以利用监测信息和磨削数据库,自适应优化磨削条件和判断工作状态。磨削过程的自动 控制和智能控制,需要有和机床控制系统相连的各种监控传感器。在适当安装位置和使用信号分析 仪后,声发射传感器可有效地监测磨削过程、修整过程和工件表面完整性。目前还使用旋转和环形 声发射传感器直接在内圆磨床和外圆磨床主轴上测取信号。磨削传感器的另一个新进展是多频率多 传感器的磨削烧伤、表面硬化和硬化深度在线检查系统的应用。随着磨削建模和模拟技术的发展, 人们可以在计算机上进行磨削工艺的仿真,进一步加深对磨削加工的认识。目前能使用所建立的砂 轮地貌模型,并根据磨削运动和几何参数、磨削力和磨削热、磨削振动和受力变形等情况,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。使用动态仿 真还能再现磨削过程,并能分析和预测磨床性能和磨削效果。虚拟磨床技术是依靠建模与模拟技术 来仿真磨削过程,其三维动态模型随虚拟环境而变化,最终建立一个逼真的、可交互的虚拟磨削环 境,用于评估以及预测磨削加工过程。另外,在对硬脆材料磨削机理的认识、对超声复合硬脆材料 磨削、对利用干磨削的热量同时进行工件材料的热处理以及不使用磨削液进行无污染磨削等方面, 也都有很大的发展和进步。磨削技术现状与新进展$东北大学@蔡光起磨削和磨粒加工;;
精密磨削;;高效率磨削;;磨削自动化磨削在现代制造业中占有重要的地位,技术发展迅速。文章概述了精密磨削技术、高效率磨削技术以及磨削自动化技术的发展。1 蔡光起 超高速切削和磨削 机械工程科学技术前沿 北京 :机械工业出版社 ,1996
2 RoweW .B .etc.Applicationsofartificialintelligenceingrinding.An nalsoftheCIRP ,1994,43(2 )永久性超硬刀具的高精度数控车床。价格昂贵的超硬磨料砂轮的应用,要求有尽可能小的消耗和非 常仔细的修整,还要尽可能发挥超硬磨料砂轮的优越性。这推动了磨削加工智能化技术的发展。它 可以利用监测信息和磨削数据库,自适应优化磨削条件和判断工作状态。磨削过程的自动控制和智 能控制,需要有和机床控制系统相连的各种监控传感器。在适当安装位置和使用信号分析仪后,声 发射传感器可有效地监测磨削过程、修整过程和工件表面完整性。目前还使用旋转和环形声发射传 感器直接在内圆磨床和外圆磨床主轴上测取信号。磨削传感器的另一个新进展是多频率多传感器的 磨削烧伤、表面硬化和硬化深度在线检查系统的应用。随着磨削建模和模拟技术的发展,人们可以 在计算机上进行磨削工艺的仿真,进一步加深对磨削加工的认识。目前能使用所建立的砂轮地貌模 型,并根据磨削运动和几何参数、磨削力和磨削热、磨削振动和受力变形等情况,对磨屑形成过程 、能量转换、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真。使用动态仿真还能再 现磨削过程,并能分析和预测磨床性能和磨削效果。虚拟磨床技术是依靠建模与模拟技术来仿真磨 削过程,其三维动态模型随虚拟环境而变化,最终建立一个逼真的、可交互的虚拟磨削环境,用于 评估以及预测磨削加工过程。另外,在对硬脆材料磨削机理的认识、对超声复合硬脆材料磨削、对 利用干磨削的热量同时进行工件材料的热处理以及不使用磨削液进行无污染磨削等方面,也都有很 大的发展和进步。磨削技术现状与新进展$东北大学@蔡光起磨削和磨粒加工;;精密磨削;;高 效率磨削;;磨削自动化磨削在现代制造业中占有重要的地位,技术发展迅速。文章概述了精密磨削技术、高效率磨削技术以及磨削自动化技术的发展。1 蔡光起 超高速切削和磨削 机械工程科学技术前沿 北京 :机械工业出版社 ,1996
2 RoweW .B .etc.Applicationsofartificialintelligenceingrinding.An nalsoftheCIRP ,1994,43(2 )
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