先进磨削技术的新发展

摘要：为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、

表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。

关键词语：加工精度 表面粗糙度 磨削

正文

一．超高速磨削技术

超高速磨削(Vs≥150m/s )是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会(CIRP )将超高速磨削技术确定为面向21 世纪的中心研究方向之一。东北大学自上世纪80 年始一直跟踪高速/超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国第一台额定功率55kw 、最高砂轮线速度达250m/s 的超高速试验磨床，进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀CBN 超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、超高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的高效深磨研究、超高速单颗磨粒CBN 磨削试验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数的研究等，部

分研究成果达到国际先进水平。 二．超高速磨削技术特点

(l)大幅度提高磨削效率，设备使用台数少;(2)磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好;(3)砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化;(4 )实现对难加工材料的磨削加工。

超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钦合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性的材料也可获得良好的磨削效果[1、2]。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过200m /s (纯铝静态应力波速度)时，工件表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改善。因为加载速度提高使得塑性应变点后移，增加了材料在弹性小变形阶段被去除的机率。因此塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工的临界点。 三．超高速磨削关键技术 (1)超高速磨削砂轮

超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。目前，工业生产中广泛采用陶瓷结合剂、金属结合剂CBN 砂轮和单层电镀CBN 砂轮，使用速度可达200/s 以上，基体材料常用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量/密度比高、热膨胀系数低的CFRP 复合材料CBN 砂轮。日本在400m /s 的超高速磨床上，采用CFRP 为基体、直径25Omm 的陶瓷结合剂CBN 砂轮，已实现300m / s 的磨削试验。美国Norton 公司借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度超过1553N/m 时，并获得更大的磨粒突

出高度和更理想的砂轮形貌。高温钎焊单层超硬磨料砂轮的磨料与基体的结合强度更高，磨粒裸露高度达到60%-70% , 有更锋利的形貌。据报道，国外钎焊砂轮的线速度可达500m/s 。单层电镀超硬磨料砂轮和(高温)钎焊超硬磨料砂轮无需修整，且使用寿命长。东北大学研制的超高速磨削单层电镀CBN 砂轮已成功应用于超高速磨削实验。 (2)主轴系统

超高速磨床的主轴最高转速在10000r / mm 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、空转功耗低。近年来，超高速磨床越来越多地使用电主轴。在第19 届JIMTOF 展览会上，展出的超高速主轴基本上在10000-25000r / min 之间。目前瑞士的Fisher 公司的电主轴产品，其最高转速为40000r/min ，驱动功率40kw , 转速高达200000r /min 和2500000r /min 的实用高速电主轴也在研究开发中。

(3)超高速磨削砂轮的自动平衡技术

超高速回转的砂轮动不平衡引起的振动会严重影响主轴系统的工作性能和磨削质量。除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在磨削的过程中实施在线自动平衡。砂轮自动平衡系统一般由电子传感及控制系统和平衡头组成。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式、气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上的重要组成部分。美国、日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。 (4)砂轮修整技术

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。电解修整(ELlD )法适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修整，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于实现自动化，修整效率也高，有很好的发展前景。目前对CBN 砂轮的修整广泛采用接触在线修整法，借助传感系统控制砂轮和修整工具(一般为修整滚轮)的接触，然后通过进给系统进行微米级进给，得到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。 (5)磨削液供给系统

超高速磨削中，由于砂轮极高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进人磨削区，使接触区高温得不到有效的抑制，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面完整性和机械物理性能。因此，磨削液供给系统对提高和改善工件质量、减少砂轮磨损至关重要。超高速磨削常用的冷却液注人方法有[4] : 高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体内冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率油气分离和吸排风单元。 (6)超高速磨削进给系统

目前数控机床进给系统主要采用滚珠丝杠传动。随着高速超高速加工技术的发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。

总结

超高速磨削是先进制造的前沿技术，在获得高效率，高精度的同时，又能对各种材料和形状进行高表面完整性和低成本加工，因此也正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。随着超硬磨料磨具的应用和发展，高速大功率精密机床及数控技术、新型磨削液和砂轮修整等相关技术、以及磨削自动化和智能化等技术的发展，使超高速磨削和高效率磨削技术在机械制造领域具有更加重要的地位，发展前景广阔。我国应在现有条件下，大力加强各种新型超高速磨削技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平具有十分重要的意义。 参考文献:

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