2.2 高效磨削技术
20世纪80年代以来，磨削加工的生产率有了很大提高。由于“磨削材料磨除率=磨屑平均断面积×磨屑平均长度×单位时间内作用磨粒数”，因此增大公式右边的任何一项都可提高磨削效率。当前在高效磨削技术领域内，高速重负荷荒磨、缓进给大切深磨削、高速与超高速磨削和砂带磨削等取得了引人注目的发展。
1.高速重负荷荒磨
高速重负荷荒磨或称修磨，是以快速切除工件加工余量为目的的磨削加工方式，近年来在国外取得了较大进展。其砂轮线速度普遍达到了80m/s，有的高达120m/s；磨削法向力通常达到了10000～12000N，有的高达30000N；磨削功率一般为100～150kW，有的高达300kW；材料去除率可达150kg/h。高速重负荷荒磨对磨削表面质量、加工精度和表面粗糙度等要求不高，故主要用于钢坯的修磨，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量和成材率。此外，还可用于清理大型铸、锻件的飞边、毛刺、浇冒口、残蒂等，以及金属材料的切断等。
高速重负荷荒磨的主要特点是：①采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷层金属，背吃刀量和进给量均不确定；②在磨削过程中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，应选择合适砂轮；③多采用干磨削方式，工件表面易烧伤。
2.缓进给大切深磨削
缓进给大切深磨削，是以较大的切削深度（ap＞10mm）和很小的纵向进给速度（vw=3～300mm/min，普通磨削的vw=200～2500mm/min）来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削，属于强力磨削的一种。这种磨削方式通过增大切削深度来增加磨屑长度，从而获得很高的磨除率。该方法主要用于沟槽、成形和外圆磨削。其主要特点如下。
（1）生产率高
此种磨削方式切削深度大，往往可在铸、锻毛坯上通过一次或数次直接磨出所要求的工件形状和尺寸，使得粗、精加工两工序合二为一，既充分发挥了机床和砂轮的潜力，缩短了加工时间，又保证了工件的质量，因而大大提高了生产率。
（2）工件的形状精度稳定
由于单颗磨粒的切削厚度小，每颗磨粒受力也小，故能在较长时间内保持砂轮轮廓形状，因而工件形状精度较稳定。
（3）减小了砂轮的冲击损伤
由于工件是大切深、缓进给，这样就大大减轻了砂轮与工件边缘的冲撞次数和冲撞程度，从而延长砂轮的使用寿命，也减小了机床振动和加工表面的波纹。
（4）扩大了磨削工艺范围
由于切削深度大，可对毛坯一次加工成形，故可有效解决一些难加工材料（如燃气轮机叶片）的成形表面加工的问题，适合高温合金、不锈钢、高速钢等难加工材料型面或沟槽的磨削等，可以部分取代车削和铣削加工。
（5）磨床功率大、成本高，工件易产生磨削烧伤
由于接触面积大，参加切削的磨粒数多，总磨削力大，因此需要增大磨床的功率，使磨床的成本增加；砂轮与工件接触面积大，磨削液难以进入磨削区，工件表面容易烧伤。
3.高速与超高速磨削
普通磨削时，砂轮的线速度通常为30～35m/s。当砂轮的线速度为45～50m/s时，则被称为高速磨削HSG（High Speed Grinding）。砂轮线速度为150～180m/s时，则被称为超高速磨削。后者是近年迅猛发展的一项先进制造技术。高速与超高速磨削时的砂轮线速度提高后，单位时间内作用的磨粒数大大增加，如果进给量与普通磨削时相同，则此时每颗磨粒的切削厚度变薄、负荷减轻。故高速磨削具有如下特点。
（1）生产率高、砂轮寿命长
高速和超高速磨削的生产率比普通磨削提高了30%～100%。这是因为高速和超高速磨削时，单位时间内作用的磨粒数大大增加，就会使材料的磨除率增加，即生产率提高。同时，由于每颗磨粒承受的负荷相对减轻，每颗磨粒的磨削时间就可相应延长，即可提高砂轮的使用寿命。
（2）磨削精度高、表面粗糙度低
由于切削厚度薄，法向（径向）磨削力Fp也相应减小，从而有利于刚度较差工件磨削精度的提高。每颗磨粒切削厚度薄，磨粒在工件表面上留下的磨削划痕浅，又加上磨削速度高，由塑性变形引起的表面隆起的高度也小，故可降低表面粗糙度。
（3）减轻磨削表面烧伤和裂纹
高速磨削时，工件速度也需相应提高，这样就缩短了砂轮与工件的接触时间，减少了传入工件的磨削热，从而减少或避免磨削烧伤和裂纹的产生。
同高速磨削一样，超高速磨削可以大幅度提高磨削生产率、延长砂轮使用寿命或减小磨削表面粗糙度，并可对硬脆材料实现延性域磨削。对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。例如，在超高速外圆磨床上可以将毛坯直接磨成曲轴，每分钟可磨除金属高达2kg。
4.高效深切磨削（HEDG）
HEDG（High Efficient Deep Grinding）工艺是20世纪80年代初期，由德国的居林公司研制开发的，是高速磨削和缓进给磨削的进一步发展，被认为是现代磨削技术的高峰。HEDG在切深0.1～0.3mm、工件速度vw=0.5～10m/min、砂轮速度vs=80～200m/s的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的金属切除率，又能获得高质量的加工表面。
HEDG是缓进给磨削和超高速磨削的结合，磨削力高，砂轮回转速度高，必须具备以下条件。
① 砂轮应具有良好的耐磨性，优良的动平衡性能和抗裂性能。
② 磨床应具有高动态精度，抗振性和热稳定性好。
③ HEDG砂轮主轴转速在15000r/min以上，所传递的磨削功率为几十千瓦。故主轴应具有较高的回转精度和刚度。
④ 超高速磨削时，气流阻碍磨削液进入磨削区，故应采取恰当的磨削液供给方法。常用的磨削液供给方法有：高压喷射法、砂轮内冷却法、空气挡板辅助截断气流法等。
用高效深切磨削工艺加工出的工件，其表面粗糙度可与普通磨削相当，而其材料磨除率比普通磨削高100～1000倍。因此，在许多场合，可以替代铣削、拉削、车削等切削加工方法。
5.宽砂轮与多砂轮磨削
（1）宽砂轮磨削
宽砂轮磨削也是一种高效磨削方法，它靠增大磨削宽度来提高磨削效率。一般外圆磨削砂轮的宽度仅50mm左右，而宽砂轮外圆磨削砂轮的宽度可达300mm，平面磨削砂轮宽度达到400mm，无芯磨削砂轮宽度达800～1000mm。宽砂轮磨削工件精度可达IT6，表面粗糙度Ra为0.63μm。宽砂轮磨削的特点和适用范围是：
① 由于磨削宽度大，所以磨削力、磨削功率大，磨削时产生的热量也多。
② 砂轮经修整后，可磨成形面，能保证零件成形精度，同时因采用切入磨削形式，比纵向往复磨削效率高。
③ 因砂轮宽度大，主轴悬臂伸长较长。
④ 为保证工件的形位精度，要求砂轮硬度不仅在圆周方向均匀，而且在轴向均匀性也要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。
宽砂轮磨削适用于大批量工件的加工，在生产线和自动线上采用宽砂轮磨削可减少磨床的数量和占地面积。
（2）多砂轮磨削
多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8片以上，砂轮组合宽度达900～1000mm。在生产线上，采用多砂轮磨床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用在外圆和平面磨床上，内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。
6.恒压力磨削
恒压力磨削是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮与工件之间始终保持预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称为控制力磨削。恒压力磨削，避免了超负荷切削，工艺系统弹性变形小，有利于获得正确的几何形状与低的表面粗糙度值。
7.砂带磨削
砂带磨削作为一种高效磨削方式，自20世纪60年代以来得到了迅速发展。据统计，发达国家约有1/2的磨削加工已被砂带磨削所取代。砂带成形磨削的应用较广泛，如导弹头外形、喷气发动机叶片的复杂型面的精密加工等。砂带磨削的主要特点如下。
（1）设备简单
砂带安装在压轮和张紧轮上（图2-5），并实现回转主运动；工件由传送带送至支承板上方的接触区域完成进给运动。工件通过砂带磨削区后就完成了磨削加工。
图2-5 砂带磨削设备示意图
（2）可磨削复杂型面
由于砂带具有柔曲性，改变成形导向板的外形，使之与工件表面相适应，就可磨削出所需的工件成形表面。
（3）生产率高
如切除相同的金属材料，砂带磨削时间仅为砂轮磨削的1/11～1/5。砂带磨削生产率是普通砂轮磨削的5倍，通常比铣削高10倍；故又有“快削法”之称。
（4）加工精度高
由于摩擦生热少，磨粒散热时间间隔长，可以有效减少工件变形、烧伤，故加工精度一般可达到普通砂轮磨削的加工精度。又由于砂带与工件是柔性接触，具有较好的跑合和抛光作用，磨削得到的工件表面粗糙度Ra可达0.63～0.16μm，加工精度较高。
（5）设备简单、操作方便
砂带磨削设备结构简单，制造成本低、接触轮极少磨损，可使砂带保持恒速；传动链短，机床功率利用率可达85%以上；操作方便、安全可靠。
砂带磨削可以加工外圆、内圆、平面、曲面等工件表面；可以磨削普通金属材料和不锈钢、钛合金等难加工材料，也可磨削木材、塑料、石料、混凝土、橡胶，以及各种较高硬度的非金属材料，如单晶硅体和宝石等；还可用来打磨铸件的浇冒口、残蒂、结渣、飞边、大件及桥梁的焊缝，以及对大型容器壳体、箱体的大面积除锈、除残漆等。