一、磨削技術(shù)概述
制造業(yè)是立國之本、興國之器、強國之基，是國民經(jīng)濟的主要支柱。
磨削是用硬質(zhì)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(yōu)勢，主要用于裝備制造領(lǐng)域機械零件的精加工，對零件表面質(zhì)量起關(guān)鍵作用，是現(xiàn)代裝備制造業(yè)發(fā)展的重要支撐。
隨著航空航天、武器裝備、精密儀器、半導(dǎo)體、新能源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料、工程陶瓷等高性能材料得到越來越廣泛的應(yīng)用。
鈦合金比強度高、耐高溫性能好、耐腐蝕性好，用于服役溫度約為350℃的航空發(fā)動機風扇和壓氣機部件用量約占發(fā)動機質(zhì)量的33%。
鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學性能，主要用于運行溫度超過1250℃的發(fā)動機燃燒室和高、低壓渦輪部分，其用量占目前商用航空發(fā)動機質(zhì)量的40%~50%。
纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的密度僅為高溫合金的1/3~1/4，耐高溫性能更好，適用于火箭發(fā)動機噴管、戰(zhàn)斗機或高速列車的剎車材料。
金屬基復(fù)合材料具有合金材料所不具備的特殊性能，預(yù)計未來5~10年在航天器結(jié)構(gòu)、第三代半導(dǎo)體熱管理器件、慣性器件和空間光學裝備、輕量化核防護等多個領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)大量需求。
以氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅為代表的工程陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好以及電、熱、光、磁等獨特功能，在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵部件中的應(yīng)用潛力巨大。
這些高性能難加工材料在高端制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，關(guān)鍵零部件的精度要求極高，而材料的可磨削性差，對磨削加工工藝提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
因此，針對難加工材料高性能表面的高精度制造成為了不可回避的技術(shù)瓶頸難題。
二、先進磨削技術(shù)
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(yōu)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(nèi)有效磨粒數(shù)(如高速磨削、超高速磨削)，增加磨削接觸區(qū)面積(如緩進給磨削、端面磨削)，增加磨削點位數(shù)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(fù)合磨削、數(shù)控磨削)等措施。
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(zhì)量，提高砂輪耐用度。
目前，國內(nèi)高速、超高速磨削技術(shù)仍主要用于汽車、壓縮機、半導(dǎo)體等個別零件加工，而在鋼鐵、軸承、齒輪、農(nóng)機、航空、船舶等傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)，高速磨削普及率仍很低。
超高速磨削裝備關(guān)鍵技術(shù)的突破，依賴于高端電主軸技術(shù)、靜壓軸承技術(shù)、超高速砂輪技術(shù)、檢測技術(shù)、高端數(shù)控系統(tǒng)等多個重要領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新。
點磨削
點磨削是高速磨削技術(shù)的新發(fā)展，是集CBN超硬磨料、超高速磨削、CNC柔性加工三大先進技術(shù)于一體的高效加工技術(shù)。
特點:不僅具有高速磨削、超高速磨削的優(yōu)點，且類似于數(shù)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(shù)與數(shù)控技術(shù)的極佳結(jié)合。
緩進深切及高效深切磨削
與普通平面磨削相比，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。
高效深切磨削是在緩進深切磨削的基礎(chǔ)上，進一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技術(shù)，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(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。
緩進深切磨削技術(shù)和高效深切磨削技術(shù)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(xù)修整等相關(guān)技術(shù)，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(jié)合面、轉(zhuǎn)子槽、卡尺滑槽、卡盤導(dǎo)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。
蝸桿砂輪磨削
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(zhuǎn)，實現(xiàn)齒輪連續(xù)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(zhì)量優(yōu)。
目前，蝸桿砂輪磨削技術(shù)主要用于中小模數(shù)齒輪的大批量生產(chǎn)。
重載荷磨削
主要技術(shù)特點
1)磨削力大，是所有磨削方式中載荷最大(10~30kN)，加工效率最高(500~1000kg/h)的磨削技術(shù);
2)工作環(huán)境惡劣，多在高溫下使用，工件原始形態(tài)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(jié)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。
輪軌高速、被動磨削
高速、被動磨削是近年發(fā)展起來的新型輪軌打磨技術(shù)。作業(yè)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(chǎn)生擠壓、滾動、摩擦、耕犁、切削;依靠二者間的夾角，調(diào)整砂輪切向旋轉(zhuǎn)速度及輪軌表面紋理。
高速、被動磨削最大的優(yōu)點是打磨速度快(60~80km/h)，不僅效率高，而且質(zhì)量好，成本低，特別適用于行車密集的線路。
復(fù)合磨削
復(fù)合加工是將零件的相關(guān)加工工序集中在同一機床上，實現(xiàn)高效加工或精密加工的目的。復(fù)合削主要有2種類型。
1)在1個工位上復(fù)合或疊加多種加工方法的方式，如超聲磨削、電解磨削、電火花機械復(fù)合磨削、紫外光輔助磨削、磁流變拋光等;
2)復(fù)合磨削中心，主要出現(xiàn)在工程應(yīng)用領(lǐng)域，是依托現(xiàn)代柔性的數(shù)控系統(tǒng)，以一次裝夾，實現(xiàn)多工具、多工序集中的磨削思路。
超聲振動輔助磨削技術(shù)
超聲振動輔助磨削是在磨粒運動軌跡上疊加高頻振動，通過磨粒與工件材料的沖擊作用去除材料的一種復(fù)合加工方法。超聲振動系統(tǒng)主要包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及磨削工具。
電解磨削技術(shù)
電解磨削又稱電化學磨削(ECG)，在加工鈦合金和鎳基高溫合金等難加工金屬材料方面具有很大的優(yōu)勢，可降低磨削力和磨削溫度，大幅度延長砂輪壽命，在大余量高效磨削方面有很大的實用價值。
電解磨削還可加工硬質(zhì)合金和
等顆粒增強金屬基復(fù)合材料。硬脆材料大多導(dǎo)電性差，因此不適合用電解磨削方法加工。
電火花機械復(fù)合磨削技術(shù)
電火花機械復(fù)合磨削(EDDG)是在電火花磨削基礎(chǔ)上，將石墨輪用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪代替，放電作用導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生軟化的重鑄層，砂輪的磨粒持續(xù)磨削去除重鑄層，形成新的加工表面，使得放電持續(xù)進行；同時砂輪的金屬結(jié)合劑也因放電被去除，相當于對砂輪進行在線修銳。
激光輔助磨削技術(shù)
激光輔助磨削技術(shù)主要用來解決硬脆材料的削加工效率低，且極易產(chǎn)生裂紋損傷的問題，在氧化鋯、碳化硅、氮化硅等工程陶瓷磨削加工中得到了廣泛應(yīng)用。
精密及超精密磨削
磨削通常可經(jīng)濟地獲得表面粗糙度Ra值為0.20~2.00 μm的工件，然而，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展以及加工精度、表面完整性要求越來越高，磨削加工已經(jīng)成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)實現(xiàn)精密及超精密加工最有效、最廣泛的實用技術(shù)，許多零部件對精密磨削(Ra值為0.025~0.250um)、超精密削(Ra值小于0.025 μm)的需求也越來越多，因此現(xiàn)代磨削技術(shù)正向微細化的方向發(fā)展。
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(tài)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(dǎo)軌、液壓零件等精密零件。應(yīng)用相對普及。
ELID磨削
ELID磨削拓寬了超細粒度(600#~30000#)金屬結(jié)合劑和超硬磨料砂輪的應(yīng)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(yīng)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(zhì)量好，但由于現(xiàn)有床安裝ELID裝置空間有限，電解液維護要求高等，其應(yīng)用面不大，主要用于光學、電子、儀表等精密加工領(lǐng)域。
脆性材料延性域磨削
目前，工程上大量應(yīng)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(shù)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(tài)，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(tài)特性的提升，特別是磨床進給機構(gòu)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(yīng)用于電子信息、航空航天、陶瓷軸承領(lǐng)域，應(yīng)用范圍相對稍小。
工件自旋轉(zhuǎn)磨削
工件自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)于1988年由日本學者Matsui S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(zhuǎn)，砂輪再沿其軸向微量進給。
CMP
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(fā)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(ChemicalMechanical Polishing，CMP)應(yīng)用最廣泛。
CMP是在一定壓力和拋光液存在下，旋轉(zhuǎn)的工件與旋轉(zhuǎn)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(xié)同，快速達到高質(zhì)量和無損傷的表面。
CMP隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(shù)，避免單純機械拋光易產(chǎn)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。
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(tài)，對工件表面進行加工的一種高效磨削技術(shù)。
砂帶磨削與砂輪磨削有本質(zhì)不同，其主要特點：
1)砂帶薄而韌，適應(yīng)性好，可根據(jù)工件形狀以相應(yīng)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(zhì)量好；
3)磨削效率高，砂帶磨削速度恒定，其寬度一般可根據(jù)工件的磨削形面定制，最寬已達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。
智能磨削
智能磨削是數(shù)控技術(shù)的進一步升級，是借助先進的傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理手段，實現(xiàn)對磨削過程的感知、預(yù)測、控制，達到經(jīng)濟有效提升相關(guān)精度和表面質(zhì)量的目的。
磨削是一個極其復(fù)雜的多因素交互影響系統(tǒng)，只有實現(xiàn)多傳感器監(jiān)控，多參數(shù)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(xiàn)代化磨削技術(shù)發(fā)展的重要方向。多參數(shù)智能磨削工程應(yīng)用的路還很長。
綠色磨削
傳統(tǒng)磨削加工大量使用磨削液，采用澆注式冷卻磨削區(qū)溫度，磨削液的大量使用給現(xiàn)場環(huán)境和操作者健康帶來了一定危害，而且增加企業(yè)磨削加工成本。面對人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要，綠色磨削技術(shù)是一種基于綠色制造理念，從生態(tài)學和經(jīng)濟學角度綜合考慮環(huán)境和資源兩大問題的一種現(xiàn)代制造模式。
目前，研究課題主要有內(nèi)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。
干磨削
干磨削加工由于不使用磨削液，杜絕了磨削液帶來的危害。但同時磨削環(huán)境惡化、工件燒傷和砂輪壽命降低等問題制約了其在生產(chǎn)加工中的應(yīng)用。
磨削熱是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因數(shù)。人們已采取超聲振動、熱管換熱和開發(fā)自潤滑砂輪等方法降低磨削熱、提高加工性能，但其在實際推廣應(yīng)用上還需進行深入的研究。
微量潤滑技術(shù)
微量潤滑技術(shù)(MQL)是將微量的潤滑油與壓縮空氣混合霧化后，以氣霧的形式噴射至加工區(qū)域，這使得磨削液能夠突破氣障層，對磨削區(qū)進行有效地冷卻潤滑。
目前該技術(shù)研究的重點有提高MQL的霧化性能、配制合適的霧化介質(zhì)、MQL和其他冷卻潤滑方式的復(fù)合等。
充分滿足磨削換熱需求，研究人員提出了更為高效的納米粒子射流微量潤滑技術(shù)(Nanofluid Minimum Quantity Lubrication,NMQL).即在微量潤滑液中添加一定比例的納米級粒子，將二者充分混合制備成納米流體，再通過壓縮氣體進行霧化并輸送至磨削區(qū)。
液氮冷卻磨削
液氮冷卻磨削是將液氮作為冷卻介質(zhì)噴射到加工區(qū)域，對工件和工具進行冷卻的加工方法。
液氮磨削的冷卻能力較強，可以解決難加工材料的磨削加工。但其經(jīng)濟成本較高，不利于推廣。使用液氮加工會使周圍環(huán)境變得潮濕，易引發(fā)機床生銹。
低溫冷風磨削
低溫冷風磨削的冷卻介質(zhì)為常見的空氣，不需要額外的存儲。但其冷風供應(yīng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備噪聲較大。低溫冷風的潤滑性能不足，只適合于小切深的磨削加工。
固體潤滑技術(shù)
固體潤滑技術(shù)是將固體介質(zhì)作為潤滑劑加入到摩擦接觸面上用以降低摩擦磨損的潤滑技術(shù)。常用的固體潤滑材料有石墨、二硫化鉬、氟化鈣等。這類材料具有層狀結(jié)構(gòu)，剪切強度低，易于粘附在工件表面等特點，非常適合磨削面的潤滑。
其優(yōu)秀的減摩性、耐磨性、寬溫特性和時效性使其很早就被應(yīng)用于潤滑領(lǐng)域。
而如何使固體潤滑劑有效地進入磨削區(qū)域，形成穩(wěn)定的潤滑膜層是影響潤滑效果的關(guān)鍵問題。
三、存在的問題及建議
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(shù)具有高速、高效、長壽、精密、柔性、綠色等鮮明優(yōu)點，更符合《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略，具有很好的發(fā)展前景，值得大力推進。
國內(nèi)先進磨削技術(shù)存在問題
高檔超硬磨具主要由國外壟斷
由于國內(nèi)超硬磨具至今沒有硬度標準，致使其系列化，標準化、穩(wěn)定性、可靠性等與國外品牌產(chǎn)品仍有相當差距。
以汽車、半導(dǎo)體、工具、軸承等中高檔超硬磨具應(yīng)用為例，國產(chǎn)砂輪僅占20%左右，而高檔超硬磨具仍主要由國外產(chǎn)品壟斷，超硬磨粒磨削應(yīng)用進入了發(fā)展瓶頸期，國產(chǎn)超硬砂輪難以進入高檔磨具市場。
國產(chǎn)高端磨削裝備工程應(yīng)用有限
高端磨削裝備是推廣先進磨削技術(shù)的基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國制造業(yè)已有了很大的發(fā)展和進步，我國目前是全球制造業(yè)門類最齊全、機床產(chǎn)量最大的國家，但我國數(shù)控磨床仍以中低端市場為主，高端磨床領(lǐng)域、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵裝備依然依賴進口，尚不能完全實現(xiàn)自給自足。
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磨削技術(shù)學術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴重脫節(jié)
砂輪是多元、多孔、非均質(zhì)復(fù)合材料，其表面磨粒無數(shù)、形狀不一、高低有別、容屑有限、刃尖呈大負前角狀態(tài)。砂輪的應(yīng)用不同于一般的機械工程，影響因素極其復(fù)雜，存在無數(shù)的不確定性，因此磨削技術(shù)研究應(yīng)立足于工程應(yīng)用，依靠試驗、統(tǒng)計的大量數(shù)據(jù)。
但近二十年來，本領(lǐng)域國內(nèi)學術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴重脫節(jié)，工程上有許多的課題無法開展工作，而學術(shù)上又有大量的文章在無數(shù)的假設(shè)條件下建模、仿真、發(fā)表，造成有成果和無應(yīng)用的奇怪現(xiàn)象，甚至嚴重偏離工程實際，對磨削應(yīng)用無意義。
發(fā)展建議
磨削是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)在先進磨削技術(shù)應(yīng)用方面還落后于發(fā)達國家。為實現(xiàn)國內(nèi)整體磨削技術(shù)應(yīng)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(xié)同合作。不僅應(yīng)有基礎(chǔ)學術(shù)研究更應(yīng)注重關(guān)鍵共性技術(shù)、工程應(yīng)用研究，建立全面共融攻關(guān)機制，有利于快速提高國內(nèi)先進磨削技術(shù)的應(yīng)用范圍。
無論是難加工金屬材料、硬脆材料還是復(fù)合材料，降低磨削力和磨削溫度都有利于提高工件表面完整性和降低砂輪磨損;改善難加工材料可磨削性的基本策略不外乎減少工件材料磨削過程的彈塑性變形、減少磨粒-工件間的摩擦以及減少傳入工件和砂輪的力和熱。
改進難加工材料可磨削性的有效的工藝方法可概括為:通過使用超硬磨粒、改進砂輪結(jié)構(gòu)、磨粒有序排布從而提高砂輪磨削能力和散熱能力;通過使用低溫介質(zhì)強制換熱從而降低磨削溫度;通過多能場復(fù)合使待磨削材料層的強度、硬度削弱，從而易于去除;通過超高速磨削方法降低磨削力和磨削溫度，從而提高磨削效率，降低磨削損傷。
參考來源
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2.盧守相等.高性能難加工材料可磨削性研究進展
3.郭東明等.半導(dǎo)體基片超精密磨削技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
4.丁文鋒等.航空發(fā)動機鈦材料磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望
5.丁文鋒等.超聲振動輔助磨削加工技術(shù)及裝備研究的 現(xiàn)狀與展望
6.蔡中偉等.綠色磨削加工技術(shù)研究進展
7.金灘等. 向極限挑戰(zhàn)的高性能磨削技術(shù)發(fā)展及其在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景
