冯克明；赵金坠

(1.郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，郑州 450001;2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039)

摘　要：磨削可加工任何硬度材料并在微细加工方面具有不可替代的优势，是现代装备制造业发展的重要支承。基于先进磨削技术高速、高效、精密、长寿、柔性、绿色等特点，对目前磨削技术进行了全面梳理、归纳，介绍了高速和超高速磨削、高效深切磨削、蜗杆砂轮磨削、重载荷磨削、精密和超精密磨削、脆性材料延性域磨削、轮轨高速被动磨削、复合磨削、智能磨削、绿色磨削等先进磨削技术的加工机理、技术特点及影响因素，并重点分析其应用现状。先进磨削技术普及率低主要是国内高档磨床及其关键功能部件制造落后，关键核心技术薄弱，产学研用合作不足，应用领域受限等。Z后，对先进磨削技术的未来发展进行了展望，并提出了相关建议。
关键词：先进磨削；磨料；工艺参数；工程；应用；现状
0　前言
制造业是立国之本、兴国之器、强国之基，是国民经济的主要支柱。磨削是用硬质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细加工方面具有不可替代的优势，主要用于装备制造领域机械零件的精加工，对零件表面质量起关键作用。
磨削技术的发展主要围绕科学技术的进步及机械零件的技术要求(精度、质量)展开，其工程应用主要依赖于国家需求，装备制造技术及经济合理性(效率、成本)发展。在19世纪，正处于工业革命初级阶段，磨削工具主要依靠天然磨料，磨削加工主要由手工完成，很难保持工件质量的稳定，更无效率可言;进入20世纪，发明了磨床，并制造出性能相对稳定的人造磨料（刚玉、碳化硅、金刚石、CBN），具备了现代加工的基本特征，大大减轻了操作者的工作强度，提高了磨削效率和加工精度。
目前，国内机械工程学科已位于世界前列，磨削技术的学术研究与国外已无大的差别，甚至在个别技术领域已处于领先地位。然而，若从工程应用领域来看，先进磨削技术与国外相差较大，高档磨床、关键功能部件以及部分核心技术等严重依赖国外。文中仅从应用角度介绍技术比较成熟，效果比较突出，影响面较广的先进磨削技术。
1　先进磨削技术
1.1高效磨削
磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料去除率较低，难以与车削、铣削等抗衡。为提高磨削效率，主要通过增加单位时间内有效磨粒数(如高速磨削、超高速磨削)，增加磨削接触区面积(如缓进给磨削、端面磨削)，增加磨削点位数量(如蜗杆砂轮磨削、多砂轮磨削)，加大磨粒载荷(如重载荷磨削、点磨削)，减少辅助时间(如复合磨削、数控磨削)等措施。
1.1.1高速磨削、超高速磨削
高速磨削(砂轮速度大于50m/s)、超高速磨削(砂轮速度大于150m/s)能大幅度提高磨削效率，改善磨削质量，提高砂轮耐用度。多年来，为更好地实现高速磨削、超高速磨削工程化应用，国外相继开发了高速轴承、高速电主轴、直线电动机、高精度和高刚度丝杠导轨、大理石床身、CFRP基体砂轮、砂轮在线动平衡、砂轮防碰撞、高压注入冷却、砂轮精密定位、在线智能监测、高可靠性数控系统、高分辨率标尺等。同时，正是基于这些关键技术的突破与工程化研究，使高速磨削、超高速磨削在工业发达国家普遍应用。
我国高速磨削从20世纪50年代末开始推广，但应用有限。20世纪90年代末高速磨削、超高速磨削在国内快速发展，大企业依靠雄厚的资金引进了配套的高档数控磨床，才使我国汽车凸轮轴、曲轴等关键零件加工开始采用高速磨削、超高速磨削技术。尽管近年来国产磨床有了质的飞跃，无故障工作时间有大的提升，大量机床出口，但其核心零部件对外依存度高。如高速电主轴主要依赖德国、瑞士、意大利、韩国;高速轴承主要依赖德国、瑞典、日本;变频器依赖德国、日本、法国、美国；砂轮在线动平衡依赖美国、德国；防碰撞监控系统依赖德国、荷兰、美国;直线导轨依赖日本、德国、韩国;直线电动机依赖美国、日本、以色列;数控系统依赖德国、日本；磨具依赖美国、德国、日本等。高速磨削核心技术被国外严重垄断。
高速磨削、超高速磨削技术是一把双刃剑，既助推了我国机械工业的发展，但也推高了国内高档磨床的价位，使绝大部分中小企业望而止步。目前，国内高速磨削、超高速磨削技术的应用仍主要用于汽车、压缩机、半导体等个别零件加工，而在钢铁、轴承、齿轮、农机、航空、船舶等传统制造产业，高速磨削普及率仍很低。
1.1.2点磨削
点磨削是高速磨削技术的新发展，是集CBN超硬磨料、超高速磨削、CNC柔性加工三大先进技术于一体的高效加工技术。点磨削使用宽度只有4～6mm的CBN砂轮、三点快速精密定位技术、砂轮可在线自动平衡技术；砂轮轴线相对于工件轴线可适当倾斜，使砂轮与工件的接触从传统的砂轮全宽线接触变为“点接触”状态。不仅具有高速磨削、超高速磨削的优点，且类似于数控车削，磨削深度大，法向磨削力小，冷却、排屑充分，磨削温度低，操作方便等，特别适合细长轴类零件加工，是磨削技术与数控技术的极佳结合。
点磨削可一次装夹完成工件全部外圆面、简单曲面，代替多台机床实现粗、精加工，生产效率成倍提高，符合绿色制造的发展趋势。目前，点磨削技术已在国内部分大型汽车制造厂用于磨削凸轮轴，砂轮修整一次可磨削3000件，一片砂轮可修整20次，砂轮寿命达6万件，磨削质量稳定，效率高，生产成本降低，但国内没有掌握点磨削的核心技术。
1.1.3缓进深切及高效深切磨削
与普通平面磨削(砂轮速度不大于35m/s，工件进给速度1～30m/min，磨削深度1～50μm)相比，缓进深切磨削是指工件进给速度(0.05～0.50m/min)较低，磨削深度(0.1～30.0mm)较大的磨削方式。由于磨削深度大，可通过一次磨削行程完成以前多次切入才能达到的磨削余量。高效深切磨削是在缓进深切磨削的基础上，进一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技术，提高了工件进给速度(0.5～10.0m/min)，极大地提高了磨削效率，被誉为“现代磨削技术的Z高峰”。
缓进深切磨削技术和高效深切磨削技术均具有磨削弧长，可一次加工成形等特点，磨削过程中采用高压强冷、连续修整等相关技术，具有高的磨削效率(达普通磨削的几倍到上千倍)，好的型面保持性，高的砂轮耐用度等。特别适合成形磨削和切割磨削，如叶片榫齿、齿轮形面、连杆结合面、转子槽、卡尺滑槽、卡盘导向槽、工具槽、丝杠螺旋槽磨削;晶圆划片、封装切割、石材切割磨削等。目前已得到广泛的应用，但市场上主要的平面强力磨床仍是国外品牌。
1.1.4蜗杆砂轮磨削
齿轮作为重要的基础传动零件，在交通、机械、仪器、兵器等行业普遍应用，其精度、齿面质量将直接影响齿轮传动的承载能力、使用寿命和平稳性。随着科学技术的发展，对齿轮的要求越来越高，硬齿面磨削工艺在齿轮生产中得到大力推广。蜗杆砂轮磨削是基于螺旋齿轮传动原理，砂轮与齿轮空间啮合旋转，实现齿轮连续分度展成磨削，砂轮刚性好，磨削接触点多，加工效率高，磨削精度好，表面质量优。
20世纪末蜗杆砂轮磨削技术开始在国内大量应用，主要是随着高档磨床的引进以及韧性、自锐性、耐磨性俱佳的陶瓷刚玉(SG)磨料在国内的工程化应用，进而使蜗杆砂轮磨削逐渐成为硬齿面齿轮精加工的主流。目前，蜗杆砂轮磨削技术主要用于中小模数齿轮的大批量生产。
1.1.5重载荷磨削
重载荷磨削主要技术特点是:1)磨削力大，是所有磨削方式中载荷Z大(10～30kN)，加工效率Z高(500～1000kg/h)的磨削技术;2)工作环境恶劣，多在高温下使用，工件原始形态波动大;3)对加工精度和表面粗糙度要求不高，砂轮不需修整。重载荷磨削主要用于钢坯、钢板表面缺陷层(裂纹、夹渣、结疤、气孔、脱碳层、氧化皮等)的修磨，磨削功率已达100～300kW，砂轮速度80～120m/s。其主要考核指标是磨削效率和砂轮使用寿命。
目前，重载荷磨削已在特钢制造领域普遍应用，成为高性能钢生产的重要工序，但国内磨制钢占粗钢的比例仍很低。随着我国装备制造业的发展和提升，对钢材质量的要求越来越严格，高速、重载荷磨削应用进一步拓展。
1.1.6轮轨高速、被动磨削
铁路、地铁等轮轨由于长期承受交变载荷和摩擦力的作用，使其表面时常出现不均匀磨损(波磨、裂纹、剥落、压溃、点蚀、肥边等)。为使列车运行平稳、安全，乘客舒适，延长轮轨寿命等，轮轨需要定时进行修复。高速、被动磨削是近年发展起来的新型轮轨打磨技术。作业中砂轮自身不带动力，是通过打磨车的行进及压力，使砂轮外圆与轮轨间产生挤压、滚动、摩擦、耕犁、切削;依靠二者间的夹角，调整砂轮切向旋转速度及轮轨表面纹理。高速、被动磨削不仅效率高，而且质量好，成本低。
与目前轮轨修复使用Z广泛的砂轮端面主动打磨技术相比，轮轨被动磨削Z大的优点是打磨速度快(60～80km/h)，特别适用于行车密集的线路。轮轨修复时无需封闭线路，减少了对线路运行的影响，节省了轮轨维护成本，提升了线路运营能力，具有很好的发展前景。但是，由于国外技术保密，国内尚处于研究、开发阶段。
1.1.7复合磨削
复合加工是将零件的相关加工工序集中在同一机床上，实现高效加工或精密加工的目的。复合磨削主要有2种类型。
1)在1个工位上复合或叠加多种加工方法的方式，如超声磨削是在砂轮磨削的基础上叠加一个超声振动，使砂轮与工件间形成周期性接触，可减小磨削力，降低磨削温度，改善磨削状态，提高磨削质量，延长砂轮寿命;还有电解磨削、电火花机械复合磨削、紫外光辅助磨削、磁流变抛光等，此类复合磨削在学术界多次出现，主要出现在高校研究中，工业应用极少。
2)复合磨削中心，主要出现在工程应用领域，是依托现代柔性的数控系统，以一次装夹，实现多工具、多工序集中的磨削思路。复合磨削主要针对轴类、盘类零件的端面、外圆、内孔、锥面、螺纹等多种加工要素，磨削功能高度复合，在基准统一条件下可保证工序间的高精度，大大减少了机床和夹具数量，缩减了工序间的辅助时间，达到提高生产效率以及降低操作者劳动强度的目的，具有更高的应用需求和实用价值。目前已普遍应用在工具类大批量生产中，如可转位机夹刀片磨削、整体立铣刀磨削、HSK刀柄磨削、轴承套圈复合磨削等，但国内80%以上的数控复合机床仍依靠进口。
1.2精密及超精密磨削
磨削通常可经济地获得表面粗糙度Ra值为0.20～2.00μm的工件，然而，随着科学技术的不断发展以及加工精度、表面完整性要求越来越高，磨削加工已经成为现代装备制造业实现精密及超精密加工Z有效、Z广泛的实用技术，许多零部件对精密磨削(Ra值为0.025～0.250μm)、超精密磨削(Ra值小于0.025μm)的需求也越来越多，因此现代磨削技术正向微细化的方向发展。
1.2.1低表面粗糙度磨削
工程上，铁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轮。基于普通磨料比金刚石硬度低，脆性大，易修整的特点，采用锐利的金刚石工具，通过精细修整使砂轮表面磨粒具有微刃态和等高性。利用砂轮表面磨粒的微切削作用、金属材料的微塑性流动和二者间的挤压、摩擦、抛光作用，使磨削表面纹理极其微细、光滑。目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工机床主轴、轴承滚道、滚珠滚子、导轨、液压零件等精密零件，应用相对普及。
对于超硬磨料磨具，由于磨料硬度高，砂轮修整困难等技术难题，采用传统磨削方式直接用于低表面粗糙度磨削还受到很多因素限制。
1.2.2ELID磨削
在线电解修整(Electrolytic In process Dressing ELID)磨削是由日本学者Ohmori于1987年提出的一项磨削技术，专门针对超硬砂轮的修整难题及金属结合剂的导电特性，在砂轮与工件间通过电解磨削液构成电化学系统，利用其阳极溶解效应，对超硬砂轮表层进行微量电解去除，使砂轮表面磨粒逐渐露出，产生大量微容屑空间;同时在砂轮表面形成一层钝化膜，可抑制砂轮的过度电解，使砂轮表面始终保持Z佳状态，有利于持续加工。
ELID磨削拓宽了超细粒度(600#～30000#)金属结合剂和超硬磨料砂轮的应用范围，特别适用于硬脆材料的精密和超精密磨削加工，目前已成功应用于陶瓷反射镜、玻璃非球面透镜、铁氧体器件、轴承滚道、模具加工中。ELID磨削效率高，精度高，质量好，但由于现有磨床安装ELID装置空间有限，电解液维护要求高等，其应用面不大，主要用于光学、电子、仪表等精密加工领域。
1.2.3脆性材料延性域磨削
陶瓷、宝石、硅片、玻璃等材料具有低密度、高硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀等系列特性，在航空航天、电子通信、仪器仪表、切削工具等领域有广泛的应用空间，但由于这些材料同时具有脆性特点，使其在制造过程中很容易产生裂纹、崩边、崩碎等缺陷，限制了其工程应用。文献Z早给出硬脆材料延性域加工阈值公式，认为只有当磨粒切削深度小于待加工材料的临界切削深度(纳米级)时，脆性材料才会实现延性域磨削，改善其加工的不足;但要实现硬脆材料纯延性域磨削非常困难，不仅纳米级微进给条件苛刻，而且纯延性域磨削几乎无效率可言。
目前，工程上大量应用的是半延性域磨削，材料去除方式既有脆性断裂，也有塑性变形。由于砂轮表面磨粒数量众多，磨粒高度不一，磨粒切削深度有高有低，每次磨削总有部分磨粒切削深度在纳米级状态，即延性域磨削始终伴随在硬脆材料的磨削过程中;并且，随着砂轮粒度的减小，砂轮平衡精度的提高，修整精度的细化，磨床刚性、精度、动态特性的提升，特别是磨床进给机构的精细化，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应用于电子信息、航空航天、陶瓷轴承领域，应用范围相对稍小。
1.2.4工件自旋转磨削
硅材料号称芯片产业功能材料，硅材料硬脆和晶片超薄，加工中易产生变形、裂纹、断裂，加工难度很大。工件自旋转磨削技术于1988年由日本学者MatsuiS提出，目前是硅片减薄磨削的主流。硅片利用真空吸盘装夹，采用杯形金刚石砂轮一对一端面磨削，砂轮外圆与硅片中心对齐，硅片与砂轮各自绕其轴线旋转，砂轮再沿其轴向微量进给。与其他端面磨削方法相比，其主要特点是砂轮与硅片的接触位置不变，接触面积相对固定，砂轮工作层呈单窄环(环宽3～5mm)，间隙布局，便于低温、精密磨削，改善硅片面形精度。工件自旋转磨削主要使用300#～4000#的超细磨料，加上机床的微量切入(0.1～1000μm/min)、合理的速度比及修平技术，可使砂轮表面大部分磨粒切入深度小于硅片延性域磨削临界切削深度，实现塑性去除磨削。目前，工件自旋转磨削在半导体功能材料减薄加工方面已获得普遍应用。
1.2.5CMP
在晶片的超精密加工中，为进一步获得无损伤、光滑的高精度表面，学者提出了许多加工方法，主要有:磁悬浮抛光、电泳抛光、浮法抛光、弹性发射抛光、磁流变抛光、离子束抛光、剪切增稠抛光、水合抛光、化学机械抛光等，其中化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)应用Z广泛。CMP是目前集成电路制造中晶圆全局均匀平坦化的关键技术，Z早于1965年由美国的Mon-santo提出。CMP是在一定压力和抛光液存在下，旋转的工件与旋转的抛光垫相接触，借助微纳米级磨粒的研磨作用和氧化剂的化学腐蚀协同，快速达到高质量和无损伤的表面。
CMP随着半导体产业的发展而兴起，目前主要用于单晶硅、多晶硅、蓝宝石、氧化硅、碳化硅、石英晶体、铜、钨等。CMP是集机械学、摩擦学、材料学、力学、化学为一体的综合加工技术，避免单纯机械抛光易产生表面损伤和单纯化学抛光速度慢，表面平整度和一致性差等缺点，使其加工性和速度同时满足了晶圆的加工要求。
1.3砂带磨削
砂带磨削是以涂附磨料磨具(砂带)为工具，并辅之接触轮或压磨板以提高磨具刚度，使砂带处于张紧和工作运行状态，对工件表面进行加工的一种高效磨削技术。砂带磨削与砂轮磨削有本质不同，其主要特点:1)砂带薄而韧，适应性好，可根据工件形状以相应的接触方式进行加工;2)磨削表面完整性好，砂带薄且曲率不断变化，吸振性好，散热快，不易堵塞，磨削温度低，磨削质量好;3)磨削效率高，砂带磨削速度恒定，其宽度一般可根据工件的磨削形面定制，Z宽已达5m，效率高，成本低;4)磨削比高、能耗低，砂带磨削通常在低速下工作，砂带上磨粒比砂轮磨粒具有更强的切削能力，一般磨削功率仅为砂轮磨削的1/3左右;5)可磨削各种材料，不仅是金属材料，木材、塑料、皮革等非金属材料也有很好的加工性。
近几年，随着人们对砂带磨削认识的提高，砂带、页轮等涂附磨具在国内已有相当规模和水平的应用，从家庭生活到工业生产的各个领域无所不用，从简单的扒皮磨削到飞机发动机叶片自适应砂带磨削无所不能。但是，国内砂带磨削应用仍相对滞后，以砂带磨床与砂轮磨床之比分析，美国49∶51，德国45∶55，而国内约20∶80。
1.4智能磨削
智能制造是新一轮工业革命的核心技术，该系统不但具备柔性，还表现出某种智能(如磨削精度，表面粗糙度自我校正，磨削力、噪声自我控制，磨削参数自我优化等)，以便减少磨削缺陷，应对激烈竞争的复杂环境，大量的复杂信息和瞬息万变的市场需求。智能磨削是数控技术的进一步升级，是借助先进的传感器技术及数据处理手段，实现对磨削过程的感知、预测、控制，达到经济有效提升相关精度和表面质量的目的。实时监测磨削加工各种信息，如:磨削参数、磨削液状况、砂轮平衡、砂轮磨损，工件找正、对刀、精度、表面粗糙度、质量，磨削载荷、振动、温度、AE等;进而依据传感器监测提供的信息，结合系统集成的相关数据库、经验库，对磨削过程中的各种信息进行分析、判断和决策;再依据当前磨削信息及决策规划进行实时的自身调整，获得Z优的磨削性能或保证磨床处于Z佳的工作状态。
目前，智能磨削已取得很好的效果，如磨削力自适应控制磨削、磨削质量智能优化、机器人智能抛光叶片、表面粗糙度智能磨削、智能误差补偿、ELID智能磨削、工艺参数智能优化等，但智能磨削工程化应用几乎为零，目前还仅存于实验室测试或单一参数约束。而磨削是一个极其复杂的多因素交互影响系统，只有实现多传感器监控，多参数跟踪，多信号融合分析，全方位评判的综合智能磨削，才是工程化、现代化磨削技术发展的重要方向。多参数智能磨削工程应用的路还很长。
1.5绿色磨削
传统磨削加工大量使用磨削液，采用浇注式冷却磨削区温度，磨削液的大量使用给现场环境和操作者健康带来了一定危害，而且增加企业磨削加工成本。面对人类社会可持续发展的需要，绿色磨削技术是一种基于绿色制造理念，从生态学和经济学角度综合考虑环境和资源两大问题的一种现代制造模式。绿色制造目前已在全世界展开。
为了减少三废(废气、废液、废渣)，国内外绿色磨削Z集中、Z热门的研究领域是设法减少磨削液对环境、现场的影响。目前，研究课题主要有内冷却磨削、低温冷风磨削、高压射流磨削、雾化冷却磨削、微量润滑磨削、固体润滑磨削及干式磨削等。由于国内绿色磨削起步较晚，目前除干式磨削有少量应用外，其余主要集中于高校实验室中。
2　国内先进磨削技术存在问题
2.1高档超硬磨具主要由国外垄断
经过近三十年的高速发展，目前我国超硬磨料和磨具已成为世界Z大生产国，据统计我国金刚石和CBN分别占全世界90%，60%，超硬磨粒磨削应用也已快速进入了石材、陶瓷、汽车、半导体、工具、压缩机等加工领域;但由于国内超硬磨具至今没有硬度标准，致使其系列化、标准化、稳定性、可靠性等与国外品牌产品仍有相当差距，超硬磨具进口单价达出口价的26.8倍。以汽车、半导体、工具、轴承等中高档超硬磨具应用为例，国产砂轮仅占20%左右，而高档超硬磨具仍主要由国外产品垄断，超硬磨粒磨削应用进入了发展瓶颈期，国产超硬砂轮难以进入高档磨具市场。
2.2国产高端磨削装备工程应用有限
高端磨削装备是推广先进磨削技术的基础，经过数十年的发展，我国制造业已有了很大的发展和进步，我国目前是全球制造业门类Z齐全、机床产量Z大的国家，但我国数控磨床仍以中低端市场为主，高端磨床领域、关键部件、关键装备依然依赖进口，尚不能完全实现自给自足。特别是高端磨床方面，缺乏全面、系统、工程化规划，基础件研究严重滞后，电主轴、高速轴承、在线动平衡、对刀传感器、数控系统等更是依赖进口，严重制约高速和超高速磨削、点磨削、深切缓进和深切快进给磨削等先进磨削技术的工程应用。
2.3磨削技术学术研究与工程应用严重脱节
砂轮是多元、多孔、非均质复合材料，其表面磨粒无数、形状不一、高低有别、容屑有限、刃尖呈大负前角状态。砂轮的应用不同于一般的机械工程，影响因素极其复杂，存在无数的不确定性，因此磨削技术研究应立足于工程应用，依靠试验、统计的大量数据。但近二十年来，本领域国内学术研究与工程应用严重脱节，工程上有许多的课题无法开展工作，而学术上又有大量的文章在无数的假设条件下建模、仿真、发表，造成有成果和无应用的奇怪现象，甚至严重偏离工程实际，对磨削应用毫无意义。
3　结束语
超硬磨粒磨削、高速和高效磨削、精密和超精密磨削、砂带磨削、智能磨削、绿色磨削等先进磨削技术具有高速、高效、长寿、精密、柔性、绿色等鲜明优点，更符合《中国制造2025》发展战略，具有很好的发展前景，值得大力推进。
磨削是一个复杂的系统工程，国内在先进磨削技术应用方面还落后于发达国家。为实现国内整体磨削技术应用的提升，需要磨削装备、功能部件、砂轮制造商、用户、高校等多维协同合作。不仅应有基础学术研究，更应注重关键共性技术、工程应用研究，建立全面共融攻关机制，有利于快速提高国内先进磨削技术的应用范围。

（来源：磨料磨具研习社）