砂带磨削技术的研究现状和发展方向简介

黄 云

(重庆大学, 重庆 400044) (重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心, 重庆 400021)

重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心依托重庆大学和重庆三磨海达磨床有限公司组建，致力于各类材料表面的精密加工及相关成套装备的工程化研发及推广应用。现有多名高性能构件表面精密加工技术及智能装备制造技术领域的专家，包含专职研究人员4名，百人计划1名，博士后1名，博士研究生4名和硕士研究生32名。已主持国家级项目20余项，包括国家“863”重点项目、科技部科技支撑重大项目、国家科技重大专项等；省部级项目20余项，包括重庆市科技攻关重大项目、市政府重大决策咨询项目等；横向项目20余项。多项成果达到“国内领先水平”，有重要学术和应用价值，取得了显著的经济和社会效益。重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心研究成果获2016年度中国产学研合作创新成果一等奖、2018年度中国机械工业科学技术一等奖，共发表SCI/EI收录学术论文100余篇，申请专利60余项(其中国际专利4项)，编写行业标准10项，主编《砂带磨削原理及其应用》、《现代砂带磨削技术及工程应用》专著2部。

砂带磨削是一种几乎能加工所有工程材料，在先进制造技术领域有着“万能磨削”之称的新型工艺，现已成为与砂轮磨削同等重要和不可缺少的加工方法。随着砂带质量的提高和品种的发展，砂带磨削技术早已超越了其发明之初只能用于打磨抛光的局限。高效率、重负荷、高精度、自动化乃至全数控智能化的各种砂带磨削技术和装备已在航空、航天、舰船、交通运输、冶金、化工及能源等行业得到广泛应用，并在核岛、燃气轮机、石油天然气管线、加氢反应釜等重大装备的一些关键零部件加工过程中发挥着巨大的作用。

1 砂带磨削机理及特点

1.1 砂带磨削技术的产生

砂带磨削属于涂附磨具(俗称砂纸、砂布)磨削的一种形式。早在1760年，世界上就出现了第一张砂纸，但当时仅局限于手工操作，直到1900—1910年才进入机械使用砂纸和砂布的时代，并首次以环状带形方式应用于木材行业，这种采用环状带形砂布的机械磨削方式即砂带磨削的雏形。1930年后，砂带磨削逐步向金属加工方面发展。第二次世界大战中美国率先在兵器制造中使用砂带磨削，取得明显效果。1950年，静电植砂方法的研制成功把砂带磨削推到了一个新的阶段，砂带磨削技术逐渐得到广泛应用。此后，欧洲部分工业国家和日本也相继开展了砂带磨削技术的研究和应用。1980年后，数控砂带磨削技术及设备出现，使砂带磨削技术随之逐渐发展成为一个较为完整和独立的加工技术领域。

1.2 砂带磨削机理

砂带磨削的基本要素，包括砂带、张紧轮、接触轮、磨削对象(工件)及磨削参数(砂带切削速度vs，工件进给速度vf)等。

砂带是砂带磨削的主体，它是一种特殊的、类似具有多刀多刃的切削工具，砂带的组成要素主要由基材、结合剂(含底胶、覆胶和基材处理剂)和磨料3部分组成。

砂带磨削时，磨粒在一定压力作用下作切削运动，与工件表面相互作用，经过滑擦、耕犁和切削3个阶段，实现对工件表面的磨削和抛光。

砂带磨削的机理、切屑的形成、磨削力、磨削热等问题的研究和解释，涉及物理学、数学、材料学以及摩擦学和计算机科学等基础科学，是一门多学科交叉的研究课题。

1.3 砂带磨削特点

(1)“冷态”磨削。由于砂带磨粒采用单层植砂，磨刃锋利，故磨削热小，加之砂带有较长的周长，散热快，磨粒能得到很好的冷却，因而工件表面不易产生烧伤、微裂纹或金相组织改变。

(2)“万能”磨削。几乎可以加工所有的工程材料，如各种金属、非金属、难加工材料等。

(3)“高效”磨削。生产效率高，在材料去除率方面砂带磨床远远超过了砂轮磨床，为普通砂轮磨削的5～20倍、铣削的10倍；其功率利用率可达96%，强力砂带磨床的金属切除率可达800 cm3/s。

(4)“弹性”磨削。由于砂带自身有很好的挠性和柔性，与工件是柔性接触，具有很好的磨合和抛光作用。

(5)磨削质量好。砂带磨削的工件表面尺寸精度、形状精度和表面粗糙度与同类砂轮磨削相当，尺寸精度可达0.1 μm，表面粗糙度Ra值可达0.01 μm以下。

(6) 生产成本低、经济效益好。砂带磨床结构简单，其制造成本比砂轮磨床的低；砂带更换简单、快捷；砂带磨床的磨削比(切除工件材料质量与磨粒消耗质量之比)可达300∶1～400∶1，而砂轮磨削的磨削比最高仅为30∶1。

2 砂带磨削技术部分应用

2.1 一般性应用

(1)外圆砂带磨削技术

从双头立式外圆砂带磨削机床的外形和整体布局来看，外圆砂带磨削机床与常见砂轮外圆磨床很相似，磨削加工基本原理也几乎一样。不同的地方在于砂带质量轻，同等磨削条件下，其结构、质量、刚性等要求都比砂轮磨床的低，且具有更好的适应性。

(2)内圆砂带磨削技术

由于砂带柔软、细长的特点，砂带磨削可以轻易实现5～6 m长不锈钢管、油管，筒体和直径小于25 mm、长度6 m的细长核电管或卫生级钢管内圆磨削加工。

(3)平面砂带磨削技术

平面砂带磨削形式多样化，决定了其磨床结构的多样化。工件的运动轨迹既可以是直线，也可以是回转曲线。磨头的形式有单头与多头之分，砂带的宽窄变化也较大。而且磨头的布置方式也可以是多种多样的，既可在工件上平面，也可在工件下平面，同时还可在工件侧面或依工件截面形状布置成倾斜方向，实现工件从头到尾的初磨、半精磨和精磨加工。

2.2 强力重载磨削应用

(1)石油天然气螺旋管焊缝强力砂带磨削

石油天然气螺旋钢管焊缝强力砂带磨削以砂带为磨具，针对大型管道的构造特点，采用全程跟踪恒压(气动)磨削技术，实现管道焊缝表面均匀磨削抛光，解决了过去只能依靠手工打磨焊缝余高(3～5 mm)的难题，满足了国内石油天然气输送工程的需要，其磨削后的焊缝余高与母材的误差≤0.05 mm。

(2)核电高压容器焊缝、坡口及堆焊层高效砂带磨削

根据核电高压容器焊缝、坡口及堆焊层的高效砂带磨削技术及其工程化应用情况，通过重型抗侧摆可移动十字滑板结构，可在4个自由度下调整强力砂带磨头的位置，实现重型容器的焊缝清根与余高磨削。该技术可改变传统手工磨削的落后方式，大大缩短产品制造周期，提高核电高压容器等重型容器的质量和可靠性，实现单次磨削余量≤100×5 mm，堆焊层磨削余量≥0.5 mm/次,磨削效率10～20 m2/h，表面粗糙度Ra≤0.8～6.3 μm。

(3)汽车发动机连杆端头大余量减薄砂带磨削

汽车发动机连杆端头大余量减薄砂带磨削所用的机床为全世界首台采用砂带磨削工艺实现等厚连杆端头4.5 mm余量/单次加工的高效机床。通过采用多磨头加工方式，结合大余量强力砂带磨削与砂轮磨削工艺，运用复合转台平面砂带磨削技术，实现连杆的高精度、高效率加工。

2.3 复杂曲面磨削应用

(1)高档异型水槽磨边加工

通过先进数控技术结合砂带磨削技术，克服了过去砂轮和布轮打磨抛光的种种缺陷，解决了高档异型水槽自动化磨边的技术难题；同时还推动了砂带磨削和磨床自动化技术发展，填补了国内相关技术领域的空白。

(2)船用螺旋桨型面精密砂带磨削

通过采用双轴平移及双轴转动、带扭转C轴的砂带磨削结构方式，实现整体螺旋桨或单叶可调桨型面的高效磨削加工，改变长期以来只能人工铲磨的方式，提高螺旋桨表面质量及推进效率，降低了噪声。数控精密砂带磨床技术直接将铸造的毛坯桨磨削成型，磨削后的型值误差≤0.075 mm，加工型面表面粗糙度Ra≤0.2～0.4 μm。

(3)航发叶片精密砂带磨削

航发叶片七轴六联动高效精密砂带磨床采用国际首创的七轴六联动当量磨削控制方法，在适应叶片气道边缘难加工区域及叶片自身变形的磨削加工性能上达到国际领先水平，加工表面粗糙度Ra可达0.4 μm。

2.4 机器人磨削应用

(1)机器人自动化砂带磨抛系统

机器人自动化砂带磨抛系统，包含了Aicon蓝光检测仪、自适应末端执行器、多功能砂带磨头、智能编程软件及系统集成等，具备自动上料、自动打磨抛光、自动检测、自动下料收集、自动除尘等功能，并且还具有系统程序存储、故障检测、报警处理、生产报表生成等功能，可实现各类复杂零件的精密磨抛。

(2)机器人叶片砂带磨抛

通过三坐标自动检测、余量获取、自动编程等功能实现了包括各类精铸叶片、单晶叶片等各类叶片的机器人磨抛，相关技术及装备在430、621、370及120所等得到应用。从机器人叶片砂带磨抛可知：可去除叶片型面和排气边缘处的余量，且不会产生过抛；叶身型面磨抛后不会产生修光纹路沟痕，其表面粗糙度Ra在0.4 μm以内；磨抛后的截面叶身型面及进排气边边缘轮廓度在±0.03 mm内，且进排气边的形状保持一定的圆度。

(3)机器人叶轮、叶盘、叶环打磨

叶轮、叶盘、叶环砂带打磨可实现叶轮、机匣叶环、整体叶盘等易干涉零部件的型面、流道面焊缝等的机器人磨抛，相关技术及装备在航天7院、430所等得到应用。一次装夹可完成全型面磨抛，降低了重复装夹误差，避免了叶片型面与流道面之间的加工干涉，磨抛后的表面粗糙度Ra达到0.4 μm。

3 砂带磨削技术发展趋势

过去，砂带磨削作为一种基本加工方式，主要以多轴数控机床或普通机床加持工具为载体，对各类零件进行强力重载磨削或微量精密磨削。而随着《中国制造 2025》、“十三五”规划等重大战略布局中对高端工业机器人的重视，以及当前先进工业机器人技术及设备所展现的经济性优、灵活性高、上手性强等优势，机器人砂带磨削技术已逐渐在汽车、船舶、航天等多个领域中应用。

将机器人技术应用到砂带磨削系统，是利用其柔性好、易扩展的特点。并且，随着机器人技术的发展，机器人自身的重复定位精度较高，能够保证加工的精度和一致性；再结合先进测量技术，机器人柔性磨削系统可以成为多种复杂构件(如叶片类零件)的有效精密磨削手段，从而提高其柔性高精度加工能力，促进国家制造业、装备产业升级。具体发展方向可列出以下几点：

(1)面向高性能表面的机器人砂带磨削工艺及轨迹规划研究。建立面向结构特征的砂带匹配方法及机器人磨削工艺体系，分析机器人磨削表面完整性的形成机理，提出面向高性能表面完整性的机器人磨削动态特性优化方法。

(2)基于知识学习的叶片机器人砂带磨削智能系统及平台开发。知识学习是人工智能研究中的重要组成部分，包含了大数据、工人经验等知识，通过深度学习建立决策规划及模型，进行包含检测、磨具库、工件库于一体的机器人智能砂带磨削系统研制，提高叶片等零部件的加工精度及效率。

(3)建立集工艺数据库-工艺参数决策-模拟应用环境下的服役性能仿真于一体的机器人砂带磨削分析系统。采用神经网络及深度学习方法实现复杂磨削环境条件下的工艺参数决策；同时，结合有限元仿真、流体分析等方法实现基于磨削表面质量的工件服役性能研究，为面向高服役性表面磨削工艺参数的制定提供指导。

(4)机器人砂带磨削在加工中的扩展应用研究。随着各领域的发展，对工件的设计提出了更高、更极端的要求，新材料、新型设计方法以及新型制备技术被广泛应用于零件设计及制造中。研究灵活性更高、通用性更强的机器人智能砂带磨削系统及装备是实现复杂难加工材料精密磨削的关键，从而进一步推广机器人砂带磨削技术在各行业中的应用。

4 本期论文点评

《钢轨砂带打磨残余应力的试验与仿真研究》

王文玺, 等; 第5页

钢轨砂带打磨是近几年迅猛发展的新一代柔性重载钢轨修磨技术，其充分利用了砂带弹性、冷态、高效磨削等特点来实现钢轨廓形的修复和服役寿命的延长。在过往钢轨打磨技术研究中，学者们侧重于钢轨廓形修复效率及精度控制，确保良好的轮轨接触关系，进而延长钢轨服役寿命。然而，表层残余应力作为影响工件疲劳寿命的关键因素却鲜有研究，砂带磨削残余应力形成机理的基础研究也十分薄弱。所以，开展钢轨砂带打磨对轨面残余应力的影响规律研究，有着重要的工程与理论意义。

论文基于钢轨砂带打磨试验测得磨后轨面的残余应力状态，分析了其受打磨压力、砂带速度及列车速度的影响规律；通过单磨粒划擦热力耦合有限元仿真深入探究了接触面摩擦、磨粒切入深度、磨粒切削速度对轨面残余应力层分布的作用规律。论文所得结果为后续低拉应力钢轨砂带打磨的工艺参数选取与打磨模式制定提供了数据和理论支撑，同时也促进了砂带磨削技术残余应力成形机理的研究。

论文还需加强试验和仿真之间从宏观到微观的逻辑关联阐释，开展磨削过程的多磨粒划擦仿真，以揭示残余应力层的演化过程；试验测量中，可进一步分析残余应力层沿深度方向的分布变化，如此更利于对其形成机理的剖析以及仿真模型的修正。

《考虑单磨粒作用的砂带磨削机理模型》

齐骏德, 等; 第13页

砂带磨削作为一种柔性磨削工具，因自身接触轮弹性影响，其材料去除的精准控制与预测是砂带磨削技术中长期以来的关键问题，解决得仍不够透彻。因为砂带磨削过程十分复杂，影响材料去除的因素众多，包括加工过程中的工艺参数，如砂带速度、进给速度和给定压力，以及砂带固有性质，如磨粒大小、磨粒材料及其分布姿态等。加之，当前砂带磨削对象多为复杂曲面，非线性非规则的多变接触状态更是增加了材料定量去除的控制难度。

论文针对自由曲面砂带磨削的材料定量去除问题，从微观单磨粒侵入角度出发，通过弹塑性力学、赫兹接触以及概率统计等理论方法，构建了面向自由曲面的砂带磨削材料去除机理模型；依据此模型揭示了材料最大去除深度受打磨压力、砂带线速度和砂带进给速度的影响规律，使机器人曲面砂带磨削深度控制精度达到10%左右。并基于微观单磨粒切削机理，用数学模型对砂带柔性磨削材料去除机理进行了深入阐释。

论文成果面向实际工程应用可考虑在以下几方面开展更深入的研究：如何考虑具有显著磨损特征(磨粒出刃高度分布呈非高斯分布)的应用情况；微观磨粒受力在实际加工中应选用动态划擦模型进行分析；理论模型含有较多的积分项会导致模型求解效率低，可建立其代理模型，为在线实时材料去除精度控制提供支撑。

《螺旋桨金刚石砂带磨削试验研究》

张炳昌, 等; 第21页

螺旋桨是大型舰船等重型机械推进装置中的重大关键结构件，其设计和制造技术对推进系统工作性能与效率至关重要。船用螺旋桨直径大，桨叶表面亦为复杂曲面，加工余量大而分布不均，属于典型的大尺寸复杂曲面难加工构件，且对加工效率、精度及表面质量有着较高要求。因此，针对螺旋桨叶加工的新方法、新工艺和新设备研究也属于亟待攻克的制造业难题。

论文提出一种基于电镀金刚石砂带的螺旋桨柔性加工方法，试验研究了磨削压力、砂带线速度及磨削进给速度对桨叶表面粗糙度的影响，在设定工况下给出了砂带磨削工艺参数的优选组合。上述工作与结果对于螺旋桨砂带磨削加工的实际工程应用具有一定的参考意义。

论文作为基础试验研究，在试验变量选择上有待丰富；对磨削方法性能的评估应参考的更为全面，如评定桨叶材料去除率及其表面精度、砂带磨损情况、桨叶表面完整性等；可基于智能算法开展更加深入的多约束、多目标工艺参数优化研究。

《航空发动机整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其试验研究》

刘秀梅, 等; 第25页

整体叶盘已成为新一代高推重比航空发动机的核心部件，其末端“最后一公里”磨抛加工质量直接影响着整机服役性能与寿命。而整体叶盘在结构上具有叶片薄、叶展长、弯扭大以及叶片间隔狭窄等难点，根部还存在曲率半径小、余量变化大、过渡不平滑等特性，属于典型的难加工复杂构件。砂带磨削因兼具磨削和抛光效用，且弹性磨削特性在曲面的型面平滑过渡上又能良好拟合，已被应用于整体叶盘的磨削加工。然而，由于整体叶盘砂带磨削系统结构与功能上的限制，导致加工中薄壁叶片、细长接触杆和弹性接触轮间出现复合变形问题，甚至引发颤振，这对磨削精度的保证带来极大挑战。

论文为此开展了整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其磨削试验研究。借助ANSYS软件分析了叶片的加工变形，并依此建立了负反馈磨削压力控制系统，实现了对磨削件的变形控制；经变形控制后，整体叶盘砂带磨削表面Ra低于0.4 μm，型线精度优于0.05 mm，能够满足设计使用要求。研究成果初步解决了整体叶盘数控砂带磨削中的薄壁件变形问题，对该技术及装备的应用推广会有一定积极意义。

论文中应增设未经变形控制的磨削组作为对照试验组，以便能更加全面地评价变形控制所带来的益处。另外，文中磨削压力控制系统及其控制框图所涉及的参数标定细节需给出。