先進(jìn)磨削技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)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(yáng)軸研科技股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039)
摘 要：磨削可加工任何硬度材料并在微細(xì)加工方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代裝備制造業(yè)發(fā)展的重要支承。基于先進(jìn)磨削技術(shù)高速、高效、精密、長(zhǎng)壽、柔性、綠色等特點(diǎn)，對(duì)目前磨削技術(shù)進(jìn)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(dòng)磨削、復(fù)合磨削、智能磨削、綠色磨削等先進(jìn)磨削技術(shù)的加工機(jī)理、技術(shù)特點(diǎn)及影響因素，并重點(diǎn)分析其應(yīng)用現(xiàn)狀。先進(jìn)磨削技術(shù)普及率低主要是國(guó)內(nèi)高檔磨床及其關(guān)鍵功能部件制造落后，關(guān)鍵核心技術(shù)薄弱，產(chǎn)學(xué)研用合作不足，應(yīng)用領(lǐng)域受限等。Z后，對(duì)先進(jìn)磨削技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望，并提出了相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)磨削；磨料；工藝參數(shù)；工程；應(yīng)用；現(xiàn)狀
0 前言
制造業(yè)是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(xì)加工方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，主要用于裝備制造領(lǐng)域機(jī)械零件的精加工，對(duì)零件表面質(zhì)量起關(guān)鍵作用。
磨削技術(shù)的發(fā)展主要圍繞科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及機(jī)械零件的技術(shù)要求(精度、質(zhì)量)展開(kāi)，其工程應(yīng)用主要依賴(lài)于國(guó)家需求，裝備制造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)合理性(效率、成本)發(fā)展。在19世紀(jì)，正處于工業(yè)革命初級(jí)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(zhì)量的穩(wěn)定，更無(wú)效率可言;進(jìn)入20世紀(jì)，發(fā)明了磨床，并制造出性能相對(duì)穩(wěn)定的人造磨料（剛玉、碳化硅、金剛石、CBN），具備了現(xiàn)代加工的基本特征，大大減輕了操作者的工作強(qiáng)度，提高了磨削效率和加工精度。
目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械工程學(xué)科已位于世界前列，磨削技術(shù)的學(xué)術(shù)研究與國(guó)外已無(wú)大的差別，甚至在個(gè)別技術(shù)領(lǐng)域已處于領(lǐng)先地位。然而，若從工程應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，先進(jìn)磨削技術(shù)與國(guó)外相差較大，高檔磨床、關(guān)鍵功能部件以及部分核心技術(shù)等嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外。文中僅從應(yīng)用角度介紹技術(shù)比較成熟，效果比較突出，影響面較廣的先進(jìn)磨削技術(shù)。
1 先進(jìn)磨削技術(shù)
1.1高效磨削
磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其材料去除率較低，難以與車(chē)削、銑削等抗衡。為提高磨削效率，主要通過(guò)增加單位時(shí)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(jìn)給磨削、端面磨削)，增加磨削點(diǎn)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(diǎn)磨削)，減少輔助時(shí)間(如復(fù)合磨削、數(shù)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(zhì)量，提高砂輪耐用度。多年來(lái)，為更好地實(shí)現(xiàn)高速磨削、超高速磨削工程化應(yīng)用，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)了高速軸承、高速電主軸、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)、高精度和高剛度絲杠導(dǎo)軌、大理石床身、CFRP基體砂輪、砂輪在線(xiàn)動(dòng)平衡、砂輪防碰撞、高壓注入冷卻、砂輪精密定位、在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)、高可靠性數(shù)控系統(tǒng)、高分辨率標(biāo)尺等。同時(shí)，正是基于這些關(guān)鍵技術(shù)的突破與工程化研究，使高速磨削、超高速磨削在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍應(yīng)用。
我國(guó)高速磨削從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始推廣，但應(yīng)用有限。20世紀(jì)90年代末高速磨削、超高速磨削在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，大企業(yè)依靠雄厚的資金引進(jìn)了配套的高檔數(shù)控磨床，才使我國(guó)汽車(chē)凸輪軸、曲軸等關(guān)鍵零件加工開(kāi)始采用高速磨削、超高速磨削技術(shù)。盡管近年來(lái)國(guó)產(chǎn)磨床有了質(zhì)的飛躍，無(wú)故障工作時(shí)間有大的提升，大量機(jī)床出口，但其核心零部件對(duì)外依存度高。如高速電主軸主要依賴(lài)德國(guó)、瑞士、意大利、韓國(guó);高速軸承主要依賴(lài)德國(guó)、瑞典、日本;變頻器依賴(lài)德國(guó)、日本、法國(guó)、美國(guó)；砂輪在線(xiàn)動(dòng)平衡依賴(lài)美國(guó)、德國(guó)；防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)依賴(lài)德國(guó)、荷蘭、美國(guó);直線(xiàn)導(dǎo)軌依賴(lài)日本、德國(guó)、韓國(guó);直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)依賴(lài)美國(guó)、日本、以色列;數(shù)控系統(tǒng)依賴(lài)德國(guó)、日本；磨具依賴(lài)美國(guó)、德國(guó)、日本等。高速磨削核心技術(shù)被國(guó)外嚴(yán)重壟斷。
高速磨削、超高速磨削技術(shù)是一把雙刃劍，既助推了我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，但也推高了國(guó)內(nèi)高檔磨床的價(jià)位，使絕大部分中小企業(yè)望而止步。目前，國(guó)內(nèi)高速磨削、超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用仍主要用于汽車(chē)、壓縮機(jī)、半導(dǎo)體等個(gè)別零件加工，而在鋼鐵、軸承、齒輪、農(nóng)機(jī)、航空、船舶等傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)，高速磨削普及率仍很低。
1.1.2點(diǎn)磨削
點(diǎn)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(jìn)技術(shù)于一體的高效加工技術(shù)。點(diǎn)磨削使用寬度只有4～6mm的CBN砂輪、三點(diǎn)快速精密定位技術(shù)、砂輪可在線(xiàn)自動(dòng)平衡技術(shù)；砂輪軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸線(xiàn)可適當(dāng)傾斜，使砂輪與工件的接觸從傳統(tǒng)的砂輪全寬線(xiàn)接觸變?yōu)?ldquo;點(diǎn)接觸”狀態(tài)。不僅具有高速磨削、超高速磨削的優(yōu)點(diǎn)，且類(lèi)似于數(shù)控車(chē)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(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件加工，是磨削技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的極佳結(jié)合。
點(diǎn)磨削可一次裝夾完成工件全部外圓面、簡(jiǎn)單曲面，代替多臺(tái)機(jī)床實(shí)現(xiàn)粗、精加工，生產(chǎn)效率成倍提高，符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。目前，點(diǎn)磨削技術(shù)已在國(guó)內(nèi)部分大型汽車(chē)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(dá)6萬(wàn)件，磨削質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，生產(chǎn)成本降低，但國(guó)內(nèi)沒(méi)有掌握點(diǎn)磨削的核心技術(shù)。
1.1.3緩進(jìn)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(jìn)給速度1～30m/min，磨削深度1～50μm)相比，緩進(jìn)深切磨削是指工件進(jìn)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(guò)一次磨削行程完成以前多次切入才能達(dá)到的磨削余量。高效深切磨削是在緩進(jìn)深切磨削的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技術(shù)，提高了工件進(jìn)給速度(0.5～10.0m/min)，極大地提高了磨削效率，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的Z高峰”。
緩進(jìn)深切磨削技術(shù)和高效深切磨削技術(shù)均具有磨削弧長(zhǎng)，可一次加工成形等特點(diǎn)，磨削過(guò)程中采用高壓強(qiáng)冷、連續(xù)修整等相關(guān)技術(shù)，具有高的磨削效率(達(dá)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(pán)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。目前已得到廣泛的應(yīng)用，但市場(chǎng)上主要的平面強(qiáng)力磨床仍是國(guó)外品牌。
1.1.4蝸桿砂輪磨削
齒輪作為重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)零件，在交通、機(jī)械、儀器、兵器等行業(yè)普遍應(yīng)用，其精度、齒面質(zhì)量將直接影響齒輪傳動(dòng)的承載能力、使用壽命和平穩(wěn)性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪的要求越來(lái)越高，硬齒面磨削工藝在齒輪生產(chǎn)中得到大力推廣。蝸桿砂輪磨削是基于螺旋齒輪傳動(dòng)原理，砂輪與齒輪空間嚙合旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)齒輪連續(xù)分度展成磨削，砂輪剛性好，磨削接觸點(diǎn)多，加工效率高，磨削精度好，表面質(zhì)量?jī)?yōu)。
20世紀(jì)末蝸桿砂輪磨削技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用，主要是隨著高檔磨床的引進(jìn)以及韌性、自銳性、耐磨性俱佳的陶瓷剛玉(SG)磨料在國(guó)內(nèi)的工程化應(yīng)用，進(jìn)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(shù)主要用于中小模數(shù)齒輪的大批量生產(chǎn)。
1.1.5重載荷磨削
重載荷磨削主要技術(shù)特點(diǎn)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(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(dòng)大;3)對(duì)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(dá)100～300kW，砂輪速度80～120m/s。其主要考核指標(biāo)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(lǐng)域普遍應(yīng)用，成為高性能鋼生產(chǎn)的重要工序，但國(guó)內(nèi)磨制鋼占粗鋼的比例仍很低。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升，對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格，高速、重載荷磨削應(yīng)用進(jìn)一步拓展。
1.1.6輪軌高速、被動(dòng)磨削
鐵路、地鐵等輪軌由于長(zhǎng)期承受交變載荷和摩擦力的作用，使其表面時(shí)常出現(xiàn)不均勻磨損(波磨、裂紋、剝落、壓潰、點(diǎn)蝕、肥邊等)。為使列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)、安全，乘客舒適，延長(zhǎng)輪軌壽命等，輪軌需要定時(shí)進(jìn)行修復(fù)。高速、被動(dòng)磨削是近年發(fā)展起來(lái)的新型輪軌打磨技術(shù)。作業(yè)中砂輪自身不帶動(dòng)力，是通過(guò)打磨車(chē)的行進(jìn)及壓力，使砂輪外圓與輪軌間產(chǎn)生擠壓、滾動(dòng)、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(dòng)磨削不僅效率高，而且質(zhì)量好，成本低。
與目前輪軌修復(fù)使用Z廣泛的砂輪端面主動(dòng)打磨技術(shù)相比，輪軌被動(dòng)磨削Z大的優(yōu)點(diǎn)是打磨速度快(60～80km/h)，特別適用于行車(chē)密集的線(xiàn)路。輪軌修復(fù)時(shí)無(wú)需封閉線(xiàn)路，減少了對(duì)線(xiàn)路運(yùn)行的影響，節(jié)省了輪軌維護(hù)成本，提升了線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)能力，具有很好的發(fā)展前景。但是，由于國(guó)外技術(shù)保密，國(guó)內(nèi)尚處于研究、開(kāi)發(fā)階段。
1.1.7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(jī)床上，實(shí)現(xiàn)高效加工或精密加工的目的。復(fù)合磨削主要有2種類(lèi)型。
1)在1個(gè)工位上復(fù)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(chǔ)上疊加一個(gè)超聲振動(dòng)，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(tài)，提高磨削質(zhì)量，延長(zhǎng)砂輪壽命;還有電解磨削、電火花機(jī)械復(fù)合磨削、紫外光輔助磨削、磁流變拋光等，此類(lèi)復(fù)合磨削在學(xué)術(shù)界多次出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在高校研究中，工業(yè)應(yīng)用極少。
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(shí)現(xiàn)多工具、多工序集中的磨削思路。復(fù)合磨削主要針對(duì)軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件的端面、外圓、內(nèi)孔、錐面、螺紋等多種加工要素，磨削功能高度復(fù)合，在基準(zhǔn)統(tǒng)一條件下可保證工序間的高精度，大大減少了機(jī)床和夾具數(shù)量，縮減了工序間的輔助時(shí)間，達(dá)到提高生產(chǎn)效率以及降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，具有更高的應(yīng)用需求和實(shí)用價(jià)值。目前已普遍應(yīng)用在工具類(lèi)大批量生產(chǎn)中，如可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片磨削、整體立銑刀磨削、HSK刀柄磨削、軸承套圈復(fù)合磨削等，但國(guó)內(nèi)80%以上的數(shù)控復(fù)合機(jī)床仍依靠進(jìn)口。
1.2精密及超精密磨削
磨削通常可經(jīng)濟(jì)地獲得表面粗糙度Ra值為0.20～2.00μm的工件，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及加工精度、表面完整性要求越來(lái)越高，磨削加工已經(jīng)成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)精密及超精密加工Z有效、Z廣泛的實(shí)用技術(shù)，許多零部件對(duì)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(lái)越多，因此現(xiàn)代磨削技術(shù)正向微細(xì)化的方向發(fā)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(diǎn)，采用銳利的金剛石工具，通過(guò)精細(xì)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(dòng)和二者間的擠壓、摩擦、拋光作用，使磨削表面紋理極其微細(xì)、光滑。目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工機(jī)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(duì)普及。
對(duì)于超硬磨料磨具，由于磨料硬度高，砂輪修整困難等技術(shù)難題，采用傳統(tǒng)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(xiàn)電解修整(Electrolytic In process Dressing ELID)磨削是由日本學(xué)者Ohmori于1987年提出的一項(xiàng)磨削技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)超硬砂輪的修整難題及金屬結(jié)合劑的導(dǎo)電特性，在砂輪與工件間通過(guò)電解磨削液構(gòu)成電化學(xué)系統(tǒng)，利用其陽(yáng)極溶解效應(yīng)，對(duì)超硬砂輪表層進(jìn)行微量電解去除，使砂輪表面磨粒逐漸露出，產(chǎn)生大量微容屑空間;同時(shí)在砂輪表面形成一層鈍化膜，可抑制砂輪的過(guò)度電解，使砂輪表面始終保持Z佳狀態(tài)，有利于持續(xù)加工。
ELID磨削拓寬了超細(xì)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)有磨床安裝ELID裝置空間有限，電解液維護(hù)要求高等，其應(yīng)用面不大，主要用于光學(xué)、電子、儀表等精密加工領(lǐng)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間，但由于這些材料同時(shí)具有脆性特點(diǎn)，使其在制造過(guò)程中很容易產(chǎn)生裂紋、崩邊、崩碎等缺陷，限制了其工程應(yīng)用。文獻(xiàn)Z早給出硬脆材料延性域加工閾值公式，認(rèn)為只有當(dāng)磨粒切削深度小于待加工材料的臨界切削深度(納米級(jí))時(shí)，脆性材料才會(huì)實(shí)現(xiàn)延性域磨削，改善其加工的不足;但要實(shí)現(xiàn)硬脆材料純延性域磨削非常困難，不僅納米級(jí)微進(jìn)給條件苛刻，而且純延性域磨削幾乎無(wú)效率可言。
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(jí)狀態(tài)，即延性域磨削始終伴隨在硬脆材料的磨削過(guò)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(xì)化，磨床剛性、精度、動(dòng)態(tài)特性的提升，特別是磨床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精細(xì)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(duì)稍小。
1.2.4工件自旋轉(zhuǎn)磨削
硅材料號(hào)稱(chēng)芯片產(chǎn)業(yè)功能材料，硅材料硬脆和晶片超薄，加工中易產(chǎn)生變形、裂紋、斷裂，加工難度很大。工件自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)于1988年由日本學(xué)者M(jìn)atsuiS提出，目前是硅片減薄磨削的主流。硅片利用真空吸盤(pán)裝夾，采用杯形金剛石砂輪一對(duì)一端面磨削，砂輪外圓與硅片中心對(duì)齊，硅片與砂輪各自繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，砂輪再沿其軸向微量進(jìn)給。與其他端面磨削方法相比，其主要特點(diǎn)是砂輪與硅片的接觸位置不變，接觸面積相對(duì)固定，砂輪工作層呈單窄環(huán)(環(huán)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(zhuǎn)磨削主要使用300#～4000#的超細(xì)磨料，加上機(jī)床的微量切入(0.1～1000μm/min)、合理的速度比及修平技術(shù)，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(shí)現(xiàn)塑性去除磨削。目前，工件自旋轉(zhuǎn)磨削在半導(dǎo)體功能材料減薄加工方面已獲得普遍應(yīng)用。
1.2.5CMP
在晶片的超精密加工中，為進(jìn)一步獲得無(wú)損傷、光滑的高精度表面，學(xué)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(xué)機(jī)械拋光等，其中化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，Z早于1965年由美國(guó)的Mon-santo提出。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(jí)磨粒的研磨作用和氧化劑的化學(xué)腐蝕協(xié)同，快速達(dá)到高質(zhì)量和無(wú)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(lán)寶石、氧化硅、碳化硅、石英晶體、銅、鎢等。CMP是集機(jī)械學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)為一體的綜合加工技術(shù)，避免單純機(jī)械拋光易產(chǎn)生表面損傷和單純化學(xué)拋光速度慢，表面平整度和一致性差等缺點(diǎn)，使其加工性和速度同時(shí)滿(mǎn)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(yùn)行狀態(tài)，對(duì)工件表面進(jìn)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(diǎn):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(jìn)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，Z寬已達(dá)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(qiáng)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(duì)砂帶磨削認(rèn)識(shí)的提高，砂帶、頁(yè)輪等涂附磨具在國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)規(guī)模和水平的應(yīng)用，從家庭生活到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域無(wú)所不用，從簡(jiǎn)單的扒皮磨削到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自適應(yīng)砂帶磨削無(wú)所不能。但是，國(guó)內(nèi)砂帶磨削應(yīng)用仍相對(duì)滯后，以砂帶磨床與砂輪磨床之比分析，美國(guó)49∶51，德國(guó)45∶55，而國(guó)內(nèi)約20∶80。
1.4智能磨削
智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，該系統(tǒng)不但具備柔性，還表現(xiàn)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(shù)自我優(yōu)化等)，以便減少磨削缺陷，應(yīng)對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜環(huán)境，大量的復(fù)雜信息和瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。智能磨削是數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，是借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削過(guò)程的感知、預(yù)測(cè)、控制，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效提升相關(guān)精度和表面質(zhì)量的目的。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨削加工各種信息，如:磨削參數(shù)、磨削液狀況、砂輪平衡、砂輪磨損，工件找正、對(duì)刀、精度、表面粗糙度、質(zhì)量，磨削載荷、振動(dòng)、溫度、AE等;進(jìn)而依據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)提供的信息，結(jié)合系統(tǒng)集成的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，對(duì)磨削過(guò)程中的各種信息進(jìn)行分析、判斷和決策;再依據(jù)當(dāng)前磨削信息及決策規(guī)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)的自身調(diào)整，獲得Z優(yōu)的磨削性能或保證磨床處于Z佳的工作狀態(tài)。
目前，智能磨削已取得很好的效果，如磨削力自適應(yīng)控制磨削、磨削質(zhì)量智能優(yōu)化、機(jī)器人智能拋光葉片、表面粗糙度智能磨削、智能誤差補(bǔ)償、ELID智能磨削、工藝參數(shù)智能優(yōu)化等，但智能磨削工程化應(yīng)用幾乎為零，目前還僅存于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或單一參數(shù)約束。而磨削是一個(gè)極其復(fù)雜的多因素交互影響系統(tǒng)，只有實(shí)現(xiàn)多傳感器監(jiān)控，多參數(shù)跟蹤，多信號(hào)融合分析，全方位評(píng)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(zhǎng)。
1.5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(chǎng)環(huán)境和操作者健康帶來(lái)了一定危害，而且增加企業(yè)磨削加工成本。面對(duì)人類(lèi)社會(huì)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(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)角度綜合考慮環(huán)境和資源兩大問(wèn)題的一種現(xiàn)代制造模式。綠色制造目前已在全世界展開(kāi)。
為了減少三廢(廢氣、廢液、廢渣)，國(guó)內(nèi)外綠色磨削Z集中、Z熱門(mén)的研究領(lǐng)域是設(shè)法減少磨削液對(duì)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)的影響。目前，研究課題主要有內(nèi)冷卻磨削、低溫冷風(fēng)磨削、高壓射流磨削、霧化冷卻磨削、微量潤(rùn)滑磨削、固體潤(rùn)滑磨削及干式磨削等。由于國(guó)內(nèi)綠色磨削起步較晚，目前除干式磨削有少量應(yīng)用外，其余主要集中于高校實(shí)驗(yàn)室中。
2 國(guó)內(nèi)先進(jìn)磨削技術(shù)存在問(wèn)題
2.1高檔超硬磨具主要由國(guó)外壟斷
經(jīng)過(guò)近三十年的高速發(fā)展，目前我國(guó)超硬磨料和磨具已成為世界Z大生產(chǎn)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)金剛石和CBN分別占全世界90%，60%，超硬磨粒磨削應(yīng)用也已快速進(jìn)入了石材、陶瓷、汽車(chē)、半導(dǎo)體、工具、壓縮機(jī)等加工領(lǐng)域;但由于國(guó)內(nèi)超硬磨具至今沒(méi)有硬度標(biāo)準(zhǔn)，致使其系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定性、可靠性等與國(guó)外品牌產(chǎn)品仍有相當(dāng)差距，超硬磨具進(jìn)口單價(jià)達(dá)出口價(jià)的26.8倍。以汽車(chē)、半導(dǎo)體、工具、軸承等中高檔超硬磨具應(yīng)用為例，國(guó)產(chǎn)砂輪僅占20%左右，而高檔超硬磨具仍主要由國(guó)外產(chǎn)品壟斷，超硬磨粒磨削應(yīng)用進(jìn)入了發(fā)展瓶頸期，國(guó)產(chǎn)超硬砂輪難以進(jìn)入高檔磨具市場(chǎng)。
2.2國(guó)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(jìn)磨削技術(shù)的基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)已有了很大的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)目前是全球制造業(yè)門(mén)類(lèi)Z齊全、機(jī)床產(chǎn)量Z大的國(guó)家，但我國(guó)數(shù)控磨床仍以中低端市場(chǎng)為主，高端磨床領(lǐng)域、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵裝備依然依賴(lài)進(jìn)口，尚不能完全實(shí)現(xiàn)自給自足。特別是高端磨床方面，缺乏全面、系統(tǒng)、工程化規(guī)劃，基礎(chǔ)件研究嚴(yán)重滯后，電主軸、高速軸承、在線(xiàn)動(dòng)平衡、對(duì)刀傳感器、數(shù)控系統(tǒng)等更是依賴(lài)進(jìn)口，嚴(yán)重制約高速和超高速磨削、點(diǎn)磨削、深切緩進(jìn)和深切快進(jìn)給磨削等先進(jìn)磨削技術(shù)的工程應(yīng)用。
2.3磨削技術(shù)學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴(yán)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(wú)數(shù)、形狀不一、高低有別、容屑有限、刃尖呈大負(fù)前角狀態(tài)。砂輪的應(yīng)用不同于一般的機(jī)械工程，影響因素極其復(fù)雜，存在無(wú)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(yàn)、統(tǒng)計(jì)的大量數(shù)據(jù)。但近二十年來(lái)，本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，工程上有許多的課題無(wú)法開(kāi)展工作，而學(xué)術(shù)上又有大量的文章在無(wú)數(shù)的假設(shè)條件下建模、仿真、發(fā)表，造成有成果和無(wú)應(yīng)用的奇怪現(xiàn)象，甚至嚴(yán)重偏離工程實(shí)際，對(duì)磨削應(yīng)用毫無(wú)意義。
3 結(jié)束語(yǔ)
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(jìn)磨削技術(shù)具有高速、高效、長(zhǎng)壽、精密、柔性、綠色等鮮明優(yōu)點(diǎn)，更符合《中國(guó)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(jìn)。
磨削是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國(guó)內(nèi)在先進(jìn)磨削技術(shù)應(yīng)用方面還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。為實(shí)現(xiàn)國(guó)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(hù)、高校等多維協(xié)同合作。不僅應(yīng)有基礎(chǔ)學(xué)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(jī)制，有利于快速提高國(guó)內(nèi)先進(jìn)磨削技術(shù)的應(yīng)用范圍。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)磨削；磨料；工藝參數(shù)；工程；應(yīng)用；現(xiàn)狀
0 前言
制造業(yè)是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(xì)加工方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，主要用于裝備制造領(lǐng)域機(jī)械零件的精加工，對(duì)零件表面質(zhì)量起關(guān)鍵作用。
磨削技術(shù)的發(fā)展主要圍繞科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及機(jī)械零件的技術(shù)要求(精度、質(zhì)量)展開(kāi)，其工程應(yīng)用主要依賴(lài)于國(guó)家需求，裝備制造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)合理性(效率、成本)發(fā)展。在19世紀(jì)，正處于工業(yè)革命初級(jí)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(zhì)量的穩(wěn)定，更無(wú)效率可言;進(jìn)入20世紀(jì)，發(fā)明了磨床，并制造出性能相對(duì)穩(wěn)定的人造磨料（剛玉、碳化硅、金剛石、CBN），具備了現(xiàn)代加工的基本特征，大大減輕了操作者的工作強(qiáng)度，提高了磨削效率和加工精度。
目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械工程學(xué)科已位于世界前列，磨削技術(shù)的學(xué)術(shù)研究與國(guó)外已無(wú)大的差別，甚至在個(gè)別技術(shù)領(lǐng)域已處于領(lǐng)先地位。然而，若從工程應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，先進(jìn)磨削技術(shù)與國(guó)外相差較大，高檔磨床、關(guān)鍵功能部件以及部分核心技術(shù)等嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外。文中僅從應(yīng)用角度介紹技術(shù)比較成熟，效果比較突出，影響面較廣的先進(jìn)磨削技術(shù)。
1 先進(jìn)磨削技術(shù)
1.1高效磨削
磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其材料去除率較低，難以與車(chē)削、銑削等抗衡。為提高磨削效率，主要通過(guò)增加單位時(shí)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(jìn)給磨削、端面磨削)，增加磨削點(diǎn)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(diǎn)磨削)，減少輔助時(shí)間(如復(fù)合磨削、數(shù)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(zhì)量，提高砂輪耐用度。多年來(lái)，為更好地實(shí)現(xiàn)高速磨削、超高速磨削工程化應(yīng)用，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)了高速軸承、高速電主軸、直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)、高精度和高剛度絲杠導(dǎo)軌、大理石床身、CFRP基體砂輪、砂輪在線(xiàn)動(dòng)平衡、砂輪防碰撞、高壓注入冷卻、砂輪精密定位、在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)、高可靠性數(shù)控系統(tǒng)、高分辨率標(biāo)尺等。同時(shí)，正是基于這些關(guān)鍵技術(shù)的突破與工程化研究，使高速磨削、超高速磨削在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍應(yīng)用。
我國(guó)高速磨削從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始推廣，但應(yīng)用有限。20世紀(jì)90年代末高速磨削、超高速磨削在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，大企業(yè)依靠雄厚的資金引進(jìn)了配套的高檔數(shù)控磨床，才使我國(guó)汽車(chē)凸輪軸、曲軸等關(guān)鍵零件加工開(kāi)始采用高速磨削、超高速磨削技術(shù)。盡管近年來(lái)國(guó)產(chǎn)磨床有了質(zhì)的飛躍，無(wú)故障工作時(shí)間有大的提升，大量機(jī)床出口，但其核心零部件對(duì)外依存度高。如高速電主軸主要依賴(lài)德國(guó)、瑞士、意大利、韓國(guó);高速軸承主要依賴(lài)德國(guó)、瑞典、日本;變頻器依賴(lài)德國(guó)、日本、法國(guó)、美國(guó)；砂輪在線(xiàn)動(dòng)平衡依賴(lài)美國(guó)、德國(guó)；防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)依賴(lài)德國(guó)、荷蘭、美國(guó);直線(xiàn)導(dǎo)軌依賴(lài)日本、德國(guó)、韓國(guó);直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)依賴(lài)美國(guó)、日本、以色列;數(shù)控系統(tǒng)依賴(lài)德國(guó)、日本；磨具依賴(lài)美國(guó)、德國(guó)、日本等。高速磨削核心技術(shù)被國(guó)外嚴(yán)重壟斷。
高速磨削、超高速磨削技術(shù)是一把雙刃劍，既助推了我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，但也推高了國(guó)內(nèi)高檔磨床的價(jià)位，使絕大部分中小企業(yè)望而止步。目前，國(guó)內(nèi)高速磨削、超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用仍主要用于汽車(chē)、壓縮機(jī)、半導(dǎo)體等個(gè)別零件加工，而在鋼鐵、軸承、齒輪、農(nóng)機(jī)、航空、船舶等傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)，高速磨削普及率仍很低。
1.1.2點(diǎn)磨削
點(diǎn)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(jìn)技術(shù)于一體的高效加工技術(shù)。點(diǎn)磨削使用寬度只有4～6mm的CBN砂輪、三點(diǎn)快速精密定位技術(shù)、砂輪可在線(xiàn)自動(dòng)平衡技術(shù)；砂輪軸線(xiàn)相對(duì)于工件軸線(xiàn)可適當(dāng)傾斜，使砂輪與工件的接觸從傳統(tǒng)的砂輪全寬線(xiàn)接觸變?yōu)?ldquo;點(diǎn)接觸”狀態(tài)。不僅具有高速磨削、超高速磨削的優(yōu)點(diǎn)，且類(lèi)似于數(shù)控車(chē)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(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件加工，是磨削技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的極佳結(jié)合。
點(diǎn)磨削可一次裝夾完成工件全部外圓面、簡(jiǎn)單曲面，代替多臺(tái)機(jī)床實(shí)現(xiàn)粗、精加工，生產(chǎn)效率成倍提高，符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。目前，點(diǎn)磨削技術(shù)已在國(guó)內(nèi)部分大型汽車(chē)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(dá)6萬(wàn)件，磨削質(zhì)量穩(wěn)定，效率高，生產(chǎn)成本降低，但國(guó)內(nèi)沒(méi)有掌握點(diǎn)磨削的核心技術(shù)。
1.1.3緩進(jìn)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(jìn)給速度1～30m/min，磨削深度1～50μm)相比，緩進(jìn)深切磨削是指工件進(jìn)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(guò)一次磨削行程完成以前多次切入才能達(dá)到的磨削余量。高效深切磨削是在緩進(jìn)深切磨削的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技術(shù)，提高了工件進(jìn)給速度(0.5～10.0m/min)，極大地提高了磨削效率，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的Z高峰”。
緩進(jìn)深切磨削技術(shù)和高效深切磨削技術(shù)均具有磨削弧長(zhǎng)，可一次加工成形等特點(diǎn)，磨削過(guò)程中采用高壓強(qiáng)冷、連續(xù)修整等相關(guān)技術(shù)，具有高的磨削效率(達(dá)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(pán)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。目前已得到廣泛的應(yīng)用，但市場(chǎng)上主要的平面強(qiáng)力磨床仍是國(guó)外品牌。
1.1.4蝸桿砂輪磨削
齒輪作為重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)零件，在交通、機(jī)械、儀器、兵器等行業(yè)普遍應(yīng)用，其精度、齒面質(zhì)量將直接影響齒輪傳動(dòng)的承載能力、使用壽命和平穩(wěn)性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪的要求越來(lái)越高，硬齒面磨削工藝在齒輪生產(chǎn)中得到大力推廣。蝸桿砂輪磨削是基于螺旋齒輪傳動(dòng)原理，砂輪與齒輪空間嚙合旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)齒輪連續(xù)分度展成磨削，砂輪剛性好，磨削接觸點(diǎn)多，加工效率高，磨削精度好，表面質(zhì)量?jī)?yōu)。
20世紀(jì)末蝸桿砂輪磨削技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用，主要是隨著高檔磨床的引進(jìn)以及韌性、自銳性、耐磨性俱佳的陶瓷剛玉(SG)磨料在國(guó)內(nèi)的工程化應(yīng)用，進(jìn)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(shù)主要用于中小模數(shù)齒輪的大批量生產(chǎn)。
1.1.5重載荷磨削
重載荷磨削主要技術(shù)特點(diǎn)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(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(dòng)大;3)對(duì)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(dá)100～300kW，砂輪速度80～120m/s。其主要考核指標(biāo)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(lǐng)域普遍應(yīng)用，成為高性能鋼生產(chǎn)的重要工序，但國(guó)內(nèi)磨制鋼占粗鋼的比例仍很低。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升，對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格，高速、重載荷磨削應(yīng)用進(jìn)一步拓展。
1.1.6輪軌高速、被動(dòng)磨削
鐵路、地鐵等輪軌由于長(zhǎng)期承受交變載荷和摩擦力的作用，使其表面時(shí)常出現(xiàn)不均勻磨損(波磨、裂紋、剝落、壓潰、點(diǎn)蝕、肥邊等)。為使列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)、安全，乘客舒適，延長(zhǎng)輪軌壽命等，輪軌需要定時(shí)進(jìn)行修復(fù)。高速、被動(dòng)磨削是近年發(fā)展起來(lái)的新型輪軌打磨技術(shù)。作業(yè)中砂輪自身不帶動(dòng)力，是通過(guò)打磨車(chē)的行進(jìn)及壓力，使砂輪外圓與輪軌間產(chǎn)生擠壓、滾動(dòng)、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(dòng)磨削不僅效率高，而且質(zhì)量好，成本低。
與目前輪軌修復(fù)使用Z廣泛的砂輪端面主動(dòng)打磨技術(shù)相比，輪軌被動(dòng)磨削Z大的優(yōu)點(diǎn)是打磨速度快(60～80km/h)，特別適用于行車(chē)密集的線(xiàn)路。輪軌修復(fù)時(shí)無(wú)需封閉線(xiàn)路，減少了對(duì)線(xiàn)路運(yùn)行的影響，節(jié)省了輪軌維護(hù)成本，提升了線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)能力，具有很好的發(fā)展前景。但是，由于國(guó)外技術(shù)保密，國(guó)內(nèi)尚處于研究、開(kāi)發(fā)階段。
1.1.7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(jī)床上，實(shí)現(xiàn)高效加工或精密加工的目的。復(fù)合磨削主要有2種類(lèi)型。
1)在1個(gè)工位上復(fù)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(chǔ)上疊加一個(gè)超聲振動(dòng)，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(tài)，提高磨削質(zhì)量，延長(zhǎng)砂輪壽命;還有電解磨削、電火花機(jī)械復(fù)合磨削、紫外光輔助磨削、磁流變拋光等，此類(lèi)復(fù)合磨削在學(xué)術(shù)界多次出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在高校研究中，工業(yè)應(yīng)用極少。
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(shí)現(xiàn)多工具、多工序集中的磨削思路。復(fù)合磨削主要針對(duì)軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件的端面、外圓、內(nèi)孔、錐面、螺紋等多種加工要素，磨削功能高度復(fù)合，在基準(zhǔn)統(tǒng)一條件下可保證工序間的高精度，大大減少了機(jī)床和夾具數(shù)量，縮減了工序間的輔助時(shí)間，達(dá)到提高生產(chǎn)效率以及降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，具有更高的應(yīng)用需求和實(shí)用價(jià)值。目前已普遍應(yīng)用在工具類(lèi)大批量生產(chǎn)中，如可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片磨削、整體立銑刀磨削、HSK刀柄磨削、軸承套圈復(fù)合磨削等，但國(guó)內(nèi)80%以上的數(shù)控復(fù)合機(jī)床仍依靠進(jìn)口。
1.2精密及超精密磨削
磨削通常可經(jīng)濟(jì)地獲得表面粗糙度Ra值為0.20～2.00μm的工件，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及加工精度、表面完整性要求越來(lái)越高，磨削加工已經(jīng)成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)精密及超精密加工Z有效、Z廣泛的實(shí)用技術(shù)，許多零部件對(duì)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(lái)越多，因此現(xiàn)代磨削技術(shù)正向微細(xì)化的方向發(fā)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(diǎn)，采用銳利的金剛石工具，通過(guò)精細(xì)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(dòng)和二者間的擠壓、摩擦、拋光作用，使磨削表面紋理極其微細(xì)、光滑。目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工機(jī)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(duì)普及。
對(duì)于超硬磨料磨具，由于磨料硬度高，砂輪修整困難等技術(shù)難題，采用傳統(tǒng)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(xiàn)電解修整(Electrolytic In process Dressing ELID)磨削是由日本學(xué)者Ohmori于1987年提出的一項(xiàng)磨削技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)超硬砂輪的修整難題及金屬結(jié)合劑的導(dǎo)電特性，在砂輪與工件間通過(guò)電解磨削液構(gòu)成電化學(xué)系統(tǒng)，利用其陽(yáng)極溶解效應(yīng)，對(duì)超硬砂輪表層進(jìn)行微量電解去除，使砂輪表面磨粒逐漸露出，產(chǎn)生大量微容屑空間;同時(shí)在砂輪表面形成一層鈍化膜，可抑制砂輪的過(guò)度電解，使砂輪表面始終保持Z佳狀態(tài)，有利于持續(xù)加工。
ELID磨削拓寬了超細(xì)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)有磨床安裝ELID裝置空間有限，電解液維護(hù)要求高等，其應(yīng)用面不大，主要用于光學(xué)、電子、儀表等精密加工領(lǐng)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間，但由于這些材料同時(shí)具有脆性特點(diǎn)，使其在制造過(guò)程中很容易產(chǎn)生裂紋、崩邊、崩碎等缺陷，限制了其工程應(yīng)用。文獻(xiàn)Z早給出硬脆材料延性域加工閾值公式，認(rèn)為只有當(dāng)磨粒切削深度小于待加工材料的臨界切削深度(納米級(jí))時(shí)，脆性材料才會(huì)實(shí)現(xiàn)延性域磨削，改善其加工的不足;但要實(shí)現(xiàn)硬脆材料純延性域磨削非常困難，不僅納米級(jí)微進(jìn)給條件苛刻，而且純延性域磨削幾乎無(wú)效率可言。
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(jí)狀態(tài)，即延性域磨削始終伴隨在硬脆材料的磨削過(guò)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(xì)化，磨床剛性、精度、動(dòng)態(tài)特性的提升，特別是磨床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精細(xì)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(duì)稍小。
1.2.4工件自旋轉(zhuǎn)磨削
硅材料號(hào)稱(chēng)芯片產(chǎn)業(yè)功能材料，硅材料硬脆和晶片超薄，加工中易產(chǎn)生變形、裂紋、斷裂，加工難度很大。工件自旋轉(zhuǎn)磨削技術(shù)于1988年由日本學(xué)者M(jìn)atsuiS提出，目前是硅片減薄磨削的主流。硅片利用真空吸盤(pán)裝夾，采用杯形金剛石砂輪一對(duì)一端面磨削，砂輪外圓與硅片中心對(duì)齊，硅片與砂輪各自繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，砂輪再沿其軸向微量進(jìn)給。與其他端面磨削方法相比，其主要特點(diǎn)是砂輪與硅片的接觸位置不變，接觸面積相對(duì)固定，砂輪工作層呈單窄環(huán)(環(huán)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(zhuǎn)磨削主要使用300#～4000#的超細(xì)磨料，加上機(jī)床的微量切入(0.1～1000μm/min)、合理的速度比及修平技術(shù)，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(shí)現(xiàn)塑性去除磨削。目前，工件自旋轉(zhuǎn)磨削在半導(dǎo)體功能材料減薄加工方面已獲得普遍應(yīng)用。
1.2.5CMP
在晶片的超精密加工中，為進(jìn)一步獲得無(wú)損傷、光滑的高精度表面，學(xué)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(xué)機(jī)械拋光等，其中化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，Z早于1965年由美國(guó)的Mon-santo提出。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(jí)磨粒的研磨作用和氧化劑的化學(xué)腐蝕協(xié)同，快速達(dá)到高質(zhì)量和無(wú)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(lán)寶石、氧化硅、碳化硅、石英晶體、銅、鎢等。CMP是集機(jī)械學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)為一體的綜合加工技術(shù)，避免單純機(jī)械拋光易產(chǎn)生表面損傷和單純化學(xué)拋光速度慢，表面平整度和一致性差等缺點(diǎn)，使其加工性和速度同時(shí)滿(mǎn)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(yùn)行狀態(tài)，對(duì)工件表面進(jìn)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(diǎn):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(jìn)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，Z寬已達(dá)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(qiáng)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(duì)砂帶磨削認(rèn)識(shí)的提高，砂帶、頁(yè)輪等涂附磨具在國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)規(guī)模和水平的應(yīng)用，從家庭生活到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域無(wú)所不用，從簡(jiǎn)單的扒皮磨削到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片自適應(yīng)砂帶磨削無(wú)所不能。但是，國(guó)內(nèi)砂帶磨削應(yīng)用仍相對(duì)滯后，以砂帶磨床與砂輪磨床之比分析，美國(guó)49∶51，德國(guó)45∶55，而國(guó)內(nèi)約20∶80。
1.4智能磨削
智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，該系統(tǒng)不但具備柔性，還表現(xiàn)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(shù)自我優(yōu)化等)，以便減少磨削缺陷，應(yīng)對(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜環(huán)境，大量的復(fù)雜信息和瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。智能磨削是數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，是借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削過(guò)程的感知、預(yù)測(cè)、控制，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效提升相關(guān)精度和表面質(zhì)量的目的。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨削加工各種信息，如:磨削參數(shù)、磨削液狀況、砂輪平衡、砂輪磨損，工件找正、對(duì)刀、精度、表面粗糙度、質(zhì)量，磨削載荷、振動(dòng)、溫度、AE等;進(jìn)而依據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)提供的信息，結(jié)合系統(tǒng)集成的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，對(duì)磨削過(guò)程中的各種信息進(jìn)行分析、判斷和決策;再依據(jù)當(dāng)前磨削信息及決策規(guī)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)的自身調(diào)整，獲得Z優(yōu)的磨削性能或保證磨床處于Z佳的工作狀態(tài)。
目前，智能磨削已取得很好的效果，如磨削力自適應(yīng)控制磨削、磨削質(zhì)量智能優(yōu)化、機(jī)器人智能拋光葉片、表面粗糙度智能磨削、智能誤差補(bǔ)償、ELID智能磨削、工藝參數(shù)智能優(yōu)化等，但智能磨削工程化應(yīng)用幾乎為零，目前還僅存于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或單一參數(shù)約束。而磨削是一個(gè)極其復(fù)雜的多因素交互影響系統(tǒng)，只有實(shí)現(xiàn)多傳感器監(jiān)控，多參數(shù)跟蹤，多信號(hào)融合分析，全方位評(píng)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(zhǎng)。
1.5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(chǎng)環(huán)境和操作者健康帶來(lái)了一定危害，而且增加企業(yè)磨削加工成本。面對(duì)人類(lèi)社會(huì)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(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)角度綜合考慮環(huán)境和資源兩大問(wèn)題的一種現(xiàn)代制造模式。綠色制造目前已在全世界展開(kāi)。
為了減少三廢(廢氣、廢液、廢渣)，國(guó)內(nèi)外綠色磨削Z集中、Z熱門(mén)的研究領(lǐng)域是設(shè)法減少磨削液對(duì)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)的影響。目前，研究課題主要有內(nèi)冷卻磨削、低溫冷風(fēng)磨削、高壓射流磨削、霧化冷卻磨削、微量潤(rùn)滑磨削、固體潤(rùn)滑磨削及干式磨削等。由于國(guó)內(nèi)綠色磨削起步較晚，目前除干式磨削有少量應(yīng)用外，其余主要集中于高校實(shí)驗(yàn)室中。
2 國(guó)內(nèi)先進(jìn)磨削技術(shù)存在問(wèn)題
2.1高檔超硬磨具主要由國(guó)外壟斷
經(jīng)過(guò)近三十年的高速發(fā)展，目前我國(guó)超硬磨料和磨具已成為世界Z大生產(chǎn)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)金剛石和CBN分別占全世界90%，60%，超硬磨粒磨削應(yīng)用也已快速進(jìn)入了石材、陶瓷、汽車(chē)、半導(dǎo)體、工具、壓縮機(jī)等加工領(lǐng)域;但由于國(guó)內(nèi)超硬磨具至今沒(méi)有硬度標(biāo)準(zhǔn)，致使其系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定性、可靠性等與國(guó)外品牌產(chǎn)品仍有相當(dāng)差距，超硬磨具進(jìn)口單價(jià)達(dá)出口價(jià)的26.8倍。以汽車(chē)、半導(dǎo)體、工具、軸承等中高檔超硬磨具應(yīng)用為例，國(guó)產(chǎn)砂輪僅占20%左右，而高檔超硬磨具仍主要由國(guó)外產(chǎn)品壟斷，超硬磨粒磨削應(yīng)用進(jìn)入了發(fā)展瓶頸期，國(guó)產(chǎn)超硬砂輪難以進(jìn)入高檔磨具市場(chǎng)。
2.2國(guó)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(jìn)磨削技術(shù)的基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)已有了很大的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)目前是全球制造業(yè)門(mén)類(lèi)Z齊全、機(jī)床產(chǎn)量Z大的國(guó)家，但我國(guó)數(shù)控磨床仍以中低端市場(chǎng)為主，高端磨床領(lǐng)域、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵裝備依然依賴(lài)進(jìn)口，尚不能完全實(shí)現(xiàn)自給自足。特別是高端磨床方面，缺乏全面、系統(tǒng)、工程化規(guī)劃，基礎(chǔ)件研究嚴(yán)重滯后，電主軸、高速軸承、在線(xiàn)動(dòng)平衡、對(duì)刀傳感器、數(shù)控系統(tǒng)等更是依賴(lài)進(jìn)口，嚴(yán)重制約高速和超高速磨削、點(diǎn)磨削、深切緩進(jìn)和深切快進(jìn)給磨削等先進(jìn)磨削技術(shù)的工程應(yīng)用。
2.3磨削技術(shù)學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴(yán)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(wú)數(shù)、形狀不一、高低有別、容屑有限、刃尖呈大負(fù)前角狀態(tài)。砂輪的應(yīng)用不同于一般的機(jī)械工程，影響因素極其復(fù)雜，存在無(wú)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(yàn)、統(tǒng)計(jì)的大量數(shù)據(jù)。但近二十年來(lái)，本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，工程上有許多的課題無(wú)法開(kāi)展工作，而學(xué)術(shù)上又有大量的文章在無(wú)數(shù)的假設(shè)條件下建模、仿真、發(fā)表，造成有成果和無(wú)應(yīng)用的奇怪現(xiàn)象，甚至嚴(yán)重偏離工程實(shí)際，對(duì)磨削應(yīng)用毫無(wú)意義。
3 結(jié)束語(yǔ)
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(jìn)磨削技術(shù)具有高速、高效、長(zhǎng)壽、精密、柔性、綠色等鮮明優(yōu)點(diǎn)，更符合《中國(guó)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(jìn)。
磨削是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國(guó)內(nèi)在先進(jìn)磨削技術(shù)應(yīng)用方面還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。為實(shí)現(xiàn)國(guó)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(hù)、高校等多維協(xié)同合作。不僅應(yīng)有基礎(chǔ)學(xué)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(jī)制，有利于快速提高國(guó)內(nèi)先進(jìn)磨削技術(shù)的應(yīng)用范圍。
（來(lái)源：磨料磨具研習(xí)社）
