磨削技术的历史、现状和展望

欧洲 高速 超 高速 磨 削技 术 的发展 起 步 比较 早 ， 最初 在２ 世纪 ６ 年 代末 期 就开 始进 行 高速 超 高速 磨 ０ ０ 削 的基础 研 究 ， 当时 实验 室 的 磨削 速度 就 已经达 到
２ ０ ２ ０ ／ 。７ 年 代 ，超 高速 磨 削开 始采 用Ｃ Ｎ １ ～ ３ ｍ Ｓ ０ Ｂ 砂 轮 。 ｌ ８ 年 德 国Ｂ ｅ ｅ 大 学 出 资 由 德 国 Ｇ ｈ ｉ ｇ ９３ ｒｍ ｎ ｕ ｒ ｎ
是否不 同？不 同之处在 哪里 ？原 因何在？
李长河教 授 ：我 国和世 界各 国磨 削加工的发展重 点基本相 同，但在高速／ 高效磨削加工方面世界各国略
有不 同。
小切 削工具 。磨 削过程就 是 由这些成千 上万个磨粒 微
小切 刃 共 同连 续 完 成 的 。
Ｍ Ｍ ：磨削加工 的发展 方向？为什么确 ＴＴ 立这样 的方向？
李长 河教授 ：磨削技术 的历史非 常悠久 。人类 的祖 先最早用砂岩磨砺 燧 石工具 ，还用磨料将石 头磨 成饮食工具 。用于建造埃及金字塔 的巨大石 块也是用 原始 的磨料 工具切割而成，并用 砂岩磨 光他们 的表面 。
金 属 磨 削 始 于 公 元 前 ２ ０ 年 的 古 埃 及 ， 主 要 用 于 磨 锐 工 具 和 光 整 饰 ００
高效磨 削工艺及装 备 的关键 实现技术和基 础理论 ，石
‘ ｌ ‘ 等等 十
率 。美 国Ｃ ｎ ｅ ｔ ｃ ｔ ｏ ｎ ｃ ｉｕ 大学磨削研究与发展 中心 的无心 外 圆磨床 ，最 高磨削速度 ２ ０ ｍ ｓ ０ ０ ５ ／ 。２ ０ 年美 国马萨诸 塞州立大学 的Ｓ Ｍ ｌ ｉ 等人， 以１ ９ ｍ ｓ ．ａ ｋ ｎ ４ ／ 的砂轮速度 ， 使用 电镀金 刚石砂轮通 过磨 削氮化硅 ，研究砂轮 的地
１０ ｍ ｓ ８ ／ 的样 机 。德 国Ａ ｃ ｅ 大 学 、Ｂ ｅ ｅ 大 学 在 高 效 ａｈｎ ｒｍ ｎ
速和超 高速及 宽砂轮磨削 来增加单位 时间作用 的磨粒
数 ； （ ）采用 深切磨 削以增大磨屑长度 ； （ ）采用 ２ ３ 重 负荷等 强力磨削方式 以增大磨 屑平 均断面积 。单独
或 综 合 采 用 这 些 方 法 从 而 使 单 位 材 料 去 除 率 较 普 通 磨
削 有较大提 高的工艺技 术均为高 效率磨削加工 技术 。 其 中高速 与超 高速磨 削、高效深 切磨削 、快速 点磨削
的 发展 最 为 引人 注 目。
深磨的研 究方 面取得 了世 界公认 的高水平成果 ，其方 法是用高线速 度 、深切 入、快进给进 行磨削 ，可得到 高效率 、高质 量 的磨削效 果。据Ａ ｃ ｅ 工业大 学实验 ａｈ ｎ
室的Ｋ ｅｎ 和Ｆ ｒ ｅ ａ ｎ ｏ ｉ ｇ ｅ ｌｍ ｎ 宣称 ，该实验室 已经采用 了圆
周速度 达到５ ０ｍ ｓ Ｏ ／ 的超高速砂轮 ，这一速度 已突破 了 当前机床与砂 轮的工作极 限。 １ ９ 年美 国的Ｅ ｇ ｔ ｋ ａ ｈ ｎ 公 司首次推 出的 ９３ ｄ ｅ ｅ Ｍ ｃ ｉ ｅ 超高速磨 床 ，采用单层Ｃ Ｎ Ｂ 砂轮 ，圆周速度达 到 了２ ３ ０ ｍｓ ／ ，用 以加工淬硬的锯齿等可 以达 到很高的金属 切除
环 境 污 染 或低 环 境 污 染 的 绿 色 磨 削 加 工 新 原 理 、 新 方
法、新工艺的探索 。
起 。而 现在 的砂 轮是把人造 磨料磨粒用 合适的材料粘
合 在 一 起 而 制 造 成 的 。每 一 个 磨 粒 就 是 一 个 可 能 的微
Ｍ Ｍ ：世界和我 国磨 削加工的发展重点 ＴＴ
制方 法、理论与实现 。 （ ）复杂 曲面 的 自动化 、高效 ５
率磨削加 工基础理论 与关键技术 ：复杂 曲面机器 人磨 削和数控 磨削理论研 究和技术 实现 ，复杂 曲面 自动高 效率磨削加工工艺的基础 理论和相关技术 。 （ ）新 型 ６ 磨具 制备和应用 中的基础理 论与关键技术 ：新型磨料 与结合剂系统开发与组合技术，高速／ 超高速 高效率 磨 削用 新型砂轮 结构和制备工 艺创新 ，超硬 磨料磨具 修 整及加工性 能的定量评价技 术及体系 。关键是要 强调 学科 交叉和 新型磨 具设计 的定量化和科学性 。 （ ）无 ７
李长河教授 ：普通磨削 的单 位材料去 除率 不足 ｌ ０ ｍ 。ｍ ｍ／ ｍ・Ｓ ，与普通 车削、铣削相去甚远 。所 以，提高 磨削加 工效率一直 是人们不懈追 求 的 目标 。根据磨屑 去 除机 理 ，材料 磨除率可 以表 示成磨屑平 均断面积 、 磨屑平 均长度和 单位时 间 内参与切削 的磨粒数三者 的 乘积 。因此 ，如果要提高磨削效率： （ ）可 以采 用高 １
磨削技术 的历史
现 状 和 展 望
Ｈｓ ｒ，ｔｔｓａ ｄｐｏ ｐ ｃ ｏ ｒ ｄ ｇｔｃ ｎ ｌｇ ｉｏｙｓａｕ ｎ ｒｓ ｅ ｔ ｆ ｉ ｉ ｈ ｏ ｙ ｔ ｇｎ ｎ ｅ ｏ
本刊记者／ ｅｏｔ Ｒｐ ｒ ｒ汪艺／ Ｎ ｅ ＷＡ Ｇ Ｙ
编者 按 ：磨 削技 术作 为 制 造加 工 技 术领 域 一 个 独特 的技 术 ，有 着
（ ）高速／ 高速磨 削加工 （ １ 超 超高速 磨削 、高效 深切磨 削、快速 点磨削 ）基础理 论及关键 技术 ：高速 ／ 高速 磨削机 理认 识和 探讨 ，表面 创成 及完整 性控 超 制 ，高效深磨和快 速点磨 削的核心关键技 术及理论研 究 。 （ ）高效率磨削加工基础理论及关键技术：强力 ２
Ａ ｔ ｍ ｔ ｏ 公 司制造 了 当时世 界上 第 一 台高效 深磨 ｕ ｏａｉｎ 的磨床 ，功率为６ ｋ ，转速 为１ ０ ０ ／ ｉ ，砂轮 ０ ｗ ０ ０ ｒ ｍ ｎ 直径 为４ ０ ｍ ０ ｍ ，砂轮 圆周速度达到 了２ ９ ／ 。德 国 ０ ｍ ｓ Ｇ ｈ ｉ ｇ Ａ ｔｍ ｔ ｏ 公司于１９ 年成功制造 出砂轮线 ｕ ｒ ｎ ｕ ｏ ａ ｉｎ ９２ 速度为 １０ １０ ｍ ｓ Ｂ 磨床 ，并正在试制线速度达 ４ ～ ６ ／ 的ＣＮ
中心 青 岛示 范 中心 常 务副主任 ，
中 国 机 械 工 程 学 会 生 产 工 程 学 会 青 年 科 技 委 员会 委 员 ， 中 国机 械 工 程 学 会 磨 粒 加 工 委 员会 委 员 ，
中 国机 械 工 程 学会 光 பைடு நூலகம் 加 工 委 员
品。第 一块砂 轮 由砂岩削成一 定形状 ，在原始磨坊上转动 以磨碎谷粒 。早 期砂轮 由人力驱动旋转 并主要用于工具 的刃磨 。 中世纪至工业革命 时期，磨料被用来磨砺和抛光工具 、武器和铠 甲。 直到 １世纪初 为 了手工磨削宝石 ，才在 印度制造 出用 固体 黏结磨料而制成 ９ 的砂轮 ，所使用 的磨 料主要是金刚砂和天然 刚玉 。ｌ世纪 中叶，在英格 兰 ９ 发 明了氯氧 化物 结合剂 砂轮 ，在美 国和法 国出现 了橡 胶结合 剂砂轮 。 １ ９ 世纪下半叶 出现 了和 天然 结合剂性质一样的硅酸盐结合剂 。１世纪２ 年代 ９ ０ 诺 顿公司大量生产 了陶瓷结合剂砂 轮 。而树脂结合剂砂轮则是 １２ 年才 出 ９３ 现 。用 于金刚石砂轮 的金属 结合剂 出现于１ 世纪４ 年代初 ，而金属砂轮 的 ９ ０ 思想则可追溯 到ｌ世 纪末用 带金刚石粉末 的铸铁盘来抛光宝石 的比利 时。 ７ 在 １世纪６ 年代 ，为制造锯机 零件 ，Ｂ ｏ ｎ ＆Ｓ ａ ｐ 公司制造 出了第 ９ ０ ｒｗ ｈｒ ｅ
国 家重 点 实验 室 开放 基 金 １ 。 以 项
第一作 者 在 国 内外重要 学术期 刊
和 国 际 学术 会 议 上 发 表论 文 １ ０ ２ 余 篇 ， 其 中 Ｓ Ｉ 录 ５ ， Ｅ收 录 Ｃ收 篇 Ｉ
４ 篇 。 出版 专著２ ，主 编教 材２ ９ 部 部 ，副主 编教 材 ３ 。获得 国家发 部
一
会委 员。近５ 年作 为项 目负责人主
持 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目２ ， 项
９ ５ 划 子 课 题 １ ， 高 档 数控 机 ７计 项
床 重 大专项子课题 １ ，山 东省 自 项
然 科 学 基金 重 点 项 目２ ，青 岛市 项
计 划 项 目１ ，机 械 制 造 系统 工 程 项
・
等
１７ ・
质合金 、陶瓷 、金属 、玻璃 、纤维增强复合 材料等各
种材料 的磨削 。但 由于可 以引起 过快磨损 的石墨化倾 向，它不适于 磨削铁族金属 。为 了寻 找金刚石 的替代
物 ， 通 用 电气 公 司 １ ５ 年 使 用 与 制 造 人 造 金 刚石 相 似 ９７
材高效率低污染磨削加 工技术及理论研究 。 （ ）硬脆 ３ 材料磨 削加工基础 理论及关键技术 研究 ：复杂磨削应 力状态下脆／ 塑转变理论，硬脆材料磨 削损伤力学 、损 伤评估 及控制 ，硬 脆材料大切深 缓进给和 高速超高速 磨削机理研究及实现 。 （ ）磨削过程 的智能化检测和 ４ 控制 的基础 理论与关键技术 ：包括磨 削过程参数信 息 传 感和 多传 感器信号融合技 术研究 、磨削过程智 能控
的高压过程 首次成功地制 出了立方氮化硼 （ Ｂ ）。但 ＣＮ 直至１６ 年才主要为了铁类金属 的加工而开始商业生 ９９ 产 。ＣＮ 已知硬度 仅次于金刚石 的超硬材料 。 目前 ， Ｂ是
磨削技术正朝着更有效地应用超硬磨料 的方 向发展 。
磨削是用 硬磨料颗粒作 为切削工 具进 行的加工过 程 的统 称 。史前 人类就发现将 他们 的工 具在砂岩上磨 擦可 以使其锋 利 ，这大概 是最早 出现 的磨削过程 。如 果没有用磨 削使工具成形 和锋利 的方 法 ，我们可 能还 生活在石器 时代 。 在 各 种 加工 方 法 中 ，磨 削用 的切 削工 具 是独 一 无二 的。砂 轮和磨 削工具通常 由两种材料 构成—— 叫 做磨粒 的起 切削作用 的磨料细颗 粒和把无数 磨粒粘接 在一起 成为 固体 的较 软 的粘接 剂 。史前人类 的磨削工 具是天 然砂岩 ，它的磨料砂粒 由硅酸盐基 体结合在一
４ ０ 多年 的悠久历 史 ，以其在 高精 密和特殊材料加 工方面不可替 代的作 ０ ０ 用 ，到今天仍有 着强大 的生命 力。但是面对切 削制造技术越来越 高速 、精
李 长河 ，博 士 （ 士后 ） ， 博
教 授 ， 研 究生 导 师 （ 助 泰 山 学 协
密 的发 展趋势 ，磨 削技 术是否会被 替代 ，如何发扬 自己的优 势、克服 自己 的劣 势获得更大 的发展 ？重大 专项又能给我 国的磨削技术 带来 怎样 的发展 契机？ 青 岛理工大 学机械工程 学院副院长李长河教授 （ 以下简称李教授 ）
针对这些疑 问为 我们进行 了精 彩讲述 。
者联 合 指 导博 士研 究生 ） 。青 岛
理 工 大 学机 械 工 程 学 院 副 院 长 ， 机 械 设 计 与 制 造 山 东省 重 点 实 验
室 主 任 ，快 速 制 造 国 家 工 程 研 究
ＭＴ ：请谈谈磨削的发展历史 ，包括起 源和发展过程 。 ＭＴ
明专利授权８ 。 项
台现代磨床 。１ 世纪９ 年代 自行 车的普 及又使磨削能加工淬硬 的精密轴 ９ ０ １ 世纪末期开始 出现碳 化硅 和氧化铝人造磨料 。至２ 世纪初 ，已开始 ９ ０ 了用人造氧化铝和碳 化硅磨料及陶瓷 、橡胶 、树脂胶及 氯氧化 物结合 剂制
承和齿轮 。
作的砂轮 。１３ 年 首次生产 出含天然金 刚石磨料 的树脂 结合剂 砂轮，接着 ９０ 在ｌ 年后又 出现 了陶瓷和金属结合剂 的金 刚石砂轮 。金 刚石 磨具消费的迅 ０ 速增 长 ，主要是 因为磨 削硬 质合金刀具的需要 。１５ 年通用 电气 （ｅ ｅａ ９５ Ｇｎｒ ｌ Ｅ ｅ ｔ ｉ） ｌｃ ｒ ｃ 公司宣布在高压条件下成功地制 出了人造 金刚石 。 金 刚石 磨料 ，不 管是天 然 的还是人造 的，都被广 泛地 应用 于包括硬