超高速磨削的发展及关键技术（二）

魔神

    

　　1976年，东北大学与阜新第一机床厂合作，研制成功F1101型60m/s高速半自动活塞专用外圆磨床。到80年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的YLM-1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到80m/s，磨削压力在2500-5000N以上。90年代，东北大学开始了超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s，额定功率55kW的超高速试验磨床，最高速度达250m/s。

　　2超高速磨削的关健技术

　　超高速主轴

　　提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，因而，为实现高速切削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。为减少由于切削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小。目前，国外生产的高速超高速机床，大量地采用电主轴。

　　国外的高速电主轴发展很快，如在日本，1998年10月19届JIMTOF展览会上，展出的超高速主轴基本上在10000-25000r/min之间。目前国际上最高水平的电主轴是瑞士Fisher公司的产品(nmax=40000r/min，N=40kW)。转速高达200000r/min、250000r/min的实用高速电主轴也正在研究开发中。沈阳工业学院研制的超高速车铣床，采用的电主轴调速范围0-18000r/min，最大输出功率7.5kW。广西工业大学研制的额定转速1500r/min的GD-2型高速电主轴采用Si3N4陶瓷球轴承，最高转速可达18000r/min，主电机额定功率13.5kW。

　　主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感_磁浮轴承的最高表面速度可达200m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转梢度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。

　　超高速磨削砂轮

　　高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性等通常由高机械性能的基体和薄层的磨粒组成。砂轮基体应避免残余应力，在运行过程中的伸长应最小。通过计算砂轮切向和法向应力，发现最大应力发生在砂轮基体内径的切线方向，这个应力不应超出砂轮基体材料的强度极限。大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。日本和欧洲也开发了其它材料如CFRP复合材料的CBN砂轮。虽然CFRP弹性系数低，但弹性系数与比重的比率高，可以抑制砂轮在半径方向的延伸。CFRP的另一优点是较低的线性伸长系数。目前以CFRP为基体直径380mm的CBN砂轮，可实现200m/s的磨削，进给速度2m/s。日本在400m/s的超高速磨床上，采用CFRP为基体直径250mm的陶瓷结合剂CBN砂轮，已实现300 m /s的磨削试验。

　　超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合荆等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同基他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易干修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。由于陶瓷结合剂砂轮的结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况下可以不修锐。采用片状烧结陶瓷砂轮片和可靠的粘结，解决了由于陶瓷结合剂的弹性系数与基体相差太大，而易于破裂的缺陷。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm²(电镀镍基结合剂为345-449N/mm²)。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。

　　此外，还要充分考虑砂轮与主轴连接的可靠性。主轴高速旋转时，由于离心力的作用砂轮与主轴的锥连接处产生不均匀的膨胀，连接刚度下降。笔者在超高速磨削试验中，曾出现过由于夹紧力不足，而导致在启动过程中，产生振动。德国开发出HSK(短锥空心柄)连接力式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的技术，但未见其用于超高速磨削的报道。因此，开发高精度、高刚度和良好的动平衡性能的砂轮与主轴的连接方式很有必要。

　　进给系统

　　高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。

　　直线电机取消了中间传动环节，实现了所谓的“零传动”。进给速度可达60-200 m/mv以上，加速度可达10-100m/s²以上。定位精度高达0.5-0.05µm，甚至更高。且推力大，刚度高，动态响应快，行程长度不受限制。主要问题是发热较严重，对其磁场周围的灰尘和切屑有吸附作用，价格较高。德国西门子公司生产的直线电机，最大进给速度可达200m/min。日本研制的高效平面磨床，工作台进给采用直线电机，最高速度60m/min，最大加速度10 m/s²。

　　磨削液及其注入系统

　　磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响。尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却、微量润滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质。磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)油基磨削液润滑性优于水基磨削液。但水基磨削液冷却效果好。

　　油基磨削液良好的润滑作用，可以有效的减小切屑、工件、磨粒切削刃和砂轮结合剂之间的摩擦。从而减少磨削热的产生和砂轮的磨损，提高工件表面的完整性。但油基磨削液在工作时会产生油雾，严重污染环境；易引起冒烟、起火、不安全；能源浪费严重。由于水基磨削液冷却效果好，防火性好，对环境的污染问题易于解决等，因此，含有各种表面活性剂、油性剂、极压添加剂、缓蚀剂和防腐杀菌剂的性能优越的水基磨削液，是近年来重要的发展方向。除了通常的磨削液外，也可辅以气态或固态磨削剂。