國內外高速平面磨削發(fā)展比較

　　近年來，國際上高速磨削技術發(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。據有關數據統(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，導致切削力大幅度降低，磨粒承受的負荷減小，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用概況 
　　高速磨削的歷史較長，早在上個世紀四十年代，國外就開始試驗高速磨削工藝，到五十年代初已將50m/s的高速磨削應用于生產。據文獻介紹，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年代中期已生產和應用線速度達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，產品已比較成熟。其中，BLOHM的一臺高速平面和成形磨砂輪轉速達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，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，最大主軸轉速為11,000r/min。據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，應用前景廣闊。斯來福臨公司在江蘇太倉的生產基地也生產高速磨床，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用為高速磨削的發(fā)展創(chuàng)造了條件。上世紀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，因此在國外應用非常廣泛。 
　　近年來，隨著工程陶瓷、光學玻璃及半導體硅片等硬脆材料的應用日益廣泛，在機械加工領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為是能夠獲得高去除率的經濟有效的方法之一。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。隨著科學技術的發(fā)展，工程陶瓷領域的一系列的突破推動了相關新技術的快速發(fā)展，如長效耐磨的氮化硅陶瓷軸承被廣泛應用于各工業(yè)領域以減少摩擦、提高設備性能，再如汽車用陶瓷催化轉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、延長了設備使用壽命、減少生產能耗、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)域內易形成裂紋，從而影響了構件的穩(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，對拉伸應力和缺口應力較敏感。 
　　超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結合劑等。樹脂結合劑的剛玉、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，陶瓷結合劑砂輪易于修整。與高密度的樹脂和金屬結合劑砂輪相比，陶瓷結合劑砂輪可以通過變化生產工藝來獲得大范圍的氣孔率。特殊結構擁有40%的氣孔率。由于陶瓷結合劑砂輪的結構特點，使得修整后的容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應用情況下可以不修銳。 
國內磨床行業(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廠聯合設計高速磨床。1976年，磨床行業(yè)有關廠家在杭州機床廠集中進行聯合設計，設計出好幾款產品，其中M7132高速平磨指定由原石家莊第三機床廠生產，該機床的線速度也是60m/s。1978年，原石家莊第三機床廠按聯合設計圖紙生產了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，全國國民經濟進入調整時期，機床行業(yè)受到沖擊，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，獲得了較好的經濟效益。2005年，高速磨床的生產逐步由改裝的專機產品轉為正規(guī)產品，定型號為MMS7132。但許多用戶往往為了節(jié)省設備購置費用，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合作的性質開發(fā)的，砂輪最高線速度前者為120m/s，后者更高達314m/s。機床在湖南大學做超高速磨削的試驗時，技術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域取得的最好成積，說明我們在此領域也是可以有所作為的。 
　　但總的說來，國內高速磨床的制造和應用仍處于不慍不火的狀態(tài)，高速磨床的應用至今僅局限在電子等少數行業(yè)，未能得到大規(guī)模的推廣應用。在高速和超高速磨削研究領域，中國湖南大學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，高速磨床的產量很少，應用不普及，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精密平磨基礎上改制，加大磨頭電機的功率，采用變頻裝置提高轉速。加厚了砂輪防護罩殼，并提高了工作臺的往復速度（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，在整個產品產量中占比很少。 
　　在超高速磨削領域，雖已作了有益的嘗試，但總的說來，在基礎研究方面投入不足，在高速和超高速磨削領域缺乏深入研究，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品，當然這類磨床產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支撐。在產學研方面嚴重脫節(jié)，有的只是為了爭取項目而已。產學研之間配合不夠，各顧各的利益和興趣，導致成果的產業(yè)化率低下。 
發(fā)展高速平磨若干建議 
　�。�1）在產品銷售差異化策略下，適當提高有代表性的常規(guī)磨床產品的砂輪線速度，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)展一些準高速磨床，在這些機床上使用一些CBN高效磨料砂輪。當然，機床的價格也應適當提高。這些機床可以在特定的行業(yè)推廣。通過提高砂輪轉速的方法達到提高生產效率的目的，這肯定會受到用戶的歡迎。事實上，隨著國內高速砂輪磨料的技術進步，高速砂輪的應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，當然需要通過行業(yè)標準的實施來加以推廣。 
　�。�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，在超高速磨削領域也應適時介入�？梢灶A見，誰在超高速磨削領域取得研究成果，誰就能在高效深切磨削機床的開發(fā)方面取得主動權。目前基礎技術研究仍是薄弱的環(huán)節(jié)，加強對新技術的研究、新工藝的探索具有十分重要的意義。試驗工作應納入正規(guī)管理，有計劃、有經費、有目標，確保每年出成果。 
　�。�5）開展深度的產學研技術合作，在國內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）向全國機床標準委員會提議，把高速和超高速磨床的標準制定列為標準化工作內容。同時應開展進一步的調研，如陶瓷加工行業(yè)的需求以及超高速磨床等，以引領國內的市場。