磨削技術的歷史、現狀和展望

本刊記者/Reporter 汪藝/WANG Yi

MTMT：請談談磨削的發展歷史，包括起源和發展過程。

李長河教授：磨削技術的歷史非常悠久。人類的祖先最早用砂巖磨礪燧石工具，還用磨料將石頭磨成飲食工具。用于建造埃及金字塔的巨大石塊也是用原始的磨料工具切割而成，并用砂巖磨光他們的表面。

金屬磨削始于公元前2000年的古埃及，主要用于磨銳工具和光整飾品。第一塊砂輪由砂巖削成一定形狀，在原始磨坊上轉動以磨碎谷粒。早期砂輪由人力驅動旋轉并主要用于工具的刃磨。

中世紀至工業革命時期，磨料被用來磨礪和拋光工具、武器和鎧甲。直到19世紀初為了手工磨削寶石，才在印度制造出用固體黏結磨料而制成的砂輪，所使用的磨料主要是金剛砂和天然剛玉。19世紀中葉，在英格蘭發明了氯氧化物結合劑砂輪，在美國和法國出現了橡膠結合劑砂輪。19世紀下半葉出現了和天然結合劑性質一樣的硅酸鹽結合劑。19世紀20年代諾頓公司大量生產了陶瓷結合劑砂輪。而樹脂結合劑砂輪則是1923年才出現。用于金剛石砂輪的金屬結合劑出現于19世紀40年代初，而金屬砂輪的思想則可追溯到17世紀末用帶金剛石粉末的鑄鐵盤來拋光寶石的比利時。

在19世紀60年代，為制造鋸機零件，Brown & Sharpe公司制造出了第一臺現代磨床。19世紀90年代自行車的普及又使磨削能加工淬硬的精密軸承和齒輪。

19世紀末期開始出現碳化硅和氧化鋁人造磨料。至20世紀初，已開始了用人造氧化鋁和碳化硅磨料及陶瓷、橡膠、樹脂膠及氯氧化物結合劑制作的砂輪。1930年首次生產出含天然金剛石磨料的樹脂結合劑砂輪，接著在10年后又出現了陶瓷和金屬結合劑的金剛石砂輪。金剛石磨具消費的迅速增長，主要是因為磨削硬質合金刀具的需要。1955年通用電氣(General Electric)公司宣布在高壓條件下成功地制出了人造金剛石。

金剛石磨料，不管是天然的還是人造的，都被廣泛地應用于包括硬質合金、陶瓷、金屬、玻璃、纖維增強復合材料等各種材料的磨削。但由于可以引起過快磨損的石墨化傾向，它不適于磨削鐵族金屬。為了尋找金剛石的替代物，通用電氣公司1957年使用與制造人造金剛石相似的高壓過程首次成功地制出了立方氮化硼（CBN）。但直至1969 年才主要為了鐵類金屬的加工而開始商業生產。CBN是已知硬度僅次于金剛石的超硬材料。目前，磨削技術正朝著更有效地應用超硬磨料的方向發展。

磨削是用硬磨料顆粒作為切削工具進行的加工過程的統稱。史前人類就發現將他們的工具在砂巖上磨擦可以使其鋒利，這大概是最早出現的磨削過程。如果沒有用磨削使工具成形和鋒利的方法，我們可能還生活在石器時代。

在各種加工方法中，磨削用的切削工具是獨一無二的。砂輪和磨削工具通常由兩種材料構成——叫做磨粒的起切削作用的磨料細顆粒和把無數磨粒粘接在一起成為固體的較軟的粘接劑。史前人類的磨削工具是天然砂巖，它的磨料砂粒由硅酸鹽基體結合在一起。而現在的砂輪是把人造磨料磨粒用合適的材料粘合在一起而制造成的。每一個磨粒就是一個可能的微小切削工具。磨削過程就是由這些成千上萬個磨粒微小切刃共同連續完成的。

MTMT：磨削加工的發展方向？為什么確立這樣的方向？

李長河教授：普通磨削的單位材料去除率不足10 mm3/mm·s，與普通車削、銑削相去甚遠。所以，提高磨削加工效率一直是人們不懈追求的目標。根據磨屑去除機理，材料磨除率可以表示成磨屑平均斷面積、磨屑平均長度和單位時間內參與切削的磨粒數三者的乘積。因此，如果要提高磨削效率：（1）可以采用高速和超高速及寬砂輪磨削來增加單位時間作用的磨粒數；（2）采用深切磨削以增大磨屑長度；（3）采用重負荷等強力磨削方式以增大磨屑平均斷面積。單獨或綜合采用這些方法從而使單位材料去除率較普通磨削有較大提高的工藝技術均為高效率磨削加工技術。其中高速與超高速磨削、高效深切磨削、快速點磨削的發展最為引人注目。

（1）高速/超高速磨削加工（超高速磨削、高效深切磨削、快速點磨削）基礎理論及關鍵技術：高速/超高速磨削機理認識和探討，表面創成及完整性控制，高效深磨和快速點磨削的核心關鍵技術及理論研究。（2）高效率磨削加工基礎理論及關鍵技術：強力高效磨削工藝及裝備的關鍵實現技術和基礎理論，石材高效率低污染磨削加工技術及理論研究。（3）硬脆材料磨削加工基礎理論及關鍵技術研究：復雜磨削應力狀態下脆/塑轉變理論，硬脆材料磨削損傷力學、損傷評估及控制，硬脆材料大切深緩進給和高速超高速磨削機理研究及實現。（4）磨削過程的智能化檢測和控制的基礎理論與關鍵技術：包括磨削過程參數信息傳感和多傳感器信號融合技術研究、磨削過程智能控制方法、理論與實現。（5）復雜曲面的自動化、高效率磨削加工基礎理論與關鍵技術：復雜曲面機器人磨削和數控磨削理論研究和技術實現，復雜曲面自動高效率磨削加工工藝的基礎理論和相關技術。（6）新型磨具制備和應用中的基礎理論與關鍵技術：新型磨料與結合劑系統開發與組合技術，高速/超高速高效率磨削用新型砂輪結構和制備工藝創新，超硬磨料磨具修整及加工性能的定量評價技術及體系。關鍵是要強調學科交叉和新型磨具設計的定量化和科學性。（7）無環境污染或低環境污染的綠色磨削加工新原理、新方法、新工藝的探索。

MTMT：世界和我國磨削加工的發展重點是否不同？不同之處在哪里？原因何在？

李長河教授：我國和世界各國磨削加工的發展重點基本相同，但在高速/高效磨削加工方面世界各國略有不同。

歐洲高速超高速磨削技術的發展起步比較早，最初在20世紀60年代末期就開始進行高速超高速磨削的基礎研究，當時實驗室的磨削速度就已經達到210～230 m/s。70年代，超高速磨削開始采用CBN砂輪。1983年德國Bremen大學出資由德國Guhring Automation公司制造了當時世界上第一臺高效深磨的磨床，功率為60 kW，轉速為10 000 r/min，砂輪直徑為400 mm，砂輪圓周速度達到了209 m/s。德國Guhring Automation公司于1992年成功制造出砂輪線速度為140～160 m/s的CBN磨床，并正在試制線速度達180 m/s的樣機。德國Aachen大學、Bremen大學在高效深磨的研究方面取得了世界公認的高水平成果，其方法是用高線速度、深切入、快進給進行磨削，可得到高效率、高質量的磨削效果。據Aachen工業大學實驗室的Koeing和Ferlemann宣稱，該實驗室已經采用了圓周速度達到500 m/s的超高速砂輪，這一速度已突破了當前機床與砂輪的工作極限。

1993年美國的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用單層CBN砂輪，圓周速度達到了203 m/s，用以加工淬硬的鋸齒等可以達到很高的金屬切除率。美國Connecticut大學磨削研究與發展中心的無心外圓磨床，最高磨削速度250 m/s。2000年美國馬薩諸塞州立大學的S.Malkin等人，以149 m/s的砂輪速度，使用電鍍金剛石砂輪通過磨削氮化硅，研究砂輪的地貌和磨削機理。

目前美國的高效磨削磨床很普遍，主要是應用CBN砂輪。可實現以160 m/s的速度、75 mm3/mm·s的磨除率，對高溫合金Inconel718進行高效磨削，加工后Ra1～2 μm，尺寸公差±13 μm。另外采用直徑400 mm的陶瓷CBN砂輪，以150～200 m/s的速度磨削，可達到Ra0.8 μm，尺寸公差±2.5～5 μm。美國高速磨削的一個重要研究方向是低損傷磨削高級陶瓷。傳統的方法是采用多工序磨削，而高速磨削試圖采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高質量的氮化硅陶瓷零件。

日本的超高速磨削主要不是以獲得高生產率為目的，而是對磨削過程的綜合性能更感興趣。它的磨除效率普通地維持在60 mm3/mm·s以下，這是與歐洲超高速磨削高效深磨工藝的顯著差別。日本在超高速磨削領域處于領先地位，豐田工機在其開發的G250型CNC超高速外圓磨床上裝備了其最新研制的Toyoda Stat Bearing軸承，使用砂輪圓周速度200 m/s的陶瓷結合劑CBN砂輪，對回轉類零件進行高效高精度柔性加工。日本的三菱重工、岡本機床制作所等公司均能生產應用CBN砂輪的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷結合劑CBN砂輪圓周速度達到了200 m/s。日本廣泛地用CBN砂輪取代一般砂輪，其目的是達到加工的高效率化、省力和無人化。至2000年，日本已進行500 m/s的超高速磨削試驗。Shinizu等人，為了獲得超高磨削速度，利用改制的磨床，將兩根主軸并列在一起；一根作為砂輪軸，另一根作為工件主軸，并使其在磨削點切向速度相反，取得了相對磨削速度為VS+VW的結果，砂輪和工件間的磨削線速度實際接近1 000 m/s。這是迄今為止，公開報道的最高磨削速度。

另外，日本在精密超精密磨削加工方面處于領先地位；新加坡利用游離磨料光整加工珠寶飾品優勢明顯，此外，印度學者將磨粒特種加工作為其研究和應用的重點。

MTMT：磨削是否會被切削替代，磨削相比于切削在哪些方面、哪些領域具有不可替代的優勢，以后會不會被替代？

李長河教授：隨著超硬刀具材料的出現，發展了一種稱之為硬切削的新工藝，對傳統的磨削方法提岀挑戰并產一定沖擊，同時還引發了一場硬切削是否會取代磨削的爭議。硬切削是指使用超硬材料（CBN或金剛石）或陶瓷刀具來加工淬硬工件。硬切削可以切削淬硬鋼、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、粉末冶金和其他高硬度高強度材料。能實現車削、表面加工、攻螺紋、銑削、開槽、異型面、車削錐面等工序。目前，硬切削這種新工藝正在許多工業部門采用，如汽車制造廠用這種方法對傳動軸、曲軸、制動盤和制動轉子進行半精加工和精加工；硬切削在制造業的各個領域獲得了廣泛的應用。

由于CBN等超硬刀具的成本近年來已大大降低，從而為硬切削推廣應用創造了條件。如美國有一家公司以前用粗磨來加工一種硬質齒輪的端面，后改用硬切削作為粗加工，再進行精磨，成本減少40%。如果把粗磨和精磨都改為硬切削，那么加工工時、夾具成本、刀具成本以及能耗都可下降，而生產率卻可提高，并使每只零件的成本下降55%。美國另一家生產壓力環的工廠，原工藝都是磨削，包括內圓磨削、端面磨削、外圓磨削和球面磨削4道工序，改用硬切削后，只用VNMA332和CNMA432兩把刀具，使加工速度提高10倍。此外，在廢物處理和環保方面，硬切削優于磨削。磨削會產生磨屑和冷卻液的混合物，這是不能再利用的廢物，會污染環境。硬切削產生的廢屑則可再利用，這對重視環境保護的今天來講特別重要。

硬切削的迅速發展是建立在過去幾年CBN等超硬刀具技術進步的基礎上，上世紀90年代初只能在少數幾種CBN刀具中選擇用于硬切削，且其對鑄鐵的最大切削速度約為152 m/min，現在最高切削速度達1 524 m/min，大多數連續的硬質鋼切削速度在90～150 m/min，進給量0.05～0.2 mm/r，切削深度達到0.1～0.5 mm。CBN的適用性擴大，過去不能用于脆性工件，現在對硬度不一的工件都能進行加工。

硬切削會取代磨削加工嗎？

由于磨削具有獨特的一些優勢，比如磨粒和切屑尺寸細小、磨削力小、參加切削的磨粒眾多，所以磨削加工可以容易地獲得高精度和低表面粗糙度表面，是精密加工的主要手段。特別是應用非常微細的磨粒，可以獲得納米級切刃半徑尺寸，從而可以實現極薄的微細切削和獲得無缺陷表面，可以獲得加工精度0.1 μm、表面粗糙度Ra0.025～0.008 μm的加工表面，使它又是超精密加工的主要手段，在現代航空航天、精密機械和儀器、電子信息、尖端武器、小型和微型機械等高科技領域獲得重要應用。如磨削精度較高，對公差要求較嚴的加工非磨削莫屬；對一般材料而言，磨削可能會遇到銑削、鉸削、車削等方法強有力的競爭。但對諸如陶瓷、金屬陶瓷復合材料、晶須加強材料以及高溫超級合金之類的新一代材料而言，硬切削決不是磨削的對手，而且必須用磨削進行加工。例如，磨削是加工在噴氣飛機發動機中使用的超級合金工件的唯一方法，也是加工用陶瓷合金、陶瓷和玻璃制成的汽車和光學元件的唯一方法。

隨著生產發展和技術進步，對磨床提出了許多新的要求，如美國磨削協會提出如下要求：主軸轉速要達到25 000 r/min，可以以9 144 r/min（152.4 m/s）甚至更高的速度進行磨削；磨頭主軸設計剛性好，機床體積較小，輕便，加工區體積可加工各種形狀的工件，范圍廣的和精密控制的拖板定位系統，采用模塊化設計和較多的標準件，與CNC相連的修整系統，可跟蹤砂輪尺寸，修整器位置以及砂輪對工件的位置。具有能監控機床狀態，機床動平衡、主軸和電動機狀態以及砂輪狀態的傳感器，監控修整時金剛石與CBN砂輪間的接觸，監測CNB砂輪與工件之間的接觸，以提高效率。磨床將采用磁懸浮主軸，在15 kW功率范圍內，轉速達到40 000 r/min，而占地面積很小，水基靜壓軸承可以使用水基切削液，能進行連續修整的高感應大氣孔陶瓷結合劑砂輪，用于加工陶瓷的金屬結合劑金剛石微粉砂輪可進行電解修整。

現在，磨削是在工業化國家的制造業中占加工成本約20%～25%的一個主要加工方法。我們知道，沒有磨削是不可想象的。幾乎我們使用的每種東西都在其制造過程中經過磨削，或是制造設備使用了經過磨削的零件。沒有磨削我們如何磨礪車刀、銑刀和鉆頭呢？如何制造機器和車輛的軸承呢？ 又如何制造出磁頭和計算機磁盤驅動器零件呢？

磨削通常被習慣地認為僅是一種用于獲得光潔零件表面和精確公差的精加工方法。確實，沒有任何方法可以和磨削在精密加工方面競爭，但磨削并不局限這一應用。實際上，許多磨料消耗于重負荷磨削，它追求盡可能有效和迅速地去除材料，而不關心表面質量。磨削既能使用像紙一樣只有20 μm厚的砂輪鋸片精細地切割微電子電路硅片，也能在鑄造工廠或鋼廠在重負荷條件下以220 kW的機器功率和1 600 cm3/min的去除率清理鋼坯。

磨削另一個有競爭力的實際應用領域是對特硬或脆的、其他方法不能有效加工的材料的加工。在諸如切削刀具和軸承環等淬火鋼零件的生產中，磨削可容易地完成退火鋼或淬硬鋼加工，而其他方法就受到限制。對陶瓷、硬質合金、玻璃等非金屬脆性材料則唯一地依靠磨削加工。

磨削盡管在工業中很重要，但仍常得不到應有的重視。用精磨去除同樣體積的材料經常被認為比其他加工方法成本高，它的應用是不得已的。當然，隨著近凈形精密鑄造和鍛造技術使材料去除余量的不斷減少，磨削作為無須車削和銑削而一次直接成形的方法將更為經濟。

在通常使用的所有加工方法中，磨削無疑是所知最少和最受忽視的。這一情況的出現原因在于磨削過程太復雜，不容易弄清楚。因為切刃數量多、幾何形狀不規則、磨削速度高、每個磨粒的磨削切深小且不一致，任何要分析磨削機理的企圖都是沒有希望的。而從砂輪噴射出的磨削火花流更增加了人們的神秘感。

磨削加工機床是種類最多的機床，被廣泛應用于機械制造、輕工、建筑、耐火材料等多種行業，目前已知的已超過3 000種。所以，磨削加工也是支撐國民經濟各行業的重要加工方法。

由于超硬磨料磨具的應用、高速/大功率/精密機床及數控技術發展、新型磨削液和砂輪修整等相關技術的發展、高速/超高速磨削和高效率磨削技術應用、磨削自動化和智能化等技術的發展，使磨削加工在機械制造領域具有更加重要的地位。

隨著現代工業技術和高性能科技產品對機械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化質量穩定性的要求越來越高。先進陶瓷、單晶硅、人工晶體等硬脆材料的機械加工成本占制品總成本的30%～75%，有些甚至達到90%，是影響其推廣應用的關鍵因素。如何高質量、高效率磨加工硬脆材料也是世界各發達國家高度重視的問題。在這一需求推動下，在世界范圍內更加強了磨削理論基礎和應用研究，新的磨削加工方法和先進磨削加工技術、工具與裝備不斷涌現，將磨削加工這一古老的加工工藝技術迅速推向新高度，并成為先進加工制造工藝與裝備的重要組成部分。

MTMT：國家科技重大專項在磨削方面解決的重點問題有哪些？目前是否有相關的進展？

李長河教授：我國目前的磨床生產大多缺乏自主核心技術。企業的設計是類比仿制為主，磨床的主軸軸承、滾珠絲杠、伺服電動機、高檔數控系統等關鍵件均是進口，往往只有最重的床身部分是自制的。即便如此，安裝在一起，與國外機床在精度、切削能力等方面仍有不小的差距。在高速/超高速、精密超精密磨床方面，差距更大。缺乏基礎研究，缺乏核心設計理論，對于超高速、超精密磨削機床這種處于極端工況條件對動態特性有苛刻要求，且經常需要客戶化設計的裝備來說，是難以勝任的。而依賴試制、應用、逐步改進的方式已無法適應。

國家科技重大專項在磨削方面重點解決磨削裝備數控系統、功能部件的核心關鍵技術，增強我國高檔數控磨床的自主創新能力，實現主機與數控系統、功能部件協同發展，大型/精細裝備與高速/高效、多樣化/復合化統籌部署，打造完整產業鏈。研制的高速、精密、大型成套磨床裝備，數控機床主機可靠性提高60%以上，基本滿足航天、船舶、汽車、發電設備制造等4個領域的重大需求。

具體表現在整機集成理論與技術、關鍵零部件設計與機床結合面參數識別、磨削狀態監測與磨削過程智能控制、高速/高效、精密超精密磨削工藝及其數據庫和面向加工對象的專用軟件等方面關鍵核心技術和系統集成技術的突破。要實現以上技術的突破，需要相應的共性基礎技術作為支撐，如設計環節中的新型材料及結構研究、可重構技術、虛擬設計制造技術等；控制環節中的開放式數控系統、數字伺服驅動、傳感器、自適應控制和誤差補償技術等；磨削軟件環節中的計算機仿真、數據接口、數據庫、人工智能技術等。在共性基礎技術的保障下，掌握虛擬磨床的建模、床身靜態、動態剛度及抗振性、熱穩定性研究及整機結構布局優化及結合面技術對整機設計尤為重要；高速回轉主軸系統和高速高響應進給系統無疑是高端磨床必需的關鍵部件；在高端數控磨床中，直線電動機/力矩電動機的直驅、多軸同步運動控制、新型高速輪廓插補是實現運動精度控制的核心技術；而在線監測技術、磨削振動控制技術及磨削熱變形補償技術則是磨削過程智能監控的重要組成部分；高速、精密磨削機理的研究、磨削工藝庫的建立及工藝參數的優化是高速高效、精密超精密磨削工藝應用于實際的保障性技術；而復雜加工對象的磨削運動建模、CAM/CNC一體化技術、智能磨削專家系統是磨削軟件水平的重要體現。

通過幾年的探索實踐，無論在整機集成理論與技術、關鍵零部件設計與機床結合面參數識別、磨削狀態監測與磨削過程智能控制技術，還是在高速/高效、精密超精密磨削理論及其數據庫技術以及面向加工對象的專用軟件等方面都取得了階段性的成果，有理由相信，中國一定能夠實現專項的預期目標, 突破高檔磨削裝備的自主化制造瓶頸，成為世界高檔磨床的制造強國。