一、磨削技术概述

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基，是国民经济的主要支柱。

磨削是用硬质磨料去除工件上多余材料的加工方法，磨削可加工任何硬度材料并在微细加工方面具有不可替代的优势，主要用于装备制造领域机械零件的精加工，对零件表面质量起关键作用，是现代装备制造业发展的重要支撑。

随着航空航天、武器装备、精密仪器、半导体、新能源等领域的快速发展，钛合金、高温合金、复合材料、工程陶瓷等高性能材料得到越来越广泛的应用。

钛合金比强度高、耐高温性能好、耐腐蚀性好，用于服役温度约为350℃的航空发动机风扇和压气机部件用量约占发动机质量的33%。

镍基高温合金具有优异的高温力学性能，主要用于运行温度超过1250℃的发动机燃烧室和高、低压涡轮部分，其用量占目前商用航空发动机质量的40%~50%。

纤维增强陶瓷基复合材料的密度仅为高温合金的1/3~1/4，耐高温性能更好，适用于火箭发动机喷管、战斗机或高速列车的刹车材料。

金属基复合材料具有合金材料所不具备的特殊性能，预计未来5~10年在航天器结构、第三代半导体热管理器件、惯性器件和空间光学装备、轻量化核防护等多个领域将出现大量需求。

以氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅为代表的工程陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好以及电、热、光、磁等独特功能，在战略性新兴产业领域关键部件中的应用潜力巨大。

这些高性能难加工材料在高端制造业中的应用越来越广泛，关键零部件的精度要求极高，而材料的可磨削性差，对磨削加工工艺提出了严峻挑战。

因此，针对难加工材料高性能表面的高精度制造成为了不可回避的技术瓶颈难题。

二、先进磨削技术

高效磨削

磨削在加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料去除率较低，难以与车削、铣削等抗衡。

为提高磨削效率，主要通过增加单位时间内有效磨粒数(如高速磨削、超高速磨削)，增加磨削接触区面积(如缓进给磨削、端面磨削)，增加磨削点位数量(如蜗杆砂轮磨削、多砂轮磨削)，加大磨粒载荷(如重载荷磨削、点磨削)，减少辅助时间(如复合磨削、数控磨削)等措施。

高速磨削、超高速磨削

高速磨削(砂轮速度大于50m/s)、超高速磨削(砂轮速度大于150m/s)能大幅度提高磨削效率，改善磨削质量，提高砂轮耐用度。

目前，国内高速、超高速磨削技术仍主要用于汽车、压缩机、半导体等个别零件加工，而在钢铁、轴承、齿轮、农机、航空、船舶等传统制造产业，高速磨削普及率仍很低。

超高速磨削装备关键技术的突破，依赖于高端电主轴技术、静压轴承技术、超高速砂轮技术、检测技术、高端数控系统等多个重要领域的协同创新。

点磨削

点磨削是高速磨削技术的新发展，是集CBN超硬磨料、超高速磨削、CNC柔性加工三大先进技术于一体的高效加工技术。

特点:不仅具有高速磨削、超高速磨削的优点，且类似于数控车削，磨削深度大，法向磨削力小，冷却、排屑充分，磨削温度低，操作方便等，特别适合细长轴类零件加工，是磨削技术与数控技术的极佳结合。

缓进深切及高效深切磨削

与普通平面磨削相比，缓进深切磨削是指工件进给速度(0.05~0.50m/min)较低，磨削深度(0.1~30.0mm)较大的磨削方式。

高效深切磨削是在缓进深切磨削的基础上，进一步融合了CBN超硬磨料和高速磨削技术，提高了工件进给速度(0.5~10.0m/min)，极大地提高了磨削效率，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。

缓进深切磨削技术和高效深切磨削技术均具有磨削弧长，可一次加工成形等特点，磨削过程中采用高压强冷、连续修整等相关技术，具有高的磨削效率(达普通磨削的几倍到上千倍)，好的型面保持性，高的砂轮耐用度等。

特别适合成形磨削和切割磨削，如叶片榫齿、齿轮形面、连杆结合面、转子槽、卡尺滑槽、卡盘导向槽、工具槽、丝杠螺旋槽磨削;晶圆划片、封装切割、石材切割磨削等。

蜗杆砂轮磨削

蜗杆砂轮磨削是基于螺旋齿轮传动原理，砂轮与齿轮空间啮合旋转，实现齿轮连续分度展成磨削，砂轮刚性好，磨削接触点多，加工效率高，磨削精度好，表面质量优。

目前，蜗杆砂轮磨削技术主要用于中小模数齿轮的大批量生产。

重载荷磨削

主要技术特点

1)磨削力大，是所有磨削方式中载荷最大(10~30kN)，加工效率最高(500~1000kg/h)的磨削技术;

2)工作环境恶劣，多在高温下使用，工件原始形态波动大;

3)对加工精度和表面粗糙度要求不高，砂轮不需修整。

重载荷磨削主要用于钢坯、钢板表面缺陷层(裂纹、夹渣、结疤、气孔、脱碳层、氧化皮等)的修磨，磨削功率已达100~300kW，砂轮速度80~120m/s。其主要考核指标是磨削效率和砂轮使用寿命。

轮轨高速、被动磨削

高速、被动磨削是近年发展起来的新型轮轨打磨技术。作业中砂轮自身不带动力，是通过打磨车的行进及压力，使砂轮外圆与轮轨间产生挤压、滚动、摩擦、耕犁、切削;依靠二者间的夹角，调整砂轮切向旋转速度及轮轨表面纹理。

高速、被动磨削最大的优点是打磨速度快(60~80km/h)，不仅效率高，而且质量好，成本低，特别适用于行车密集的线路。

复合磨削

复合加工是将零件的相关加工工序集中在同一机床上，实现高效加工或精密加工的目的。复合削主要有2种类型。

1)在1个工位上复合或叠加多种加工方法的方式，如超声磨削、电解磨削、电火花机械复合磨削、紫外光辅助磨削、磁流变抛光等;

2)复合磨削中心，主要出现在工程应用领域，是依托现代柔性的数控系统，以一次装夹，实现多工具、多工序集中的磨削思路。

超声振动辅助磨削技术

超声振动辅助磨削是在磨粒运动轨迹上叠加高频振动，通过磨粒与工件材料的冲击作用去除材料的一种复合加工方法。超声振动系统主要包括超声波发生器、换能器、变幅杆及磨削工具。

电解磨削技术

电解磨削又称电化学磨削(ECG)，在加工钛合金和镍基高温合金等难加工金属材料方面具有很大的优势，可降低磨削力和磨削温度，大幅度延长砂轮寿命，在大余量高效磨削方面有很大的实用价值。

电解磨削还可加工硬质合金和等颗粒增强金属基复合材料。硬脆材料大多导电性差，因此不适合用电解磨削方法加工。

电火花机械复合磨削技术

电火花机械复合磨削(EDDG)是在电火花磨削基础上，将石墨轮用金属结合剂金刚石砂轮代替，放电作用导致工件表面产生软化的重铸层，砂轮的磨粒持续磨削去除重铸层，形成新的加工表面，使得放电持续进行；同时砂轮的金属结合剂也因放电被去除，相当于对砂轮进行在线修锐。

激光辅助磨削技术

激光辅助磨削技术主要用来解决硬脆材料的削加工效率低，且极易产生裂纹损伤的问题，在氧化锆、碳化硅、氮化硅等工程陶瓷磨削加工中得到了广泛应用。

精密及超精密磨削

磨削通常可经济地获得表面粗糙度Ra值为0.20~2.00 μm的工件，然而，随着科学技术的不断发展以及加工精度、表面完整性要求越来越高，磨削加工已经成为现代装备制造业实现精密及超精密加工最有效、最广泛的实用技术，许多零部件对精密磨削(Ra值为0.025~0.250um)、超精密削(Ra值小于0.025 μm)的需求也越来越多，因此现代磨削技术正向微细化的方向发展。

低表面粗糙度磨削

工程上，铁系材料低表面粗糙度磨削(Ra值小于0.2μm)主要采用普通磨料砂轮。基于普通料比金刚石硬度低，脆性大，易修整的特点，采用锐利的金刚石工具，通过精细修整使砂轮表面磨粒具有微刃态和等高性。利用砂轮表面磨粒的微切削作用、金属材料的微塑性流动和二者间的挤压、摩擦、抛光作用使磨削表面纹理极其微细、光滑。

目前，低表面粗糙度磨削已普遍用于加工机床主轴:轴承滚道、滚珠滚子、导轨、液压零件等精密零件。应用相对普及。

ELID磨削

ELID磨削拓宽了超细粒度(600#~30000#)金属结合剂和超硬磨料砂轮的应用范围，特别适用于硬脆材料的精密和超精密磨削加工，目前已成功应用于陶瓷反射镜、玻璃非球面透镜、铁氧体器件、轴承滚道、模具加工中。

ELID磨削效率高，精度高，质量好，但由于现有床安装ELID装置空间有限，电解液维护要求高等，其应用面不大，主要用于光学、电子、仪表等精密加工领域。

脆性材料延性域磨削

目前，工程上大量应用的是半延性域磨削，材料去除方式既有脆性断裂，也有塑性变形。由于砂轮表面磨粒数量众多，磨粒高度不一，磨粒切削深度有高有低，每次磨削总有部分磨粒切削深度在纳米级状态，即延性域磨削始终伴随在硬脆材料的磨削过程中;

并且，随着砂轮粒度的减小，砂轮平衡精度的提高，修整精度的细化，磨床刚性、精度、动态特性的提升，特别是磨床进给机构的精细化，必然使硬脆材料延性域磨削占比加大。目前，硬脆材料延性域磨削主要应用于电子信息、航空航天、陶瓷轴承领域，应用范围相对稍小。

工件自旋转磨削

工件自旋转磨削技术于1988年由日本学者Matsui S提出，目前是硅片减薄磨削的主流。硅片利用真空吸盘装夹，采用杯形金刚石砂轮一对一端面磨削，砂轮外圆与硅片中心对齐，硅片与砂轮各自绕其轴线旋转，砂轮再沿其轴向微量进给。

CMP

在晶片的超精密加工中，为进一步获得无损伤、光滑的高精度表面，学者提出了许多加工方法，主要有:磁悬浮抛光、电泳抛光、浮法抛光、弹性发射抛光、磁流变抛光、离子束抛光、剪切增稠抛光、水合抛光化学机械抛光等，其中化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)应用最广泛。

CMP是在一定压力和抛光液存在下，旋转的工件与旋转的抛光垫相接触，借助微纳米级磨粒的研磨作用和氧化剂的化学腐蚀协同，快速达到高质量和无损伤的表面。

CMP随着半导体产业的发展而兴起，目前主要用于单晶硅、多晶硅、蓝宝石、氧化硅、碳化硅、石英晶体、铜、钨等。

CMP是集机械学、摩擦学、材料学、力学、化学为一体的综合加工技术，避免单纯机械抛光易产生表面损伤和单纯化学抛光速度慢，表面平整度和一致性差等缺点，使其加工性和速度同时满足了晶圆的加工要求。

砂带磨削

砂带磨削是以涂附磨料磨具(砂带)为工具，并辅之接触轮或压磨板以提高磨具刚度，使砂带处于张紧和工作运行状态，对工件表面进行加工的一种高效磨削技术。

砂带磨削与砂轮磨削有本质不同，其主要特点：

1)砂带薄而韧，适应性好，可根据工件形状以相应的接触方式进行加工;

2)磨削表面完整性好，砂带薄且曲率不断变化，吸振性好，散热快，不易堵塞，磨削温度低，磨削质量好；

3)磨削效率高，砂带磨削速度恒定，其宽度一般可根据工件的磨削形面定制，最宽已达5m，效率高，成本低;

4)磨削比高、能耗低，砂带磨削通常在低速下工作砂带上磨粒比砂轮磨粒具有更强的切削能力，一般磨削功率仅为砂轮磨削的1/3左右；

5)可磨削各种材料，不仅是金属材料，木材、塑料、皮革等非金属材料也有很好的加工性。

智能磨削

智能磨削是数控技术的进一步升级，是借助先进的传感器技术及数据处理手段，实现对磨削过程的感知、预测、控制，达到经济有效提升相关精度和表面质量的目的。

磨削是一个极其复杂的多因素交互影响系统，只有实现多传感器监控，多参数跟踪，多信号融合分析，全方位评判的综合智能磨削，才是工程化、现代化磨削技术发展的重要方向。多参数智能磨削工程应用的路还很长。

绿色磨削

传统磨削加工大量使用磨削液，采用浇注式冷却磨削区温度，磨削液的大量使用给现场环境和操作者健康带来了一定危害，而且增加企业磨削加工成本。面对人类社会可持续发展的需要，绿色磨削技术是一种基于绿色制造理念，从生态学和经济学角度综合考虑环境和资源两大问题的一种现代制造模式。

目前，研究课题主要有内冷却磨削、低温冷风磨削、高压射流磨削、雾化冷却磨削、微量润滑磨削、固体润滑磨削及干式磨削等。

干磨削

干磨削加工由于不使用磨削液，杜绝了磨削液带来的危害。但同时磨削环境恶化、工件烧伤和砂轮寿命降低等问题制约了其在生产加工中的应用。

磨削热是制约其应用的关键因数。人们已采取超声振动、热管换热和开发自润滑砂轮等方法降低磨削热、提高加工性能，但其在实际推广应用上还需进行深入的研究。

微量润滑技术

微量润滑技术(MQL)是将微量的润滑油与压缩空气混合雾化后，以气雾的形式喷射至加工区域，这使得磨削液能够突破气障层，对磨削区进行有效地冷却润滑。

目前该技术研究的重点有提高MQL的雾化性能、配制合适的雾化介质、MQL和其他冷却润滑方式的复合等。

充分满足磨削换热需求，研究人员提出了更为高效的纳米粒子射流微量润滑技术(Nanofluid Minimum Quantity Lubrication,NMQL).即在微量润滑液中添加一定比例的纳米级粒子，将二者充分混合制备成纳米流体，再通过压缩气体进行雾化并输送至磨削区。

液氮冷却磨削

液氮冷却磨削是将液氮作为冷却介质喷射到加工区域，对工件和工具进行冷却的加工方法。

液氮磨削的冷却能力较强，可以解决难加工材料的磨削加工。但其经济成本较高，不利于推广。使用液氮加工会使周围环境变得潮湿，易引发机床生锈。

低温冷风磨削

低温冷风磨削的冷却介质为常见的空气，不需要额外的存储。但其冷风供应系统较为复杂，设备噪声较大。低温冷风的润滑性能不足，只适合于小切深的磨削加工。

固体润滑技术

固体润滑技术是将固体介质作为润滑剂加入到摩擦接触面上用以降低摩擦磨损的润滑技术。常用的固体润滑材料有石墨、二硫化钼、氟化钙等。这类材料具有层状结构，剪切强度低，易于粘附在工件表面等特点，非常适合磨削面的润滑。

其优秀的减摩性、耐磨性、宽温特性和时效性使其很早就被应用于润滑领域。

而如何使固体润滑剂有效地进入磨削区域，形成稳定的润滑膜层是影响润滑效果的关键问题。

三、存在的问题及建议

超硬磨粒磨削、高速和高效磨削、精密和超精密磨削、砂带磨削、智能磨削、绿色磨削等先进磨削技术具有高速、高效、长寿、精密、柔性、绿色等鲜明优点，更符合《中国制造2025》发展战略，具有很好的发展前景，值得大力推进。

国内先进磨削技术存在问题

高档超硬磨具主要由国外垄断

由于国内超硬磨具至今没有硬度标准，致使其系列化，标准化、稳定性、可靠性等与国外品牌产品仍有相当差距。

以汽车、半导体、工具、轴承等中高档超硬磨具应用为例，国产砂轮仅占20%左右，而高档超硬磨具仍主要由国外产品垄断，超硬磨粒磨削应用进入了发展瓶颈期，国产超硬砂轮难以进入高档磨具市场。

国产高端磨削装备工程应用有限

高端磨削装备是推广先进磨削技术的基础，经过数十年的发展，我国制造业已有了很大的发展和进步，我国目前是全球制造业门类最齐全、机床产量最大的国家，但我国数控磨床仍以中低端市场为主，高端磨床领域、关键部件、关键装备依然依赖进口，尚不能完全实现自给自足。

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磨削技术学术研究与工程应用严重脱节

砂轮是多元、多孔、非均质复合材料，其表面磨粒无数、形状不一、高低有别、容屑有限、刃尖呈大负前角状态。砂轮的应用不同于一般的机械工程，影响因素极其复杂，存在无数的不确定性，因此磨削技术研究应立足于工程应用，依靠试验、统计的大量数据。

但近二十年来，本领域国内学术研究与工程应用严重脱节，工程上有许多的课题无法开展工作，而学术上又有大量的文章在无数的假设条件下建模、仿真、发表，造成有成果和无应用的奇怪现象，甚至严重偏离工程实际，对磨削应用无意义。

发展建议

磨削是一个复杂的系统工程，国内在先进磨削技术应用方面还落后于发达国家。为实现国内整体磨削技术应用的提升，需要磨削装备、功能部件、砂轮制造商用户、高校等多维协同合作。不仅应有基础学术研究更应注重关键共性技术、工程应用研究，建立全面共融攻关机制，有利于快速提高国内先进磨削技术的应用范围。

无论是难加工金属材料、硬脆材料还是复合材料，降低磨削力和磨削温度都有利于提高工件表面完整性和降低砂轮磨损;改善难加工材料可磨削性的基本策略不外乎减少工件材料磨削过程的弹塑性变形、减少磨粒-工件间的摩擦以及减少传入工件和砂轮的力和热。

改进难加工材料可磨削性的有效的工艺方法可概括为:通过使用超硬磨粒、改进砂轮结构、磨粒有序排布从而提高砂轮磨削能力和散热能力;通过使用低温介质强制换热从而降低磨削温度;通过多能场复合使待磨削材料层的强度、硬度削弱，从而易于去除;通过超高速磨削方法降低磨削力和磨削温度，从而提高磨削效率，降低磨削损伤。

参考来源

1.冯克明等.先进磨削技术应用现状与展望

2.卢守相等.高性能难加工材料可磨削性研究进展

3.郭东明等.半导体基片超精密磨削技术的研究现状与发展趋势

4.丁文锋等.航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望

5.丁文锋等.超声振动辅助磨削加工技术及装备研究的 现状与展望

6.蔡中伟等.绿色磨削加工技术研究进展

7.金滩等. 向极限挑战的高性能磨削技术发展及其在航空制造领域的应用前景