超高速磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)

摘要：介紹了超高速磨削和快速點磨削的關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以及東北大學(xué)在這一技術(shù)領(lǐng)域的研究成果，提出了跟蹤國際先進(jìn)超高速磨削加工技術(shù)，提高我國制造技術(shù)水平的途徑和策略。
關(guān)鍵詞：超高速磨削CNC 快速點磨削
1 引言
    為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對機(jī)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(zhì)量穩(wěn)定性的要求，近年出現(xiàn)了一些先進(jìn)的磨削加工技術(shù)，其中以超高砂輪線速度和超硬磨料砂輪為主要技術(shù)特征的超高速外圓磨削、高效深切磨削、快速點磨削技術(shù)的發(fā)展最為引人注目。
2 超高速磨削技術(shù)
    超高速磨削（Vs≥150m/s )是近年迅猛發(fā)展的一項先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。日本先端技術(shù)研究學(xué)會把超高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP )將超高速磨削技術(shù)確定為面向21 世紀(jì)的中心研究方向之一。東北大學(xué)自上世紀(jì)80 年代開始一直跟蹤高速／超高速磨削技術(shù)發(fā)展，并對超高速磨削機(jī)理、機(jī)床設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)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(dá)250m/s 的超高速試驗?zāi)ゴ玻�進(jìn)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(shè)計與制造、超高速磨削成屑機(jī)理及分子動力學(xué)仿真研究、超高速磨削熱傳遞機(jī)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(shù)的研究等，部分研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。
2.1 超高速磨削技術(shù)特點
(l)大幅度提高磨削效率，設(shè)備使用臺數(shù)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(xiàn)磨削加工的自動化；(4 )實現(xiàn)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(dāng)磨削速度超過200m /s （純鋁靜態(tài)應(yīng)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(yīng)變點后移，增加了材料在彈性小變形階段被去除的機(jī)率。因此塑性材料靜態(tài)應(yīng)力波速是實現(xiàn)“脆性”加工的臨界點。
2.2 超高速磨削關(guān)鍵技術(shù)
(1)超高速磨削砂輪
    超高速磨削砂輪應(yīng)具有良好的耐磨性、高動平衡精度和機(jī)械強(qiáng)度、高剛度和良好的導(dǎo)熱性等。目前，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑CBN 砂輪和單層電鍍CBN 砂輪，使用速度可達(dá)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(shù)低的CFRP 復(fù)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(jié)合劑CBN 砂輪，已實現(xiàn)300m / s 的磨削試驗。美國Norton 公司借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法，其結(jié)合劑抗拉強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度更高，磨粒裸露高度達(dá)到60%－70% , 有更鋒利的形貌。據(jù)報道，國外釬焊砂輪的線速度可達(dá)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(xué)研制的超高速磨削單層電鍍CBN 砂輪已成功應(yīng)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(jī)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(dá)1000mm³／mm•s[3] 氣為了保證砂輪在超高速運轉(zhuǎn)條件下承受巨大離心力而不破碎，砂輪結(jié)構(gòu)和形狀一般采用有限元方法進(jìn)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(yīng)力[7]。
(2)主軸系統(tǒng)
    超高速磨床的主軸最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)精度高、溫升小、空轉(zhuǎn)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(chǎn)品，其最高轉(zhuǎn)速為40000r/min ，驅(qū)動功率40kw , 轉(zhuǎn)速高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護(hù)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(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感。磁浮軸承的最高表面速度可達(dá)200m / s 。但磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負(fù)荷容量低，電磁測控系統(tǒng)復(fù)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(xiàn)及超導(dǎo)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制技術(shù)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有承載能力強(qiáng)和剛度大等優(yōu)點。但在超高速、高負(fù)荷條件下工作時需使用低粘度流體和高供液壓力，因此結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)雜現(xiàn)象，而且空載功率損耗大。東北大學(xué)研制的超高速磨削實驗機(jī)床主軸采用動靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)15000r / min �？諝忪o壓軸承具有高速回轉(zhuǎn)精度高，無振動，磨擦阻力小，經(jīng)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(shù)
    超高速回轉(zhuǎn)的砂輪動不平衡引起的振動會嚴(yán)重影響主軸系統(tǒng)的工作性能和磨削質(zhì)量。除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡外，還應(yīng)當(dāng)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(jī)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(dá)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(shù)
    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(jié)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(jié)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(xiàn)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(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行微米級進(jìn)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(zhuǎn)形成的氣流屏障阻礙了磨削液有效地進(jìn)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(xiàn)燒傷，嚴(yán)重影響零件的表面完整性和機(jī)械物理性能。因此，磨削液供給系統(tǒng)對提高和改善工件質(zhì)量、減少砂輪磨損至關(guān)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(nèi)冷卻法，徑向射流沖擊強(qiáng)化換熱法等。為提高供液效果，應(yīng)對供液系統(tǒng)參數(shù)包括供液壓力、流量、磨削液噴注位置、噴嘴結(jié)構(gòu)及尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，此外系統(tǒng)還需配有高效率油氣分離和吸排風(fēng)單元。
(6)超高速磨削進(jìn)給系統(tǒng)
    目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外都采用了直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動技術(shù)。使用高動態(tài)性能的直線電機(jī)結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，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(shù)控技術(shù)
    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(zhì)量。因此，在線智能監(jiān)測是保證超高速磨削加工質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素。利用磨削過程中產(chǎn)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(jìn)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(zhì)量的在線監(jiān)控技術(shù)也是高效率磨削的關(guān)鍵技術(shù)。
    CNC 超高速磨床，特別是快速點磨削機(jī)床，應(yīng)用連續(xù)軌跡技術(shù)，可實現(xiàn)成型曲面磨削、凸輪廓線和復(fù)雜曲面的磨削，并可實現(xiàn)聯(lián)機(jī)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(jìn)，另一方面也促進(jìn)了磨削數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。磨削數(shù)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(hù)技術(shù)
    超高速磨削砂輪動能很大，必須設(shè)置高強(qiáng)度半封閉或封閉的砂輪防護(hù)罩，罩內(nèi)最好敷設(shè)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(shù)
    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(shù)形式，具有高效率、高柔性、大批量生產(chǎn)及高質(zhì)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(jī)床及工具制造業(yè)、紡織及印刷機(jī)械制造業(yè)中得到應(yīng)用。應(yīng)用該工藝可以通過一次裝夾幾乎實現(xiàn)軸類件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生產(chǎn)率。我國部分汽車制造企業(yè)目前也引進(jìn)了這一工藝設(shè)備，并取得了明顯效益。由于國內(nèi)目前沒有開展系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究，不掌握其核心技術(shù)理論、工藝參數(shù)設(shè)計和編程技術(shù)，僅就單一零件加工由國外壟斷定制，全部工藝、設(shè)備和配套附件均依賴進(jìn)口。而國外由于技術(shù)壟斷，對快速點磨削的相關(guān)技術(shù)信息也鮮見報道。作為教育部重點科學(xué)技術(shù)研究課題，東北大學(xué)從2004 年開始對快速點磨削關(guān)鍵技術(shù)及磨削機(jī)理開展了基礎(chǔ)性的理論與實驗研究，并研制開發(fā)了實驗機(jī)床和點磨削超薄CBN 砂輪.  
    機(jī)床采用動靜壓主軸軸承，軸承工作壓力30MPa ，轉(zhuǎn)速達(dá)1500Or/min ，能夠?qū)崿F(xiàn)點磨變量角度。和刀在給定范圍內(nèi)變化，X－Z方向聯(lián)動進(jìn)給，冷卻系統(tǒng)供液壓力2MPa 。
3.1 快速點磨削的關(guān)鍵技術(shù)
點磨削加工凸輪軸
    數(shù)控快速點磨削集成了數(shù)控車削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技術(shù)，可實現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)α、β角度，以實現(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)來控制這兩個方向的角變量數(shù)值，以及在X 、Z 方向采用與CNC 車削相類似的兩軸聯(lián)動數(shù)控進(jìn)給，以實現(xiàn)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(dǎo)軌技術(shù)（圖) ，以增加阻尼和穩(wěn)定地實現(xiàn)微米級精確切人進(jìn)給。Z方向（縱向)進(jìn)給采用帶有預(yù)負(fù)載的滾珠絲杠和平面渾形涂層導(dǎo)軌。
(2) 快速點磨削采用金屬結(jié)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(diào)整和安裝均采用Junker 公司專利技術(shù)“三點定位安裝系統(tǒng)”快速完成，重復(fù)定位精度高，砂輪徑向跳動精度可控制在0.OO2mm 以內(nèi)，并可補(bǔ)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(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，保證加工質(zhì)量，在砂輪的每次修整和更換后都要進(jìn)行動平衡。Junker 公司的點磨機(jī)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(zhuǎn)在磨削區(qū)周圍產(chǎn)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(zhuǎn)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(dá)90－16Om/s 。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產(chǎn)生過大的離心力而發(fā)生破壞，工件也高速旋轉(zhuǎn)，并與砂輪轉(zhuǎn)向相同，通常在1000r / min 以上，最高可達(dá)12O00r /沒in 。因此接觸點處的實際磨削速度應(yīng)是砂輪和工件兩者線速度的疊加，可達(dá)200m/s 以上，以實現(xiàn)更高應(yīng)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(yīng)用中一般根據(jù)砂輪耐用度（加工工件的數(shù)量) 或磨損狀態(tài)（砂輪橫向磨損寬度是否達(dá)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(jī)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(jīng)鈍化的一層磨粒由金剛石滾輪切除，恢復(fù)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(dá)到使用壽命。一汽大眾汽車有限公司引進(jìn)快速點磨削技術(shù)磨削發(fā)動機(jī)凸輪軸軸徑，采用厚度為5mm 的金屬結(jié)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(jìn)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(zhuǎn)砂輪將磨削油甩成油霧，加工必須在封閉環(huán)境中自動進(jìn)行，并需配有吸排風(fēng)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(shù)的應(yīng)用效果
    快速點磨削的磨削溫度低，可實現(xiàn)少、無磨削液加工，能夠達(dá)到高精度磨削的表面質(zhì)量和加工精度；由于磨削力極小，用頂尖產(chǎn)生的摩擦力即可帶動工件，特別適合剛性較差的細(xì)長軸加工，可進(jìn)行包括工件兩端在內(nèi)的整體加工；快速點磨削砂輪使用壽命相當(dāng)長，最高磨削比可達(dá)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(chǎn)效率比普通磨削提高6 倍，機(jī)床利用率高達(dá)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(chǎn)中極高的質(zhì)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(chǎn)率。還可以實現(xiàn)車磨工序合并。我國汽車制造企業(yè)用快速點磨削技術(shù)加工凸輪軸，只需一臺機(jī)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(jié)語
    超高速磨削是先進(jìn)制造的前沿技術(shù)，在獲得高效率，高精度的同時，又能對各種材料和形狀進(jìn)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(dá)國家所重視，并已開始進(jìn)入實用化階段。隨著超硬磨料磨具的應(yīng)用和發(fā)展，高速大功率精密機(jī)床及數(shù)控技術(shù)、新型磨削液和砂輪修整等相關(guān)技術(shù)、以及磨削自動化和智能化等技術(shù)的發(fā)展，使超高速磨削和高效率磨削技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域具有更加重要的地位，發(fā)展前景廣闊。我國應(yīng)在現(xiàn)有條件下，大力加強(qiáng)各種新型超高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對提高我國機(jī)械制造業(yè)的加工水平具有十分重要的意義。