超高速磨削技术的特点及关键技术

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磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造中实现高速加工、精密加工、超精密加工最有效、应用最广泛的基本工艺技术。磨削加工量占机械加工总量的30%~40%。

　　高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，它集现代机械、电子、光学、计算机、液压、材料及计量等先进科技成就于一体。随着砂轮强度和机床制造等关键技术的进步，砂轮速度大大提高，目前磨削去除率已猛增到了3 000mm3/mm·s,甚至更多，可与车、铣、刨等切削加工相媲美，尤其近年来各种新兴硬脆材料，如光学晶体、光学玻璃、陶瓷、单晶硅等的广泛应用，推动了高速磨削技术的迅猛发展。国际生产工程学会(CIRP)已将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。

　　砂轮速度高于45m/s的磨削称为高速磨削。现在高速磨削砂轮速度达60~250m/s,工件进给速度为1 000~10 000m/min.在砂轮速度为60~120m/s内，使用普通砂轮，磨削去除率可达500~1 000mm3/mm·s,在砂轮速度为120~250m/s内，使用CBN(立方氮化硼)砂轮，磨削去除率可达2 000mm3/mm·s.德国阿亨(Aachen)工业大学，进行砂轮速度500m/s为目标的超高速磨削试验，对砂轮与磨削工艺技术进行综合研究。过去认为高速磨削工艺不适合于加工大平面或圆柱形表面精加工，主要用于沟槽及缺口件磨削及切入磨削，但日本、德国的研究表明，提高磨削速度可明显地改善工件磨削质量，降低磨削力，获得较小尺寸误差及形状误差，提高加工精度。日本研发的超高速(砂轮速度为160~260m/s)外圆磨床，使用CBN砂轮，可获得圆度误差为1μm,表面粗糙度值R z=1.2μm的磨削效果。

　　一、超高速磨削的特点

　　超高速磨削与普通磨削相比具有以下突出优势：

　　(1)磨削力小，零件加工精度高。当磨削效率相同时，磨削速度达200m/s时的磨削力仅为磨削速度为80m/s的50%.但在相同的单颗磨粒切除条件下，磨削速度对磨削力影响极小，从而提高加工精度。

　　(2)可以得到高质量、低粗糙度值的工件表面。

　　在材料磨除率不变条件下，提高磨削速度可以降低单颗磨粒的磨削深度，从而减小磨削力。降低工件表面粗糙度值且在加工低刚度工件时，易于保证加工精度。如果在高速磨削时仍保持原有的磨削力，则可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率。

　　(3)可以大幅度提高磨削效率，减小设备使用台数。以往磨削仅适用于精加工，加工精度虽高但加工余量很小。磨削前需安排许多粗加工工序，需配合不同类型的机床，构成了一个冗长的工艺链。当前高速磨削的材料磨除率已可与车削、铣削相比，为此磨削加工既可作精加工又可作粗加工，这样可大大减少机床种类，简化工艺流程。对于某些以磨削为最终加工工序的产品来说，高速磨削可以大幅度地降低生产成本及提高产品质量。

　　(4)可以大幅度延长砂轮寿命，有利于实现磨削加工的自动化。在磨削力不变的条件下，以磨削速度200m/s磨削时，砂轮寿命比以80m/s磨削时提高一倍，而在磨削效率不变条件下，砂轮寿命可提高7.8倍。砂轮寿命与磨削速度成对数关系增长，使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时，磨削速度由30m/s提高到160m/s,砂轮磨削比由900提高到5100,有利于实现自动化磨削。

　　(5)成功地越过了磨削热沟道的影响，工件表面层可得到残余压变力(对工件稳定性有利)。

　　二、超高速磨削的关键技术

　　下图列出了超高速磨削技术所需的各项相关技术，其中高速轴承和高速砂轮的设计与制造是影响超高速磨削技术应用的最重要因素。

　　1.超高速磨削砂轮

　　(1)超高速砂轮的结构和制造超高速磨削砂轮必须满足下列要求：砂轮基体的机械强度必须能承受高度磨削时的切削力;外观锋利，即磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑;结合剂必须具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损。

　　从超高速磨削的发展趋势看，金刚石和CBN砂轮在超高速磨削中所占的比重越来越大，所用的结合剂可以是树脂、陶瓷和金属。随着超高速磨削的进一步推广和科研的深入，新型的磨粒和结合剂也在不断的出现。

　　电镀结合砂轮在超高速磨削时广泛采用，其磨粒的突出高度很大，能够容纳大量的切屑，不易形成钝刃切削，对超高速切削十分有利。由于电镀结合砂轮只有一层磨粒，所以在使用过程中，不需进行修整，从而可节省昂贵的修整装置和修整工时。

　　最近瑞士Winterthur公司研制出一种新的CBN砂轮，磨粒的基本形状是四面体，在磨削力增大到一定程度时会产生分裂，从而形成新的锋利切削刃。磨削合金工具钢时，可有效降低切削力及切削温度;保持砂轮寿命不变时，可以提高材料的磨除率及工件的精度。近年来，由于减少了磨粒层厚度并改善了相应的制造工艺措施，日本的陶瓷结合剂砂轮已在300m/s下安全运转，单层电镀CBN砂轮的使用速度可选250m/s. 欧洲主要使用单层电镀CBN砂轮进行高速高效成形磨削和开槽磨削。美国Norton公司利用铜焊技术研究出的金属单层砂轮，其磨粒突出比已达到70%~80%,容屑空间大大增加，结合剂抗拉强度超过1 500N/mm2,在相同磨削条件下可使磨削力降低50%,进一步提高了磨削效率极限。

　　为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构应有利于磨粒分裂，维持自励过程。要达到砂轮自锋利的目的，除了尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的空间分布。为此，可以通过计算机算出各种磨粒分裂时作用在单个磨粒上的力，从而可确定结合剂的比例。

　　我国至今还无超高速专用砂轮，围绕超高速磨削砂轮的设计理论及制造安装等方面的研究刚刚开始。

　　(2)超高速砂轮的修整超高速单层电镀砂轮一般不需要修整。特殊情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石修整工具只对个别高点进行微米级修整。试验表明，当修整器进给量在3~5μm时，不但能保证工件质量，而且可以延长砂轮寿命。

　　对于某些高速磨削，不仅要有高的磨削效率，而且还要有高的磨削质量(高加工精度及低的表面粗糙度值)，为此，对砂轮应有一套完善的修整技术。

　　超高速金属结合剂砂轮一般采用电解修整，超高速陶瓷结合剂砂轮的修整粒度对磨削质量有重要影响。

　　日本丰田工机在GZ50超高速外圆磨床的主轴后部装有全自动修整装置，金刚石滚轮以25 000r/min的速度旋转，采用声发射传感器对CBN砂轮表面进行检测，以0.1μm的进给精度对超高速砂轮进行修整。

　　鉴于传统修整法的局限，人们开发了多种超硬磨粒砂轮修整法，有在线电解修整法(ELID)、双电极在线修整法、弹性修整法、超声波振动修整法和激光修整法等，其中激光修整法是解决超硬磨粒砂轮修整的一种理想方法。它具有修整速度快、工效高、节省砂轮材料、易实现自动化执行在线修整等优点。特别是与普通砂轮磨削法修整超硬砂轮相比，激光修整的超硬磨粒砂轮具有良好的磨削性能，在相同磨削条件下，磨削陶瓷时的磨削力降低10%~15%.试验已表明，金刚石修整过的砂轮产生的磨削力、表面粗糙度值与功率密度为6.0×1010W/m2激光修整的砂轮基本接近。但随着磨削过程的延续，若干磨削行程后，激光修整过的砂轮呈现更好的变化趋势：磨削力保持长时间内稳定，表面粗糙度值较低。

　　(3)超高速砂轮的动平衡技术超高速磨削所使用的砂轮由于制造和调整装夹等误差，在更换砂轮或修整砂轮后甚至在停车后重新起动时，砂轮主轴必须进行动平衡。为此，高度磨削主轴必须有连续自动动平衡系统，以使在磨削时将振动降低到最小程度，从而获得较高的加工精度和较低的工件表面粗糙度值。

　　按照自动动平衡装置的平衡原理和不同的结构形式，砂轮自动动平衡技术可分以下几种形式：

　　机电式动平衡技术：20世纪80年代末，美国Schmitt Industries 公司生产出了一种被誉为：世界最先进的在线磨床砂轮动平衡系统--SBS电脑化磨床砂轮平衡系统。该系统是由微机控制微电动机来移动平衡装置内部的微小重块，从而修整砂轮的平衡量。日本研制出一种光控平衡器，通过微机控制平衡装置内部的传动机构和驱动原件来移动平衡块修整砂轮的平衡量。

　　液体注入式动平衡技术：德国Hofmann公司(专门研制动平衡技术及装置)提出了砂轮液体自动动平衡装置，这种装置在砂轮的法兰盘上安装容量一定的4个储水腔，均匀分布于不同象限，每个进水槽与一个与电磁阀控制的喷水嘴相对应，通过不同的喷水嘴就可向不同的储水腔注入一定量的液体，从而改变砂轮不同象限的质量，实现砂轮的自动动平衡。

　　液汽式动平衡技术：美国Balance Dynamics Corporation 研制成功一种采用氟里昂作为平衡介质的液汽式砂轮平衡装置。该装置的特点是结构简单，没有开口、喷嘴、阀门及齿轮等运动零件，性能可靠，不需维修，使用方便。汽态氟里昂冷却后还原为液态，保留在腔内，即使砂轮停转，仍能保持平衡状态。