高速超高速磨削技术发展与关键技术

* 国家自然科学基金资助项目（编号:50475052） 教育部科学技术研究重点项目（编号:104190）

高校博士学科点专项科研基金资助项目（编号:20040145001）高速超高速磨削技术发展与关键技术*

青岛理工大学 机械工程学院 ( 266033) 李长河

东北大学 机械工程与自动化学院 (110004) 修世超 蔡光起

摘 要 论述了高速超高速磨削加工技术的发展、特点以及关键技术。 关键词 高速超高速 磨粒加工 关键技术

1 高速/超高速磨削技术发展

超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。德国著名磨削专家T.Tawakoli 博士将超高速磨削誉为“现代磨削技术的最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。在1996年国际生产工程学会（CIRP ）年会上超高速磨削技术被正式确定为面向21世纪的中心研究方向之一，是当今在磨削领域最为引人注目的技术。

高速加工(High-speed Machining)和超高速加工（Ultra-High Speed Machining ）的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon 博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon 曲线，创造性地预言了超越Talor 切削方程式的非切削工作区域的存在，提出如能够大幅度提高切削速度，就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。

通常将砂轮线速度大于45 m/s 的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150 m/s 的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。

欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早， 最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速 磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达

到210～230 m/s 。20世纪70年代，超高速磨削开始采用CBN 砂轮。1973年9月意大利的Famir 公司在西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120 m/s 的RFT-C120/50R 型磨轴承内套圈外沟的高速实用化磨床。1979年德国Bremen 大学的P.G .Werner 教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1983年德国Bremen 大学出资由德国Guhring Automation 公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60 kW ，转速为10 000 r/min ，砂轮直径为φ400 mm ，砂轮圆周速度达到了209 m/s 。德国Guhring Automation 公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140～160 m/s 的CBN 磨床，并正在试制线速度达180 m/s 的样机。德国Aachen 大学、Bremen 大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，其方法是用高线速度、深切入、快进给进行磨削，可得到高效率、高质量的磨削效果。据Aachen 工业大学实验室的Koeing 和Ferlemann 宣称，该实验室已经采用了圆周速度达到500 m/s 的超高速砂轮，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。另外Braunschweig 大学、Berlin 工业大学等也在进行此方面的研究。

瑞士Studer 公司开发的CBN 砂轮磨削线速度在60 m/s 以上，并向120～130 m/s 方向发展。S40 CBN 砂轮磨床，在125 m/s 时高速磨削性能发挥最为充分，即使在500 m/s 也能照常工作。目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行线速度为280m/s 的磨削试验。德国Kapp 公司很早就对超高速磨床的研制进行过尝试，目前该公司制造的高效深磨用超高速磨床利用线速度300 m/s 的砂轮在60 s 内对有10个沟槽的成组转子毛坯完成一次磨削成

形，砂轮寿命可完成转子加工1300个，宽度精度为2µm 。Schaudt公司以生产凸轮磨床、外圆磨床为主，曾在改装的T3型磨床上进行了超高速磨削试验。Naxas Union公司为其高速磨床研制出变厚度CBN砂轮。Song Machinery公司也相继开发并推出了各类高速磨床。

美国在20世纪60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1967年诺顿公司在市场上出售线速度为61m/s的砂轮和磨床。到20世纪70年代初，60m/s 的磨床已有相当数量，70m/s、80m/s乃至90m/s 的磨床也相继出现。辛辛那提-米拉克隆公司到1969年已生产了100多台高速磨床，其中有80 m/s 的无心磨床。本迪克斯公司1970年生产了91m/s 的切入式高速磨床，在70s内就可以从汽车轴的六个面上磨掉1磅重(约454g)的金属。1971年，美国Carnegie-Mellon大学制造了一种无中心孔的钢质轮，在其周边上镶有砂瓦，其试验速度可达185 m/s，工作速度125m/s，用于磨削和切断不锈钢锭，也可用于外圆磨削。1993年，美国的Edgetek Machine 公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203m/s，用以加工淬硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250 m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin 等人，以149m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的地貌和磨削机理。

目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用CBN砂轮。可实现以160m/s的速度、75mm3/mm·s 的磨除率，对高温合金Incone l718进行高效磨削，加工后R a1～2µm，尺寸公差±13 mm。另外采用直径Φ400mm的陶瓷CBN砂轮，以150～200 m/s的速度磨削，可达到R a0.8µm，尺寸公差±2.5～5 mm。美国高速磨削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。传统的方法是采用多工序磨削，而高速磨削试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高质量的氮化硅陶瓷零件。

日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。它的磨除效率普遍地维持在60 mm3/mm·s以下，这是与欧洲超高速磨削高效深磨工艺的显著差别。日本在20世纪70年代中期，不少工厂生产45m/s和60 m/s的磨床，如日平产业公司生产了5R16×36型曲柄销高速磨床(60m/s)，三井精机于1972年生产了80m/s的高速磨床，切入成型磨铸铁工件，加工时间仅为59s。1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s。1990年10月底在第五届“日本国际机床展览会”上，日本推出了120m/s 的高速磨床。之后，开始开发160m/s以上的超高速磨床。1993年前后，使用单颗粒金刚石进行了250m/s的超高速磨削试验研究。1994年用使用铍（Be）芯金刚石砂轮进行了超高速磨削研究。1996年日本又推出了125 m/s CBN砂轮平面磨床。

日本在超高速磨削领域处于领先地位，丰田工机在其开发的G250型CNC超高速外圆磨床上装备了其最新研制的Toyoda Stat Bearing轴承，使用砂轮圆周速度200 m/s的陶瓷结合剂CBN砂轮，对回转类零件进行高效高精度柔性加工。日本的三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用CBN砂轮的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷结合剂CBN砂轮圆周速度达到了200m/s。日本广泛地用CBN砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化。至2000年，日本已进行500m/s 的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为V S+V W的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。

我国高速磨削起步较晚，1958年开始推广高速磨削技术，当时第一汽车厂、第一砂轮厂、第二砂轮厂等相继试制成功50 m/s高速砂轮，并进行了磨削试验。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50 m/s高速磨削试验，在机床改装和工艺等方面获得一定成果。1974年在洛阳召开了全国性高速磨削经验交流和推广会议。在这期间，华中工学院、郑州磨料磨具磨削研究所等先后进行了50～60 m/s的磨削试验，湖南大学进行了60～80m/s高速磨削试验。1975年10月，河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速