超高速磨削的发展及关键技术

魔神

        超高速磨削通常指砂轮速度大于150m/s的磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展很快，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。国际生产工程学会(CIRP)将其确定为面向21世纪的中心研究方向，并进行了一些著名的合作研究。超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工，对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。与普通磨削相比，超高速磨削显示出极大的优越性。
    大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。如采用电镀CBN砂轮以123m/s的高速磨削割草机曲轴，原来需要6个车削和3个磨削工序，现在只需要3个磨削工序，生产时间减少65%，每小时可以加工180件。再如人们以125m/s的速度应用普通砂轮高效磨削淬硬低碳钢42CrMo4，切除率达167mm³/mms，比缓进给磨削大11倍。
    磨削力小，零件加工精度高。速度360m/s以下的试验表明，在一个较窄的速度范围(180-200 m/s)内，摩擦状态由固态向液态急剧变化，并伴随着磨削力的急剧下降。笔者在单颗磨粒高速磨削45钢和20Cr钢试验中发现，摩擦系数在临界速度以下，随速度的增大而大幅度减少，超过临界速度后，摩擦系数却随速度的增大而略有增加。
    降低加工工件表面粗糙度。在其它条件相同时，33m/s,100m/s，和200m/s的速度磨削时，表面粗糙度值分别为Ra2.0,Ra1.4和Ra1.1µm。
    砂轮寿命延长。在金属切除率相同的条件下，砂轮速度由80m/s提高到200m/s，砂轮寿命提高8.5倍。在200m/s的速度磨削时，以2.5倍于80m/s时的磨除率，寿命仍然提高1倍。
    1 超高速磨削的发展
    欧洲
    欧洲，高速磨削技术的发展起步早。最初高速磨削基础研究是在60年代末期，实验室磨削速度已达210-230m/s。70年代末期，高速磨削采用CBN砂轮。意大利的法米尔(Famir)公司在1973年9月西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120m/s的RFT-C120/50R型磨轴承内套圈外沟的高速适用化磨床。90年代初，已经实现了最高速度350m/s的磨削实验。目前，实际应用中，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在200-250m/s之间。
    德国的Guhring Automation公司1983年制造了功率60kW，转速10000r/min,砂轮直径400mm的强力磨床。阿亨工业大学的目标为500m/s的超高速磨床也是该公司制造的。德国CBN砂轮高速磨削的应用，一个典型的例子是加工齿轮轮齿，在155m/s的速度下，以811mm³/mms的切除率，实现了对16MCr5钢齿轮的高效加工。另一个例子是，采用电镀CBN砂轮，在300m/s的速度下，以140mm³/mms的切除率，实现了对100Cr6高硬度(60HRC)滚动轴承钢水泵回转轮窄槽的高效加工。瑞士Studer公司也曾用改装的S45型外圆磨床进行280m/s的磨削试验。瑞士S40高速CBN砂轮磨床，在125m/s时，高速磨削性能发挥最为充分，在500m/s也照常工作。此外Kapp公司,Schandt公司、Naxa Union公司、Song Machinery公司等也相继推出了各类高速磨床。
    美国
    1970年美国的本迪克斯公司曾生产了91m/s切入式高速磨床。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Connectient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，主轴功率30kW,修整盘转速12000r/min，砂轮自动平衡，自动上料。
    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/mms的切除率，对高温合金Inconel718进行高效磨削，加工后达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Ra0.8µm，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。传统的方法是采用多工序磨俐，而高速磨削试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高质量的氮化硅陶瓷零件。
    日本
    日本高速磨削技术在近20年来发展迅速，1976年，在凸轮磨床上开始应用CBN砂轮进行40m/s的高速磨削,1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s。1990年后，开始开发160m/s以上的超高速磨床。目前，实用的磨削速度已达到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床也已经研制出，该磨床主轴最大转速3000r/min，最大功率22kW,采用直径250mm的砂轮，最高周速达395m/s。并在30-300m/s速度范围内研究了速度对铸铁可加工性的影响。
    日本的丰田工机、三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用CBN砂轮的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷结合剂CBN砂轮，圆周速度达到了200m/s。
    中国
    我国高速磨削起步较晚，1974年，第一汽车厂、第一砂轮厂、瓦房店轴承厂、华中工学院、郑州三磨所等先后进行50-60m/s的磨削试验;湖南大学进行了60-80m/s高速磨削试验。1975年10月，南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速磨削试验小组，对80m/s,100m/S高速磨削工艺进行了试验研究。与此同时，上海机床厂设计制造了MBSA1332型80m/s半自动高速外圆磨床，磨削效率达到了车削和铣削的生产率。1977年，湖南大学在实验室成功地进行了100m/s, 120m/s高速磨削试验、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。
    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300m/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10m/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。
    包含混合磨削油和合成水基磨削液的联合应用，对于磨削难加工材料特别有效。用少量油润湿砂轮提高润滑效果，用水基磨削液注人磨削弧提高冷却效果或者，油在磨削区前加人，而水则仅仅用来冷却工件表面。通过联合应用水和油，获得的表面粗糙度和金属去除率与乳化液相当。与单纯使用乳化液相比，能降低砂轮的磨损。其缺点是需要后续的油水分离。
    高速磨削时，气流屏障阻碍厂磨削液有效地进人磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注人方法，增加磨削液进人磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。常用的磨削液注人方法有:手工供液法和浇注法;高压喷射法;空气挡板辅助截断气流法;砂轮内冷却法;利用开槽砂轮法等。为提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使用。如，采用靴状喷嘴，可在砂轮接触区前一个较大的区域对砂轮进行直接地润滑，喷嘴本身起了气流挡板的作用。石墨管浮动喷嘴将磨削液辅以固态磨削剂结合起来，石墨管本身又相当于气流挡板射流内冷却，将射流与砂轮内冷却结合起来，用径向射流冲击，达到强化换热的效果，可突破成膜沸腾的障碍高低压喷嘴联合应用，采用高压喷嘴和空气挡板向砂轮及磨削区供液，低压喷嘴冷却工件。也有采用环状喷嘴冷却工件，润滑喷嘴向砂轮及磨削区供液，以降低不件整体温度，提高工件尺寸精度。
    喷嘴位置、几何形状对冷却和润滑效果也有很大的影响。增加喷嘴与磨削区的距离，冷却效果降低。因而，喷嘴应尽可能靠近磨削弧区，提高进人磨削弧区的有效流量和压力。对喷嘴进行优化，采用内腔为凹状的喷嘴，目内壁光滑，出口处为锐边，可均化液流，产生较长的高聚射流，提高冷却和润滑效果。
    高速磨削液必须净化，过滤系统的选择与切屑长度、厚度及类型有关，还取决于磨粒的切削深度。常用的过滤方法有:物理方法，如重力沉降、涡旋过滤、磁力过滤、滤网过滤、滤带(纸)过滤;化学方法，如采用助滤剂硅藻土等。在过滤系统中同时经过多个过滤单元进行复合过滤，效果更佳。超高速磨削系统还需要采取措施降低磨削液温度，月前主要的降温方式有自然挥发对流散热，强力挥发和利用制冷系统降温等。
    此外，还应对磨削液引起的砂轮主轴功率消耗，以及磨削区域磨削液的动静压对磨削力的影响进行研究。对高速磨削的供液压力和速度进行优化。有效地减少功率消耗和对环境的负面影响。有关研究表明，对于某一流量存在一临界速度，当砂轮速度大于临界速度时，随着砂轮速度的增加，法向磨削力降低。
    砂轮修整
    在磨削过程中，砂轮变钝，或由于磨损而失去正确的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力。根据具体情况，这两个过程可以统一进行或同时进行，也可分两步进行。
    常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法。电火花和激光法等新的整形法也正在研究中。常用的修锐方法有自由磨粒法(如气体喷砂修锐法、游离磨粒挤压修锐法、液压喷砂修锐法等>和固结修锐工具修锐法(如油石法、刚玉块切人法、砂轮对磨法等)两大类，此外还有电解在线修整法、电火花修锐法、高压水喷射修锐法和激光修锐等。
    对于新型修整方法，应加快实用化研究。修整系统的发展应优先考虑通用的高效修整系统的研究
    磨削的成拟化与智能化
    超高速磨削的实验研究需要耗费大量人力物力因而随着计算机技术的发展，利用计算机进行磨削过程的仿真是一个重要的研究课题CIRP磨削科技委员会已把“虚拟实验室”作为一个重要的合作项目，虚拟磨床可以建立一个逼真的虚拟磨削环境，可用于评估、预测磨削加工过程和产品质量以及培训等一利用计算机仿真可模拟磨削过程，对磨削区温度场、磨削力变化等进行仿真，分析预测不同条件下磨削精度和磨削表面质量。
    磨削过程是一个多变量的复杂过程随着人工智能技术和传感器技术的发展，智能磨削也成为个重要的研究方向。智能加工的基本目的就是要解决加工过程中众多的不确定性的，要有人干预才能解决的问题。由计算机取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动。实现加工过程中的决策、监测与控制的自动化其中关键是决策自动化。
    机床智能磨削系统的基本框架由以下二部分组成:①过程模型和传感器集成模块。利用多传感器信息融合技术，对加工过程信息进行处理，为决策与控制提供更加准确可靠的信息。多传感器信息融合的实现方法有加权平均法、卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、Shafer-Dempster证据推理、具有置信因子的产生式规则、模糊逻辑、神经网络等；②决策规划与控制模块，根据传感器模块提供的加工过程信息，作出决策规划，确定合适的控制方法，产生控制信息，通过NC控制器作用于加工过程，以达到最优控制，实现要求的加工任务。③知识库与数据库，存放有关加工过程的先验知识，提高加工精度的各种先验模型以及可知的影响加工精度的因素，加工精度与加I过程有关参数之间的关系等。此外，应能自动学习与自动维护。华中科技大学、清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、天津大学、国防科技大学和东北大学等都先后进行过智能制造技术或智能制造系统等的研究工作。华中科技大学与汉江机床厂曾合作进行过螺纹智能磨削的研究。东北大学目前也正在国家教委的资助下进行智能磨削的研究。