磨削技术的历史、现状和展望

本刊记者/Reporter 汪艺/WANG Yi

MTMT：请谈谈磨削的发展历史，包括起源和发展过程。

李长河教授：磨削技术的历史非常悠久。人类的祖先最早用砂岩磨砺燧石工具，还用磨料将石头磨成饮食工具。用于建造埃及金字塔的巨大石块也是用原始的磨料工具切割而成，并用砂岩磨光他们的表面。

金属磨削始于公元前2000年的古埃及，主要用于磨锐工具和光整饰品。第一块砂轮由砂岩削成一定形状，在原始磨坊上转动以磨碎谷粒。早期砂轮由人力驱动旋转并主要用于工具的刃磨。

中世纪至工业革命时期，磨料被用来磨砺和抛光工具、武器和铠甲。直到19世纪初为了手工磨削宝石，才在印度制造出用固体黏结磨料而制成的砂轮，所使用的磨料主要是金刚砂和天然刚玉。19世纪中叶，在英格兰发明了氯氧化物结合剂砂轮，在美国和法国出现了橡胶结合剂砂轮。19世纪下半叶出现了和天然结合剂性质一样的硅酸盐结合剂。19世纪20年代诺顿公司大量生产了陶瓷结合剂砂轮。而树脂结合剂砂轮则是1923年才出现。用于金刚石砂轮的金属结合剂出现于19世纪40年代初，而金属砂轮的思想则可追溯到17世纪末用带金刚石粉末的铸铁盘来抛光宝石的比利时。

在19世纪60年代，为制造锯机零件，Brown & Sharpe公司制造出了第一台现代磨床。19世纪90年代自行车的普及又使磨削能加工淬硬的精密轴承和齿轮。

19世纪末期开始出现碳化硅和氧化铝人造磨料。至20世纪初，已开始了用人造氧化铝和碳化硅磨料及陶瓷、橡胶、树脂胶及氯氧化物结合剂制作的砂轮。1930年首次生产出含天然金刚石磨料的树脂结合剂砂轮，接着在10年后又出现了陶瓷和金属结合剂的金刚石砂轮。金刚石磨具消费的迅速增长，主要是因为磨削硬质合金刀具的需要。1955年通用电气(General Electric)公司宣布在高压条件下成功地制出了人造金刚石。

金刚石磨料，不管是天然的还是人造的，都被广泛地应用于包括硬质合金、陶瓷、金属、玻璃、纤维增强复合材料等各种材料的磨削。但由于可以引起过快磨损的石墨化倾向，它不适于磨削铁族金属。为了寻找金刚石的替代物，通用电气公司1957年使用与制造人造金刚石相似的高压过程首次成功地制出了立方氮化硼（CBN）。但直至1969 年才主要为了铁类金属的加工而开始商业生产。CBN是已知硬度仅次于金刚石的超硬材料。目前，磨削技术正朝着更有效地应用超硬磨料的方向发展。

磨削是用硬磨料颗粒作为切削工具进行的加工过程的统称。史前人类就发现将他们的工具在砂岩上磨擦可以使其锋利，这大概是最早出现的磨削过程。如果没有用磨削使工具成形和锋利的方法，我们可能还生活在石器时代。

在各种加工方法中，磨削用的切削工具是独一无二的。砂轮和磨削工具通常由两种材料构成——叫做磨粒的起切削作用的磨料细颗粒和把无数磨粒粘接在一起成为固体的较软的粘接剂。史前人类的磨削工具是天然砂岩，它的磨料砂粒由硅酸盐基体结合在一起。而现在的砂轮是把人造磨料磨粒用合适的材料粘合在一起而制造成的。每一个磨粒就是一个可能的微小切削工具。磨削过程就是由这些成千上万个磨粒微小切刃共同连续完成的。

MTMT：磨削加工的发展方向？为什么确立这样的方向？

李长河教授：普通磨削的单位材料去除率不足10 mm3/mm·s，与普通车削、铣削相去甚远。所以，提高磨削加工效率一直是人们不懈追求的目标。根据磨屑去除机理，材料磨除率可以表示成磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内参与切削的磨粒数三者的乘积。因此，如果要提高磨削效率：（1）可以采用高速和超高速及宽砂轮磨削来增加单位时间作用的磨粒数；（2）采用深切磨削以增大磨屑长度；（3）采用重负荷等强力磨削方式以增大磨屑平均断面积。单独或综合采用这些方法从而使单位材料去除率较普通磨削有较大提高的工艺技术均为高效率磨削加工技术。其中高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削的发展最为引人注目。

（1）高速/超高速磨削加工（超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削）基础理论及关键技术：高速/超高速磨削机理认识和探讨，表面创成及完整性控制，高效深磨和快速点磨削的核心关键技术及理论研究。（2）高效率磨削加工基础理论及关键技术：强力高效磨削工艺及装备的关键实现技术和基础理论，石材高效率低污染磨削加工技术及理论研究。（3）硬脆材料磨削加工基础理论及关键技术研究：复杂磨削应力状态下脆/塑转变理论，硬脆材料磨削损伤力学、损伤评估及控制，硬脆材料大切深缓进给和高速超高速磨削机理研究及实现。（4）磨削过程的智能化检测和控制的基础理论与关键技术：包括磨削过程参数信息传感和多传感器信号融合技术研究、磨削过程智能控制方法、理论与实现。（5）复杂曲面的自动化、高效率磨削加工基础理论与关键技术：复杂曲面机器人磨削和数控磨削理论研究和技术实现，复杂曲面自动高效率磨削加工工艺的基础理论和相关技术。（6）新型磨具制备和应用中的基础理论与关键技术：新型磨料与结合剂系统开发与组合技术，高速/超高速高效率磨削用新型砂轮结构和制备工艺创新，超硬磨料磨具修整及加工性能的定量评价技术及体系。关键是要强调学科交叉和新型磨具设计的定量化和科学性。（7）无环境污染或低环境污染的绿色磨削加工新原理、新方法、新工艺的探索。

MTMT：世界和我国磨削加工的发展重点是否不同？不同之处在哪里？原因何在？

李长河教授：我国和世界各国磨削加工的发展重点基本相同，但在高速/高效磨削加工方面世界各国略有不同。

欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早，最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达到210～230 m/s。70年代，超高速磨削开始采用CBN砂轮。1983年德国Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60 kW，转速为10 000 r/min，砂轮直径为400 mm，砂轮圆周速度达到了209 m/s。德国Guhring Automation公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140～160 m/s的CBN磨床，并正在试制线速度达180 m/s的样机。德国Aachen大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，其方法是用高线速度、深切入、快进给进行磨削，可得到高效率、高质量的磨削效果。据Aachen工业大学实验室的Koeing和Ferlemann宣称，该实验室已经采用了圆周速度达到500 m/s的超高速砂轮，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。

1993年美国的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203 m/s，用以加工淬硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250 m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等人，以149 m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的地貌和磨削机理。

目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用CBN砂轮。可实现以160 m/s的速度、75 mm3/mm·s的磨除率，对高温合金Inconel718进行高效磨削，加工后Ra1～2 μm，尺寸公差±13 μm。另外采用直径400 mm的陶瓷CBN砂轮，以150～200 m/s的速度磨削，可达到Ra0.8 μm，尺寸公差±2.5～5 μm。美国高速磨削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。传统的方法是采用多工序磨削，而高速磨削试图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质量的氮化硅陶瓷零件。

日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而是对磨削过程的综合性能更感兴趣。它的磨除效率普通地维持在60 mm3/mm·s以下，这是与欧洲超高速磨削高效深磨工艺的显著差别。日本在超高速磨削领域处于领先地位，丰田工机在其开发的G250型CNC超高速外圆磨床上装备了其最新研制的Toyoda Stat Bearing轴承，使用砂轮圆周速度200 m/s的陶瓷结合剂CBN砂轮，对回转类零件进行高效高精度柔性加工。日本的三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用CBN砂轮的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷结合剂CBN砂轮圆周速度达到了200 m/s。日本广泛地用CBN砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化。至2000年，日本已进行500 m/s的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为VS+VW的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1 000 m/s。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。

另外，日本在精密超精密磨削加工方面处于领先地位；新加坡利用游离磨料光整加工珠宝饰品优势明显，此外，印度学者将磨粒特种加工作为其研究和应用的重点。

MTMT：磨削是否会被切削替代，磨削相比于切削在哪些方面、哪些领域具有不可替代的优势，以后会不会被替代？

李长河教授：随着超硬刀具材料的出现，发展了一种称之为硬切削的新工艺，对传统的磨削方法提岀挑战并产一定冲击，同时还引发了一场硬切削是否会取代磨削的争议。硬切削是指使用超硬材料（CBN或金刚石）或陶瓷刀具来加工淬硬工件。硬切削可以切削淬硬钢、灰铸铁、球墨铸铁、粉末冶金和其他高硬度高强度材料。能实现车削、表面加工、攻螺纹、铣削、开槽、异型面、车削锥面等工序。目前，硬切削这种新工艺正在许多工业部门采用，如汽车制造厂用这种方法对传动轴、曲轴、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工；硬切削在制造业的各个领域获得了广泛的应用。

由于CBN等超硬刀具的成本近年来已大大降低，从而为硬切削推广应用创造了条件。如美国有一家公司以前用粗磨来加工一种硬质齿轮的端面，后改用硬切削作为粗加工，再进行精磨，成本减少40%。如果把粗磨和精磨都改为硬切削，那么加工工时、夹具成本、刀具成本以及能耗都可下降，而生产率却可提高，并使每只零件的成本下降55%。美国另一家生产压力环的工厂，原工艺都是磨削，包括内圆磨削、端面磨削、外圆磨削和球面磨削4道工序，改用硬切削后，只用VNMA332和CNMA432两把刀具，使加工速度提高10倍。此外，在废物处理和环保方面，硬切削优于磨削。磨削会产生磨屑和冷却液的混合物，这是不能再利用的废物，会污染环境。硬切削产生的废屑则可再利用，这对重视环境保护的今天来讲特别重要。

硬切削的迅速发展是建立在过去几年CBN等超硬刀具技术进步的基础上，上世纪90年代初只能在少数几种CBN刀具中选择用于硬切削，且其对铸铁的最大切削速度约为152 m/min，现在最高切削速度达1 524 m/min，大多数连续的硬质钢切削速度在90～150 m/min，进给量0.05～0.2 mm/r，切削深度达到0.1～0.5 mm。CBN的适用性扩大，过去不能用于脆性工件，现在对硬度不一的工件都能进行加工。

硬切削会取代磨削加工吗？

由于磨削具有独特的一些优势，比如磨粒和切屑尺寸细小、磨削力小、参加切削的磨粒众多，所以磨削加工可以容易地获得高精度和低表面粗糙度表面，是精密加工的主要手段。特别是应用非常微细的磨粒，可以获得纳米级切刃半径尺寸，从而可以实现极薄的微细切削和获得无缺陷表面，可以获得加工精度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，在现代航空航天、精密机械和仪器、电子信息、尖端武器、小型和微型机械等高科技领域获得重要应用。如磨削精度较高，对公差要求较严的加工非磨削莫属；对一般材料而言，磨削可能会遇到铣削、铰削、车削等方法强有力的竞争。但对诸如陶瓷、金属陶瓷复合材料、晶须加强材料以及高温超级合金之类的新一代材料而言，硬切削决不是磨削的对手，而且必须用磨削进行加工。例如，磨削是加工在喷气飞机发动机中使用的超级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车和光学元件的唯一方法。

随着生产发展和技术进步，对磨床提出了许多新的要求，如美国磨削协会提出如下要求：主轴转速要达到25 000 r/min，可以以9 144 r/min（152.4 m/s）甚至更高的速度进行磨削；磨头主轴设计刚性好，机床体积较小，轻便，加工区体积可加工各种形状的工件，范围广的和精密控制的拖板定位系统，采用模块化设计和较多的标准件，与CNC相连的修整系统，可跟踪砂轮尺寸，修整器位置以及砂轮对工件的位置。具有能监控机床状态，机床动平衡、主轴和电动机状态以及砂轮状态的传感器，监控修整时金刚石与CBN砂轮间的接触，监测CNB砂轮与工件之间的接触，以提高效率。磨床将采用磁悬浮主轴，在15 kW功率范围内，转速达到40 000 r/min，而占地面积很小，水基静压轴承可以使用水基切削液，能进行连续修整的高感应大气孔陶瓷结合剂砂轮，用于加工陶瓷的金属结合剂金刚石微粉砂轮可进行电解修整。

现在，磨削是在工业化国家的制造业中占加工成本约20%～25%的一个主要加工方法。我们知道，没有磨削是不可想象的。几乎我们使用的每种东西都在其制造过程中经过磨削，或是制造设备使用了经过磨削的零件。没有磨削我们如何磨砺车刀、铣刀和钻头呢？如何制造机器和车辆的轴承呢？ 又如何制造出磁头和计算机磁盘驱动器零件呢？

磨削通常被习惯地认为仅是一种用于获得光洁零件表面和精确公差的精加工方法。确实，没有任何方法可以和磨削在精密加工方面竞争，但磨削并不局限这一应用。实际上，许多磨料消耗于重负荷磨削，它追求尽可能有效和迅速地去除材料，而不关心表面质量。磨削既能使用像纸一样只有20 μm厚的砂轮锯片精细地切割微电子电路硅片，也能在铸造工厂或钢厂在重负荷条件下以220 kW的机器功率和1 600 cm3/min的去除率清理钢坯。

磨削另一个有竞争力的实际应用领域是对特硬或脆的、其他方法不能有效加工的材料的加工。在诸如切削刀具和轴承环等淬火钢零件的生产中，磨削可容易地完成退火钢或淬硬钢加工，而其他方法就受到限制。对陶瓷、硬质合金、玻璃等非金属脆性材料则唯一地依靠磨削加工。

磨削尽管在工业中很重要，但仍常得不到应有的重视。用精磨去除同样体积的材料经常被认为比其他加工方法成本高，它的应用是不得已的。当然，随着近净形精密铸造和锻造技术使材料去除余量的不断减少，磨削作为无须车削和铣削而一次直接成形的方法将更为经济。

在通常使用的所有加工方法中，磨削无疑是所知最少和最受忽视的。这一情况的出现原因在于磨削过程太复杂，不容易弄清楚。因为切刃数量多、几何形状不规则、磨削速度高、每个磨粒的磨削切深小且不一致，任何要分析磨削机理的企图都是没有希望的。而从砂轮喷射出的磨削火花流更增加了人们的神秘感。

磨削加工机床是种类最多的机床，被广泛应用于机械制造、轻工、建筑、耐火材料等多种行业，目前已知的已超过3 000种。所以，磨削加工也是支撑国民经济各行业的重要加工方法。

由于超硬磨料磨具的应用、高速/大功率/精密机床及数控技术发展、新型磨削液和砂轮修整等相关技术的发展、高速/超高速磨削和高效率磨削技术应用、磨削自动化和智能化等技术的发展，使磨削加工在机械制造领域具有更加重要的地位。

随着现代工业技术和高性能科技产品对机械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求越来越高。先进陶瓷、单晶硅、人工晶体等硬脆材料的机械加工成本占制品总成本的30%～75%，有些甚至达到90%，是影响其推广应用的关键因素。如何高质量、高效率磨加工硬脆材料也是世界各发达国家高度重视的问题。在这一需求推动下，在世界范围内更加强了磨削理论基础和应用研究，新的磨削加工方法和先进磨削加工技术、工具与装备不断涌现，将磨削加工这一古老的加工工艺技术迅速推向新高度，并成为先进加工制造工艺与装备的重要组成部分。

MTMT：国家科技重大专项在磨削方面解决的重点问题有哪些？目前是否有相关的进展？

李长河教授：我国目前的磨床生产大多缺乏自主核心技术。企业的设计是类比仿制为主，磨床的主轴轴承、滚珠丝杠、伺服电动机、高档数控系统等关键件均是进口，往往只有最重的床身部分是自制的。即便如此，安装在一起，与国外机床在精度、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。缺乏基础研究，缺乏核心设计理论，对于超高速、超精密磨削机床这种处于极端工况条件对动态特性有苛刻要求，且经常需要客户化设计的装备来说，是难以胜任的。而依赖试制、应用、逐步改进的方式已无法适应。

国家科技重大专项在磨削方面重点解决磨削装备数控系统、功能部件的核心关键技术，增强我国高档数控磨床的自主创新能力，实现主机与数控系统、功能部件协同发展，大型/精细装备与高速/高效、多样化/复合化统筹部署，打造完整产业链。研制的高速、精密、大型成套磨床装备，数控机床主机可靠性提高60%以上，基本满足航天、船舶、汽车、发电设备制造等4个领域的重大需求。

具体表现在整机集成理论与技术、关键零部件设计与机床结合面参数识别、磨削状态监测与磨削过程智能控制、高速/高效、精密超精密磨削工艺及其数据库和面向加工对象的专用软件等方面关键核心技术和系统集成技术的突破。要实现以上技术的突破，需要相应的共性基础技术作为支撑，如设计环节中的新型材料及结构研究、可重构技术、虚拟设计制造技术等；控制环节中的开放式数控系统、数字伺服驱动、传感器、自适应控制和误差补偿技术等；磨削软件环节中的计算机仿真、数据接口、数据库、人工智能技术等。在共性基础技术的保障下，掌握虚拟磨床的建模、床身静态、动态刚度及抗振性、热稳定性研究及整机结构布局优化及结合面技术对整机设计尤为重要；高速回转主轴系统和高速高响应进给系统无疑是高端磨床必需的关键部件；在高端数控磨床中，直线电动机/力矩电动机的直驱、多轴同步运动控制、新型高速轮廓插补是实现运动精度控制的核心技术；而在线监测技术、磨削振动控制技术及磨削热变形补偿技术则是磨削过程智能监控的重要组成部分；高速、精密磨削机理的研究、磨削工艺库的建立及工艺参数的优化是高速高效、精密超精密磨削工艺应用于实际的保障性技术；而复杂加工对象的磨削运动建模、CAM/CNC一体化技术、智能磨削专家系统是磨削软件水平的重要体现。

通过几年的探索实践，无论在整机集成理论与技术、关键零部件设计与机床结合面参数识别、磨削状态监测与磨削过程智能控制技术，还是在高速/高效、精密超精密磨削理论及其数据库技术以及面向加工对象的专用软件等方面都取得了阶段性的成果，有理由相信，中国一定能够实现专项的预期目标, 突破高档磨削装备的自主化制造瓶颈，成为世界高档磨床的制造强国。