國內(nèi)外高速平面磨削發(fā)展比較

　　近年來，國際上高速磨削技術(shù)發(fā)展很快，除了把常規(guī)磨削的速度普遍提升以外，還推廣應(yīng)用了高效深切磨削的新工藝，這種方法是在提高砂輪線速度的同時，加大切入進給速度以提高金屬切除率的高效磨削方法。
高速磨削的優(yōu)點： 
　�。�1）可以大大提高磨削效率。由于高速磨削的切屑厚度減小，切削力降低，如果保持與普通磨削同樣的切屑厚度和切削力，則可極大地提高機床的進給量，從而提高磨削效率。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，磨削效率一般可以提高1~3倍。 
　　（2）提高加工工件的表面質(zhì)量：由于磨粒的切屑厚度減小，磨粒留在工件表面上的切痕深度減小，從而提高了工件表面的光潔度（降低了表面的粗糙度），一般可以提高1~3級。此外，切削力的降低有利于提高工件的尺寸精度。 
　�。�3）提高砂輪的耐用度：理論上由于切屑厚度減小，導(dǎo)致切削力大幅度降低，磨粒承受的負(fù)荷減小，因此，提高了磨粒的切削能力，也就提高了砂輪的耐用度。一般，砂輪壽命可以提高１倍左右。 
國外高速磨床制造和應(yīng)用概況 
　　高速磨削的歷史較長，早在上個世紀(jì)四十年代，國外就開始試驗高速磨削工藝，到五十年代初已將50m/s的高速磨削應(yīng)用于生產(chǎn)。據(jù)文獻介紹，1958年砂輪線速度已能達到60m/s。高速磨削從上世紀(jì)60年代以來得到較快的發(fā)展，各工業(yè)發(fā)達國家都積極采用高速磨削來提高磨削效率，美國諾頓砂輪制造公司60年代就制造出砂輪線速度超60m/s的高速砂輪，到70年代逐步提高到90m/s，80年代末已制造出最高線速度為120m/s的高速磨床。日本在上世紀(jì)60年代末首先在汽車和軸承行業(yè)采用高速磨床，到70年代中期已生產(chǎn)和應(yīng)用線速度達80m/s的高速磨床。80年代以后，隨著CBN砂輪的廣泛應(yīng)用，砂輪線速度更是達到150m/s。目前，磨床砂輪的線速度普遍采用60m/s以上的高速，最高的甚至達到250m/s。德國的高速磨床發(fā)展同樣迅速，該國的BLOHM公司、ELB公司等廠家均大力發(fā)展高速磨床，產(chǎn)品已比較成熟。其中，BLOHM的一臺高速平面和成形磨砂輪轉(zhuǎn)速達8,000r/min，且各軸向的速度也較高，X軸為40m/min、加速度為3m/s2。目前，CBN砂輪的線速度已達150~250m/s以上。在提高砂輪線速度的同時，還要提高工作臺的往復(fù)速度，如德國BLOHM公司開發(fā)的一種用于航空發(fā)動機新材料的先進磨削技術(shù)，其最大工作臺速度達到200m/min，最大工作臺加速度達到50m/s2，最大切削線速度170m/s，最大主軸轉(zhuǎn)速為11,000r/min。據(jù)稱這是國際上第一臺工作臺速度達到200m/min、加速度達50m/s2的平面磨床。該機已投入正常使用，應(yīng)用前景廣闊。斯來福臨公司在江蘇太倉的生產(chǎn)基地也生產(chǎn)高速磨床，線速度達到60m/s。德國的居林公司研究開發(fā)出把高速磨削和深切緩進給磨削結(jié)合在一起的高效深切磨削，成倍地提高磨削效率。德國阿亨大學(xué)對高速磨削有系統(tǒng)、深入的研究，最高的線速度達到500m/s的超高水平�？傮w說來，這些工業(yè)發(fā)達國家通用磨床上都普遍采用了60m/s的高速砂輪，并積極研究和推廣線速度超高的高速磨削。 
　　以立方氮化硼砂輪為代表的高速砂輪的廣泛應(yīng)用為高速磨削的發(fā)展創(chuàng)造了條件。上世紀(jì)80年代興起了一種稱為高效深切磨削的方法，這種方法把高速磨削和緩進給強力成形磨削結(jié)合在一起，采用了特別高的砂輪線速度，同時采用和緩進給磨削一樣的大切深，金屬去除率比普通磨削高100倍以上，甚至達到1,000倍。如德國居林公司采用CBN砂輪的高效深切磨削，金屬磨除率達到驚人的2kg/min。研究試驗表明，砂輪線速度達到150m/s時，工件的溫升和60m/s時是一樣的，采用超高速磨削時存在一個臨界溫度，一旦超過這個臨界溫度，線速度的提高不會導(dǎo)致溫升，還有利于在接觸區(qū)散發(fā)熱量，反而對工件沒有熱損傷。由于高效深切磨削有這個優(yōu)點，因此在國外應(yīng)用非常廣泛。 
　　近年來，隨著工程陶瓷、光學(xué)玻璃及半導(dǎo)體硅片等硬脆材料的應(yīng)用日益廣泛，在機械加工領(lǐng)域由于這類材料的高強度、高硬度和高脆性，給傳統(tǒng)的磨削工藝帶來了挑戰(zhàn)。由于磨削溫度高、磨削效率低，而且砂輪極易鈍化、堵塞而喪失其切削性能，所以此類材料加工成本非常高。而在此類材料的加工中，高速超高速磨削工藝被認(rèn)為是能夠獲得高去除率的經(jīng)濟有效的方法之一。砂輪速度的增加能夠減小單顆磨粒最大未變形切屑厚度，從而使磨削力減小及表面粗糙度下降，為提高材料的去除率提供了條件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程陶瓷領(lǐng)域的一系列的突破推動了相關(guān)新技術(shù)的快速發(fā)展，如長效耐磨的氮化硅陶瓷軸承被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域以減少摩擦、提高設(shè)備性能，再如汽車用陶瓷催化轉(zhuǎn)化器在減少汽車廢氣排放和空氣污染方面，起到了重要作用。因此，在需要耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和減輕質(zhì)量的情況下，陶瓷是首選材料，它具備了減少維護費用、延長了設(shè)備使用壽命、減少生產(chǎn)能耗、減少環(huán)境污染等一系列優(yōu)勢。然而，目前陶瓷與金屬相比使用范圍往往受到限制，主要原因是它具有相對較高的硬度和脆性，加工性能差，它在磨削過程中表面和亞表面區(qū)域內(nèi)易形成裂紋，從而影響了構(gòu)件的穩(wěn)定性。再如主軸軸承可采用陶瓷滾動軸承，陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(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。 
　　超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪，使用速度可達125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達250m/s，試驗中更是高達340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達200m/s。同其它類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易于修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝來獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率。由于陶瓷結(jié)合劑砂輪的結(jié)構(gòu)特點，使得修整后的容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況下可以不修銳。 
國內(nèi)磨床行業(yè)高速平磨發(fā)展概況 
　　中國的高速磨削起步不算太晚，上世紀(jì)７０年代初已開始研制高速磨床，取得了一些零星的成果。 
　　1974年磨床行業(yè)召開了一次全國高速磨削會議，會議決定在全國逐步推廣高速磨床并由磨床生產(chǎn)廠聯(lián)合設(shè)計高速磨床。1976年，磨床行業(yè)有關(guān)廠家在杭州機床廠集中進行聯(lián)合設(shè)計，設(shè)計出好幾款產(chǎn)品，其中M7132高速平磨指定由原石家莊第三機床廠生產(chǎn)，該機床的線速度也是60m/s。1978年，原石家莊第三機床廠按聯(lián)合設(shè)計圖紙生產(chǎn)了2臺高速平磨，同年在武漢機床展覽會上展出并獲得好評，但可惜未能進行銷售。此后，全國國民經(jīng)濟進入調(diào)整時期，機床行業(yè)受到?jīng)_擊，這2臺高速磨床始終未進行銷售，致使高速磨床的發(fā)展和推廣受挫。由于沒有市場需求的動力，高速平磨在10余年間停步不前。 
　　直到90年代，高速平磨的研發(fā)才進入新一輪的發(fā)展期。1992年，貴州遵義長征第八電器廠因需要加工一種高初磁導(dǎo)率玻莫合金（IJ 50）的材料，這種材料采用線速度35m/s的常規(guī)平磨，精度和表面粗糙度始終達不到技術(shù)要求，但采用高速磨削工件能達到要求。在此情況下，該單位要求杭機提供一臺高速磨床。于是，在MM7132A精密平磨的基礎(chǔ)上為該單位改裝了1臺高速平磨，砂輪線速度達到60m/s以上，使用情況較好，獲得了較好的經(jīng)濟效益。2005年，高速磨床的生產(chǎn)逐步由改裝的專機產(chǎn)品轉(zhuǎn)為正規(guī)產(chǎn)品，定型號為MMS7132。但許多用戶往往為了節(jié)省設(shè)備購置費用，寧愿購買普通機床再進行改裝。 
　　值得一提的是2002年左右曾設(shè)計并試驗成功HZ-74/1和MKS7130兩臺超高速平磨，這兩臺機床是杭機以與湖南大學(xué)合作的性質(zhì)開發(fā)的，砂輪最高線速度前者為120m/s，后者更高達314m/s。機床在湖南大學(xué)做超高速磨削的試驗時，技術(shù)人員在超高速平磨上對45#鋼、不銹鋼、工具鋼、軸承鋼、陶瓷等材料進行了磨削試驗，特別是對硬脆難加工的氧化鋯PSZ、氮化硅、氧化鋁等材料進行高效深切磨削，都達到了比較理想的磨削效果。機床用CBN砂輪磨削陶瓷材料也取得較好的效果�？梢哉f，這是中國在超高速磨削領(lǐng)域取得的最好成積，說明我們在此領(lǐng)域也是可以有所作為的。 
　　但總的說來，國內(nèi)高速磨床的制造和應(yīng)用仍處于不慍不火的狀態(tài)，高速磨床的應(yīng)用至今僅局限在電子等少數(shù)行業(yè)，未能得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。在高速和超高速磨削研究領(lǐng)域，中國湖南大學(xué)高效磨削研究所作了有益的嘗試，取得了一些成果。 
中國高速平磨與國際先進水平的差距 
　　首先，常規(guī)平磨砂輪線速度和工作臺往復(fù)速度與國外水平相比有較大的差距。線速度一般都在35m/s以下，砂輪多采用普通的剛玉砂輪、碳化硅砂輪，CBN、金剛石砂輪的應(yīng)用較少。國外平磨砂輪速度45m/s以上十分普遍，甚至60m/s的線速度也成為機床的常規(guī)速度。 

　　其二，高速磨床的產(chǎn)量很少，應(yīng)用不普及，到目前為止，磨床行業(yè)只有MMS7132A一種型號和規(guī)格，最高線速度60m/s。機床是在MM7132A精密平磨基礎(chǔ)上改制，加大磨頭電機的功率，采用變頻裝置提高轉(zhuǎn)速。加厚了砂輪防護罩殼，并提高了工作臺的往復(fù)速度（35m/min），加大了冷卻液流量。砂輪選用高速砂輪。由于用戶較少，機床批量不大，多年來只是少量生產(chǎn)，在整個產(chǎn)品產(chǎn)量中占比很少。 
　　在超高速磨削領(lǐng)域，雖已作了有益的嘗試，但總的說來，在基礎(chǔ)研究方面投入不足，在高速和超高速磨削領(lǐng)域缺乏深入研究，尚未確立自主開發(fā)研究高速磨床的計劃。到目前為止，也沒有為用戶提供超高速的高效深切成形磨床產(chǎn)品，當(dāng)然這類磨床產(chǎn)品缺乏強力的市場支撐也是一個原因。對CBN磨料等先進磨料應(yīng)用以及對超硬非金屬材料的磨削試驗等研究也很少，不能為用戶提供強有力的技術(shù)支撐。在產(chǎn)學(xué)研方面嚴(yán)重脫節(jié)，有的只是為了爭取項目而已。產(chǎn)學(xué)研之間配合不夠，各顧各的利益和興趣，導(dǎo)致成果的產(chǎn)業(yè)化率低下。 
發(fā)展高速平磨若干建議 
　�。�1）在產(chǎn)品銷售差異化策略下，適當(dāng)提高有代表性的常規(guī)磨床產(chǎn)品的砂輪線速度，把線速度普遍提高到45m/s，以提高磨削效率。換句話說，就是發(fā)展一些準(zhǔn)高速磨床，在這些機床上使用一些CBN高效磨料砂輪。當(dāng)然，機床的價格也應(yīng)適當(dāng)提高。這些機床可以在特定的行業(yè)推廣。通過提高砂輪轉(zhuǎn)速的方法達到提高生產(chǎn)效率的目的，這肯定會受到用戶的歡迎。事實上，隨著國內(nèi)高速砂輪磨料的技術(shù)進步，高速砂輪的應(yīng)用可以得到逐步擴大，完全可以普遍提高常規(guī)磨床的砂輪線速度，當(dāng)然需要通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實施來加以推廣。 
　　（2）在“十二五”期間，對高速磨床尤其是高效深切成形磨床的生產(chǎn)有所安排和規(guī)劃，確定一些先天條件較好的機床為基型機床，開發(fā)高速磨床。 
　　（3）培育高速磨床的用戶群，在最需要實現(xiàn)高效率磨削的模具等行業(yè)尋找用戶，積極推廣高速磨削工藝。逐步讓用戶體驗到采用高速磨削給他們帶來的好處，在選購機床設(shè)備時就會自覺地購買高速磨床。 
　�。�4）進行深入的高速磨削研究，在超高速磨削領(lǐng)域也應(yīng)適時介入。可以預(yù)見，誰在超高速磨削領(lǐng)域取得研究成果，誰就能在高效深切磨削機床的開發(fā)方面取得主動權(quán)。目前基礎(chǔ)技術(shù)研究仍是薄弱的環(huán)節(jié)，加強對新技術(shù)的研究、新工藝的探索具有十分重要的意義。試驗工作應(yīng)納入正規(guī)管理，有計劃、有經(jīng)費、有目標(biāo)，確保每年出成果。 
　�。�5）開展深度的產(chǎn)學(xué)研技術(shù)合作，在國內(nèi)建立合適的合作伙伴和創(chuàng)業(yè)群，通過各種渠道在國家、省、市層級列項，把高速和超高速磨削項目列入計劃，爭取獲得政府的財政支持。 

　�。�6）通過展覽會等各種載體，對高速磨削機床進行廣泛宣傳推廣，有意識地培育典型用戶群。 
　�。�7）向全國機床標(biāo)準(zhǔn)委員會提議，把高速和超高速磨床的標(biāo)準(zhǔn)制定列為標(biāo)準(zhǔn)化工作內(nèi)容。同時應(yīng)開展進一步的調(diào)研，如陶瓷加工行業(yè)的需求以及超高速磨床等，以引領(lǐng)國內(nèi)的市場。