磨削加工砂輪修整技術專利分析

王媛

摘 要：砂輪修整技術是提高磨削加工可靠性的關鍵技術。本文通過對磨削加工砂輪修整技術的專利進行統計，對砂輪修整技術的現狀進行了具體分析，并對砂輪修整技術的發展方向進行了預測。

關鍵詞：磨削加工 砂輪修整 專利分析

1 前言

磨削加工是利用磨料工具去除材料的加工方法，具有較高的加工精度，其通常作為工件最后機械加工的手段。磨削加工在金屬切削領域占有極為重要的地位，被廣泛應用于許多高科技領域，比如航空航天、醫療器械和電子芯片等，而諸如陶瓷和微晶玻璃等難加工材料，更是只能采用磨削加工的方法。砂輪是磨削加工中常用的一種磨具，在工件磨削過程中，保持砂輪和砂輪軸的良好狀態很重要。成形磨削時，砂輪的磨削性能在很大程度上取決于砂輪的表面特性，砂輪的形狀精度及其尺寸精度直接影響工件的加工質量。這直接關系到磨削加工的可靠性能。但磨削過程中由于砂輪與工件之間的縫隙很小，磨削液很難進入，產生的微小磨屑極不容易排除，容易造成砂輪鈍化，同時導致磨削區出現高溫，使砂輪出現異常，影響磨削性能。因此，要實現數控磨床的可靠加工，砂輪修整問題不容忽視。

2 磨削加工砂輪修正技術國內外發展現狀

目前國內外的砂輪修整技術主要有以下幾種：

（1）車削修整法

車削法是采用單顆粒金剛石筆、粉末冶金金剛石筆或金剛石修整片等修整工具車削砂輪，以達到修整目的。如圖1（a）中所示，金剛石筆的軸向和徑向運動可采用靠模板修整砂輪裝置控制，該裝置一般包括模板，縮放尺，觸頭和金剛石筆等。筆的仿形運動也可采用數控控制。

該種方法修整的效率較高，但金剛石筆的尖端由于受到熱和力的集中連續作用，磨損劇烈。且砂輪修整后其表面狀態不易達到磨削要求，磨粒之間容屑空間較小，其切削刃較寬且磨削刃不鋒利，如果直接用于磨削，砂輪初期磨削力及其磨削溫度較大，易造成磨削燒傷和振紋，所以在修整后，須用油石對其表面作合理修銳。

（2）滾壓修整法

滾壓修整時滾壓輪與砂輪是主從關系，兩者之間的相對滾動使磨粒表面崩碎出現微刃。砂輪的形狀由滾輪的運動軌跡產生。如圖1（b）所示，修整時，作為修整工具的滾輪以一定的壓力與砂輪接觸。由砂輪帶動修整輪以相同的線速度旋轉。在旋轉過程中，由于修整工具壓碎砂輪表面磨粒和結合劑，從而去除砂輪表面層而實現修整的目的。

滾壓法的特點是修整壓力大、修整效率及修整精度較低、修整后砂輪表面損傷層較深、切削刃密度較低、磨粒較尖銳、易磨損但不易堵塞。

（3）磨削修整法

磨削法修整是采用磨粒圓盤或金剛石砂輪仿效磨削過程來修整砂輪，現在均采用數控裝置。用切入磨削法修整砂輪時，修整輪具有獨立的旋轉運動，并以一定的切入深度切入砂輪，通過對高速旋轉的砂輪表面產生磨削作用，使砂輪獲得與滾輪形面吻合的鋒利工作表面；軸向磨削法修整時，基于成形砂輪對工件進行磨削加工的原理，建立與成形砂輪表面共扼的修整輪運動軌跡數學模型。使數控砂輪修整器產生兩坐標方向的聯動，修整出所需的成形輪廓。修整后砂輪表面的磨粒比較平整，適合精密磨削。

還有一種GC杯形砂輪修整法，也屬于磨削修整法的范疇。修整過程中，杯形砂輪沿一定的軸線作擺動，控制回轉中心的位置，并控制回轉運動與其同步，按照直線包絡的原理，即可修整出任意凸型廓形。修整過程中從GC杯形砂輪上脫落下來的磨粒會對砂輪磨粒及其結合劑橋產生沖擊和研磨作用，由此產生修整效果。在整形的同時也進行修銳。但該種方法常用于對金剛石砂輪的修整。

除上述三種常規砂輪修整方法外，還有ELID在線電解修整、電火花修整和激光修整法等。該三種方法還在實驗研究階段，并沒有以產品形式推廣。目前的砂輪修整技術還存在一定的局限性。例如：車削法修整和杯形砂輪修整時修整工具損耗較快；金剛石滾輪修整效率高、精度高，但滾輪型面復雜，難于制造；ELID 法需配備專用的電源、電極和電解液，裝置較貴且有一定的特殊要求。新的修整工具、修整技術的發展將趨于高精、高效、柔性及自動化方向。

3 磨削加工砂輪修整技術狀況分析

早在1970年左右就已經有砂輪修整的相關技術專利的申請出現，下圖2顯示了自七幾年來，世界范圍內關于砂輪修整技術的相關專利申請的發展趨勢。

從圖2中可以得知，砂輪修整中最常見的三種方法：車削法、滾壓法和磨削法，其相關專利的申請趨勢走向類似，在2005年之前，各類型的專利申請量都趨于平穩，而在2005年之后，申請量都呈明顯增長趨勢，這與21世紀以來世界的經濟、科技各方面迅猛發展有關，加工制造行業對磨床的需求持續增長，對磨床的可靠性要求更高，促進了相關企業和科研人員對磨床中砂輪修整技術的進一步研究，從而在進入21世紀后的短期內產生了大量的相關申請。

砂輪修整相關技術的研究主要集中在中國、日本、美國、歐洲等國家和地區。對于比較早期的車削法，在中國的申請量比在其他國家和地區的申請量要明顯多出很多，而滾壓法和磨削法的申請量比較適中，這體現了我國部分企業和個人的研發實力還處在較低水平的特點。

此外，在各個國家和地區中，磨削法和滾壓法的申請量差別不大，且普遍大于車削法的申請量，說明磨削法和滾壓法是實用性更好的兩種砂輪修整方法。

國內企業中目前相關專利申請量最多的是重慶興旺工具制造有限公司，它是一家專業化生產提供齒輪刀具產品的企業，年產刀具約5萬件，刀具的生產離不開磨床，該企業由于自身的需要而對砂輪修整技術進行了大量的研究。此外，國內還形成了以湖南大學、重慶大學為主的教育科研力量，對砂輪修整的相關技術進行了大量的研究。

在國外的企業中，相關申請的數量較多的是KOYO SEIKO CO LTD，即日本KOYO進口軸承株式會社，它是一家有著悠久歷史和文化的世界綜合軸承產品制造商，軸承的制造也需要高品質的磨床。

4 磨削加工砂輪修整技術前景預測

隨著經濟的飛速發展，磨削加工在精加工和難加工領域將越來越受到企業和研究機構的重視，從砂輪修整的技術狀況分析來看，單一的修整方法已經逐漸成為過去，越來越多的復合型方法被開發和使用，包括結合超聲波振動、人工神經網絡、電解復合、電火花、電極傳導等近年來被廣泛研究的新技術，由此可見，引入新技術新方法來修整砂輪已經成為砂輪修整關鍵技術發展的新趨勢。