超高速磨削技術的發(fā)展和應用

超高速磨削不僅能極大地提高磨削效率，而且能有效地改善加工質量，是當今磨削技術最重要的發(fā)展方向之一。
　　超高速磨削和高效深磨
　　高速磨削是相對于以前的普通磨削而言，凡砂輪線速度Vs＞45m/s的磨削都可稱為高速磨削。早在20世紀60年代，Vs已提高至60m/s，70年代又提高到80m/s，但其后十來年由於受到當時砂輪回轉破裂速度的制約和工件燒傷問題的困擾，砂輪線速度沒有大的提高。直到80年代后期，隨著立方氮化硼(CBN)砂輪的更廣泛應用，并對磨削機理進行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)在高磨除率條件下，隨著砂輪線速度Vs的增大，磨削力在Vs=100m/s前後的某個區(qū)間出現(xiàn)陡降，這一趨勢隨著磨除率的進一步增大還將繼續(xù)，工件表面溫度也隨之出現(xiàn)回落。這也就是說，在越過產生熱損傷的磨削用量區(qū)之后，磨削用量的進一步增大，不僅不會使熱損傷加劇，反而使熱損傷不再發(fā)生，從而為發(fā)展超高速磨削和高效深磨奠定了理論基礎。
　　超高速磨削雖未規(guī)定嚴格界限，但通常把砂輪線速度Vs＞150m/s的磨削稱為超高速磨削。一般說來，超高速磨削具有如下優(yōu)勢：
　　磨削效率高，砂輪損耗小
　　磨削速度愈高，單位時間內參予切削的磨粒數(shù)愈多，磨除的磨屑增多，且工件進給速度應與砂輪線速度的1.13次方成比例，故超高速磨削會使磨削效率大幅提高。與此相應，超高速磨削時單個磨粒上所承受的磨削力大為減少，從而降低了砂輪的磨損。許多實驗表明，當磨削力不變時，砂輪線速度Vs從80m/s提高至200m/s，磨削效率提高2.5倍，CBN砂輪的壽命也延長了1倍。
　　磨削力小，加工精度高
　　由于超高速磨削時磨屑厚度變薄，在磨削效率不變的條件下，法向磨削力會隨Vs的增高而顯著減少(Vs為200m/s時的法向磨削力僅為80m/s時的46%)，從而使工藝系統(tǒng)的變形減少。加之超高速磨削的激振頻率遠高於工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會引起共振。其共同結果是促使磨削精度提高。
　　工件表面質量好
　　實驗表明，在其它條件一定時，當砂輪線速度從33m/s升至200m/s，磨削表面粗糙度則由Ra2.0痠降至Ra1.1痠。由於超高速磨削過程中大量磨削熱將被磨屑帶走，傳入工件的比例很小，不僅不易發(fā)生表面燒傷，而且表面殘余應力層的深度也隨之變小。
　　此外，超高速磨削還可實現(xiàn)對硬脆材料的延性域磨削，對高塑性等難磨材料也有良好的磨削效果，因此工業(yè)發(fā)達國家都在競相發(fā)展，其中尤以德、日、美發(fā)展較快。據報道，德國Aachen工業(yè)大學已完成砂輪線速度Vs=400m/s的實驗，現(xiàn)正進行目標為500m/s的實驗，德國Gruhring Automation、Schandt、Kapp等公司都相繼推出了超高速磨床。日本在實用磨削方面富有成效，豐田工機等公司生產的Vs=200m/s的超高速磨床已付諸工業(yè)實際應用。美國Edgetek Machine公司生產的使用單層CBN砂輪的超高速磨床也較有名。在CIMT2001上，中國湖南大學展出了數(shù)控高速凸輪磨床CNC8312，其CBN砂輪線速度可達120m/s。
　　日本豐田工機幾年前推出的超高速數(shù)控外圓磨床GZ32P，其砂輪線速度最高可達200m/s。當它使用陶瓷結合劑CBN砂輪，以160m/s的砂輪線速度磨削如圖2所示的減速器零件(材料為HRC58的淬硬鋼)時，工件轉數(shù)1000r/min，加工余量△=0.125mm。所得到的加工結果是：加工時間72s、工件圓度1.2痠，表面粗糙度Rz1.9痠。與使用普通砂輪的切入磨削相比，加工時間和工件圓度誤差都減少了一半還多。
　　緩進給磨削是以大切深和低的工作進給速度為特征，而所謂高效深磨(High Efficiency Deep Grinding)，則是把高轉速的CBN砂輪應用於高切除率的緩進給磨削，從而產生了集高的砂輪速度(Vs=80~250m/s)、快的工作進給速度(0.5~10m/min)和大切深(0.1~30mm)於一體的高效深磨技術。其磨除率極高，特別適於進行溝槽零件的全切深單行程磨削。圖3所示為德國BLOHM公司在CIMT2003上展出的PROFIMAT MT系列平面和成形數(shù)控磨床，其總體布局為剛性較好的立柱中腰移動式，工作臺作縱向運動，進給速度0.03~25m/min，三個直線運動均采用交流伺服機、滾珠絲杠和滾動導軌，砂輪主軸最大功率60kW、砂輪最大線速度170m/s。這種磨床便可用于進行高效深磨。
　　超高速磨削的若干關鍵技術
　　磨削加工的工藝系統(tǒng)是“磨床—工件—磨具”，自然超高速磨削的關鍵技術也離不開磨床、砂輪、磨削工藝和磨削液。
　　超高速磨削機理及工藝的研究
　　國內外對超高速磨削機理的研究尚不全面，有待進一步揭示各種磨削過程和磨削現(xiàn)象的本質，同時還要進行不同工件材料和磨削條件的工藝參數(shù)優(yōu)化研究，相應建立超高速磨削數(shù)據庫，以加速其應用步伐。用計算機對磨削過程進行仿真，有助於進行上述研究，虛擬磨床可以建立一個逼真的磨削環(huán)境。
　　超硬磨料砂輪及其修整
　　超高速磨削砂輪是在基體上固結一層或多層超硬磨料，故又進一步分為多層可修整和單層磨料砂輪兩大類。所用超硬磨料除磨削硬脆材料為金剛石外，其余都使用CBN。超高速磨削砂輪的基體除要有足夠的強度以承受巨大的離心力外，還要有高的彈性模量/密度比和低的熱膨脹系數(shù)，目前常用的材料是高強度合金鋼，正尋求高強度鋁合金和鈹?shù)刃阅芨鼉?yōu)良的材料作基體，日本已使用一種碳素纖維復合材料CFRP作超高速砂輪基體。此外，超高速砂輪基體的形狀設計也至關重要。
　　多層可修整超硬砂輪有樹脂、金屬、陶瓷三種結合劑。其中陶瓷結合劑砂輪具有多孔性，且結合劑呈脆性，可用金剛石滾輪修整，整形和修銳一般能一次完成。還有一種新型的多氣孔陶瓷結合劑CBN砂輪，可以通過人為誘發(fā)的孔隙來增強天然的多孔性，這種砂輪將引入更多的磨削液和便於排屑，從而既可磨削高硬度也可磨削中等硬度的鐵質材料。故在超高速磨削中陶瓷結合劑的超硬磨料砂輪用得較多。
　　樹脂結合劑或金屬結合劑超硬磨料砂輪的修整比較困難，整形和修銳需分別進行。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，日本人十幾年前開發(fā)的適合金屬結合劑超硬磨料砂輪的在線電解修整(ELID)法，對超精密鏡面磨削的發(fā)展起了一定作用。而目前正在研究的激光修整法，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於實現(xiàn)自動化，修整效率也高，很有發(fā)展前景。
　　無需修整的單層超硬磨料砂輪，有電鍍砂輪和(高溫)焊砂輪兩種。由於超硬磨料的優(yōu)異性能，即使單層磨料仍有較長壽命。其中電鍍砂輪的制造工藝較簡單(磨料磨鈍后還可重復電鍍多次)，鍍層金屬能緊密包鑲在磨料周圍，最高可承受250~300m/s的磨削速度，已被較多地應用于超高速精磨和成形磨削中。焊砂輪磨料與基體的結合強度特別高，磨粒裸露高度達到60~70%，故容屑空間大且磨粒能獲得更鋒利的形貌，據報道國外焊砂輪的線速度可達500m/s。
　　超高速磨床的主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)
　　超高速磨床的總體結構和基礎大件要有很高的動、靜剛度，通常采用有限元法進行分析和優(yōu)化，機床的安全防護也很重要，但最關鍵還是主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)。
　　主軸系統(tǒng)
　　提高砂輪線速度主要是提高砂輪轉速，超高速磨床的主軸最高轉速都在10000r/min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、功耗低。近年來，超高速磨床愈來愈多地使用將電機和主軸作成一體的電主軸，其所用軸承主要是油氣潤滑的陶瓷球角接觸球軸承和液體動靜壓軸承，后者多用在外圓類超高速磨床上。磁浮軸承雖然高速性能好、精度高，但價格昂貴和有發(fā)熱、漏磁問題，目前尚較少采用。高速回轉的砂輪軸和砂輪一起，其動不平衡引起的振動會嚴重影響磨削質量，除了砂輪和主軸系統(tǒng)預先要進行嚴格的動平衡外，還應當在機床進行磨削的過程中實施連續(xù)的自動平衡。此外，要充分重視超高速磨床砂輪與主軸連接的可靠性。