超高速磨削加工的關鍵技術

摘要：介紹了超高速磨削和快速點磨削的關鍵技術及國內外發(fā)展現狀，以及東北大學在這一技術領域的研究成果，提出了跟蹤國際先進超高速磨削加工技術，提高我國制造技術水平的途徑和策略。
關鍵詞：超高速磨削CNC 快速點磨削
1 引言
    為適應現代工業(yè)技術和高性能科技產品對機械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質量穩(wěn)定性的要求，近年出現了一些先進的磨削加工技術，其中以超高砂輪線速度和超硬磨料砂輪為主要技術特征的超高速外圓磨削、高效深切磨削、快速點磨削技術的發(fā)展最為引人注目。
2 超高速磨削技術
    超高速磨削（Vs≥150m/s )是近年迅猛發(fā)展的一項先進制造技術，被譽為“現代磨削技術的最高峰”。日本先端技術研究學會把超高速加工列為五大現代制造技術之一。國際生產工程學會（CIRP )將超高速磨削技術確定為面向21 世紀的中心研究方向之一。東北大學自上世紀80 年代開始一直跟蹤高速／超高速磨削技術發(fā)展，并對超高速磨削機理、機床設備及其關鍵技術等開展了連續(xù)性的研究，建造了我國第一臺額定功率55kw 、最高砂輪線速度達250m/s 的超高速試驗磨床，進行了超高速大功率磨床動靜壓主軸系統(tǒng)研究、電鍍CBN 超高速砂輪設計與制造、超高速磨削成屑機理及分子動力學仿真研究、超高速磨削熱傳遞機制和溫度場研究、高速鋼等材料的高效深磨研究、超高速單顆磨粒CBN 磨削試驗研究、超高速磨削砂輪表面氣流場和磨削摩擦系數的研究等，部分研究成果達到國際先進水平。
2.1 超高速磨削技術特點
(l)大幅度提高磨削效率，設備使用臺數少；(2)磨削力小、磨削溫度低、加工表面完整性好；(3)砂輪使用壽命長，有助于實現磨削加工的自動化；(4 )實現對難加工材料的磨削加工。
超高速磨削不僅可對硬脆材料實行延性域磨削，而且對欽合金、鎳基耐熱合金、高溫合金、鋁及鋁合金等高塑性的材料也可獲得良好的磨削效果[1、 2]。超高速磨削純鋁的實驗表明，當磨削速度超過200m /s （純鋁靜態(tài)應力波速度)時，工件表面硬化程度和表面粗糙度值開始減小，表面完整性得到改善。因為加載速度提高使得塑性應變點后移，增加了材料在彈性小變形階段被去除的機率。因此塑性材料靜態(tài)應力波速是實現“脆性”加工的臨界點。
2.2 超高速磨削關鍵技術
(1)超高速磨削砂輪
    超高速磨削砂輪應具有良好的耐磨性、高動平衡精度和機械強度、高剛度和良好的導熱性等。目前，工業(yè)生產中廣泛采用陶瓷結合劑、金屬結合劑CBN 砂輪和單層電鍍CBN 砂輪，使用速度可達200/s 以上，基體材料常用合金鋼或鋁合金。日本和歐洲開發(fā)了彈性模量／密度比高、熱膨脹系數低的CFRP 復合材料CBN 砂輪。日本在400m /s 的超高速磨床上，采用CFRP 為基體、直徑25Omm 的陶瓷結合劑CBN 砂輪，已實現300m / s 的磨削試驗。美國Norton 公司借助化學粘接力把持磨粒的方法，其結合劑抗拉強度超過1553N/m 時，并獲得更大的磨粒突出高度和更理想的砂輪形貌。高溫釬焊單層超硬磨料砂輪的磨料與基體的結合強度更高，磨粒裸露高度達到60%－70% , 有更鋒利的形貌。據報道，國外釬焊砂輪的線速度可達500m/s 。單層電鍍超硬磨料砂輪和（高溫)釬焊超硬磨料砂輪無需修整，且使用壽命長。東北大學研制的超高速磨削單層電鍍CBN 砂輪已成功應用于超高速磨削實驗。
    SG 磨料不僅具有高的硬度，還具有良好的韌性。它的加工能力介于剛玉和CBN 磨粒之間。由于SG 磨粒在磨削加工中微刃能發(fā)生自銳，所以磨削力和磨削區(qū)熱量明顯降低，減少了砂輪磨損，從而提高了材料去除率和砂輪修整間隔時間。SG 磨粒和CBN 磨粒相比不僅成本低，而且對機床沒有特殊的要求，砂輪的修整也和普通砂輪的修整方法相同。在125 m/s磨削回火鋼的試驗中材料去除率已達1000mm³／mm•s[3] 氣為了保證砂輪在超高速運轉條件下承受巨大離心力而不破碎，砂輪結構和形狀一般采用有限元方法進行分析和優(yōu)化，尋求最佳基體輪廓，以充分降低砂輪基盤敏感位置的應力[7]。
(2)主軸系統(tǒng)
    超高速磨床的主軸最高轉速在10000r / mm 以上，傳遞的磨削功率常為幾十千瓦，故要求其主軸系統(tǒng)剛性好、回轉精度高、溫升小、空轉功耗低。近年來，超高速磨床越來越多地使用電主軸。在第19 屆JIMTOF 展覽會上，展出的超高速主軸基本上在10000－25000r / min 之間。目前瑞士的Fisher 公司的電主軸產品，其最高轉速為40000r/min ，驅動功率40kw , 轉速高達200000r /min 和2500000r /min 的實用高速電主軸也在研究開發(fā)中。
    超高速主軸單元的核心是超高速精密軸承。目前主要采用陶瓷滾動軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承和液體動靜壓軸承等。陶瓷滾動軸承采用性能優(yōu)越的熱壓 Si3N4 陶瓷球和鋼套圈，潤滑多用油氣潤滑，具有d mn 值高(≥2 . 7×106) ，標準化程度高，便于維護的優(yōu)點。用其組裝的超高速主軸能兼有速度高、剛度和功率大、壽命長等優(yōu)點。其缺點是制造難度大、成本高，對拉伸應力和缺口應力較敏感。磁浮軸承的最高表面速度可達200m / s 。但磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負荷容量低，電磁測控系統(tǒng)復雜且價格昂貴，且有發(fā)熱、漏磁問題。隨著新型磁性材料的出現及超導技術、傳感技術和控制技術的發(fā)展，磁浮軸承可能成為未來超高速主軸軸承的一種選擇。液體動靜壓軸承具有徑向和軸向跳動誤差小，阻尼特性好、功率大、動態(tài)特性好、在全轉速范圍內具有承載能力強和剛度大等優(yōu)點。但在超高速、高負荷條件下工作時需使用低粘度流體和高供液壓力，因此結構設計必須考慮其紊流、流體慣性和壓縮性、溫度粘度變化以及空穴等復雜現象，而且空載功率損耗大。東北大學研制的超高速磨削實驗機床主軸采用動靜壓軸承，轉速達15000r / min 。空氣靜壓軸承具有高速回轉精度高，無振動，磨擦阻力小，經久耐用等特點，主要用于高速輕載和超精密的主軸系統(tǒng)中。
(3)超高速磨削砂輪的自動平衡技術
    超高速回轉的砂輪動不平衡引起的振動會嚴重影響主軸系統(tǒng)的工作性能和磨削質量。除了砂輪和主軸系統(tǒng)預先要進行嚴格的動平衡外，還應當在磨削的過程中實施在線自動平衡。砂輪自動平衡系統(tǒng)一般由電子傳感及控制系統(tǒng)和平衡頭組成。在高速及超高速磨床上常用的在線動平衡系統(tǒng)主要有液體式、氣體式及機械式三種。砂輪在線動平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。美國、日本和德國等工業(yè)發(fā)達的國家在高速磨床上均采用了自動平衡系統(tǒng)。
(4)砂輪修整技術
    超硬磨料砂輪的修整特別是在線修整迄今仍是研究的熱點。電解修整（ELlD )法適合金屬結合劑超硬磨料砂輪的在線修整，激光修整法不僅便于修整樹脂或金屬結合劑超硬磨料砂輪，而且熱影響區(qū)小、砂輪修整損耗小和易于實現自動化，修整效率也高，有很好的發(fā)展前景。目前對CBN 砂輪的修整廣泛采用接觸在線修整法，借助傳感系統(tǒng)控制砂輪和修整工具（一般為修整滾輪)的接觸，然后通過進給系統(tǒng)進行微米級進給，得到理想的砂輪形貌，從而保證了精密及超精密加工的要求。
(5)磨削液供給系統(tǒng)
    超高速磨削中，由于砂輪極高速旋轉形成的氣流屏障阻礙了磨削液有效地進人磨削區(qū)，使接觸區(qū)高溫得不到有效的抑制，工件易出現燒傷，嚴重影響零件的表面完整性和機械物理性能。因此，磨削液供給系統(tǒng)對提高和改善工件質量、減少砂輪磨損至關重要。超高速磨削常用的冷卻液注人方法有［4］ : 高壓噴射法，空氣擋板輔助截斷氣流法，氣體內冷卻法，徑向射流沖擊強化換熱法等。為提高供液效果，應對供液系統(tǒng)參數包括供液壓力、流量、磨削液噴注位置、噴嘴結構及尺寸等進行優(yōu)化設計，此外系統(tǒng)還需配有高效率油氣分離和吸排風單元。
(6)超高速磨削進給系統(tǒng)
    目前數控機床進給系統(tǒng)主要采用滾珠絲杠傳動。隨著高速超高速加工技術的發(fā)展，國內外都采用了直線伺服電機直接驅動技術。使用高動態(tài)性能的直線電機結合數字控制技術，避免了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動中的反向間隙、彈性變形、磨擦磨損和剛度不足等缺陷，可獲得高精度的高速移動并具有極好的穩(wěn)定性。
(7)磨削狀態(tài)檢測及數控技術
    超高速磨削加工中，對砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測非常重要，砂輪與工件和修整輪的對刀精度直接影響尺寸精度和修整質量。因此，在線智能監(jiān)測是保證超高速磨削加工質量和生產率的重要因素。利用磨削過程中產生的各種聲發(fā)射源，如砂輪與工件彈性接觸、接合劑破裂、磨粒與工件磨擦、砂輪破碎和磨損、工件表面裂紋和燒傷、砂輪與修整輪的接觸等，可以通過檢測聲發(fā)射信號的變化來對磨削狀態(tài)進行判別和監(jiān)測，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面質量的在線監(jiān)控技術也是高效率磨削的關鍵技術。
    CNC 超高速磨床，特別是快速點磨削機床，應用連續(xù)軌跡技術，可實現成型曲面磨削、凸輪廓線和復雜曲面的磨削，并可實現聯機測量。CNC 磨床要求組織和硬度均勻性好的砂輪，且有很好的靜動平衡性能、高的尺寸和形狀精度、高磨削比和使用壽命。同時還要盡可能減小超硬磨料砂輪消耗并提高修整效率和精度。這種需求一方面推動了監(jiān)測系統(tǒng)的改進，另一方面也促進了磨削數控系統(tǒng)的發(fā)展。磨削數控軟件和系統(tǒng)正在工藝優(yōu)化并向柔性化方向發(fā)展。

(8)砂輪安裝及安全防護技術
    超高速磨削砂輪動能很大，必須設置高強度半封閉或封閉的砂輪防護罩，罩內最好敷設緩沖材料，以起到吸收或減少砂輪碎塊的二次彈射作用。
3 快速點磨削技術
    德國Junker 公司十1994 年開發(fā)的快速點磨削(Quick－point Grinding )是一種新的高速／超高速磨削技術形式，具有高效率、高柔性、大批量生產及高質量穩(wěn)定性。主要用于軸類零件加工。目前已在汽車工業(yè)、機床及工具制造業(yè)、紡織及印刷機械制造業(yè)中得到應用。應用該工藝可以通過一次裝夾幾乎實現軸類件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生產率。我國部分汽車制造企業(yè)目前也引進了這一工藝設備，并取得了明顯效益。由于國內目前沒有開展系統(tǒng)的理論和應用研究，不掌握其核心技術理論、工藝參數設計和編程技術，僅就單一零件加工由國外壟斷定制，全部工藝、設備和配套附件均依賴進口。而國外由于技術壟斷，對快速點磨削的相關技術信息也鮮見報道。作為教育部重點科學技術研究課題，東北大學從2004 年開始對快速點磨削關鍵技術及磨削機理開展了基礎性的理論與實驗研究，并研制開發(fā)了實驗機床和點磨削超薄CBN 砂輪.  
    機床采用動靜壓主軸軸承，軸承工作壓力30MPa ，轉速達1500Or/min ，能夠實現點磨變量角度。和刀在給定范圍內變化，X－Z方向聯動進給，冷卻系統(tǒng)供液壓力2MPa 。
3.1 快速點磨削的關鍵技術
點磨削加工凸輪軸
    數控快速點磨削集成了數控車削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技術，可實現對多種形狀表面及多種材料的高性能加工。圖2為點磨削加工凸輪軸�？焖冱c磨削的磨削過程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術特征如下：
(1)點磨削加工時，砂輪與工件軸線并不是始終處于平行狀態(tài)，而是在水平和垂直兩個方向偏轉α、β角度，以實現砂輪與工件理論上的“點接觸”, 最大限度減小砂輪與工件接觸面積和避免砂輪端面與工件臺肩發(fā)生干涉。接觸區(qū)放大后如圖3陰影部分所示。
快速點磨削接觸區(qū)
    點磨削以單向磨削為主，通過數控系統(tǒng)來控制這兩個方向的角變量數值，以及在X 、Z 方向采用與CNC 車削相類似的兩軸聯動數控進給，以實現對不同形狀表面的點磨加工。X 方向采用高精度靜壓圓柱導軌技術（圖) ，以增加阻尼和穩(wěn)定地實現微米級精確切人進給。Z方向（縱向)進給采用帶有預負載的滾珠絲杠和平面渾形涂層導軌。
(2) 快速點磨削采用金屬結合劑超硬磨料(CBN 或人造金剛石)超薄砂輪，直徑一般為300～400mm ，寬度為4 ～6mm ，徑向磨料層厚度為5mm 。砂輪架、主軸箱和尾架的調整和安裝均采用Junker 公司專利技術“三點定位安裝系統(tǒng)”快速完成，重復定位精度高，砂輪徑向跳動精度可控制在0.OO2mm 以內，并可補償高速離心力作用下的砂輪孔徑漲大。如圖所示，更換頂尖時間小于2min ，更換砂輪時間小于2Omin 。為控制由于砂輪高速旋轉產生的振動，保證加工質量，在砂輪的每次修整和更換后都要進行動平衡。Junker 公司的點磨機床通過安裝在主軸端部的電子自動平衡系統(tǒng)自動完成砂輪在線動平衡。由于砂輪極薄，降低了砂輪重量和不平衡度，并使由砂輪高速旋轉在磨削區(qū)周圍產生的高壓空氣層對冷卻液的阻礙作用下降，同時也減少了高速砂輪的旋轉阻力，并且能磨削狹窄及斷面尺寸變化較大的型面。
(3) 砂輪速度可達90－16Om/s 。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產生過大的離心力而發(fā)生破壞，工件也高速旋轉，并與砂輪轉向相同，通常在1000r / min 以上，最高可達12O00r /沒in 。因此接觸點處的實際磨削速度應是砂輪和工件兩者線速度的疊加，可達200m/s 以上，以實現更高應變率下材料的去除。
(4)與一般磨削方式不同，在磨削外圓時，砂輪磨損主要是在端面沿橫向發(fā)生，而沿徑向磨損很小。實際應用中一般根據砂輪耐用度（加工工件的數量) 或磨損狀態(tài)（砂輪橫向磨損寬度是否達到規(guī)定值)，通過與工件同軸線安裝的金剛石滾輪和油石直接在機床上完成在線修整。修整時，主要是將砂輪在寬度方向磨損后剩存且已經鈍化的一層磨粒由金剛石滾輪切除，恢復砂輪圓柱表面形狀，再用油石修銳。直到砂輪磨粒徑向厚度層全部修整去除，砂輪達到使用壽命。一汽大眾汽車有限公司引進快速點磨削技術磨削發(fā)動機凸輪軸軸徑，采用厚度為5mm 的金屬結合劑CBN 砂輪，砂輪修整一次可磨削工件3000 件，每片砂輪可修整20 次[6]
(5)使用高速低粘度磨削油噴注進行冷卻，供液壓力一般為1～2MPa ，采用如圖4 所示的雙噴嘴噴注方式。由于高速旋轉砂輪將磨削油甩成油霧，加工必須在封閉環(huán)境中自動進行，并需配有吸排風系統(tǒng)、高效率磨屑分離與油氣分離裝置。
3.2 快速點磨削技術的應用效果
    快速點磨削的磨削溫度低，可實現少、無磨削液加工，能夠達到高精度磨削的表面質量和加工精度；由于磨削力極小，用頂尖產生的摩擦力即可帶動工件，特別適合剛性較差的細長軸加工，可進行包括工件兩端在內的整體加工；快速點磨削砂輪使用壽命相當長，最高磨削比可達60000 ，成為半永久性工具，每次修整最多可加工上萬個工件，生產效率比普通磨削提高6 倍，機床利用率高達88 ％一95 % , 比傳統(tǒng)磨削方法高出3%一8 % ；快速點磨削砂輪的形狀精度保持性極好，保證了大批量生產中極高的質量穩(wěn)定性；一次安裝后可完成外圓、錐面、曲面、螺紋、臺肩和溝槽等所有外形的加工，具有更大的柔性和更高的生產率。還可以實現車磨工序合并。我國汽車制造企業(yè)用快速點磨削技術加工凸輪軸，只需一臺機床即可完成凸輪軸軸頸的全部加工，運行成本降低70%一80% ，加工精度在H6 級以上，表面粗糙度值低于0.8 µm [7]。
4 結語
    超高速磨削是先進制造的前沿技術，在獲得高效率，高精度的同時，又能對各種材料和形狀進行高表面完整性和低成本加工，因此也正為世界工業(yè)發(fā)達國家所重視，并已開始進入實用化階段。隨著超硬磨料磨具的應用和發(fā)展，高速大功率精密機床及數控技術、新型磨削液和砂輪修整等相關技術、以及磨削自動化和智能化等技術的發(fā)展，使超高速磨削和高效率磨削技術在機械制造領域具有更加重要的地位，發(fā)展前景廣闊。我國應在現有條件下，大力加強各種新型超高速磨削技術的研究、推廣和應用，對提高我國機械制造業(yè)的加工水平具有十分重要的意義。