高效率磨粒加工技术发展及关键技术（一）

魔神

    

　　1引言

　　随着现代工业技术和高性能科技产品对机械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求越来越高。在世界范围内更加强了磨削理论基础和应用研究，新的磨粒加工方法和先进磨粒加工技术、工具与装备不断涌现，将磨粒加工这一古老的加工工艺技术迅速推向新高度，并成为先进加工制造工艺与装备的重要组成部分。高速/超高速、高效率、自动化/数控化/智能化、超精密等既是当前先进磨粒加工工艺技术的主要内容，也是先进加工制造工艺与装备的重要学科前沿。普通磨削的单位材料去除率不足10 mm3/mm·s，与普通车削、铣削相去甚远。所以，提高磨粒加工效率一直是人们不懈追求的目标。根据磨屑去除机理，材料磨除率可以表示成磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内参与切削的磨粒数三者的乘积。因此，如果要提高磨削效率：

　　1)可以采用高速和超高速及宽砂轮磨削来增加单位时间作用的磨粒数; 2)采用深切磨削以增大磨屑长度; 3)采用重负荷等强力磨削方式以增大磨屑平均断面积。

　　单独或综合采用这些方法从而使单位材料去除率较普通磨削有较大提高的工艺技术均为高效率磨粒加工技术。它主要包括:高速、超高速磨削、缓进给深磨、高效深切磨削、强力磨削和强力晰磨、高速重负荷荒磨、砂带磨削、硬脆/难加工材料高效率磨削、高效率研磨和抛光等。其中高速与超高速磨削、缓进给深切磨削、高效深切磨削、砂带磨削和重负荷荒磨技术的发展最为引人注目。

　　2高效率磨粒加工技术发展

　　1)高速超高速磨削

　　超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。通常将砂轮线速度大于45m/s的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早，最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达到210～230m/s。1979年德国Bremen大学的P. G. Werner教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1983年德国Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60kW，转速为10000r/min，砂轮直径为400mm，砂轮圆周速度达到了209m/s。Aachen工业大学实验室磨削速度已达到500m/s，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer公司开发的CBN砂轮磨削线速度在60m/s以上，并向120～130m/s方向发展。

　　美国60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1967年诺顿公司在市场上出售线速度为61m/s的砂轮和磨床。到70年代初，60m/s的磨床已有相当数量，70m/s,80 m/s乃至90m/s的磨床也相继出现。1993年，美国的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203m/s,用以加工淬硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等人，以149m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的地貌和磨削机理。目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用CBN砂轮。可实现以160m/s的速度，75mm3/mm·s的磨除率，对高温合金Incone1718进行高效磨削，加工后Ra1～2µm，尺寸公差±13µm。另外采用直径400mm的陶瓷CBN砂轮，以150～200m/s的速度磨削，可达到RaO.81µm，尺寸公差±2.5～5µm。美国高速磨削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。

　　日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。日本70年代中期，就能生产45m/s和60m/s的高速磨床。1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s，90年代日本推出了120m/s和250m/s的高速磨床。日本广泛地用CBN砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化。至2000年，日本已进行500m/s的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起;一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为Vs+Vw的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近l000m/s。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。

　　我国高速磨削起步较晚，1958年开始推广高速磨削技术。1964年郑州磨料磨具磨削研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验。1974年郑州磨料磨具磨削研究所进行了50～60m/s的磨削试验，1982年10月，湖南大学进行了60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。八十年代初，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。1995年，汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。至2000年湖南大学一直在开展高速磨削研究工作。在2000年中国数控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始，湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至现在，东北大学一直在开展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，最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床，并先后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机制研究、高速钢的高速深磨研究、超高速单颗粒CBN磨削试验研究、高速单颗粒磨削机理研究、超高速磨削温度场研究、磨削摩擦系数的研究、超高速磨削砂轮表面气流场的研究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平。