先進磨削技術應用現狀與展望
2020-06-22馮克明；趙金墜
(1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001;2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽 471039)
摘 要：磨削可加工任何硬度材料并在微細加工方面具有不可替代的優勢，是現代裝備制造業發展的重要支承。基于先進磨削技術高速、高效、精密、長壽、柔性、綠色等特點，對目前磨削技術進行了全面梳理、歸納，介紹了高速和超高速磨削、高效深切磨削、蝸桿砂輪磨削、重載荷磨削、精密和超精密磨削、脆性材料延性域磨削、輪軌高速被動磨削、復合磨削、智能磨削、綠色磨削等先進磨削技術的加工機理、技術特點及影響因素，并重點分析其應用現狀。先進磨削技術普及率低主要是國內高檔磨床及其關鍵功能部件制造落后，關鍵核心技術薄弱，產學研用合作不足，應用領域受限等。Z后，對先進磨削技術的未來發展進行了展望，并提出了相關建議。
關鍵詞：先進磨削；磨料；工藝參數；工程；應用；現狀
0 前言
制造業是立國之本、興國之器、強國之基，是國民經濟的主要支柱。磨削是用硬質磨料去除工件上多余材料的加工方法，磨削可加工任何硬度材料并在微細加工方面具有不可替代的優勢，主要用于裝備制造領域機械零件的精加工，對零件表面質量起關鍵作用。
磨削技術的發展主要圍繞科學技術的進步及機械零件的技術要求(精度、質量)展開，其工程應用主要依賴于國家需求，裝備制造技術及經濟合理性(效率、成本)發展。在19世紀，正處于工業革命初級階段，磨削工具主要依靠天然磨料，磨削加工主要由手工完成，很難保持工件質量的穩定，更無效率可言;進入20世紀，發明了磨床，并制造出性能相對穩定的人造磨料（剛玉、碳化硅、金剛石、CBN），具備了現代加工的基本特征，大大減輕了操作者的工作強度，提高了磨削效率和加工精度。
目前，國內機械工程學科已位于世界前列，磨削技術的學術研究與國外已無大的差別，甚至在個別技術領域已處于領先地位。然而，若從工程應用領域來看，先進磨削技術與國外相差較大，高檔磨床、關鍵功能部件以及部分核心技術等嚴重依賴國外。文中僅從應用角度介紹技術比較成熟，效果比較突出，影響面較廣的先進磨削技術。
1 先進磨削技術
1.1高效磨削
磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有無可比擬的優勢，但其材料去除率較低，難以與車削、銑削等抗衡。為提高磨削效率，主要通過增加單位時間內有效磨粒數(如高速磨削、超高速磨削)，增加磨削接觸區面積(如緩進給磨削、端面磨削)，增加磨削點位數量(如蝸桿砂輪磨削、多砂輪磨削)，加大磨粒載荷(如重載荷磨削、點磨削)，減少輔助時間(如復合磨削、數控磨削)等措施。
1.1.1高速磨削、超高速磨削
高速磨削(砂輪速度大于50m/s)、超高速磨削(砂輪速度大于150m/s)能大幅度提高磨削效率，改善磨削質量，提高砂輪耐用度。多年來，為更好地實現高速磨削、超高速磨削工程化應用，國外相繼開發了高速軸承、高速電主軸、直線電動機、高精度和高剛度絲杠導軌、大理石床身、CFRP基體砂輪、砂輪在線動平衡、砂輪防碰撞、高壓注入冷卻、砂輪精密定位、在線智能監測、高可靠性數控系統、高分辨率標尺等。同時，正是基于這些關鍵技術的突破與工程化研究，使高速磨削、超高速磨削在工業發達國家普遍應用。
我國高速磨削從20世紀50年代末開始推廣，但應用有限。20世紀90年代末高速磨削、超高速磨削在國內快速發展，大企業依靠雄厚的資金引進了配套的高檔數控磨床，才使我國汽車凸輪軸、曲軸等關鍵零件加工開始采用高速磨削、超高速磨削技術。盡管近年來國產磨床有了質的飛躍，無故障工作時間有大的提升，大量機床出口，但其核心零部件對外依存度高。如高速電主軸主要依賴德國、瑞士、意大利、韓國;高速軸承主要依賴德國、瑞典、日本;變頻器依賴德國、日本、法國、美國；砂輪在線動平衡依賴美國、德國；防碰撞監控系統依賴德國、荷蘭、美國;直線導軌依賴日本、德國、韓國;直線電動機依賴美國、日本、以色列;數控系統依賴德國、日本；磨具依賴美國、德國、日本等。高速磨削核心技術被國外嚴重壟斷。
高速磨削、超高速磨削技術是一把雙刃劍，既助推了我國機械工業的發展，但也推高了國內高檔磨床的價位，使絕大部分中小企業望而止步。目前，國內高速磨削、超高速磨削技術的應用仍主要用于汽車、壓縮機、半導體等個別零件加工，而在鋼鐵、軸承、齒輪、農機、航空、船舶等傳統制造產業，高速磨削普及率仍很低。
1.1.2點磨削
點磨削是高速磨削技術的新發展，是集CBN超硬磨料、超高速磨削、CNC柔性加工三大先進技術于一體的高效加工技術。點磨削使用寬度只有4～6mm的CBN砂輪、三點快速精密定位技術、砂輪可在線自動平衡技術；砂輪軸線相對于工件軸線可適當傾斜，使砂輪與工件的接觸從傳統的砂輪全寬線接觸變為“點接觸”狀態。不僅具有高速磨削、超高速磨削的優點，且類似于數控車削，磨削深度大，法向磨削力小，冷卻、排屑充分，磨削溫度低，操作方便等，特別適合細長軸類零件加工，是磨削技術與數控技術的極佳結合。
點磨削可一次裝夾完成工件全部外圓面、簡單曲面，代替多臺機床實現粗、精加工，生產效率成倍提高，符合綠色制造的發展趨勢。目前，點磨削技術已在國內部分大型汽車制造廠用于磨削凸輪軸，砂輪修整一次可磨削3000件，一片砂輪可修整20次，砂輪壽命達6萬件，磨削質量穩定，效率高，生產成本降低，但國內沒有掌握點磨削的核心技術。
1.1.3緩進深切及高效深切磨削
與普通平面磨削(砂輪速度不大于35m/s，工件進給速度1～30m/min，磨削深度1～50μm)相比，緩進深切磨削是指工件進給速度(0.05～0.50m/min)較低，磨削深度(0.1～30.0mm)較大的磨削方式。由于磨削深度大，可通過一次磨削行程完成以前多次切入才能達到的磨削余量。高效深切磨削是在緩進深切磨削的基礎上，進一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技術，提高了工件進給速度(0.5～10.0m/min)，極大地提高了磨削效率，被譽為“現代磨削技術的Z高峰”。
緩進深切磨削技術和高效深切磨削技術均具有磨削弧長，可一次加工成形等特點，磨削過程中采用高壓強冷、連續修整等相關技術，具有高的磨削效率(達普通磨削的幾倍到上千倍)，好的型面保持性，高的砂輪耐用度等。特別適合成形磨削和切割磨削，如葉片榫齒、齒輪形面、連桿結合面、轉子槽、卡尺滑槽、卡盤導向槽、工具槽、絲杠螺旋槽磨削;晶圓劃片、封裝切割、石材切割磨削等。目前已得到廣泛的應用，但市場上主要的平面強力磨床仍是國外品牌。
1.1.4蝸桿砂輪磨削
齒輪作為重要的基礎傳動零件，在交通、機械、儀器、兵器等行業普遍應用，其精度、齒面質量將直接影響齒輪傳動的承載能力、使用壽命和平穩性。隨著科學技術的發展，對齒輪的要求越來越高，硬齒面磨削工藝在齒輪生產中得到大力推廣。蝸桿砂輪磨削是基于螺旋齒輪傳動原理，砂輪與齒輪空間嚙合旋轉，實現齒輪連續分度展成磨削，砂輪剛性好，磨削接觸點多，加工效率高，磨削精度好，表面質量優。
20世紀末蝸桿砂輪磨削技術開始在國內大量應用，主要是隨著高檔磨床的引進以及韌性、自銳性、耐磨性俱佳的陶瓷剛玉(SG)磨料在國內的工程化應用，進而使蝸桿砂輪磨削逐漸成為硬齒面齒輪精加工的主流。目前，蝸桿砂輪磨削技術主要用于中小模數齒輪的大批量生產。
1.1.5重載荷磨削
重載荷磨削主要技術特點是:1)磨削力大，是所有磨削方式中載荷Z大(10～30kN)，加工效率Z高(500～1000kg/h)的磨削技術;2)工作環境惡劣，多在高溫下使用，工件原始形態波動大;3)對加工精度和表面粗糙度要求不高，砂輪不需修整。重載荷磨削主要用于鋼坯、鋼板表面缺陷層(裂紋、夾渣、結疤、氣孔、脫碳層、氧化皮等)的修磨，磨削功率已達100～300kW，砂輪速度80～120m/s。其主要考核指標是磨削效率和砂輪使用壽命。
目前，重載荷磨削已在特鋼制造領域普遍應用，成為高性能鋼生產的重要工序，但國內磨制鋼占粗鋼的比例仍很低。隨著我國裝備制造業的發展和提升，對鋼材質量的要求越來越嚴格，高速、重載荷磨削應用進一步拓展。
1.1.6輪軌高速、被動磨削
鐵路、地鐵等輪軌由于長期承受交變載荷和摩擦力的作用，使其表面時常出現不均勻磨損(波磨、裂紋、剝落、壓潰、點蝕、肥邊等)。為使列車運行平穩、安全，乘客舒適，延長輪軌壽命等，輪軌需要定時進行修復。高速、被動磨削是近年發展起來的新型輪軌打磨技術。作業中砂輪自身不帶動力，是通過打磨車的行進及壓力，使砂輪外圓與輪軌間產生擠壓、滾動、摩擦、耕犁、切削;依靠二者間的夾角，調整砂輪切向旋轉速度及輪軌表面紋理。高速、被動磨削不僅效率高，而且質量好，成本低。
與目前輪軌修復使用Z廣泛的砂輪端面主動打磨技術相比，輪軌被動磨削Z大的優點是打磨速度快(60～80km/h)，特別適用于行車密集的線路。輪軌修復時無需封閉線路，減少了對線路運行的影響，節省了輪軌維護成本，提升了線路運營能力，具有很好的發展前景。但是，由于國外技術保密，國內尚處于研究、開發階段。
1.1.7復合磨削
復合加工是將零件的相關加工工序集中在同一機床上，實現高效加工或精密加工的目的。復合磨削主要有2種類型。
1)在1個工位上復合或疊加多種加工方法的方式，如超聲磨削是在砂輪磨削的基礎上疊加一個超聲振動，使砂輪與工件間形成周期性接觸，可減小磨削力，降低磨削溫度，改善磨削狀態，提高磨削質量，延長砂輪壽命;還有電解磨削、電火花機械復合磨削、紫外光輔助磨削、磁流變拋光等，此類復合磨削在學術界多次出現，主要出現在高校研究中，工業應用極少。
2)復合磨削中心，主要出現在工程應用領域，是依托現代柔性的數控系統，以一次裝夾，實現多工具、多工序集中的磨削思路。復合磨削主要針對軸類、盤類零件的端面、外圓、內孔、錐面、螺紋等多種加工要素，磨削功能高度復合，在基準統一條件下可保證工序間的高精度，大大減少了機床和夾具數量，縮減了工序間的輔助時間，達到提高生產效率以及降低操作者勞動強度的目的，具有更高的應用需求和實用價值。目前已普遍應用在工具類大批量生產中，如可轉位機夾刀片磨削、整體立銑刀磨削、HSK刀柄磨削、軸承套圈復合磨削等，但國內80%以上的數控復合機床仍依靠進口。
1.2精密及超精密磨削
磨削通常可經濟地獲得表面粗糙度Ra值為0.20～2.00μm的工件，然而，隨著科學技術的不斷發展以及加工精度、表面完整性要求越來越高，磨削加工已經成為現代裝備制造業實現精密及超精密加工Z有效、Z廣泛的實用技術，許多零部件對精密磨削(Ra值為0.025～0.250μm)、超精密磨削(Ra值小于0.025μm)的需求也越來越多，因此現代磨削技術正向微細化的方向發展。
1.2.1低表面粗糙度磨削
工程上，鐵系材料低表面粗糙度磨削(Ra值小于0.2μm)主要采用普通磨料砂輪。基于普通磨料比金剛石硬度低，脆性大，易修整的特點，采用銳利的金剛石工具，通過精細修整使砂輪表面磨粒具有微刃態和等高性。利用砂輪表面磨粒的微切削作用、金屬材料的微塑性流動和二者間的擠壓、摩擦、拋光作用，使磨削表面紋理極其微細、光滑。目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工機床主軸、軸承滾道、滾珠滾子、導軌、液壓零件等精密零件，應用相對普及。
對于超硬磨料磨具，由于磨料硬度高，砂輪修整困難等技術難題，采用傳統磨削方式直接用于低表面粗糙度磨削還受到很多因素限制。
1.2.2ELID磨削
在線電解修整(Electrolytic In process Dressing ELID)磨削是由日本學者Ohmori于1987年提出的一項磨削技術，專門針對超硬砂輪的修整難題及金屬結合劑的導電特性，在砂輪與工件間通過電解磨削液構成電化學系統，利用其陽極溶解效應，對超硬砂輪表層進行微量電解去除，使砂輪表面磨粒逐漸露出，產生大量微容屑空間;同時在砂輪表面形成一層鈍化膜，可抑制砂輪的過度電解，使砂輪表面始終保持Z佳狀態，有利于持續加工。
ELID磨削拓寬了超細粒度(600#～30000#)金屬結合劑和超硬磨料砂輪的應用范圍，特別適用于硬脆材料的精密和超精密磨削加工，目前已成功應用于陶瓷反射鏡、玻璃非球面透鏡、鐵氧體器件、軸承滾道、模具加工中。ELID磨削效率高，精度高，質量好，但由于現有磨床安裝ELID裝置空間有限，電解液維護要求高等，其應用面不大，主要用于光學、電子、儀表等精密加工領域。
1.2.3脆性材料延性域磨削
陶瓷、寶石、硅片、玻璃等材料具有低密度、高硬度、耐磨、耐熱、耐腐蝕等系列特性，在航空航天、電子通信、儀器儀表、切削工具等領域有廣泛的應用空間，但由于這些材料同時具有脆性特點，使其在制造過程中很容易產生裂紋、崩邊、崩碎等缺陷，限制了其工程應用。文獻Z早給出硬脆材料延性域加工閾值公式，認為只有當磨粒切削深度小于待加工材料的臨界切削深度(納米級)時，脆性材料才會實現延性域磨削，改善其加工的不足;但要實現硬脆材料純延性域磨削非常困難，不僅納米級微進給條件苛刻，而且純延性域磨削幾乎無效率可言。
目前，工程上大量應用的是半延性域磨削，材料去除方式既有脆性斷裂，也有塑性變形。由于砂輪表面磨粒數量眾多，磨粒高度不一，磨粒切削深度有高有低，每次磨削總有部分磨粒切削深度在納米級狀態，即延性域磨削始終伴隨在硬脆材料的磨削過程中;并且，隨著砂輪粒度的減小，砂輪平衡精度的提高，修整精度的細化，磨床剛性、精度、動態特性的提升，特別是磨床進給機構的精細化，必然使硬脆材料延性域磨削占比加大。目前，硬脆材料延性域磨削主要應用于電子信息、航空航天、陶瓷軸承領域，應用范圍相對稍小。
1.2.4工件自旋轉磨削
硅材料號稱芯片產業功能材料，硅材料硬脆和晶片超薄，加工中易產生變形、裂紋、斷裂，加工難度很大。工件自旋轉磨削技術于1988年由日本學者MatsuiS提出，目前是硅片減薄磨削的主流。硅片利用真空吸盤裝夾，采用杯形金剛石砂輪一對一端面磨削，砂輪外圓與硅片中心對齊，硅片與砂輪各自繞其軸線旋轉，砂輪再沿其軸向微量進給。與其他端面磨削方法相比，其主要特點是砂輪與硅片的接觸位置不變，接觸面積相對固定，砂輪工作層呈單窄環(環寬3～5mm)，間隙布局，便于低溫、精密磨削，改善硅片面形精度。工件自旋轉磨削主要使用300#～4000#的超細磨料，加上機床的微量切入(0.1～1000μm/min)、合理的速度比及修平技術，可使砂輪表面大部分磨粒切入深度小于硅片延性域磨削臨界切削深度，實現塑性去除磨削。目前，工件自旋轉磨削在半導體功能材料減薄加工方面已獲得普遍應用。
1.2.5CMP
在晶片的超精密加工中，為進一步獲得無損傷、光滑的高精度表面，學者提出了許多加工方法，主要有:磁懸浮拋光、電泳拋光、浮法拋光、彈性發射拋光、磁流變拋光、離子束拋光、剪切增稠拋光、水合拋光、化學機械拋光等，其中化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)應用Z廣泛。CMP是目前集成電路制造中晶圓全局均勻平坦化的關鍵技術，Z早于1965年由美國的Mon-santo提出。CMP是在一定壓力和拋光液存在下，旋轉的工件與旋轉的拋光墊相接觸，借助微納米級磨粒的研磨作用和氧化劑的化學腐蝕協同，快速達到高質量和無損傷的表面。
CMP隨著半導體產業的發展而興起，目前主要用于單晶硅、多晶硅、藍寶石、氧化硅、碳化硅、石英晶體、銅、鎢等。CMP是集機械學、摩擦學、材料學、力學、化學為一體的綜合加工技術，避免單純機械拋光易產生表面損傷和單純化學拋光速度慢，表面平整度和一致性差等缺點，使其加工性和速度同時滿足了晶圓的加工要求。
1.3砂帶磨削
砂帶磨削是以涂附磨料磨具(砂帶)為工具，并輔之接觸輪或壓磨板以提高磨具剛度，使砂帶處于張緊和工作運行狀態，對工件表面進行加工的一種高效磨削技術。砂帶磨削與砂輪磨削有本質不同，其主要特點:1)砂帶薄而韌，適應性好，可根據工件形狀以相應的接觸方式進行加工;2)磨削表面完整性好，砂帶薄且曲率不斷變化，吸振性好，散熱快，不易堵塞，磨削溫度低，磨削質量好;3)磨削效率高，砂帶磨削速度恒定，其寬度一般可根據工件的磨削形面定制，Z寬已達5m，效率高，成本低;4)磨削比高、能耗低，砂帶磨削通常在低速下工作，砂帶上磨粒比砂輪磨粒具有更強的切削能力，一般磨削功率僅為砂輪磨削的1/3左右;5)可磨削各種材料，不僅是金屬材料，木材、塑料、皮革等非金屬材料也有很好的加工性。
近幾年，隨著人們對砂帶磨削認識的提高，砂帶、頁輪等涂附磨具在國內已有相當規模和水平的應用，從家庭生活到工業生產的各個領域無所不用，從簡單的扒皮磨削到飛機發動機葉片自適應砂帶磨削無所不能。但是，國內砂帶磨削應用仍相對滯后，以砂帶磨床與砂輪磨床之比分析，美國49∶51，德國45∶55，而國內約20∶80。
1.4智能磨削
智能制造是新一輪工業革命的核心技術，該系統不但具備柔性，還表現出某種智能(如磨削精度，表面粗糙度自我校正，磨削力、噪聲自我控制，磨削參數自我優化等)，以便減少磨削缺陷，應對激烈競爭的復雜環境，大量的復雜信息和瞬息萬變的市場需求。智能磨削是數控技術的進一步升級，是借助先進的傳感器技術及數據處理手段，實現對磨削過程的感知、預測、控制，達到經濟有效提升相關精度和表面質量的目的。實時監測磨削加工各種信息，如:磨削參數、磨削液狀況、砂輪平衡、砂輪磨損，工件找正、對刀、精度、表面粗糙度、質量，磨削載荷、振動、溫度、AE等;進而依據傳感器監測提供的信息，結合系統集成的相關數據庫、經驗庫，對磨削過程中的各種信息進行分析、判斷和決策;再依據當前磨削信息及決策規劃進行實時的自身調整，獲得Z優的磨削性能或保證磨床處于Z佳的工作狀態。
目前，智能磨削已取得很好的效果，如磨削力自適應控制磨削、磨削質量智能優化、機器人智能拋光葉片、表面粗糙度智能磨削、智能誤差補償、ELID智能磨削、工藝參數智能優化等，但智能磨削工程化應用幾乎為零，目前還僅存于實驗室測試或單一參數約束。而磨削是一個極其復雜的多因素交互影響系統，只有實現多傳感器監控，多參數跟蹤，多信號融合分析，全方位評判的綜合智能磨削，才是工程化、現代化磨削技術發展的重要方向。多參數智能磨削工程應用的路還很長。
1.5綠色磨削
傳統磨削加工大量使用磨削液，采用澆注式冷卻磨削區溫度，磨削液的大量使用給現場環境和操作者健康帶來了一定危害，而且增加企業磨削加工成本。面對人類社會可持續發展的需要，綠色磨削技術是一種基于綠色制造理念，從生態學和經濟學角度綜合考慮環境和資源兩大問題的一種現代制造模式。綠色制造目前已在全世界展開。
為了減少三廢(廢氣、廢液、廢渣)，國內外綠色磨削Z集中、Z熱門的研究領域是設法減少磨削液對環境、現場的影響。目前，研究課題主要有內冷卻磨削、低溫冷風磨削、高壓射流磨削、霧化冷卻磨削、微量潤滑磨削、固體潤滑磨削及干式磨削等。由于國內綠色磨削起步較晚，目前除干式磨削有少量應用外，其余主要集中于高校實驗室中。
2 國內先進磨削技術存在問題
2.1高檔超硬磨具主要由國外壟斷
經過近三十年的高速發展，目前我國超硬磨料和磨具已成為世界Z大生產國，據統計我國金剛石和CBN分別占全世界90%，60%，超硬磨粒磨削應用也已快速進入了石材、陶瓷、汽車、半導體、工具、壓縮機等加工領域;但由于國內超硬磨具至今沒有硬度標準，致使其系列化、標準化、穩定性、可靠性等與國外品牌產品仍有相當差距，超硬磨具進口單價達出口價的26.8倍。以汽車、半導體、工具、軸承等中高檔超硬磨具應用為例，國產砂輪僅占20%左右，而高檔超硬磨具仍主要由國外產品壟斷，超硬磨粒磨削應用進入了發展瓶頸期，國產超硬砂輪難以進入高檔磨具市場。
2.2國產高端磨削裝備工程應用有限
高端磨削裝備是推廣先進磨削技術的基礎，經過數十年的發展，我國制造業已有了很大的發展和進步，我國目前是全球制造業門類Z齊全、機床產量Z大的國家，但我國數控磨床仍以中低端市場為主，高端磨床領域、關鍵部件、關鍵裝備依然依賴進口，尚不能完全實現自給自足。特別是高端磨床方面，缺乏全面、系統、工程化規劃，基礎件研究嚴重滯后，電主軸、高速軸承、在線動平衡、對刀傳感器、數控系統等更是依賴進口，嚴重制約高速和超高速磨削、點磨削、深切緩進和深切快進給磨削等先進磨削技術的工程應用。
2.3磨削技術學術研究與工程應用嚴重脫節
砂輪是多元、多孔、非均質復合材料，其表面磨粒無數、形狀不一、高低有別、容屑有限、刃尖呈大負前角狀態。砂輪的應用不同于一般的機械工程，影響因素極其復雜，存在無數的不確定性，因此磨削技術研究應立足于工程應用，依靠試驗、統計的大量數據。但近二十年來，本領域國內學術研究與工程應用嚴重脫節，工程上有許多的課題無法開展工作，而學術上又有大量的文章在無數的假設條件下建模、仿真、發表，造成有成果和無應用的奇怪現象，甚至嚴重偏離工程實際，對磨削應用毫無意義。
3 結束語
超硬磨粒磨削、高速和高效磨削、精密和超精密磨削、砂帶磨削、智能磨削、綠色磨削等先進磨削技術具有高速、高效、長壽、精密、柔性、綠色等鮮明優點，更符合《中國制造2025》發展戰略，具有很好的發展前景，值得大力推進。
磨削是一個復雜的系統工程，國內在先進磨削技術應用方面還落后于發達國家。為實現國內整體磨削技術應用的提升，需要磨削裝備、功能部件、砂輪制造商、用戶、高校等多維協同合作。不僅應有基礎學術研究，更應注重關鍵共性技術、工程應用研究，建立全面共融攻關機制，有利于快速提高國內先進磨削技術的應用范圍。
關鍵詞：先進磨削；磨料；工藝參數；工程；應用；現狀
0 前言
制造業是立國之本、興國之器、強國之基，是國民經濟的主要支柱。磨削是用硬質磨料去除工件上多余材料的加工方法，磨削可加工任何硬度材料并在微細加工方面具有不可替代的優勢，主要用于裝備制造領域機械零件的精加工，對零件表面質量起關鍵作用。
磨削技術的發展主要圍繞科學技術的進步及機械零件的技術要求(精度、質量)展開，其工程應用主要依賴于國家需求，裝備制造技術及經濟合理性(效率、成本)發展。在19世紀，正處于工業革命初級階段，磨削工具主要依靠天然磨料，磨削加工主要由手工完成，很難保持工件質量的穩定，更無效率可言;進入20世紀，發明了磨床，并制造出性能相對穩定的人造磨料（剛玉、碳化硅、金剛石、CBN），具備了現代加工的基本特征，大大減輕了操作者的工作強度，提高了磨削效率和加工精度。
目前，國內機械工程學科已位于世界前列，磨削技術的學術研究與國外已無大的差別，甚至在個別技術領域已處于領先地位。然而，若從工程應用領域來看，先進磨削技術與國外相差較大，高檔磨床、關鍵功能部件以及部分核心技術等嚴重依賴國外。文中僅從應用角度介紹技術比較成熟，效果比較突出，影響面較廣的先進磨削技術。
1 先進磨削技術
1.1高效磨削
磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有無可比擬的優勢，但其材料去除率較低，難以與車削、銑削等抗衡。為提高磨削效率，主要通過增加單位時間內有效磨粒數(如高速磨削、超高速磨削)，增加磨削接觸區面積(如緩進給磨削、端面磨削)，增加磨削點位數量(如蝸桿砂輪磨削、多砂輪磨削)，加大磨粒載荷(如重載荷磨削、點磨削)，減少輔助時間(如復合磨削、數控磨削)等措施。
1.1.1高速磨削、超高速磨削
高速磨削(砂輪速度大于50m/s)、超高速磨削(砂輪速度大于150m/s)能大幅度提高磨削效率，改善磨削質量，提高砂輪耐用度。多年來，為更好地實現高速磨削、超高速磨削工程化應用，國外相繼開發了高速軸承、高速電主軸、直線電動機、高精度和高剛度絲杠導軌、大理石床身、CFRP基體砂輪、砂輪在線動平衡、砂輪防碰撞、高壓注入冷卻、砂輪精密定位、在線智能監測、高可靠性數控系統、高分辨率標尺等。同時，正是基于這些關鍵技術的突破與工程化研究，使高速磨削、超高速磨削在工業發達國家普遍應用。
我國高速磨削從20世紀50年代末開始推廣，但應用有限。20世紀90年代末高速磨削、超高速磨削在國內快速發展，大企業依靠雄厚的資金引進了配套的高檔數控磨床，才使我國汽車凸輪軸、曲軸等關鍵零件加工開始采用高速磨削、超高速磨削技術。盡管近年來國產磨床有了質的飛躍，無故障工作時間有大的提升，大量機床出口，但其核心零部件對外依存度高。如高速電主軸主要依賴德國、瑞士、意大利、韓國;高速軸承主要依賴德國、瑞典、日本;變頻器依賴德國、日本、法國、美國；砂輪在線動平衡依賴美國、德國；防碰撞監控系統依賴德國、荷蘭、美國;直線導軌依賴日本、德國、韓國;直線電動機依賴美國、日本、以色列;數控系統依賴德國、日本；磨具依賴美國、德國、日本等。高速磨削核心技術被國外嚴重壟斷。
高速磨削、超高速磨削技術是一把雙刃劍，既助推了我國機械工業的發展，但也推高了國內高檔磨床的價位，使絕大部分中小企業望而止步。目前，國內高速磨削、超高速磨削技術的應用仍主要用于汽車、壓縮機、半導體等個別零件加工，而在鋼鐵、軸承、齒輪、農機、航空、船舶等傳統制造產業，高速磨削普及率仍很低。
1.1.2點磨削
點磨削是高速磨削技術的新發展，是集CBN超硬磨料、超高速磨削、CNC柔性加工三大先進技術于一體的高效加工技術。點磨削使用寬度只有4～6mm的CBN砂輪、三點快速精密定位技術、砂輪可在線自動平衡技術；砂輪軸線相對于工件軸線可適當傾斜，使砂輪與工件的接觸從傳統的砂輪全寬線接觸變為“點接觸”狀態。不僅具有高速磨削、超高速磨削的優點，且類似于數控車削，磨削深度大，法向磨削力小，冷卻、排屑充分，磨削溫度低，操作方便等，特別適合細長軸類零件加工，是磨削技術與數控技術的極佳結合。
點磨削可一次裝夾完成工件全部外圓面、簡單曲面，代替多臺機床實現粗、精加工，生產效率成倍提高，符合綠色制造的發展趨勢。目前，點磨削技術已在國內部分大型汽車制造廠用于磨削凸輪軸，砂輪修整一次可磨削3000件，一片砂輪可修整20次，砂輪壽命達6萬件，磨削質量穩定，效率高，生產成本降低，但國內沒有掌握點磨削的核心技術。
1.1.3緩進深切及高效深切磨削
與普通平面磨削(砂輪速度不大于35m/s，工件進給速度1～30m/min，磨削深度1～50μm)相比，緩進深切磨削是指工件進給速度(0.05～0.50m/min)較低，磨削深度(0.1～30.0mm)較大的磨削方式。由于磨削深度大，可通過一次磨削行程完成以前多次切入才能達到的磨削余量。高效深切磨削是在緩進深切磨削的基礎上，進一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技術，提高了工件進給速度(0.5～10.0m/min)，極大地提高了磨削效率，被譽為“現代磨削技術的Z高峰”。
緩進深切磨削技術和高效深切磨削技術均具有磨削弧長，可一次加工成形等特點，磨削過程中采用高壓強冷、連續修整等相關技術，具有高的磨削效率(達普通磨削的幾倍到上千倍)，好的型面保持性，高的砂輪耐用度等。特別適合成形磨削和切割磨削，如葉片榫齒、齒輪形面、連桿結合面、轉子槽、卡尺滑槽、卡盤導向槽、工具槽、絲杠螺旋槽磨削;晶圓劃片、封裝切割、石材切割磨削等。目前已得到廣泛的應用，但市場上主要的平面強力磨床仍是國外品牌。
1.1.4蝸桿砂輪磨削
齒輪作為重要的基礎傳動零件，在交通、機械、儀器、兵器等行業普遍應用，其精度、齒面質量將直接影響齒輪傳動的承載能力、使用壽命和平穩性。隨著科學技術的發展，對齒輪的要求越來越高，硬齒面磨削工藝在齒輪生產中得到大力推廣。蝸桿砂輪磨削是基于螺旋齒輪傳動原理，砂輪與齒輪空間嚙合旋轉，實現齒輪連續分度展成磨削，砂輪剛性好，磨削接觸點多，加工效率高，磨削精度好，表面質量優。
20世紀末蝸桿砂輪磨削技術開始在國內大量應用，主要是隨著高檔磨床的引進以及韌性、自銳性、耐磨性俱佳的陶瓷剛玉(SG)磨料在國內的工程化應用，進而使蝸桿砂輪磨削逐漸成為硬齒面齒輪精加工的主流。目前，蝸桿砂輪磨削技術主要用于中小模數齒輪的大批量生產。
1.1.5重載荷磨削
重載荷磨削主要技術特點是:1)磨削力大，是所有磨削方式中載荷Z大(10～30kN)，加工效率Z高(500～1000kg/h)的磨削技術;2)工作環境惡劣，多在高溫下使用，工件原始形態波動大;3)對加工精度和表面粗糙度要求不高，砂輪不需修整。重載荷磨削主要用于鋼坯、鋼板表面缺陷層(裂紋、夾渣、結疤、氣孔、脫碳層、氧化皮等)的修磨，磨削功率已達100～300kW，砂輪速度80～120m/s。其主要考核指標是磨削效率和砂輪使用壽命。
目前，重載荷磨削已在特鋼制造領域普遍應用，成為高性能鋼生產的重要工序，但國內磨制鋼占粗鋼的比例仍很低。隨著我國裝備制造業的發展和提升，對鋼材質量的要求越來越嚴格，高速、重載荷磨削應用進一步拓展。
1.1.6輪軌高速、被動磨削
鐵路、地鐵等輪軌由于長期承受交變載荷和摩擦力的作用，使其表面時常出現不均勻磨損(波磨、裂紋、剝落、壓潰、點蝕、肥邊等)。為使列車運行平穩、安全，乘客舒適，延長輪軌壽命等，輪軌需要定時進行修復。高速、被動磨削是近年發展起來的新型輪軌打磨技術。作業中砂輪自身不帶動力，是通過打磨車的行進及壓力，使砂輪外圓與輪軌間產生擠壓、滾動、摩擦、耕犁、切削;依靠二者間的夾角，調整砂輪切向旋轉速度及輪軌表面紋理。高速、被動磨削不僅效率高，而且質量好，成本低。
與目前輪軌修復使用Z廣泛的砂輪端面主動打磨技術相比，輪軌被動磨削Z大的優點是打磨速度快(60～80km/h)，特別適用于行車密集的線路。輪軌修復時無需封閉線路，減少了對線路運行的影響，節省了輪軌維護成本，提升了線路運營能力，具有很好的發展前景。但是，由于國外技術保密，國內尚處于研究、開發階段。
1.1.7復合磨削
復合加工是將零件的相關加工工序集中在同一機床上，實現高效加工或精密加工的目的。復合磨削主要有2種類型。
1)在1個工位上復合或疊加多種加工方法的方式，如超聲磨削是在砂輪磨削的基礎上疊加一個超聲振動，使砂輪與工件間形成周期性接觸，可減小磨削力，降低磨削溫度，改善磨削狀態，提高磨削質量，延長砂輪壽命;還有電解磨削、電火花機械復合磨削、紫外光輔助磨削、磁流變拋光等，此類復合磨削在學術界多次出現，主要出現在高校研究中，工業應用極少。
2)復合磨削中心，主要出現在工程應用領域，是依托現代柔性的數控系統，以一次裝夾，實現多工具、多工序集中的磨削思路。復合磨削主要針對軸類、盤類零件的端面、外圓、內孔、錐面、螺紋等多種加工要素，磨削功能高度復合，在基準統一條件下可保證工序間的高精度，大大減少了機床和夾具數量，縮減了工序間的輔助時間，達到提高生產效率以及降低操作者勞動強度的目的，具有更高的應用需求和實用價值。目前已普遍應用在工具類大批量生產中，如可轉位機夾刀片磨削、整體立銑刀磨削、HSK刀柄磨削、軸承套圈復合磨削等，但國內80%以上的數控復合機床仍依靠進口。
1.2精密及超精密磨削
磨削通常可經濟地獲得表面粗糙度Ra值為0.20～2.00μm的工件，然而，隨著科學技術的不斷發展以及加工精度、表面完整性要求越來越高，磨削加工已經成為現代裝備制造業實現精密及超精密加工Z有效、Z廣泛的實用技術，許多零部件對精密磨削(Ra值為0.025～0.250μm)、超精密磨削(Ra值小于0.025μm)的需求也越來越多，因此現代磨削技術正向微細化的方向發展。
1.2.1低表面粗糙度磨削
工程上，鐵系材料低表面粗糙度磨削(Ra值小于0.2μm)主要采用普通磨料砂輪。基于普通磨料比金剛石硬度低，脆性大，易修整的特點，采用銳利的金剛石工具，通過精細修整使砂輪表面磨粒具有微刃態和等高性。利用砂輪表面磨粒的微切削作用、金屬材料的微塑性流動和二者間的擠壓、摩擦、拋光作用，使磨削表面紋理極其微細、光滑。目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工機床主軸、軸承滾道、滾珠滾子、導軌、液壓零件等精密零件，應用相對普及。
對于超硬磨料磨具，由于磨料硬度高，砂輪修整困難等技術難題，采用傳統磨削方式直接用于低表面粗糙度磨削還受到很多因素限制。
1.2.2ELID磨削
在線電解修整(Electrolytic In process Dressing ELID)磨削是由日本學者Ohmori于1987年提出的一項磨削技術，專門針對超硬砂輪的修整難題及金屬結合劑的導電特性，在砂輪與工件間通過電解磨削液構成電化學系統，利用其陽極溶解效應，對超硬砂輪表層進行微量電解去除，使砂輪表面磨粒逐漸露出，產生大量微容屑空間;同時在砂輪表面形成一層鈍化膜，可抑制砂輪的過度電解，使砂輪表面始終保持Z佳狀態，有利于持續加工。
ELID磨削拓寬了超細粒度(600#～30000#)金屬結合劑和超硬磨料砂輪的應用范圍，特別適用于硬脆材料的精密和超精密磨削加工，目前已成功應用于陶瓷反射鏡、玻璃非球面透鏡、鐵氧體器件、軸承滾道、模具加工中。ELID磨削效率高，精度高，質量好，但由于現有磨床安裝ELID裝置空間有限，電解液維護要求高等，其應用面不大，主要用于光學、電子、儀表等精密加工領域。
1.2.3脆性材料延性域磨削
陶瓷、寶石、硅片、玻璃等材料具有低密度、高硬度、耐磨、耐熱、耐腐蝕等系列特性，在航空航天、電子通信、儀器儀表、切削工具等領域有廣泛的應用空間，但由于這些材料同時具有脆性特點，使其在制造過程中很容易產生裂紋、崩邊、崩碎等缺陷，限制了其工程應用。文獻Z早給出硬脆材料延性域加工閾值公式，認為只有當磨粒切削深度小于待加工材料的臨界切削深度(納米級)時，脆性材料才會實現延性域磨削，改善其加工的不足;但要實現硬脆材料純延性域磨削非常困難，不僅納米級微進給條件苛刻，而且純延性域磨削幾乎無效率可言。
目前，工程上大量應用的是半延性域磨削，材料去除方式既有脆性斷裂，也有塑性變形。由于砂輪表面磨粒數量眾多，磨粒高度不一，磨粒切削深度有高有低，每次磨削總有部分磨粒切削深度在納米級狀態，即延性域磨削始終伴隨在硬脆材料的磨削過程中;并且，隨著砂輪粒度的減小，砂輪平衡精度的提高，修整精度的細化，磨床剛性、精度、動態特性的提升，特別是磨床進給機構的精細化，必然使硬脆材料延性域磨削占比加大。目前，硬脆材料延性域磨削主要應用于電子信息、航空航天、陶瓷軸承領域，應用范圍相對稍小。
1.2.4工件自旋轉磨削
硅材料號稱芯片產業功能材料，硅材料硬脆和晶片超薄，加工中易產生變形、裂紋、斷裂，加工難度很大。工件自旋轉磨削技術于1988年由日本學者MatsuiS提出，目前是硅片減薄磨削的主流。硅片利用真空吸盤裝夾，采用杯形金剛石砂輪一對一端面磨削，砂輪外圓與硅片中心對齊，硅片與砂輪各自繞其軸線旋轉，砂輪再沿其軸向微量進給。與其他端面磨削方法相比，其主要特點是砂輪與硅片的接觸位置不變，接觸面積相對固定，砂輪工作層呈單窄環(環寬3～5mm)，間隙布局，便于低溫、精密磨削，改善硅片面形精度。工件自旋轉磨削主要使用300#～4000#的超細磨料，加上機床的微量切入(0.1～1000μm/min)、合理的速度比及修平技術，可使砂輪表面大部分磨粒切入深度小于硅片延性域磨削臨界切削深度，實現塑性去除磨削。目前，工件自旋轉磨削在半導體功能材料減薄加工方面已獲得普遍應用。
1.2.5CMP
在晶片的超精密加工中，為進一步獲得無損傷、光滑的高精度表面，學者提出了許多加工方法，主要有:磁懸浮拋光、電泳拋光、浮法拋光、彈性發射拋光、磁流變拋光、離子束拋光、剪切增稠拋光、水合拋光、化學機械拋光等，其中化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)應用Z廣泛。CMP是目前集成電路制造中晶圓全局均勻平坦化的關鍵技術，Z早于1965年由美國的Mon-santo提出。CMP是在一定壓力和拋光液存在下，旋轉的工件與旋轉的拋光墊相接觸，借助微納米級磨粒的研磨作用和氧化劑的化學腐蝕協同，快速達到高質量和無損傷的表面。
CMP隨著半導體產業的發展而興起，目前主要用于單晶硅、多晶硅、藍寶石、氧化硅、碳化硅、石英晶體、銅、鎢等。CMP是集機械學、摩擦學、材料學、力學、化學為一體的綜合加工技術，避免單純機械拋光易產生表面損傷和單純化學拋光速度慢，表面平整度和一致性差等缺點，使其加工性和速度同時滿足了晶圓的加工要求。
1.3砂帶磨削
砂帶磨削是以涂附磨料磨具(砂帶)為工具，并輔之接觸輪或壓磨板以提高磨具剛度，使砂帶處于張緊和工作運行狀態，對工件表面進行加工的一種高效磨削技術。砂帶磨削與砂輪磨削有本質不同，其主要特點:1)砂帶薄而韌，適應性好，可根據工件形狀以相應的接觸方式進行加工;2)磨削表面完整性好，砂帶薄且曲率不斷變化，吸振性好，散熱快，不易堵塞，磨削溫度低，磨削質量好;3)磨削效率高，砂帶磨削速度恒定，其寬度一般可根據工件的磨削形面定制，Z寬已達5m，效率高，成本低;4)磨削比高、能耗低，砂帶磨削通常在低速下工作，砂帶上磨粒比砂輪磨粒具有更強的切削能力，一般磨削功率僅為砂輪磨削的1/3左右;5)可磨削各種材料，不僅是金屬材料，木材、塑料、皮革等非金屬材料也有很好的加工性。
近幾年，隨著人們對砂帶磨削認識的提高，砂帶、頁輪等涂附磨具在國內已有相當規模和水平的應用，從家庭生活到工業生產的各個領域無所不用，從簡單的扒皮磨削到飛機發動機葉片自適應砂帶磨削無所不能。但是，國內砂帶磨削應用仍相對滯后，以砂帶磨床與砂輪磨床之比分析，美國49∶51，德國45∶55，而國內約20∶80。
1.4智能磨削
智能制造是新一輪工業革命的核心技術，該系統不但具備柔性，還表現出某種智能(如磨削精度，表面粗糙度自我校正，磨削力、噪聲自我控制，磨削參數自我優化等)，以便減少磨削缺陷，應對激烈競爭的復雜環境，大量的復雜信息和瞬息萬變的市場需求。智能磨削是數控技術的進一步升級，是借助先進的傳感器技術及數據處理手段，實現對磨削過程的感知、預測、控制，達到經濟有效提升相關精度和表面質量的目的。實時監測磨削加工各種信息，如:磨削參數、磨削液狀況、砂輪平衡、砂輪磨損，工件找正、對刀、精度、表面粗糙度、質量，磨削載荷、振動、溫度、AE等;進而依據傳感器監測提供的信息，結合系統集成的相關數據庫、經驗庫，對磨削過程中的各種信息進行分析、判斷和決策;再依據當前磨削信息及決策規劃進行實時的自身調整，獲得Z優的磨削性能或保證磨床處于Z佳的工作狀態。
目前，智能磨削已取得很好的效果，如磨削力自適應控制磨削、磨削質量智能優化、機器人智能拋光葉片、表面粗糙度智能磨削、智能誤差補償、ELID智能磨削、工藝參數智能優化等，但智能磨削工程化應用幾乎為零，目前還僅存于實驗室測試或單一參數約束。而磨削是一個極其復雜的多因素交互影響系統，只有實現多傳感器監控，多參數跟蹤，多信號融合分析，全方位評判的綜合智能磨削，才是工程化、現代化磨削技術發展的重要方向。多參數智能磨削工程應用的路還很長。
1.5綠色磨削
傳統磨削加工大量使用磨削液，采用澆注式冷卻磨削區溫度，磨削液的大量使用給現場環境和操作者健康帶來了一定危害，而且增加企業磨削加工成本。面對人類社會可持續發展的需要，綠色磨削技術是一種基于綠色制造理念，從生態學和經濟學角度綜合考慮環境和資源兩大問題的一種現代制造模式。綠色制造目前已在全世界展開。
為了減少三廢(廢氣、廢液、廢渣)，國內外綠色磨削Z集中、Z熱門的研究領域是設法減少磨削液對環境、現場的影響。目前，研究課題主要有內冷卻磨削、低溫冷風磨削、高壓射流磨削、霧化冷卻磨削、微量潤滑磨削、固體潤滑磨削及干式磨削等。由于國內綠色磨削起步較晚，目前除干式磨削有少量應用外，其余主要集中于高校實驗室中。
2 國內先進磨削技術存在問題
2.1高檔超硬磨具主要由國外壟斷
經過近三十年的高速發展，目前我國超硬磨料和磨具已成為世界Z大生產國，據統計我國金剛石和CBN分別占全世界90%，60%，超硬磨粒磨削應用也已快速進入了石材、陶瓷、汽車、半導體、工具、壓縮機等加工領域;但由于國內超硬磨具至今沒有硬度標準，致使其系列化、標準化、穩定性、可靠性等與國外品牌產品仍有相當差距，超硬磨具進口單價達出口價的26.8倍。以汽車、半導體、工具、軸承等中高檔超硬磨具應用為例，國產砂輪僅占20%左右，而高檔超硬磨具仍主要由國外產品壟斷，超硬磨粒磨削應用進入了發展瓶頸期，國產超硬砂輪難以進入高檔磨具市場。
2.2國產高端磨削裝備工程應用有限
高端磨削裝備是推廣先進磨削技術的基礎，經過數十年的發展，我國制造業已有了很大的發展和進步，我國目前是全球制造業門類Z齊全、機床產量Z大的國家，但我國數控磨床仍以中低端市場為主，高端磨床領域、關鍵部件、關鍵裝備依然依賴進口，尚不能完全實現自給自足。特別是高端磨床方面，缺乏全面、系統、工程化規劃，基礎件研究嚴重滯后，電主軸、高速軸承、在線動平衡、對刀傳感器、數控系統等更是依賴進口，嚴重制約高速和超高速磨削、點磨削、深切緩進和深切快進給磨削等先進磨削技術的工程應用。
2.3磨削技術學術研究與工程應用嚴重脫節
砂輪是多元、多孔、非均質復合材料，其表面磨粒無數、形狀不一、高低有別、容屑有限、刃尖呈大負前角狀態。砂輪的應用不同于一般的機械工程，影響因素極其復雜，存在無數的不確定性，因此磨削技術研究應立足于工程應用，依靠試驗、統計的大量數據。但近二十年來，本領域國內學術研究與工程應用嚴重脫節，工程上有許多的課題無法開展工作，而學術上又有大量的文章在無數的假設條件下建模、仿真、發表，造成有成果和無應用的奇怪現象，甚至嚴重偏離工程實際，對磨削應用毫無意義。
3 結束語
超硬磨粒磨削、高速和高效磨削、精密和超精密磨削、砂帶磨削、智能磨削、綠色磨削等先進磨削技術具有高速、高效、長壽、精密、柔性、綠色等鮮明優點，更符合《中國制造2025》發展戰略，具有很好的發展前景，值得大力推進。
磨削是一個復雜的系統工程，國內在先進磨削技術應用方面還落后于發達國家。為實現國內整體磨削技術應用的提升，需要磨削裝備、功能部件、砂輪制造商、用戶、高校等多維協同合作。不僅應有基礎學術研究，更應注重關鍵共性技術、工程應用研究，建立全面共融攻關機制，有利于快速提高國內先進磨削技術的應用范圍。
（來源：磨料磨具研習社）
