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超高速磨削技術(shù)的發(fā)展

2008-5-13 16:37:21
來源：中華機(jī)械網(wǎng)
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本文闡述了超高速磨削技術(shù)的發(fā)展過程與優(yōu)勢，同時(shí)還介紹了它的一些關(guān)鍵技術(shù)，諸如超硬磨料砂輪、超高速磨床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)等。

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(zhì)量，是當(dāng)今磨削技術(shù)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(jì)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(dāng)時(shí)砂輪回轉(zhuǎn)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(yīng)用，并對磨削機(jī)理進(jìn)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(gè)區(qū)間出現(xiàn)陡降，這一趨勢隨著磨除率的進(jìn)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(chǎn)生熱損傷的磨削用量區(qū)之后，磨削用量的進(jìn)一步增大，不僅不會(huì)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(chǔ)。

超高速磨削雖未規(guī)定嚴(yán)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(shí)間內(nèi)參予切削的磨粒數(shù)愈多，磨除的磨屑增多，且工件進(jìn)給速度應(yīng)與砂輪線速度的1.13次方成比例，故超高速磨削會(huì)使磨削效率大幅提高。與此相應(yīng)，超高速磨削時(shí)單個(gè)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磨削力不變時(shí)，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(shí)磨屑厚度變薄，在磨削效率不變的條件下，法向磨削力會(huì)隨Vs的增高而顯著減少（Vs為200m/s時(shí)的法向磨削力僅為80m/s時(shí)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(yuǎn)高於工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)引起共振。其共同結(jié)果是促使磨削精度提高。
工件表面質(zhì)量好

實(shí)驗(yàn)表明，在其它條件一定時(shí)，當(dāng)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(yīng)力層的深度也隨之變小。

此外，超高速磨削還可實(shí)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(dá)國家都在競相發(fā)展，其中尤以德、日、美發(fā)展較快。據(jù)報(bào)道，德國Aachen工業(yè)大學(xué)已完成砂輪線速度Vs=400m/s的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)正進(jìn)行目標(biāo)為500m/s的實(shí)驗(yàn)，德國Gruhring Automation、Schandt、Kapp等公司都相繼推出了超高速磨床。日本在實(shí)用磨削方面富有成效，豐田工機(jī)等公司生產(chǎn)的Vs=200m/s的超高速磨床已付諸工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。美國Edgetek Machine公司生產(chǎn)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(xué)展出了數(shù)控高速凸輪磨床CNC8312，其CBN砂輪線速度可達(dá)120m/s。

圖1所示為日本豐田工機(jī)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(dá)200m/s。當(dāng)它使用陶瓷結(jié)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(shí)，工件轉(zhuǎn)數(shù)1000r/min，加工余量△=0.125mm。所得到的加工結(jié)果是：加工時(shí)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(shí)間和工件圓度誤差都減少了一半還多。

緩進(jìn)給磨削是以大切深和低的工作進(jìn)給速度為特征，而所謂高效深磨(High Efficiency Deep Grinding)，則是把高轉(zhuǎn)速的CBN砂輪應(yīng)用於高切除率的緩進(jìn)給磨削，從而產(chǎn)生了集高的砂輪速度
(Vs=80~250m/s)、快的工作進(jìn)給速度(0.5~10m/min)和大切深(0.1~30mm)於一體的高效深磨技術(shù)。其磨除率極高，特別適於進(jìn)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(dòng)式，工作臺(tái)作縱向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度0.03~25m/min，三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服機(jī)、滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)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(jìn)行高效深磨。

超高速磨削的若干關(guān)鍵技術(shù)

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(guān)鍵技術(shù)也離不開磨床、砂輪、磨削工藝和磨削液。

超高速磨削機(jī)理及工藝的研究

國內(nèi)外對超高速磨削機(jī)理的研究尚不全面，有待進(jìn)一步揭示各種磨削過程和磨削現(xiàn)象的本質(zhì)，同時(shí)還要進(jìn)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(yīng)建立超高速磨削數(shù)據(jù)庫，以加速其應(yīng)用步伐。用計(jì)算機(jī)對磨削過程進(jìn)行仿真，有助於進(jìn)行上述研究，虛擬磨床可以建立一個(gè)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(jié)一層或多層超硬磨料，故又進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度合金鋼，正尋求高強(qiáng)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(fù)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(shè)計(jì)也至關(guān)重要。

多層可修整超硬砂輪有樹脂、金屬、陶瓷三種結(jié)合劑。其中陶瓷結(jié)合劑砂輪具有多孔性，且結(jié)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(jié)合劑CBN砂輪，可以通過人為誘發(fā)的孔隙來增強(qiáng)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(zhì)材料。故在超高速磨削中陶瓷結(jié)合劑的超硬磨料砂輪用得較多。

樹脂結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的修整比較困難，整形和修銳需分別進(jìn)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(diǎn)，日本人十幾年前開發(fā)的適合金屬結(jié)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(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於實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(fù)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(yīng)用于超高速精磨和成形磨削中。焊砂輪磨料與基體的結(jié)合強(qiáng)度特別高，磨粒裸露高度達(dá)到60~70%，故容屑空間大且磨粒能獲得更鋒利的形貌，據(jù)報(bào)道國外焊砂輪的線速度可達(dá)500m/s。

超高速磨床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)

超高速磨床的總體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)大件要有很高的動(dòng)、靜剛度，通常采用有限元法進(jìn)行分析和優(yōu)化，機(jī)床的安全防護(hù)也很重要，但最關(guān)鍵還是主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)。

主軸系統(tǒng)

提高砂輪線速度主要是提高砂輪轉(zhuǎn)速，超高速磨床的主軸最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(dòng)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(jià)格昂貴和有發(fā)熱、漏磁問題，目前尚較少采用。高速回轉(zhuǎn)的砂輪軸和砂輪一起，其動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響磨削質(zhì)量，除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡外，還應(yīng)當(dāng)在機(jī)床進(jìn)行磨削的過程中實(shí)施連續(xù)的自動(dòng)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。