磨削加工砂輪修整技術(shù)專利分析

王媛

摘 要：砂輪修整技術(shù)是提高磨削加工可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對磨削加工砂輪修整技術(shù)的專利進行統(tǒng)計，對砂輪修整技術(shù)的現(xiàn)狀進行了具體分析，并對砂輪修整技術(shù)的發(fā)展方向進行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：磨削加工 砂輪修整 專利分析

1 前言

磨削加工是利用磨料工具去除材料的加工方法，具有較高的加工精度，其通常作為工件最后機械加工的手段。磨削加工在金屬切削領(lǐng)域占有極為重要的地位，被廣泛應(yīng)用于許多高科技領(lǐng)域，比如航空航天、醫(yī)療器械和電子芯片等，而諸如陶瓷和微晶玻璃等難加工材料，更是只能采用磨削加工的方法。砂輪是磨削加工中常用的一種磨具，在工件磨削過程中，保持砂輪和砂輪軸的良好狀態(tài)很重要。成形磨削時，砂輪的磨削性能在很大程度上取決于砂輪的表面特性，砂輪的形狀精度及其尺寸精度直接影響工件的加工質(zhì)量。這直接關(guān)系到磨削加工的可靠性能。但磨削過程中由于砂輪與工件之間的縫隙很小，磨削液很難進入，產(chǎn)生的微小磨屑極不容易排除，容易造成砂輪鈍化，同時導(dǎo)致磨削區(qū)出現(xiàn)高溫，使砂輪出現(xiàn)異常，影響磨削性能。因此，要實現(xiàn)數(shù)控磨床的可靠加工，砂輪修整問題不容忽視。

2 磨削加工砂輪修正技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外的砂輪修整技術(shù)主要有以下幾種：

（1）車削修整法

車削法是采用單顆粒金剛石筆、粉末冶金金剛石筆或金剛石修整片等修整工具車削砂輪，以達到修整目的。如圖1（a）中所示，金剛石筆的軸向和徑向運動可采用靠模板修整砂輪裝置控制，該裝置一般包括模板，縮放尺，觸頭和金剛石筆等。筆的仿形運動也可采用數(shù)控控制。

該種方法修整的效率較高，但金剛石筆的尖端由于受到熱和力的集中連續(xù)作用，磨損劇烈。且砂輪修整后其表面狀態(tài)不易達到磨削要求，磨粒之間容屑空間較小，其切削刃較寬且磨削刃不鋒利，如果直接用于磨削，砂輪初期磨削力及其磨削溫度較大，易造成磨削燒傷和振紋，所以在修整后，須用油石對其表面作合理修銳。

（2）滾壓修整法

滾壓修整時滾壓輪與砂輪是主從關(guān)系，兩者之間的相對滾動使磨粒表面崩碎出現(xiàn)微刃。砂輪的形狀由滾輪的運動軌跡產(chǎn)生。如圖1（b）所示，修整時，作為修整工具的滾輪以一定的壓力與砂輪接觸。由砂輪帶動修整輪以相同的線速度旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，由于修整工具壓碎砂輪表面磨粒和結(jié)合劑，從而去除砂輪表面層而實現(xiàn)修整的目的。

滾壓法的特點是修整壓力大、修整效率及修整精度較低、修整后砂輪表面損傷層較深、切削刃密度較低、磨粒較尖銳、易磨損但不易堵塞。

（3）磨削修整法

磨削法修整是采用磨粒圓盤或金剛石砂輪仿效磨削過程來修整砂輪，現(xiàn)在均采用數(shù)控裝置。用切入磨削法修整砂輪時，修整輪具有獨立的旋轉(zhuǎn)運動，并以一定的切入深度切入砂輪，通過對高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面產(chǎn)生磨削作用，使砂輪獲得與滾輪形面吻合的鋒利工作表面；軸向磨削法修整時，基于成形砂輪對工件進行磨削加工的原理，建立與成形砂輪表面共扼的修整輪運動軌跡數(shù)學(xué)模型。使數(shù)控砂輪修整器產(chǎn)生兩坐標(biāo)方向的聯(lián)動，修整出所需的成形輪廓。修整后砂輪表面的磨粒比較平整，適合精密磨削。

還有一種GC杯形砂輪修整法，也屬于磨削修整法的范疇。修整過程中，杯形砂輪沿一定的軸線作擺動，控制回轉(zhuǎn)中心的位置，并控制回轉(zhuǎn)運動與其同步，按照直線包絡(luò)的原理，即可修整出任意凸型廓形。修整過程中從GC杯形砂輪上脫落下來的磨粒會對砂輪磨粒及其結(jié)合劑橋產(chǎn)生沖擊和研磨作用，由此產(chǎn)生修整效果。在整形的同時也進行修銳。但該種方法常用于對金剛石砂輪的修整。

除上述三種常規(guī)砂輪修整方法外，還有ELID在線電解修整、電火花修整和激光修整法等。該三種方法還在實驗研究階段，并沒有以產(chǎn)品形式推廣。目前的砂輪修整技術(shù)還存在一定的局限性。例如：車削法修整和杯形砂輪修整時修整工具損耗較快；金剛石滾輪修整效率高、精度高，但滾輪型面復(fù)雜，難于制造；ELID 法需配備專用的電源、電極和電解液，裝置較貴且有一定的特殊要求。新的修整工具、修整技術(shù)的發(fā)展將趨于高精、高效、柔性及自動化方向。

3 磨削加工砂輪修整技術(shù)狀況分析

早在1970年左右就已經(jīng)有砂輪修整的相關(guān)技術(shù)專利的申請出現(xiàn)，下圖2顯示了自七幾年來，世界范圍內(nèi)關(guān)于砂輪修整技術(shù)的相關(guān)專利申請的發(fā)展趨勢。

從圖2中可以得知，砂輪修整中最常見的三種方法：車削法、滾壓法和磨削法，其相關(guān)專利的申請趨勢走向類似，在2005年之前，各類型的專利申請量都趨于平穩(wěn)，而在2005年之后，申請量都呈明顯增長趨勢，這與21世紀(jì)以來世界的經(jīng)濟、科技各方面迅猛發(fā)展有關(guān)，加工制造行業(yè)對磨床的需求持續(xù)增長，對磨床的可靠性要求更高，促進了相關(guān)企業(yè)和科研人員對磨床中砂輪修整技術(shù)的進一步研究，從而在進入21世紀(jì)后的短期內(nèi)產(chǎn)生了大量的相關(guān)申請。

砂輪修整相關(guān)技術(shù)的研究主要集中在中國、日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)。對于比較早期的車削法，在中國的申請量比在其他國家和地區(qū)的申請量要明顯多出很多，而滾壓法和磨削法的申請量比較適中，這體現(xiàn)了我國部分企業(yè)和個人的研發(fā)實力還處在較低水平的特點。

此外，在各個國家和地區(qū)中，磨削法和滾壓法的申請量差別不大，且普遍大于車削法的申請量，說明磨削法和滾壓法是實用性更好的兩種砂輪修整方法。

國內(nèi)企業(yè)中目前相關(guān)專利申請量最多的是重慶興旺工具制造有限公司，它是一家專業(yè)化生產(chǎn)提供齒輪刀具產(chǎn)品的企業(yè)，年產(chǎn)刀具約5萬件，刀具的生產(chǎn)離不開磨床，該企業(yè)由于自身的需要而對砂輪修整技術(shù)進行了大量的研究。此外，國內(nèi)還形成了以湖南大學(xué)、重慶大學(xué)為主的教育科研力量，對砂輪修整的相關(guān)技術(shù)進行了大量的研究。

在國外的企業(yè)中，相關(guān)申請的數(shù)量較多的是KOYO SEIKO CO LTD，即日本KOYO進口軸承株式會社，它是一家有著悠久歷史和文化的世界綜合軸承產(chǎn)品制造商，軸承的制造也需要高品質(zhì)的磨床。

4 磨削加工砂輪修整技術(shù)前景預(yù)測

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，磨削加工在精加工和難加工領(lǐng)域?qū)⒃絹碓绞艿狡髽I(yè)和研究機構(gòu)的重視，從砂輪修整的技術(shù)狀況分析來看，單一的修整方法已經(jīng)逐漸成為過去，越來越多的復(fù)合型方法被開發(fā)和使用，包括結(jié)合超聲波振動、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、電解復(fù)合、電火花、電極傳導(dǎo)等近年來被廣泛研究的新技術(shù)，由此可見，引入新技術(shù)新方法來修整砂輪已經(jīng)成為砂輪修整關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的新趨勢。