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重庆理工大学毕业论文 文献综述重 庆 理 工 大 学毕业设计（论文）文献综述题 目 磨削技术的发展及关键技术 二级学院 重庆汽车学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 109040206 姓 名 代志华 学号 10904020606 指导教师 系 主 任 时 间 评语栏： 评阅老师签字： 磨削技术的发展及关键技术 摘要：砂带磨削几乎能用于加工所有的工程材料，作为在先进制造技术领域有着万能磨削和冷态磨削之称的新型工艺，砂带磨削已成为与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。综观近几年来国内外各类机床及工具展览会和国际生产工程学会的学术会议，结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况，可以看出砂带磨削在制造业中发挥着越来越重要的作用，有着广泛的应用及广阔的发展前景。关键字： 磨削 砂带 机床 技术Keyword: Grinding Abrasive belt Machine tool Technology一，前言砂带磨床是一种既古老而又新兴的工艺。近30多年来,粘满尖锐砂粒的砂布或砂纸制成一种高速的多刀多刃连续切削工具用于砂带磨床之后,砂带磨削技术获得了很大的发展。这种砂带磨削技术远远超越了原有的只用来加工和抛光的陈旧概念。现在砂带磨床的加工效率甚至超过了车、铣、刨等常规加工工艺,加工精度已接近或达到同类型机床的水平,机床功率的利用率领先于所有的金属切削机床,应用范围不仅遍及各行各业,而且对几乎所有的材料,无论是金属还是非金属都可以进行加工。长期以来不大引人注意的砂带磨削工艺现在正进入现代化发展的新阶段。而数控磨床又是磨床的发展方向，所以研究数控砂带磨床本有很大的意义。【正文】 一.磨削技术的发展及关键技术1.磨削技术发展史 高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的Aachen大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室完成了速度为250m/s、350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工业中应用。我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史。如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验。但有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟。特别是超高速磨削研究还开展的很少。在实际应用中砂轮线速度一般还是4560m/s 国外都采用超精密磨削、精密磨削、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4um。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025um。日本开发了电解在线修整超精密镜面磨削技术，使得用超细微超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可以获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术。 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1997年欧洲机床展览会的调查数据表明：25%的企业认为磨削他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%、钻削占22%，其他占8%，而磨床在企业中占机床的比例高达42%、车床占23%、铣床占22%、钻床占14%。我国从19491998年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的13%左右。可见磨削技术及磨床在机械制造专业中占有及其重要的位置。总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前磨削技术的发展趋势是发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。2.磨削的关键技术研究 就磨削而言，特别就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及的内容广泛，不仅包括磨削本身的技术，也集中了其他相关技术。关键技术介绍如下：（1）磨削机理及磨削工艺的研究 对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面，针对不同的工程材料（如陶瓷和玻璃）国内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的理论体系，还需进行广泛的研究，找出其内在的规律。可见，需要进一步研究的重点有磨削过程、磨削现象（如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等）的研究；磨削工艺参数优化的研究；不同材料（常用材料）的磨削机理的研究；磨削过程的计算机模拟与仿真的研究。（2）高速、高精度主轴单元制造技术 国外主轴单元技术的发展很快，有些公司专门提供各种功能的主轴单元部件，这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削机床上。近年来高速和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和IngersoII公司推出的加工中心，其主轴单元就是用电主轴，其功率为65KW，最高转速达15000r/min，电机的响应时间很短，在EMO97上电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件，参展商达36家。美国Landis公司的超高速曲轴、凸轮轴磨床的砂轮主轴，也都是用电主轴。目前国内主轴单元的速度大约在10000r/min以下，且其精度、刚性及稳定性有待于考验和提高。同时缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元（电主轴）。需要进一步研究的重点如下：大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究和开发；高刚性、高精度、高转速重负荷的轴承或支撑件的研究和开发；高刚性、高精度、高转速的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术。（3）精密、高速进给单元制造技术 数控机床普遍采用旋转电机（交流伺服电机）与滚动丝杠组合的轴向进给方案。但随着高速高精度加工的发展，国内外普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术，可达到较高的调整质量，也可满足上述要求，如德国西门子公司就在CMT97作了直线电机120m/min高速进给表演，而该公司的直线电机最大进给速度可达200m/min，其最大推力可达6600N，最大位移距离为504mm。我国国产数控进给系统（特别是高速、高精度进给系统）与国外相比还有很大差距，其快速进给的速度一般为24m/min。可见，为了适应精度、高速及超高速磨床的发展，可以在以下几个方面重点研究：高速精密交流伺服系统及电机的研究；直线伺服电机的设计与应用的研究；高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究；高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究；能适应超精密磨削的高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的研究。（4）除此之外还有砂轮制造及其新技术、机床支撑技术及辅助单元技术、砂轮在线修整技术、环境友好的相关磨削技术、磨削过程的检测控制技术、磨削过程的仿真与虚拟技术等。二.砂带磨削的发展及关键技术1、 砂带磨削技术的现状及发展趋势 国外的砂带磨削发展得非常迅速，自 20 世纪60 年代以来，特别是静电植砂技术及涂附磨具技术的出现和发展，欧、美、日等在砂带制造技术和砂带磨床制造技术上都取得了巨大的进步。在砂带制造技术方面，随着许多特殊涂附磨料及涂附形式的出现，产生了如金刚石、立方氮化棚、错刚玉、陶资磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带，使得砂带已经能用于干磨和高速、大吃刀量的重磨削领域，以及高精密零件的磨削加工领域。日本已开发出了用软刚带作为基底的金刚石砂带，可有效加工难加工的高硬度材料，如单晶硅片。在国际上知名的砂带品牌有美国的 3M 、 Norton ，德国的 Hermes 、 VSM 、 Klingspor ，韩国的 DEER ，日本的牛头等。在砂带磨床方面，不仅有磨削宽度超过 5m 的巨型平面磨床，还有牙医用的小型修齿机，使得砂带磨床的结构与形式繁多。另外，随着自动化技术的发展，像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削 FMS 、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。砂带磨削现已成为发达国家获得高额经济利润的重要手段，且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。国内的砂带磨削技术是在 20 世纪 70 年代末才开始得以真正发展，随着国内的改革开放，砂带磨削技术引起了各行业、各研究单位和各企业的日益重视，加之砂带制造技术的发展及砂带品种的增加，使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削正向着强力、高速、高效和高精方向发展。磨床结构从单一磨头向大型、组合(多磨头、多功能、多工位)形式发展。在加工工艺方面，与特种加工相结合的复合加工是砂带磨削很有前途的发展方向之一，如与超声振动结合形成的超声砂带精密磨削，与电化学加工结合形成的电解砂带磨削等是砂带磨削的重要发展方向。另一方面，自动化技术在砂带磨削中的应用，尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用，使砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高，使得砂带磨削已经进入精密和超精密加工行列。2、砂带磨削关键技术 根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析，结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距，笔者认为，砂带磨削的关键技术主要体现在以下 5 个方面。 （1）砂带磨削基础研究 砂带磨削具有复合加工的特点，其机理较复杂，涵盖了较多科学基础问题，尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了较深的研究，但目前，砂带磨削完整的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响。因此，有必要深入开展砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对砂带磨削的磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质，找出其变化规律，才能确定最佳的磨削范围，获取最佳的磨削参数。 （2） 砂带磨料及制晶工艺技术的改进和开发砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的砂带已经成为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。我国的砂带生产企业及相关研究机构应该在如下 5 个方面加大研究和开发力度，争取获得有自主知识产权的高品质、砂带。 新型基体的应用和开发。国外在纸浆中加入添加剂，并通过浸渍和表明涂附处理，使纸基砂带的基体用纸达到了砂带的要求;布基砂带中的棉纤维逐渐被聚醋纤维和尼龙纤维所代替，聚醋纤维由于其断裂强度高、耐热耐水性好、耐磨性优良的优点，已经成为重负荷砂带的优良基体材料。国外最新出现的聚醋超强化薄膜基金刚石砂带、电镀金刚石或立方氮化棚的金属基砂带、铜与纤维复合基金刚石砂带等产品，在加工非金属材料(陶瓷和硅晶体等)方面呈现出优异的磨削性能。由于我国国产纸在强度、均匀性、耐水性等方面达不到砂带生产要求，因此我们进一步开展这方面的研究是很有意义的。 合成浆料的应用和开发。随着高分子材料工业的发展，人工合成的浆料如丙烯酸乳液与水溶性酣醒树脂浆料、丁苯胶乳液与水溶性酣醒树脂浆料、PVA 溶液和聚醋酸乙烯乳液浆料、抗静电浆料等浆料都被国外企业较好地应用到了砂带生产中。这些浆料在我国尽管有一些应用，但在工艺上与国外比起来差距不小。 粘结剂的应用与开发。高分子粘结剂的应用和发展促进了砂带磨削的发展和进步。强力高效砂带磨削的性能与砂带所使用的粘结剂密切相关，国产砂带使用寿命短的一个重要因素就是粘结剂不能满足要求，因此有必要对砂带使用的粘结剂如水溶性酣醒树脂、水榕性服醒树脂、水溶性醇醒树脂、水溶性白乳胶、油溶性醇醒酸清漆及环氧树脂等进行耐水性、耐油性、耐热性等的改性研究和试验，以提高我国的砂带品质。 磨料的应用与开发。随着砂带磨削加工对象的不断扩展，传统的磨料已经不能满足要求，近年来随着工艺的改进，错刚玉磨料和微晶结构烧结陶瓷磨料等已经成为砂带磨料的重要发展方向。 Norton 公司最近又推出了微晶结构烧结陶瓷磨料的第二代产品 (TG 磨料)。它保留了微晶结构烧结陶资磨料的特点，在磨料形状上有了新突破，具有很细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工镰锚铁和铁合金等难加工材料。据报道，TG 磨料的材料去除率为错刚玉的 4 倍以上，寿命为刚玉的 10 倍以上。世界各大砂带生产厂商都有自己的错刚玉磨料和微品结构烧结陶瓷磨料的砂带产品，而国内还处于试制和起步阶段。我们应该重视并发展具有自主知识产权并与此相关的复合磨料、堆积磨料。 酬，、带表面涂层的应用与开发。近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带，其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外，还有一层具有特殊功能的涂层，它使得砂带具有特殊的性能，如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结，降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等。这对磨削不锈钢、铁合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白，此类砂带完全依赖进口。因此，我们应该在这方面引起重视。面对国内砂带市场激烈的竞争，国内的砂带生产企业在不断加大研发产品的力度、提高产品质量并积极开拓市场的同时，还应该积极加强相互之间及其与国外知名砂带制造厂商的交流合作，主要是技术的研究与合作、新产品开发中技术的获取与运用、技术在价值链中的运用和技术营销等几个方面。三.数控机床功能部件的发展及特征数控机床的功能部件与普通传统机床的功能部件是不同的，最大的区别在于机电一体化。机电一体化中各部分的不断加强，对机床的发展有了一个更好的促进使之发展更快。传统的机床的功能部件不具有统一性，各厂生产的部件、模块、品种都不相同。在使用上有一定的阻碍，现在的功能部件已经进一步规范化。首先备功能部件问的联系不再单纯地通过机构或机械来紧密地耦合，而是通过数控系统及程序指令来完成；其次它们都具有不同程度的反馈控制的能力以保证动作的精确性。这些特点充分反映出它的机电一体化的时代特征成为具有高性能的新型功能部件。功能部件的发展和其专业化生产为机床主轴制造厂提供功能完善、品质优良、运行可靠、结构标准化且性价比合适的选件，不仅有利于缩短新产品开发和制造周期，而且由于功能部件已占据数控机床成本相当大的比例，运行的可靠性和工作的谐和性是先进功能部件优化应用的基础，它的产业化也有助增强数控机床的价格竞争优势。数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的提升起着极为重要的作用。因此，它不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地彰显该数控机床的个性化特征。例如：应用电机与主轴一体化的电主轴可以减少转动惯量和增加传动刚度，成为数控机床的一项主要措施。但目前不少电主轴商品虽用于铝合金和模具型面加工非常合适，但在加工钢件和铸铁件时由于主轴最大扭矩不足，反使金属切除率下降，从而出现虽有高速的能力，却有不能获得高效的不足。因此需从整个机床系统的角度来综合考虑相适应的电主轴的转速范围、功率、扭矩等参数。以及研发高速小惯量的内置变速装置等多样化结构以适应不同加工领域的需要。由此可见，功能部件的研发是一项系统工程，通过它的功能、性能和可靠性指标来保障数控机床发挥优异的品质。四.数控机床的数控系统分析 1.传统数控系统如FANUC0系统、Siemens810 系统、MITSUBISHI M50 系统等这类系统均为封闭体系结构。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具，而对它的功能扩展，必须求助于系统供应商。目前，该类系统还是占领了制造业的大部分市场。但随着开放体系结构的数控系统的不断发展，传统数控系统的市场将会逐步萎缩。2.开放式数控系统专用CNC PC 机结构的开放式数控系统：这类系统的典型代表有：FANUC18I、16I 系统、Siemens840D 系统、Num1060 系统等.此类系统共同的特征是：虽具有一定的开放性，但它的NC 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。类系统结构复杂，功能强大，但价格昂贵。基于工业PC 运动控制卡结构的开放式智能数控系统：该系统是目前开发比较简单、性能比较好并且不断被采用的一种结构形式。该系统的最大特点是：可以充分利用WINDOWS 或Linux 通用操作系统以及高级编程语言进行系统开发；采用多传感器信息融合技术为实现加工过程的智能控制、故障诊断以及加工工艺优化提供保障；采用各功能模块化设计，可根据需要进行功能重组。3.全软件型开放式数控系统这是完全采用PC 机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，已经成为新一代CNC 的主流。4.基于现场总线形式的开放式数控系统该系统主要特点是可以在一定程度上解决传统数控系统的开放性、网络化、集成化和智能化不足的问题。五.砂带磨床的研制 1.砂带磨床单元部件的研究。开展对高精度、大刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构的研究，进行大刚度、高稳定性、高耐磨性的支撑部件、精密导轨副、进给反馈系统、磨削变形控制补偿技术的研究并进行机床的大刚性、高重复定位精度和高分辨率技术及对环境不产生污染的磨削液(冷却剂)和新的冷却方法及冷却装置等方面的研发。例如，国外主轴单元技术的发展很快，有些公司专门提供具有各种功能的主轴单元部件，这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速磨削机床上。近年来高速和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件，最近美国西屋电气公司联合 EmeersonElectric 公司推出的砂带磨削中心，其主轴单元就是电主轴，其功率为90kW ，最高转速达15 000r/min ，电机响应时间短。目前，国内主轴单元的速度大约为 10000r/min ，且其精度、刚性及稳定性有待于检验和提高。 2.砂带磨床的现代设计及制造技术研究。 将砂带磨削机理研究和 CAD/CAE/CAT 技术相结合，建立砂带磨削基础研究的新理论体系、设计准则和判据，对磨削过程的磨粒与工件的相互作用(力、热等)及工艺参数进行计算机动态测试、仿真及优化;利用有限元方法及测试技术对砂带磨床及
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