В статье систематизированы современные методы правки шлифовальных кругов и их связи с типами абразивов и связок. Обоснована концепция «метастанка», рассматривающая систему правки как автономный технологический модуль. Представлена архитектура цифрового двойника процесса правки. Показано, что внедрение цифровых двойников позволит повысить ресурс инструмента и адаптивно управлять процессом правки.

 

 

Актуальность и постановка проблемы

 

 

Технология правки шлифовальных кругов является критическим фактором, определяющим эффективность и качество абразивной обработки. По мере ужесточения требований к точности и качеству поверхности (шероховатость до Ra<0,1 мкм, допуски в единицы микрометров), а также расширения применения труднообрабатываемых материалов традиционные методы механической правки достигают предела своих возможностей. Особенно остро эта проблема стоит при обработке кругов из сверхтвёрдых материалов (КНБ, алмаз) на металлических связках.
Развитие новых физических методов правки — электроэрозионных, электрохимических, лазерных — открывает принципиально новые возможности. Распространение суперабразивов и высокопрочных связок стимулировало развитие этих методов. В этих условиях систематизация знаний о современных методах правки становится насущной необходимостью для технологов и конструкторов.

 

 

Классификация применяемых абразивов и связок

 

 

В шлифовании в настоящее время применяются почти исключительно синтетические абразивные материалы. Среди высокопрочных соединений наиболее популярны корунд, карбид кремния, кубический нитрид бора (КНБ) и 
алмаз. Принято общее разделение абразивных материалов на обычные (корунд, карбид кремния) и суперабразивные (КНБ, алмаз).

 

Классификация абразивных материалов

 

 

Классификация связок шлифовальных кругов:

 

1. Неорганические (минеральные).
• Керамические — жёсткие, с регулируемой пористостью, формоустойчивые. Для обычных абразивов и суперабразивов.
• Силикатные — хрупкие, низкая теплостойкость. Нишевое применение.
• Магнезиальные — низкая температура шлифования, хорошее самозатачивание.
• Спецкерамические для суперабразивов — инженерные матрицы с заданной пористостью.

 

2. Органические (полимерные).
• Фенольные (бакелитовые) — высокие скорости, хорошее демпфирование. Универсальны.
• Резиновые — эластичные, высокая ударная вязкость. Отрезные и полировальные круги.
• Шеллачные — для чистых поверхностей, доводочные операции.
• Другие полимерные — специальные задачи (высокоскоростные круги, композитные конструкции).

 

3. Металлические и металлокомпозитные.
• Порошковые (спечённые) — высокое удержание зёрен, износостойкость. Для алмаза и КНБ.
• Припаиваемые — большой вылет зерна. Профилирование, резка.
• Металлокомпозитные — металл + полимер/керамика. Настройка жёсткости и демпфирования.

 

4. Гальванические (электролитические).
• Однослойные — острый рез, ограниченный ресурс.
• Многослойные — сложные профили, специнструмент.

 

5. Гибридные и функционально-­градиентные.
• Керамико-­органические — баланс жёсткости и вязкости.
• Металлоорганические — для КНБ-кругов при высоких нагрузках.
• Для структурированных и 3D-печатных кругов — под заданную макроструктуру (каналы, поры).

 

Современная номенклатура связок шире традиционной пары «органические — ­неорганические» и привязана к типу абразива, пористости, твёрдости и температурному режиму. Каждая группа связок предъявляет свои требования к правке и даёт ограничения по механическим, электрохимическим и электроэрозионным методам. Контраст показателен: традиционная керамика правится механическими методами, а сверхтвёрдые материалы на металлической связке требуют электроэрозии или лазера.

 

 

Кондиционирование и правка шлифовальных кругов

 

 

Развитие новых абразивных материалов и связок расширило методы подготовки инструмента. Если раньше круги на керамической связке нуждались только в правке (придание формы, вскрытие зёрен, очистка пор), то с появлением суперабразивов и металлических связок потребовались профилирование, выправление, затачивание, чистка и структурирование. В 90‑е годы на Западе эти действия объединили термином «кондиционирование» [1, 2]. Современное понимание кондиционирования включает не только операции воздействия, но и мониторинг состояния круга.

 

Операция, направленная на преобразование рабочей поверхности круга (РПК)	Основная цель
Кондиционирование	Подготовка, улучшение и восстановление РПК
Профилирование	Создание макропрофиля
Выправление	Обеспечение геометрической точности профиля
Правка	Восстановление режущей способности
Затачивание	Вскрытие режущих кромок
Структурирование	Создание микрорельефа
Чистка	Очистка рабочей поверхности круга

 

Эволюция трёх взаимосвязанных компонентов ― абразивных материалов, связок и процессов шлифования ― определяет современное многообразие методов правки шлифовальных кругов. В наиболее общем виде именно сочетание «абразив — связка — технологический процесс» определяет допустимую физическую природу правки, диапазон режимов и требования к результату [1, 2].

 

 

Методы кондиционирования и правки шлифовальных кругов:

 

 

1. Механические.
• Стационарным инструментом (единичный алмаз, карандаши, линейки, бруски, блоки, свободное шлифование, правка о заготовку/образец).
• Вращающимся инструментом (формообразующий и профильный алмазные ролики, алмазное зубчатое колесо, чашечный круг, правка фрезерованием, алмазный ролик со щётками, круг из SiC, структурирование круга насадкой).

 

2. Лучевые и струйные.
• Абразивная водяная струя.
• Лазерное кондиционирование, правка и структурирование.

 

3. Электрохимические методы.
• Общая электрохимическая правка.
• ELID (электролитическая правка в процессе обработки, непрерывная, интервальная, без электрода, сопловой метод).
• ECCD (электрохимическое управление правкой).
• ECDM (электрохимико-­эрозионная для микрокругов).

 

4. Электроэрозионные и электроразрядные методы.
• Электроразрядная общий класс (SEED — погружная, ECDD — электроконтактная)
• Электроэрозионные методы, EDM-тип (WEDD — проволочным электродом, погружная, MEDD — струёй тумана).
• Электроэрозионное кондиционирование с поддержкой EDM.

 

5. Гибридные и специальные.
• Ультразвуковое кондиционирование.
• Тепловые (лазерное кондиционирование, нагрев индукционный, сопротивлением).
• Микроволновая, плазменная обработка, фотокаталитическая активация в ELID.
• Правка и кондиционирование суспензией.
• Комбинации (УЗ + электроэрозия, лазер + ELID).

 

6. Новые классы (для современных абразивов и связок).
• ЧПУ-управляемая правка сложных профилей.
• Автоматическая компенсация износа круга и ролика по измерениям.
• Правка высокоскоростных и гибридных кругов (КНБ и корундовых кругов на керамических и гибридных связках для HSG/VSSG, правка и структурирование высокопористых кругов).
• Кондиционирование суперпористых, высокоструктурных и 3D-печатных кругов (полимеркерамика, металлические матрицы), поддержание макроструктуры структурированных кругов.
• Интеллектуальная/адаптивная правка с online-­контролем (акустическая эмиссия, вибрация, сила).
• Правка по данным измерения профиля круга/детали.
• Правка в контуре цифрового двой­ника процесса.

 

 

Эволюция правки как эволюция метастанка

 

 

Свой­ства связок и абразивов определяют разнообразие методов правки. При этом система правки сама является станком в миниатюре: у неё есть свой инструмент (правящий ролик, электрод, лазерная головка), своя «заготовка» (шлифовальный круг), своя система управления и мониторинга (датчики контакта, акустической эмиссии, лазерные сканеры). И цель у неё своя — получить круг с заданным профилем и микротопографией. Вывод: правка — это самостоятельный процесс формообразования режущей поверхности круга [3].
Эволюция системы правки повторяет эволюцию станкостроения: от ручной правки алмазным карандашом через механические копиры (алмазные ролики) к эре ЧПУ и отдельных приводов, когда правящее устройство получило собственные оси и превратилось в «станок в станке». Современный этап — интеллектуальные системы с обратной связью (акустическая эмиссия, лазерные сканеры), где правка адаптируется к состоянию круга в реальном времени.

 

Таким образом, система правки представляет собой «метастанок». Приставка «мета-» здесь означает «станок над станком» — более высокого уровня, который встроен в основной станок и обслуживает его, но при этом сам обладает всеми признаками развитой технологической системы.

 

 

Ключевые признаки метастанка:
• Автономность кинематики — собственные сервоприводы правящего устройства, независимые от движений станка.
• Специализированный инструментарий — алмазные карандаши и ролики, электроэрозионные электроды, лазерные головки.
• Замкнутый цикл управления — сенсорная обратная связь (акустическая эмиссия, лазерное сканирование) и автоматическая коррекция режимов.
• Иерархическая подчинённость — работа синхронизирована с циклами шлифования (цикловая или непрерывная правка).

 

Примеры из практики:
• Станки серии Klingelnberg G с собственными осями правящего устройства; лазерная правка как мета-станок (лазерная головка со своей оптикой и системой позиционирования);
• Устройство правки многоосевого станка серии SXS (СТШ) ООО «Шлифовальные станки» позволяет осуществлять перемещения алмазного правящего ролика (АПР) в вертикальном и горизонтальном направлении. Каждый процесс кондиционирования круга всегда состоит из двух одновременно протекающих процессов: профилирования и получения требуемых режущих свой­ств.
• Электроэрозионная правка (EDD, WEDD, включающие электрод, генератор импульсов, контроль зазора). Это полноценная электроэрозионная технология, развёрнутая внутри шлифовального станка.

 

Система разделена на три уровня: управляющий (ЧПУ и контроллер правки), исполнительный (оси и шпиндели) и объекты воздействия (деталь и круг). Две ключевые связи — синхронизация (красная стрелка) и коррекция режима по сигналу об износе круга (зелёная стрелка) — превращают систему правки из простого исполнителя в интеллектуального участника процесса.

 

Блок-схема многоосевого станка с системой непрерывной правки

 

 

Цифровизация и моделирование процессов правки

 

 

Метастанок с независимыми осями и развитой сенсорикой создаёт аппаратную основу для построения цифрового двой­ника. Следующий шаг — интеграция цифровых моделей, позволяющих перейти от экспериментального подбора режимов к предиктивному управлению. Как отмечается в авторитетном обзоре методов правки суперабразивных кругов, опубликованном в Journal of Manufacturing Processes, современное развитие требует именно перехода от эмпирических методов к предиктивному моделированию — 
это признанный ориентир в данной области [4].

 

ЧПУ и CAD/CAM как первая ступень цифровизации. Для механической правки цифровизация уже достигла зрелого уровня. Здесь моделируются силы, температура и траектория инструмента, используются CAD/CAM с ЧПУ и моделирование контакта (FEM). Применение CNC-управления для траектории одиночного электрода позволяет создавать сложные профили эльборовых кругов без дорогостоящих фасонных роликов [5]. Современный уровень требует не просто управления по жёсткой программе, а адаптивного управления, где траектория корректируется по данным непосредственного измерения профиля круга.

 

ELID как процесс с обратной связью. Метод ELID (электролитическая правка в процессе обработки), впервые предложенный Ohmori в 90‑е годы, является классическим примером процесса с обратной связью. Здесь моделируются электрохимические параметры, зазор и состав электролита; используются моделирование поля токов и управление напряжением. Правка встроена в шлифование и управляется через контроль тока в электролитической цепи. Современное развитие ELID идёт по пути интеллектуализации: мониторинг тока позволяет судить о состоянии зазора и своевременно корректировать напряжение [4].

 

Моделирование в лазерной и электроэрозионной правке. Наиболее интенсивно цифровизация развивается для методов, где физика процесса сложна. Для лазерной правки моделируются энергия, частота, фокус и траектория луча; используются CAD-траектории и моделирование абляции. Для электроэрозионной — энергия импульса, межэлектродный зазор и износ электрода; применяются моделирование разряда (FEM) и системы мониторинга разрядов. В свежем обзоре методов правки CBN-кругов обобщены теоретические модели для определения пороговой энергии разрушения связки и распределения энергии, позволяющие оптимизировать глубину резания, скорость вращения круга и энергию лазера [5]. Там же исследованы механизмы износа при электроэрозионной правке и показано, как CNC-управление траекторией одиночного электрода позволяет создавать сложные профили.

 

Комбинированные методы и мультифизическое моделирование. Особый интерес представляют комбинированные методы, в частности, механико-­лазерная и механико-­электроэрозионная комбинации. Здесь требуется мультифизическое моделирование (термо­механоэлектрическое), где одновременно учитываются термическое поле (нагрев связки лазером или разрядом), механическое поле (контактные напряжения от правки) и фазовые переходы (плавление связки). По мнению автора обзора, именно синергия теплового размягчения связки и механического воздействия правки позволяет снизить износ инструмента и повысить точность. Оптимизация таких процессов без цифрового моделирования практически невозможна.
Современный уровень развития позволяет говорить о формировании интеллектуальной системы правки, которая включает сенсорный слой (датчики сил, акустической эмиссии, тока, температуры, оптические системы контроля профиля), модельный слой (цифровые двой­ники на FEM-моделировании), управляющий слой (адаптивные алгоритмы, корректирующие режимы в реальном времени) и интеграцию с CAD/CAM (единое информационное пространство, где модель детали, модель круга, программа шлифования и программа правки связаны в единый технологический цикл).

 

 

Упрощённая схема цифрового двойника процесса правки шлифовального круга

 

 

В работе Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2019 предложен цифровой двой­ник шлифовального круга — веб-ориентированная платформа для обмена данными, которая собирает информацию на каждом этапе жизненного цикла круга: от изготовления до кондиционирования. Это одна из первых реализаций цифрового двой­ника применительно к абразивному инструменту, поэтому она заслуживает внимания.
Представленная на рисунке схема цифрового двой­ника процесса правки адаптирована для конкретной процедуры — правки шлифовального круга профильным алмазным роликом на многоосевом шлифовальном станке.
Схема построена на принципе трёх связанных контуров.
Контур 1 (физический мир) — станок с ЧПУ, круг с RFID-меткой, алмазный ролик, датчики (ток, акустическая эмиссия, сила, вибрация, лазерный сканер).
Контур 2 (цифровой двой­ник) — сбор и обработка данных (превращение сигналов в информативные признаки — RMS, энтропия), гибридная модель (FEM + ML), база правил (например, ток 1,28 А — сигнал к правке, как показано в 
работе [6]).
Контур 3 (управление и сервис) — оптимизатор режимов правки, система ЧПУ, облачная платформа с историей круга и веб-интерфейс для удалённого контроля.
Цифровой двой­ник процесса правки — необходимость, особенно когда мы имеем дело с суперабразивами и комбинированными методами воздействия на круг.

 

Заключение

 

Развитие методов правки шлифовальных кругов представляет собой эволюцию от простых механических операций к интегрированным кибер­физическим системам, где правящее устройство выступает как полноценный метастанок с собственной кинематикой, сенсорикой и адаптивным управлением. Показано, что выбор метода правки детерминирован триадой «абразив — связка — технологическая задача», а переход к цифровым двой­никам, объединяющим физическое моделирование (FEM) и машинное обучение (ML), позволяет заменить эмпирический подбор режимов на предиктивное управление. Предложенная архитектура цифрового двой­ника, включающая замкнутый контур «датчики — гибридная модель — оптимизатор — ЧПУ», создаёт основу для реализации концепции «правки по требованию» в условиях Индустрии 4.0.

 

Вадим Ермолаев, 
кандидат технических наук, технический эксперт ООО «МЗТО»

Для связи с автором: vad1605@yandex.ru

 

Литература

1. Saljé, E., Harbs U. Wirkungsweisen und Anwendungen von Konditionierverfahren. CIRP Annals, 39.1, 1990. P. 337–340.
2. Wegener, K., Hoffmeister H. W., Karpuschewski, B., et al. Conditioning and monitoring of grinding wheels. CIRP Annals. 2011. 60(2). P. 757–777.
3. Ермолаев В. К. Триада глубинного шлифования — синергия его эффективности // РИТМ машиностроения. 2022. № 3. С. 34–42.
4. Hui Deng. Dressing methods of superabrasive grinding wheels: A review. Journal of Manufacturing Processes, 45. 2019. P. 46–69.
5. Ha Duc Thuan. A review of cBN wheel dressing methods // International Journal of Research in Engineering and Science. Vol. 12. Issue 5. 2024. P. 73–79.
6. Kannan, Kalpana, and N. Arunachalam. A digital twin for grinding wheel: an information sharing platform for sustainable grinding process. Journal of Manufacturing Science and Engineering 141.2 (2019): 021015.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2026