磨削加工的发展趋势论文

磨削加工的发展趋势

王哲

（北京石油化工学院机械工程学院，机G111班）

摘要多年以来随着我国制造业技术水平的不断发展进步，机械制造业有了长足的发展，磨削加工作为机械制造业金属切削加工方法中的一种，有着不可替代的位置及十分重要的作用，相对于早期的磨削加工技术，今天的金属磨削加工技术有了很大的变化，无论是从材料性质，刀具材料以及磨削加工技术等都有了很大的发展变化，本文主要就磨床磨削加工及发展趋势做简单的介绍。

关键词超高速磨削相关技术；数控磨床；精密磨削；刀具材料

1引言

对于目前机械加工领域磨削加工技术发生的变化，磨削加工技术的发展变化，本文作了简要的论述，磨削加工技术的主要发展方向是自动化、集成化、高速化、精密化等方向发展，分别对应的数控磨床、超高速磨削技术、精密磨削技术，此外刀具材料也发生了很大的变化，向能够耐高温、可用于高速加工等。本文主要引用近几年发表的文献，对于研究磨削加工技术发展有一定的帮助，本文就几个磨削加工的主要发展方向作简要的论述。

在机械制造中，有许多金属加工方法，例如切削加工、电加工、冷冲压、铸造、锻造、焊接、粉末冶金、化学加工和特种加工等。金属切削加工时利用切削刀具在工件上切除多余的金属层，从而获得具有一定的尺寸、形状、位置和表面质量的机器零件的一种加工方法。他已被广泛应用于生产实践中。金属切削机床是用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机床。在各类机械制造部门所拥有的装备中，机床占百分之五十以上，所负担的工作量占总加工量的一半以上，机床的技术水平高低直接影响机械产品的质量和零件制造的经济性。

我们对于磨削技术发展应该有一个简单的了解，一般来讲，按砂轮线速度的高低将磨削分为普通磨削和高速磨削以及超高速磨削。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削。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、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。[2]高速高效磨、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，如德国的Aachen大学、美国Connecticut大学等，有的在实验室完成了V为250m/s、350m/s、400m/s 的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工业中应用。在我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验，前几年某大学也计划开展250m/s的磨削研究。在实际应用中，砂轮线速度，一般还是45m/s-60m/s。[2]对于磨削加工是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的切削工具，磨削是由砂轮表面大量随机分布的磨粒在工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用的综合结果。磨削的基本特点如下：

（1）磨削的切削速度高，导致磨削温度高。普通外圆磨削时V=35m/s，高速磨削V＞50m/s。磨削产生的切削热80%～90%传入工件(10%～15%传入砂轮，1%～10%由磨屑带走)，加上砂轮的导热性很差，易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。

（2）能获得高的加工精度和小的表面粗糙度值。加工精度可达IT6-IT4，表面粗糙度值可达Ra0.8-0.02μm。磨削不但可以精加工，还可以粗磨、荒磨、重载荷磨削。

（3）磨削的背向磨削力大。因磨粒负前角很大，且切削刃钝圆半径较大，导致背向磨削力大于切向磨削力，造成砂轮与工件的接触宽度较大。会引起工件、夹具及机床产生弹性变形，影响加工精度。因此，在加工刚性较差的工件时(如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。

（4）砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨粒有破碎产生较锋利的新棱角，及磨粒的脱落而露出一层新的锋利磨粒，能够部分地恢复砂轮的切削能力，这种现象叫做砂轮的自锐作用，有利于磨削加工。

（5）能加工高硬度材料。磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性较大的有色金属工件。[1]

磨削加工与其他切削加工方式相比，还具有以下特点：

（1）磨削速度很高，每秒可达30m～50m磨削温度较高，可达1000～1500度。磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右。

（2）磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。

（3）磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如瓷件、硬质合金等。

（4）磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。

（5）当磨削加工时，从砂轮上飞出大量细的磨屑，而从工件上飞溅出大量的金属屑。磨屑和金属屑都会使操作者的眼部遭受危害，尘未吸入肺部也会对身体有害。

（6）由于砂轮质量不良、保管不善、规格型号选择不当、安装出现偏心，或给进速度过大等原因，磨削时可能造成砂轮的碎裂，从而导致工人遭受严重的伤害。

（7）在靠近转动的砂轮进行手工操作时，如磨工具、清洁工件或砂轮修正方法不正确时，工人的手可能碰到砂轮或磨床的其他运动部件而受到伤害。

（8）磨削加工时产生的噪音最高可达110dB以上，如不采取降低噪声措施，也会影响健康。

2超高速磨削

超高速加工的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon曲线，创造性地预言了超越Talor切削方程式的非切削工作区域的存

在，提出如能够大幅度提高切削速度，就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削，超高速磨削既能获得高效率，又能达到高精度，能对各种材料和形状进行高效率精密加工。因此，使用超硬磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，是先进制造学科的前沿技术。[1]

2.1超高速磨削砂轮技术

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。[1]

超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料。粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀三种，其中以单层电镀用的最多。这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用。近几年，美国诺顿（Norton）公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70～80%，结合剂抗拉强度超过了1533N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。[1]

日本Noritake公司推出一种被称为CFRP的碳纤维复合树脂基体材料，其比弹性是钢的2.1倍，密度和热膨胀系数分别是钢的1/5 和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮已较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果也很好。[1]

高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀 CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2（电镀镍基结合剂为345～449N/mm2）。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。[3]

2.2快速点磨削技术