2.2　高效磨削技術

20世紀80年代以來，磨削加工的生產率有了很大提高。由于“磨削材料磨除率=磨屑平均斷面積×磨屑平均長度×單位時間內作用磨粒數”，因此增大公式右邊的任何一項都可提高磨削效率。當前在高效磨削技術領域內，高速重負荷荒磨、緩進給大切深磨削、高速與超高速磨削和砂帶磨削等取得了引人注目的發展。

1.高速重負荷荒磨

高速重負荷荒磨或稱修磨，是以快速切除工件加工余量為目的的磨削加工方式，近年來在國外取得了較大進展。其砂輪線速度普遍達到了80m/s，有的高達120m/s；磨削法向力通常達到了10000～12000N，有的高達30000N；磨削功率一般為100～150kW，有的高達300kW；材料去除率可達150kg/h。高速重負荷荒磨對磨削表面質量、加工精度和表面粗糙度等要求不高，故主要用于鋼坯的修磨，磨除鋼坯的表面缺陷層（夾渣、結疤、氣泡、裂紋和脫碳層），以保證鋼材成品的最終質量和成材率。此外，還可用于清理大型鑄、鍛件的飛邊、毛刺、澆冒口、殘蒂等，以及金屬材料的切斷等。

高速重負荷荒磨的主要特點是：①采用定負荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷層金屬，背吃刀量和進給量均不確定；②在磨削過程中不修整砂輪，為確保砂輪既有自銳能力，消耗又不致過大，應選擇合適砂輪；③多采用干磨削方式，工件表面易燒傷。

2.緩進給大切深磨削

緩進給大切深磨削，是以較大的切削深度（a_p＞10mm）和很小的縱向進給速度（v_w=3～300mm/min，普通磨削的v_w=200～2500mm/min）來磨削工件，故也稱深磨削或蠕動磨削，屬于強力磨削的一種。這種磨削方式通過增大切削深度來增加磨屑長度，從而獲得很高的磨除率。該方法主要用于溝槽、成形和外圓磨削。其主要特點如下。

（1）生產率高

此種磨削方式切削深度大，往往可在鑄、鍛毛坯上通過一次或數次直接磨出所要求的工件形狀和尺寸，使得粗、精加工兩工序合二為一，既充分發揮了機床和砂輪的潛力，縮短了加工時間，又保證了工件的質量，因而大大提高了生產率。

（2）工件的形狀精度穩定

由于單顆磨粒的切削厚度小，每顆磨粒受力也小，故能在較長時間內保持砂輪輪廓形狀，因而工件形狀精度較穩定。

（3）減小了砂輪的沖擊損傷

由于工件是大切深、緩進給，這樣就大大減輕了砂輪與工件邊緣的沖撞次數和沖撞程度，從而延長砂輪的使用壽命，也減小了機床振動和加工表面的波紋。

（4）擴大了磨削工藝范圍

由于切削深度大，可對毛坯一次加工成形，故可有效解決一些難加工材料（如燃氣輪機葉片）的成形表面加工的問題，適合高溫合金、不銹鋼、高速鋼等難加工材料型面或溝槽的磨削等，可以部分取代車削和銑削加工。

（5）磨床功率大、成本高，工件易產生磨削燒傷

由于接觸面積大，參加切削的磨粒數多，總磨削力大，因此需要增大磨床的功率，使磨床的成本增加；砂輪與工件接觸面積大，磨削液難以進入磨削區，工件表面容易燒傷。

3.高速與超高速磨削

普通磨削時，砂輪的線速度通常為30～35m/s。當砂輪的線速度為45～50m/s時，則被稱為高速磨削HSG（High Speed Grinding）。砂輪線速度為150～180m/s時，則被稱為超高速磨削。后者是近年迅猛發展的一項先進制造技術。高速與超高速磨削時的砂輪線速度提高后，單位時間內作用的磨粒數大大增加，如果進給量與普通磨削時相同，則此時每顆磨粒的切削厚度變薄、負荷減輕。故高速磨削具有如下特點。

（1）生產率高、砂輪壽命長

高速和超高速磨削的生產率比普通磨削提高了30%～100%。這是因為高速和超高速磨削時，單位時間內作用的磨粒數大大增加，就會使材料的磨除率增加，即生產率提高。同時，由于每顆磨粒承受的負荷相對減輕，每顆磨粒的磨削時間就可相應延長，即可提高砂輪的使用壽命。

（2）磨削精度高、表面粗糙度低

由于切削厚度薄，法向（徑向）磨削力F_p也相應減小，從而有利于剛度較差工件磨削精度的提高。每顆磨粒切削厚度薄，磨粒在工件表面上留下的磨削劃痕淺，又加上磨削速度高，由塑性變形引起的表面隆起的高度也小，故可降低表面粗糙度。

（3）減輕磨削表面燒傷和裂紋

高速磨削時，工件速度也需相應提高，這樣就縮短了砂輪與工件的接觸時間，減少了傳入工件的磨削熱，從而減少或避免磨削燒傷和裂紋的產生。

同高速磨削一樣，超高速磨削可以大幅度提高磨削生產率、延長砂輪使用壽命或減小磨削表面粗糙度，并可對硬脆材料實現延性域磨削。對高塑性及其他難磨削材料進行磨削也有良好的表現。例如，在超高速外圓磨床上可以將毛坯直接磨成曲軸，每分鐘可磨除金屬高達2kg。

4.高效深切磨削（HEDG）

HEDG（High Efficient Deep Grinding）工藝是20世紀80年代初期，由德國的居林公司研制開發的，是高速磨削和緩進給磨削的進一步發展，被認為是現代磨削技術的高峰。HEDG在切深0.1～0.3mm、工件速度v_w=0.5～10m/min、砂輪速度v_s=80～200m/s的條件下進行磨削。其工藝特征是砂輪高速度，工件進給快速及大的磨削深度，既能達到高的金屬切除率，又能獲得高質量的加工表面。

HEDG是緩進給磨削和超高速磨削的結合，磨削力高，砂輪回轉速度高，必須具備以下條件。

① 砂輪應具有良好的耐磨性，優良的動平衡性能和抗裂性能。

② 磨床應具有高動態精度，抗振性和熱穩定性好。

③ HEDG砂輪主軸轉速在15000r/min以上，所傳遞的磨削功率為幾十千瓦。故主軸應具有較高的回轉精度和剛度。

④ 超高速磨削時，氣流阻礙磨削液進入磨削區，故應采取恰當的磨削液供給方法。常用的磨削液供給方法有：高壓噴射法、砂輪內冷卻法、空氣擋板輔助截斷氣流法等。

用高效深切磨削工藝加工出的工件，其表面粗糙度可與普通磨削相當，而其材料磨除率比普通磨削高100～1000倍。因此，在許多場合，可以替代銑削、拉削、車削等切削加工方法。

5.寬砂輪與多砂輪磨削

（1）寬砂輪磨削

寬砂輪磨削也是一種高效磨削方法，它靠增大磨削寬度來提高磨削效率。一般外圓磨削砂輪的寬度僅50mm左右，而寬砂輪外圓磨削砂輪的寬度可達300mm，平面磨削砂輪寬度達到400mm，無芯磨削砂輪寬度達800～1000mm。寬砂輪磨削工件精度可達IT6，表面粗糙度Ra為0.63μm。寬砂輪磨削的特點和適用范圍是：

① 由于磨削寬度大，所以磨削力、磨削功率大，磨削時產生的熱量也多。

② 砂輪經修整后，可磨成形面，能保證零件成形精度，同時因采用切入磨削形式，比縱向往復磨削效率高。

③ 因砂輪寬度大，主軸懸臂伸長較長。

④ 為保證工件的形位精度，要求砂輪硬度不僅在圓周方向均勻，而且在軸向均勻性也要好。否則因砂輪磨損不均勻，影響零件的精度和表面質量。

寬砂輪磨削適用于大批量工件的加工，在生產線和自動線上采用寬砂輪磨削可減少磨床的數量和占地面積。

（2）多砂輪磨削

多砂輪磨削是在一臺磨床上安裝了多片砂輪，可同時加工零件的幾個表面。多砂輪磨削的砂輪片數可多達8片以上，砂輪組合寬度達900～1000mm。在生產線上，采用多砂輪磨床可減少磨床數量和占地面積。多砂輪磨削主要用在外圓和平面磨床上，內圓磨床也可采用同軸多片砂輪磨同心孔。

6.恒壓力磨削

恒壓力磨削是切入磨削的一種類型，在磨削過程中無論其他因素（如磨削余量、硬度、砂輪磨鈍程度等）如何變化，砂輪與工件之間始終保持預選的壓力不變，因此稱恒壓力磨削，也稱為控制力磨削。恒壓力磨削，避免了超負荷切削，工藝系統彈性變形小，有利于獲得正確的幾何形狀與低的表面粗糙度值。

7.砂帶磨削

砂帶磨削作為一種高效磨削方式，自20世紀60年代以來得到了迅速發展。據統計，發達國家約有1/2的磨削加工已被砂帶磨削所取代。砂帶成形磨削的應用較廣泛，如導彈頭外形、噴氣發動機葉片的復雜型面的精密加工等。砂帶磨削的主要特點如下。

（1）設備簡單

砂帶安裝在壓輪和張緊輪上（圖2-5），并實現回轉主運動；工件由傳送帶送至支承板上方的接觸區域完成進給運動。工件通過砂帶磨削區后就完成了磨削加工。

（2）可磨削復雜型面

由于砂帶具有柔曲性，改變成形導向板的外形，使之與工件表面相適應，就可磨削出所需的工件成形表面。

（3）生產率高

如切除相同的金屬材料，砂帶磨削時間僅為砂輪磨削的1/11～1/5。砂帶磨削生產率是普通砂輪磨削的5倍，通常比銑削高10倍；故又有“快削法”之稱。

（4）加工精度高

由于摩擦生熱少，磨粒散熱時間間隔長，可以有效減少工件變形、燒傷，故加工精度一般可達到普通砂輪磨削的加工精度。又由于砂帶與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用，磨削得到的工件表面粗糙度Ra可達0.63～0.16μm，加工精度較高。

（5）設備簡單、操作方便

砂帶磨削設備結構簡單，制造成本低、接觸輪極少磨損，可使砂帶保持恒速；傳動鏈短，機床功率利用率可達85%以上；操作方便、安全可靠。

砂帶磨削可以加工外圓、內圓、平面、曲面等工件表面；可以磨削普通金屬材料和不銹鋼、鈦合金等難加工材料，也可磨削木材、塑料、石料、混凝土、橡膠，以及各種較高硬度的非金屬材料，如單晶硅體和寶石等；還可用來打磨鑄件的澆冒口、殘蒂、結渣、飛邊、大件及橋梁的焊縫，以及對大型容器殼體、箱體的大面積除銹、除殘漆等。