磨削加工技术读书报告

1、1 引言磨削加工在我国有着悠久的历史，几千年前的原始人就已经开始用磨锐的石块制作简单的狩猎工具来进行狩猎。1668年，我们的祖先曾利用畜力带动的磨石来磨光天文仪铜环的端面，在磨石的上方还放有水桶漏水，以帮助磨光。当时制造的天文仪，目前还保存在北京。十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代

2、磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床

3、；60年代末又出现了砂轮线速度达6080米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高功能性的新型材料的应用增多，给磨削加工提出了许多新问题，诸如材料的磨削加工性及表面完整性、超精密磨削、高效磨削和磨削自动化等问题亟待解决。当前，磨削技术得到了飞速的发展，各种磨削新技术、新工艺和成品层出不穷。2 磨削加工特点及过程2.1 磨削加工的特点磨削加工是指用砂轮或磨料在机床上对工件表面进行切削，使之形状尺寸达到相应技术要

4、求的过程。砂轮是由磨料和结合剂粘结而成的特殊多刃具。在砂轮表面每平方厘米面积上约有601400颗磨粒，每颗磨粒相当于一个刀刃，磨粒是一种高硬度的非金属晶体，它不但可磨削铜、铸铁等较软的材料，而且还可以加工各种淬火钢的零件、高速钢刀具和硬质合金等硬材料以及超硬材料。砂轮具有较高的圆周线速度，一般为35m/s左右，砂轮在磨削时除了对工件表面有切削作用外，还有强烈的挤压和摩擦作用，在磨削区域内瞬间温度可高达1000左右。由于砂轮工作面经修整后，可形成极细微的等高性很好的刃口，所以可以切除工件表面极薄的金属层。磨削加工能获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度，磨削精度通常达到IT7IT6级，表面粗糙度可

5、达Ra0.80.2um，尺寸精度和形状精度可达到lum左右。2.2 磨削过程磨削过程的实质是工件被磨削的金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压、摩擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。整个过程可分为三个阶段：1. 划擦阶段：磨粒开始接触工件，划擦而过，工件表面发生弹性变形而无切屑。2. 耕犁阶段：磨粒挤入深度加大，工件产生塑性变形，耕犁成沟槽，磨粒两侧和前端堆高隆起。3. 切削阶段：切入深度继续加大，温度达到或超过工件材料的临界温度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑。根据条件不同，磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存在，也可以部分存在。磨削的全过程表现为力和热的作用，磨削时产生的

6、热量较车削、铣削大，由于砂轮是热的不良导体，因此几乎80的热量传人工件和磨屑，磨削区域的瞬间高温(约1000)可烧伤工件的表层，所以在磨削时要特别注意对工件的冷却，以保证零件加工的质量。3 磨削理论研究状况3.1 磨削机理 过去对普通磨削的机理已经开展了广泛而深入的研究。如对磨削热，近年来国内外学者先后建立了多种热模型进行研究1，包括Lavine的磨粒传热模型、Morgan的改进圆锥磨粒模型，C.Guo的砂轮磨削液复合体模型、高航2教授建立的断续磨削热源模型、Rowe3建立的简化传热模型等。随后，C.Guo 综合了前人的研究基础，建立了单磨粒热模型，利用移动热源理论和温度匹配法（匹配磨粒工件接

7、触面的最高温度同冷却液工件接触面的最高温度）计算得到了磨削的能量分布。再譬如对磨削区接触弧长的研究，早期提出的是利用几何计算法推出几何接触弧长度。随后，E.Salje提出了最大砂轮与工件最大接触面积的概念；我国湖南大学周志雄教授也建立了砂轮与工件的啮合模型；1993年W.B.Rowe建立了砂轮与工件的接触模型来研究磨削接触弧长。目前，此问题也处于进一步研究之中。而对于精密及超精密磨削、高速高效磨削方面，虽然国内外针对不同的工程材料（如陶瓷和玻璃）都开展了一些理论研究，但是还不全面，还没有形成完整的理论体系。3.2 表面完整性一般来说，磨削表面完整性的研究包括：磨削表面的波纹、振纹、残余应力、加

8、工硬化层、磨削烧伤及裂纹等。提高表面完整性需要尽量减低磨削区温度，采用合理的磨削条件。当前，研究表明使用CBN砂轮和高效深切磨削技术能有效控制磨削件的表面完整性。Guoxian Xiao在研究磨削球墨铸铁的残余应力时，建立了一种简单两栅结构的模型，应用X射线衍射法对残余应力进行测量。对于磨削残余应力的检测，目前的方法主要有：X射线衍射法，巴克豪森噪声检测和脆化检测法。也有学者研究结合X射线衍射和中子衍射对残余应力进行测量，该方法在对检测航天部件工作状态时的残余应力极为有效。国内对残余应力也作了一些研究，如西北工业大学对高温合金，超高强度钢的磨削残余应力进行了分析45，哈尔滨工业大学研制出基于盲

9、孔法原理的残余应力测量仪6，北方交通大学应用新型的无损磁弹性检测法对残余应力进行了测试试验，取得一些进展7。3.3 磨削工艺过程监控与检测技术的研究 磨削过程的检测与控制，主要是通过传感器采集信号，进行分析与处理，对磨削过程进行实时监控。对磨削过程进行监控是发展磨削CNC控制与智能化的前提。在这方面，日本已开发GKBS磨削加工智能化处理系统。对于砂轮磨损检测，有学者提出利用非接触式传感器进行砂轮检测。国内已经研究出声发射监控系统。汉诺威大学则研究出新的光学测量法来在线评定砂轮微观特征信息及状态。近年来，也有研究弹性发射加工法对高精密的磨削表面进行在线自动检测。4 磨具磨料的研究状况4.1 磨料

10、研究状况随着人造金刚石磨粒、CBN磨粒应用的不断扩大，新型磨粒也不断问世。De Beers公司开发了CBN磨料新品种ABN800和ABN600。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磨具大多是和ABN800和ABN600的微晶CBN磨料制品。美国Norton公司首先推出了SG磨料8。它是由亚微米级的Al2O3晶体，采用溶胶凝胶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，具有硬度高，自锐性好，耐磨性好、磨削热少，使用寿命长、磨削

11、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。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。总的来说，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。我国已经成功开发出新型SG磨料，第七砂轮集团公司

12、已在进行该磨料的工业性应用。随后，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，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。4.2 磨具研究状况近年来对磨具的研究主要集中在砂轮磨损、砂轮地貌、磨损检测与控制、砂轮修整技术及智能化磨削工具上。现在对超硬磨料磨具的修整技术主要有GC杯形砂轮研磨修整法、在线电解修整法(ELID)、双电极在线修锐法、弹性修整法及超声波振动修整法等。其中，日本已经对金属结合剂金刚石砂轮的电解在线修整(ELID)商业化。同时，还研究将传感器置于砂轮毂上，达到同步

13、检测砂轮寿命、修整过程和工具振动信号的效果。国内也正在研究激光修整砂轮和电解修整砂轮。哈尔滨工业大学对ELID技术也进行了相应的试验。近年来还对超硬磨料磨具进行了广泛的研究。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，但不适于磨削钢铁材料及超高速磨削。CBN磨具适用于超高速磨削，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具。由于金刚石和CBN磨料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。随着磨具制造技术的进步，还开发出了性能优异的单层电镀和高温钎焊等新磨具，

14、其中尤以高效点磨削新工艺更受人们的青睐。点磨削是由德国Junker公司首先推出，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/s180m/s，高的可达200250m/s)来实现的。加工时使砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触。实践表明，点磨削的磨削比大，砂轮寿命长，修整频率低，材料切除率高，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。在将来，磨料磨具的研究方向主要是：新型磨料磨具的研制及制备工艺，砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及优化，新型粘结剂的研究

15、，超硬超微磨料磨具的研究。5 磨削工艺的进展5.1 高效磨削 磨削按其加工精度的不同可分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削。按磨削效率又可以将磨削分为普通磨削和高效磨削。高效磨削技术包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削(HEDG)、高速重负荷磨削、砂带磨削、快速短行程磨削。 高速磨削是指磨削速度Vs为45m/s150m/s的磨削，而Vs150m/s的磨削称为超高速磨削。现在工业上实用的磨削速度已经达到60250m/s，工件进给速度VW 为100010000m/min。在IMTS98上，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

16、120m/s。德国早已推出Vs为140m/s160m/s的CBN磨床。日本也研制了Vs为160m/s260m/s为的超高速外圆磨床，Nissan公司则将200m/s的磨床应用到了客车引擎生产线上。而德国的Aachen大学则已经完成了砂轮线速度为500/s的超高速磨削实验。国内对高速磨削的研究也有一定程度，湖南大学早在70年代末就进行了80m/s、120m/s的磨削实验，东北大学也成功建造了200m/s的超高速磨削实验台。但是，高速磨削技术仍然是停留在实验室阶段，离生产应用还有一定距离。高效深切磨削(HEDG)是一种集超高速、大切深、快进给于一体的新技术，被誉为“现代磨削技术的高峰”。其加工表面

17、粗糙度与普通磨削相当，但磨除率却比普通磨削高1001000倍。现在应用的砂轮线速度已经达到80250m/s，工件进给速度VW达到100025000，磨削深度达到0.130mm。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)，目前，欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位。砂带磨削也是一种高效率磨削。其切深达到35mm加工效率比普通磨削高510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

18、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。高速重负荷磨削又称荒磨、粗磨，主要用于粗加工。目前应用的磨削速度达到80120m/s磨削压力达1012kN，磨削功率100300KW ，最高金属磨除率达500kg/h，而且机床实现了自动化，大大提高了生产率。缓进给磨削是一种结合大切深和缓进给于一体的高效磨削技术。它不但工效高，而且磨削精度高和加工表面质量好。现在应用的磨削深度为030mm，纵向进给速度10300mm/min。由德国ELB公司开发的快速短行程磨削技术是一种更高磨削效率和精度的新磨削工艺，适合于短工件的磨削加工，一般行程速度可达3.8m/s，往复运动频率达到400双行程

19、/min。但是目前，快速短行程磨削新工艺还没有完全推广。5.2 精密与超精密磨削精密磨削是指加工精度为0.11um，表面粗糙度Ra为0.010.2um的磨削；超精密磨削是指加工精度小于0.1um，表面粗糙度Ra不大于0.025um的磨削。随着技术创新与高科技产品的不断涌现，对零件的加工精度和表面完整性要求愈来愈高。目前精密磨削加工正从微米、亚微米级(10.1um)加工技术向纳米级发展。为获得亚微米级的尺寸精度，国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具来进行亚微米级以下切深磨削的研究9。日本在利用微细磨料进行超精密磨削方面应用较好。据报道，日本用于镜面磨削时使用磨具粒度为4000#8000

20、#，其磨粒平均尺寸达了1.5um4um，加工后工件表面粗糙度可达0.003um0.005um。对陶瓷进行机械化学抛光，平均粒径可小至0.5um。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Ra1nm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。除此以外，超精研磨、抛光、磁流体研磨、动力悬浮研磨、磁力研磨、软粒子研磨、砂带研抛、超精研抛等加工方法，同精密电解磨削及研磨、抛光、精密超声研磨、机械化学研磨及化学机械抛光等复合加工工艺方法，都可以实现精密及超精密加工、镜面加工。在芯片加工中应用超细ZrO2微

21、粉的弹性发射游离磨粒技术，可以实现纳米级加工。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术。将平面研磨运动的双端面精密磨削技术与ELID技术相结合，其加工精度切除率都比研磨高得多，也可获得很高的平面度。还有人研究将超声波振动技术应用到超精密磨削中并在磨石上开槽可以显著提高了研磨效率并获得较好的表面粗糙度。我国研究开发的喷涂陶瓷精密磨削工艺在工业中应用也取得一定成绩。6 磨削其他方面的进展磨削自动化也是当前磨削技术研究的重要方向之一。当前磨削自动化主要技术动向：用有限元算法、模态分析、CAD及CAE技术对磨削机床进行动、静刚度研究，优化磨床结构，解决振动及高稳定性的加工。发展静、动压技术，采用油

22、轴承、空气轴承及磁轴承，解决磨床主轴高速化及高精密化。利用静动压导轨、直线导轨、静动压丝杠，解决导轨及进给机构的高速化与高精密化。注重热变形对策研究，排除或降低热源，抑制热产生，隔离及防止热扩散。从材料及结构上抑制热变形，并从系统上进行控制与补偿16。目前，磨削自动化在CNC技术上日趋成熟和普及。国外的CNC工具磨床已从三轴发展到十轴。磨削加工中心的精度可达到：主轴回转精度0.5um定位精度1um，重复定位精度0.7um，轮廓加工精度5um。磨削数控系统的开发也有很大进展。此外，磨削自动化也正在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。国外对磨削数据库及磨削知识库的研究作

23、了大量工作，我国也研制出自己的“磨削数据库”，为磨削工艺参数化提供了基础10。磨削是一个复杂的多变量影响过程。据美国Kennametal公司调查，非最优化加工每年给美国企业造成的损失达到100亿美元11。所以，研究对磨削信息的智能化处理和决策，实现柔性自动化和最优化至观重要。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。国内外开发了多种分析和仿真磨削过程的软件工具。目前能够使用建立的砂轮地貌模型对砂轮进行仿真，还能对磨削形成过程、

24、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12。使用动态仿真方法，可以产生砂轮仿真微观形貌以及工件加工状态，并再现磨削过程。并能分析和预测对不同条件下磨床性能和磨削效果。此外，随着虚拟制造技术的发展，虚拟磨床技术的提出为磨削加工建立了一个逼真的虚拟磨削环境，应用于虚拟、评估以及预测磨削加工过程和产品质量的影响。7 磨削技术的发展趋势 磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。随着机械产品的精度、可靠性及寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高功能性的新型材料应用增多，给磨削加工提出了许多新问题，如材料的磨削加工性及表面完整性、超精密磨削、高效磨削和磨削自动化等问题。所以，当前磨削技术发展的趋势是，发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。应该注意的是，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，与之相比我国均有相当差距。为此，我们一方面要把握国际科学研究的最新动态，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，开展符合国情的实用性研究，普及先进的磨削技术，推动我国的机械制造