黃 云

(重慶大學, 重慶 400044) (重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心, 重慶 400021)

重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心依托重慶大學和重慶三磨海達磨床有限公司組建，致力于各類材料表面的精密加工及相關成套裝備的工程化研發(fā)及推廣應用?，F有多名高性能構件表面精密加工技術及智能裝備制造技術領域的專家，包含專職研究人員4名，百人計劃1名，博士后1名，博士研究生4名和碩士研究生32名。已主持國家級項目20余項，包括國家“863”重點項目、科技部科技支撐重大項目、國家科技重大專項等；省部級項目20余項，包括重慶市科技攻關重大項目、市政府重大決策咨詢項目等；橫向項目20余項。多項成果達到“國內領先水平”，有重要學術和應用價值，取得了顯著的經濟和社會效益。重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心研究成果獲2016年度中國產學研合作創(chuàng)新成果一等獎、2018年度中國機械工業(yè)科學技術一等獎，共發(fā)表SCI/EI收錄學術論文100余篇，申請專利60余項(其中國際專利4項)，編寫行業(yè)標準10項，主編《砂帶磨削原理及其應用》、《現代砂帶磨削技術及工程應用》專著2部。

砂帶磨削是一種幾乎能加工所有工程材料，在先進制造技術領域有著“萬能磨削”之稱的新型工藝，現已成為與砂輪磨削同等重要和不可缺少的加工方法。隨著砂帶質量的提高和品種的發(fā)展，砂帶磨削技術早已超越了其發(fā)明之初只能用于打磨拋光的局限。高效率、重負荷、高精度、自動化乃至全數控智能化的各種砂帶磨削技術和裝備已在航空、航天、艦船、交通運輸、冶金、化工及能源等行業(yè)得到廣泛應用，并在核島、燃氣輪機、石油天然氣管線、加氫反應釜等重大裝備的一些關鍵零部件加工過程中發(fā)揮著巨大的作用。

1 砂帶磨削機理及特點

1.1 砂帶磨削技術的產生

砂帶磨削屬于涂附磨具(俗稱砂紙、砂布)磨削的一種形式。早在1760年，世界上就出現了第一張砂紙，但當時僅局限于手工操作，直到1900—1910年才進入機械使用砂紙和砂布的時代，并首次以環(huán)狀帶形方式應用于木材行業(yè)，這種采用環(huán)狀帶形砂布的機械磨削方式即砂帶磨削的雛形。1930年后，砂帶磨削逐步向金屬加工方面發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)中美國率先在兵器制造中使用砂帶磨削，取得明顯效果。1950年，靜電植砂方法的研制成功把砂帶磨削推到了一個新的階段，砂帶磨削技術逐漸得到廣泛應用。此后，歐洲部分工業(yè)國家和日本也相繼開展了砂帶磨削技術的研究和應用。1980年后，數控砂帶磨削技術及設備出現，使砂帶磨削技術隨之逐漸發(fā)展成為一個較為完整和獨立的加工技術領域。

1.2 砂帶磨削機理

砂帶磨削的基本要素，包括砂帶、張緊輪、接觸輪、磨削對象(工件)及磨削參數(砂帶切削速度vs，工件進給速度vf)等。

砂帶是砂帶磨削的主體，它是一種特殊的、類似具有多刀多刃的切削工具，砂帶的組成要素主要由基材、結合劑(含底膠、覆膠和基材處理劑)和磨料3部分組成。

砂帶磨削時，磨粒在一定壓力作用下作切削運動，與工件表面相互作用，經過滑擦、耕犁和切削3個階段，實現對工件表面的磨削和拋光。

砂帶磨削的機理、切屑的形成、磨削力、磨削熱等問題的研究和解釋，涉及物理學、數學、材料學以及摩擦學和計算機科學等基礎科學，是一門多學科交叉的研究課題。

1.3 砂帶磨削特點

(1)“冷態(tài)”磨削。由于砂帶磨粒采用單層植砂，磨刃鋒利，故磨削熱小，加之砂帶有較長的周長，散熱快，磨粒能得到很好的冷卻，因而工件表面不易產生燒傷、微裂紋或金相組織改變。

(2)“萬能”磨削。幾乎可以加工所有的工程材料，如各種金屬、非金屬、難加工材料等。

(3)“高效”磨削。生產效率高，在材料去除率方面砂帶磨床遠遠超過了砂輪磨床，為普通砂輪磨削的5～20倍、銑削的10倍；其功率利用率可達96%，強力砂帶磨床的金屬切除率可達800 cm3/s。

(4)“彈性”磨削。由于砂帶自身有很好的撓性和柔性，與工件是柔性接觸，具有很好的磨合和拋光作用。

(5)磨削質量好。砂帶磨削的工件表面尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度與同類砂輪磨削相當，尺寸精度可達0.1 μm，表面粗糙度Ra值可達0.01 μm以下。

(6) 生產成本低、經濟效益好。砂帶磨床結構簡單，其制造成本比砂輪磨床的低；砂帶更換簡單、快捷；砂帶磨床的磨削比(切除工件材料質量與磨粒消耗質量之比)可達300∶1～400∶1，而砂輪磨削的磨削比最高僅為30∶1。

2 砂帶磨削技術部分應用

2.1 一般性應用

(1)外圓砂帶磨削技術

從雙頭立式外圓砂帶磨削機床的外形和整體布局來看，外圓砂帶磨削機床與常見砂輪外圓磨床很相似，磨削加工基本原理也幾乎一樣。不同的地方在于砂帶質量輕，同等磨削條件下，其結構、質量、剛性等要求都比砂輪磨床的低，且具有更好的適應性。

(2)內圓砂帶磨削技術

由于砂帶柔軟、細長的特點，砂帶磨削可以輕易實現5～6 m長不銹鋼管、油管，筒體和直徑小于25 mm、長度6 m的細長核電管或衛(wèi)生級鋼管內圓磨削加工。

(3)平面砂帶磨削技術

平面砂帶磨削形式多樣化，決定了其磨床結構的多樣化。工件的運動軌跡既可以是直線，也可以是回轉曲線。磨頭的形式有單頭與多頭之分，砂帶的寬窄變化也較大。而且磨頭的布置方式也可以是多種多樣的，既可在工件上平面，也可在工件下平面，同時還可在工件側面或依工件截面形狀布置成傾斜方向，實現工件從頭到尾的初磨、半精磨和精磨加工。

2.2 強力重載磨削應用

(1)石油天然氣螺旋管焊縫強力砂帶磨削

石油天然氣螺旋鋼管焊縫強力砂帶磨削以砂帶為磨具，針對大型管道的構造特點，采用全程跟蹤恒壓(氣動)磨削技術，實現管道焊縫表面均勻磨削拋光，解決了過去只能依靠手工打磨焊縫余高(3～5 mm)的難題，滿足了國內石油天然氣輸送工程的需要，其磨削后的焊縫余高與母材的誤差≤0.05 mm。

(2)核電高壓容器焊縫、坡口及堆焊層高效砂帶磨削

根據核電高壓容器焊縫、坡口及堆焊層的高效砂帶磨削技術及其工程化應用情況，通過重型抗側擺可移動十字滑板結構，可在4個自由度下調整強力砂帶磨頭的位置，實現重型容器的焊縫清根與余高磨削。該技術可改變傳統手工磨削的落后方式，大大縮短產品制造周期，提高核電高壓容器等重型容器的質量和可靠性，實現單次磨削余量≤100×5 mm，堆焊層磨削余量≥0.5 mm/次,磨削效率10～20 m2/h，表面粗糙度Ra≤0.8～6.3 μm。

(3)汽車發(fā)動機連桿端頭大余量減薄砂帶磨削

汽車發(fā)動機連桿端頭大余量減薄砂帶磨削所用的機床為全世界首臺采用砂帶磨削工藝實現等厚連桿端頭4.5 mm余量/單次加工的高效機床。通過采用多磨頭加工方式，結合大余量強力砂帶磨削與砂輪磨削工藝，運用復合轉臺平面砂帶磨削技術，實現連桿的高精度、高效率加工。

2.3 復雜曲面磨削應用

(1)高檔異型水槽磨邊加工

通過先進數控技術結合砂帶磨削技術，克服了過去砂輪和布輪打磨拋光的種種缺陷，解決了高檔異型水槽自動化磨邊的技術難題；同時還推動了砂帶磨削和磨床自動化技術發(fā)展，填補了國內相關技術領域的空白。

(2)船用螺旋槳型面精密砂帶磨削

通過采用雙軸平移及雙軸轉動、帶扭轉C軸的砂帶磨削結構方式，實現整體螺旋槳或單葉可調槳型面的高效磨削加工，改變長期以來只能人工鏟磨的方式，提高螺旋槳表面質量及推進效率，降低了噪聲。數控精密砂帶磨床技術直接將鑄造的毛坯槳磨削成型，磨削后的型值誤差≤0.075 mm，加工型面表面粗糙度Ra≤0.2～0.4 μm。

(3)航發(fā)葉片精密砂帶磨削

航發(fā)葉片七軸六聯動高效精密砂帶磨床采用國際首創(chuàng)的七軸六聯動當量磨削控制方法，在適應葉片氣道邊緣難加工區(qū)域及葉片自身變形的磨削加工性能上達到國際領先水平，加工表面粗糙度Ra可達0.4 μm。

2.4 機器人磨削應用

(1)機器人自動化砂帶磨拋系統

機器人自動化砂帶磨拋系統，包含了Aicon藍光檢測儀、自適應末端執(zhí)行器、多功能砂帶磨頭、智能編程軟件及系統集成等，具備自動上料、自動打磨拋光、自動檢測、自動下料收集、自動除塵等功能，并且還具有系統程序存儲、故障檢測、報警處理、生產報表生成等功能，可實現各類復雜零件的精密磨拋。

(2)機器人葉片砂帶磨拋

通過三坐標自動檢測、余量獲取、自動編程等功能實現了包括各類精鑄葉片、單晶葉片等各類葉片的機器人磨拋，相關技術及裝備在430、621、370及120所等得到應用。從機器人葉片砂帶磨拋可知：可去除葉片型面和排氣邊緣處的余量，且不會產生過拋；葉身型面磨拋后不會產生修光紋路溝痕，其表面粗糙度Ra在0.4 μm以內；磨拋后的截面葉身型面及進排氣邊邊緣輪廓度在±0.03 mm內，且進排氣邊的形狀保持一定的圓度。

(3)機器人葉輪、葉盤、葉環(huán)打磨

葉輪、葉盤、葉環(huán)砂帶打磨可實現葉輪、機匣葉環(huán)、整體葉盤等易干涉零部件的型面、流道面焊縫等的機器人磨拋，相關技術及裝備在航天7院、430所等得到應用。一次裝夾可完成全型面磨拋，降低了重復裝夾誤差，避免了葉片型面與流道面之間的加工干涉，磨拋后的表面粗糙度Ra達到0.4 μm。

3 砂帶磨削技術發(fā)展趨勢

過去，砂帶磨削作為一種基本加工方式，主要以多軸數控機床或普通機床加持工具為載體，對各類零件進行強力重載磨削或微量精密磨削。而隨著《中國制造 2025》、“十三五”規(guī)劃等重大戰(zhàn)略布局中對高端工業(yè)機器人的重視，以及當前先進工業(yè)機器人技術及設備所展現的經濟性優(yōu)、靈活性高、上手性強等優(yōu)勢，機器人砂帶磨削技術已逐漸在汽車、船舶、航天等多個領域中應用。

將機器人技術應用到砂帶磨削系統，是利用其柔性好、易擴展的特點。并且，隨著機器人技術的發(fā)展，機器人自身的重復定位精度較高，能夠保證加工的精度和一致性；再結合先進測量技術，機器人柔性磨削系統可以成為多種復雜構件(如葉片類零件)的有效精密磨削手段，從而提高其柔性高精度加工能力，促進國家制造業(yè)、裝備產業(yè)升級。具體發(fā)展方向可列出以下幾點：

(1)面向高性能表面的機器人砂帶磨削工藝及軌跡規(guī)劃研究。建立面向結構特征的砂帶匹配方法及機器人磨削工藝體系，分析機器人磨削表面完整性的形成機理，提出面向高性能表面完整性的機器人磨削動態(tài)特性優(yōu)化方法。

(2)基于知識學習的葉片機器人砂帶磨削智能系統及平臺開發(fā)。知識學習是人工智能研究中的重要組成部分，包含了大數據、工人經驗等知識，通過深度學習建立決策規(guī)劃及模型，進行包含檢測、磨具庫、工件庫于一體的機器人智能砂帶磨削系統研制，提高葉片等零部件的加工精度及效率。

(3)建立集工藝數據庫-工藝參數決策-模擬應用環(huán)境下的服役性能仿真于一體的機器人砂帶磨削分析系統。采用神經網絡及深度學習方法實現復雜磨削環(huán)境條件下的工藝參數決策；同時，結合有限元仿真、流體分析等方法實現基于磨削表面質量的工件服役性能研究，為面向高服役性表面磨削工藝參數的制定提供指導。

(4)機器人砂帶磨削在加工中的擴展應用研究。隨著各領域的發(fā)展，對工件的設計提出了更高、更極端的要求，新材料、新型設計方法以及新型制備技術被廣泛應用于零件設計及制造中。研究靈活性更高、通用性更強的機器人智能砂帶磨削系統及裝備是實現復雜難加工材料精密磨削的關鍵，從而進一步推廣機器人砂帶磨削技術在各行業(yè)中的應用。

4 本期論文點評

《鋼軌砂帶打磨殘余應力的試驗與仿真研究》

王文璽, 等; 第5頁

鋼軌砂帶打磨是近幾年迅猛發(fā)展的新一代柔性重載鋼軌修磨技術，其充分利用了砂帶彈性、冷態(tài)、高效磨削等特點來實現鋼軌廓形的修復和服役壽命的延長。在過往鋼軌打磨技術研究中，學者們側重于鋼軌廓形修復效率及精度控制，確保良好的輪軌接觸關系，進而延長鋼軌服役壽命。然而，表層殘余應力作為影響工件疲勞壽命的關鍵因素卻鮮有研究，砂帶磨削殘余應力形成機理的基礎研究也十分薄弱。所以，開展鋼軌砂帶打磨對軌面殘余應力的影響規(guī)律研究，有著重要的工程與理論意義。

論文基于鋼軌砂帶打磨試驗測得磨后軌面的殘余應力狀態(tài)，分析了其受打磨壓力、砂帶速度及列車速度的影響規(guī)律；通過單磨粒劃擦熱力耦合有限元仿真深入探究了接觸面摩擦、磨粒切入深度、磨粒切削速度對軌面殘余應力層分布的作用規(guī)律。論文所得結果為后續(xù)低拉應力鋼軌砂帶打磨的工藝參數選取與打磨模式制定提供了數據和理論支撐，同時也促進了砂帶磨削技術殘余應力成形機理的研究。

論文還需加強試驗和仿真之間從宏觀到微觀的邏輯關聯闡釋，開展磨削過程的多磨粒劃擦仿真，以揭示殘余應力層的演化過程；試驗測量中，可進一步分析殘余應力層沿深度方向的分布變化，如此更利于對其形成機理的剖析以及仿真模型的修正。

《考慮單磨粒作用的砂帶磨削機理模型》

齊駿德, 等; 第13頁

砂帶磨削作為一種柔性磨削工具，因自身接觸輪彈性影響，其材料去除的精準控制與預測是砂帶磨削技術中長期以來的關鍵問題，解決得仍不夠透徹。因為砂帶磨削過程十分復雜，影響材料去除的因素眾多，包括加工過程中的工藝參數，如砂帶速度、進給速度和給定壓力，以及砂帶固有性質，如磨粒大小、磨粒材料及其分布姿態(tài)等。加之，當前砂帶磨削對象多為復雜曲面，非線性非規(guī)則的多變接觸狀態(tài)更是增加了材料定量去除的控制難度。

論文針對自由曲面砂帶磨削的材料定量去除問題，從微觀單磨粒侵入角度出發(fā)，通過彈塑性力學、赫茲接觸以及概率統計等理論方法，構建了面向自由曲面的砂帶磨削材料去除機理模型；依據此模型揭示了材料最大去除深度受打磨壓力、砂帶線速度和砂帶進給速度的影響規(guī)律，使機器人曲面砂帶磨削深度控制精度達到10%左右。并基于微觀單磨粒切削機理，用數學模型對砂帶柔性磨削材料去除機理進行了深入闡釋。

論文成果面向實際工程應用可考慮在以下幾方面開展更深入的研究：如何考慮具有顯著磨損特征(磨粒出刃高度分布呈非高斯分布)的應用情況；微觀磨粒受力在實際加工中應選用動態(tài)劃擦模型進行分析；理論模型含有較多的積分項會導致模型求解效率低，可建立其代理模型，為在線實時材料去除精度控制提供支撐。

《螺旋槳金剛石砂帶磨削試驗研究》

張炳昌, 等; 第21頁

螺旋槳是大型艦船等重型機械推進裝置中的重大關鍵結構件，其設計和制造技術對推進系統工作性能與效率至關重要。船用螺旋槳直徑大，槳葉表面亦為復雜曲面，加工余量大而分布不均，屬于典型的大尺寸復雜曲面難加工構件，且對加工效率、精度及表面質量有著較高要求。因此，針對螺旋槳葉加工的新方法、新工藝和新設備研究也屬于亟待攻克的制造業(yè)難題。

論文提出一種基于電鍍金剛石砂帶的螺旋槳柔性加工方法，試驗研究了磨削壓力、砂帶線速度及磨削進給速度對槳葉表面粗糙度的影響，在設定工況下給出了砂帶磨削工藝參數的優(yōu)選組合。上述工作與結果對于螺旋槳砂帶磨削加工的實際工程應用具有一定的參考意義。

論文作為基礎試驗研究，在試驗變量選擇上有待豐富；對磨削方法性能的評估應參考的更為全面，如評定槳葉材料去除率及其表面精度、砂帶磨損情況、槳葉表面完整性等；可基于智能算法開展更加深入的多約束、多目標工藝參數優(yōu)化研究。

《航空發(fā)動機整體葉盤數控砂帶磨削變形行為及其試驗研究》

劉秀梅, 等; 第25頁

整體葉盤已成為新一代高推重比航空發(fā)動機的核心部件，其末端“最后一公里”磨拋加工質量直接影響著整機服役性能與壽命。而整體葉盤在結構上具有葉片薄、葉展長、彎扭大以及葉片間隔狹窄等難點，根部還存在曲率半徑小、余量變化大、過渡不平滑等特性，屬于典型的難加工復雜構件。砂帶磨削因兼具磨削和拋光效用，且彈性磨削特性在曲面的型面平滑過渡上又能良好擬合，已被應用于整體葉盤的磨削加工。然而，由于整體葉盤砂帶磨削系統結構與功能上的限制，導致加工中薄壁葉片、細長接觸桿和彈性接觸輪間出現復合變形問題，甚至引發(fā)顫振，這對磨削精度的保證帶來極大挑戰(zhàn)。

論文為此開展了整體葉盤數控砂帶磨削變形行為及其磨削試驗研究。借助ANSYS軟件分析了葉片的加工變形，并依此建立了負反饋磨削壓力控制系統，實現了對磨削件的變形控制；經變形控制后，整體葉盤砂帶磨削表面Ra低于0.4 μm，型線精度優(yōu)于0.05 mm，能夠滿足設計使用要求。研究成果初步解決了整體葉盤數控砂帶磨削中的薄壁件變形問題，對該技術及裝備的應用推廣會有一定積極意義。

論文中應增設未經變形控制的磨削組作為對照試驗組，以便能更加全面地評價變形控制所帶來的益處。另外，文中磨削壓力控制系統及其控制框圖所涉及的參數標定細節(jié)需給出。