超高速磨削技术的发展

家初三

　　本文阐述了超高速磨削技术的发展过程与优势，同时还介绍了它的一些关键技术，诸如超硬磨料砂轮、超高速磨床的主轴系统和进给系统等。
　　超高速磨削不仅能极大地提高磨削效率，而且能有效地改善加工质量，是当今磨削技术最重要的发展方向之一。
　　超高速磨削和高效深磨
; B0 ~6 \5 k6 L: a　　高速磨削是相对于以前的普通磨削而言，凡砂轮线速度Vs＞45m/s的磨削都可称为高速磨削。早在20世纪60年代，Vs已提高至60m/s，70年代又提高到80m/s，但其后十来年由於受到当时砂轮回转破裂速度的制约和工件烧伤问题的困扰，砂轮线速度没有大的提高。直到80年代后期，随着立方氮化硼(CBN)砂轮的更广泛应用，并对磨削机理进行了更深入的研究，发现在高磨除率条件下，随着砂轮线速度Vs的增大，磨削力在Vs=100m/s前後的某个区间出现陡降，这一趋势随着磨除率的进一步增大还将继续，工件表面温度也随之出现回落。这也就是说，在越过产生热损伤的磨削用量区之后，磨削用量的进一步增大，不仅不会使热损伤加剧，反而使热损伤不再发生，从而为发展超高速磨削和高效深磨奠定了理论基础。
　　超高速磨削虽未规定严格界限，但通常把砂轮线速度Vs＞150m/s的磨削称为超高速磨削。一般说来，超高速磨削具有如下优势：
　　磨削效率高，砂轮损耗小
4 f$ o& r1 M9 \  W% g( s$ a% J　　磨削速度愈高，单位时间内参予切削的磨粒数愈多，磨除的磨屑增多，且工件进给速度应与砂轮线速度的1.13次方成比例，故超高速磨削会使磨削效率大幅提高。与此相应，超高速磨削时单个磨粒上所承受的磨削力大为减少，从而降低了砂轮的磨损。许多实验表明，当磨削力不变时，砂轮线速度Vs从80m/s提高至200m/s，磨削效率提高2.5倍，CBN砂轮的寿命也延长了1倍。
　　磨削力小，加工精度高
　　由于超高速磨削时磨屑厚度变薄，在磨削效率不变的条件下，法向磨削力会随Vs的增高而显着减少(Vs为200m/s时的法向磨削力仅为80m/s时的46%)，从而使工艺系统的变形减少。加之超高速磨削的激振频率远高於工艺系统的固有频率，不会引起共振。其共同结果是促使磨削精度提高。
　　工件表面质量好
  t( G- |3 ?4 z( b4 q& g　　实验表明，在其它条件一定时，当砂轮线速度从33m/s升至200m/s，磨削表面粗糙度则由Ra2.0痠降至Ra1.1痠。由於超高速磨削过程中大量磨削热将被磨屑带走，传入工件的比例很小，不仅不易发生表面烧伤，而且表面残余应力层的深度也随之变小。
　　此外，超高速磨削还可实现对硬脆材料的延性域磨削，对高塑性等难磨材料也有良好的磨削效果，因此工业发达国家都在竞相发展，其中尤以德、日、美发展较快。据报道，德国Aachen工业大学已完成砂轮线速度Vs=400m/s的实验，现正进行目标为500m/s的实验，德国Gruhring Automation、Schandt、Kapp等公司都相继推出了超高速磨床。日本在实用磨削方面富有成效，丰田工机等公司生产的Vs=200m/s的超高速磨床已付诸工业实际应用。美国Edgetek Machine公司生产的使用单层CBN砂轮的超高速磨床也较有名。在CIMT2001上，中国湖南大学展出了数控高速凸轮磨床CNC8312，其CBN砂轮线速度可达120m/s。
- n, }* {5 m$ R0 p# Z/ R+ b　　图1所示为日本丰田工机几年前推出的超高速数控外圆磨床GZ32P，其砂轮线速度最高可达200m/s。当它使用陶瓷结合剂CBN砂轮，以160m/s的砂轮线速度磨削如图2所示的减速器零件(材料为HRC58的淬硬钢)时，工件转数1000r/min，加工余量△=0.125mm。所得到的加工结果是：加工时间72s、工件圆度1.2痠，表面粗糙度Rz1.9痠。与使用普通砂轮的切入磨削相比，加工时间和工件圆度误差都减少了一半还多。
: t$ X4 A9 e! \: O5 W7 g! b: e2 ^　　缓进给磨削是以大切深和低的工作进给速度为特征，而所谓高效深磨(High Efficiency Deep Grinding)，则是把高转速的CBN砂轮应用於高切除率的缓进给磨削，从而产生了集高的砂轮速度(Vs=80~250m/s)、快的工作进给速度(0.5~10m/min)和大切深(0.1~30mm)於一体的高效深磨技术。其磨除率极高，特别适於进行沟槽零件的全切深单行程磨削。图3所示为德国BLOHM公司在CIMT2003上展出的PROFIMAT MT系列平面和成形数控磨床，其总体布局为刚性较好的立柱中腰移动式，工作台作纵向运动，进给速度0.03~25m/min，三个直线运动均采用交流伺服机、滚珠丝杠和滚动导轨，砂轮主轴最大功率60kW、砂轮最大线速度170m/s。这种磨床便可用于进行高效深磨。
　　超高速磨削的若干关键技术
　　磨削加工的工艺系统是“磨床—工件—磨具”，自然超高速磨削的关键技术也离不开磨床、砂轮、磨削工艺和磨削液。
　　超高速磨削机理及工艺的研究
　　国内外对超高速磨削机理的研究尚不全面，有待进一步揭示各种磨削过程和磨削现象的本质，同时还要进行不同工件材料和磨削条件的工艺参数优化研究，相应建立超高速磨削数据库，以加速其应用步伐。用计算机对磨削过程进行仿真，有助於进行上述研究，虚拟磨床可以建立一个逼真的磨削环境。
2 D, C# k- N7 a% |; L　　超硬磨料砂轮及其修整
# `* Q; r' Q2 l0 `　　超高速磨削砂轮是在基体上固结一层或多层超硬磨料，故又进一步分为多层可修整和单层磨料砂轮两大类。所用超硬磨料除磨削硬脆材料为金刚石外，其余都使用CBN。超高速磨削砂轮的基体除要有足够的强度以承受巨大的离心力外，还要有高的弹性模量/密度比和低的热膨胀系数，目前常用的材料是高强度合金钢，正寻求高强度铝合金和铍等性能更优良的材料作基体，日本已使用一种碳素纤维复合材料CFRP作超高速砂轮基体。此外，超高速砂轮基体的形状设计也至关重要。
　　多层可修整超硬砂轮有树脂、金属、陶瓷三种结合剂。其中陶瓷结合剂砂轮具有多孔性，且结合剂呈脆性，可用金刚石滚轮修整，整形和修锐一般能一次完成。还有一种新型的多气孔陶瓷结合剂CBN砂轮，可以通过人为诱发的孔隙来增强天然的多孔性，这种砂轮将引入更多的磨削液和便於排屑，从而既可磨削高硬度也可磨削中等硬度的铁质材料。故在超高速磨削中陶瓷结合剂的超硬磨料砂轮用得较多。
　　树脂结合剂或金属结合剂超硬磨料砂轮的修整比较困难，整形和修锐需分别进行。超硬磨料砂轮的修整特别是在线修整迄今仍是研究的热点，日本人十几年前开发的适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线电解修整(ELID)法，对超精密镜面磨削的发展起了一定作用。而目前正在研究的激光修整法，不仅便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，而且热影响区小、砂轮修整损耗小和易於实现自动化，修整效率也高，很有发展前景。
　　无需修整的单层超硬磨料砂轮，有电镀砂轮和(高温)焊砂轮两种。由於超硬磨料的优异性能，即使单层磨料仍有较长寿命。其中电镀砂轮的制造工艺较简单(磨料磨钝后还可重复电镀多次)，镀层金属能紧密包镶在磨料周围，最高可承受250~300m/s的磨削速度，已被较多地应用于超高速精磨和成形磨削中。焊砂轮磨料与基体的结合强度特别高，磨粒裸露高度达到60~70%，故容屑空间大且磨粒能获得更锋利的形貌，据报道国外焊砂轮的线速度可达500m/s。
' U$ |$ T8 T, S5 ^' t　　超高速磨床的主轴系统和进给系统
　　超高速磨床的总体结构和基础大件要有很高的动、静刚度，通常采用有限元法进行分析和优化，机床的安全防护也很重要，但最关键还是主轴系统和进给系统。
　　主轴系统
) j0 |: Y0 V4 c' C- m. R4 k* \　　提高砂轮线速度主要是提高砂轮转速，超高速磨床的主轴最高转速都在10000r/min以上，传递的磨削功率常为几十千瓦，故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、功耗低。近年来，超高速磨床愈来愈多地使用将电机和主轴作成一体的电主轴，其所用轴承主要是油气润滑的陶瓷球角接触球轴承和液体动静压轴承，后者多用在外圆类超高速磨床上。磁浮轴承虽然高速性能好、精度高，但价格昂贵和有发热、漏磁问题，目前尚较少采用。高速回转的砂轮轴和砂轮一起，其动不平衡引起的振动会严重影响磨削质量，除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在机床进行磨削的过程中实施连续的自动平衡。此外，要充分重视超高速磨床砂轮与主轴连接的可靠性。
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