超高速磨削及其砂轮技术发展

超高速磨削及其砂轮技术发展1

李长河1，蔡光起2

1 青岛理工大学机械工程学院，山东青岛（266033）

2东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳（110004）

E-mail：sy_lichanghe@

摘要：高速超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分，集粗精加工与一身，达到可与车、铣和刨削等切削加工方法相媲美的金属磨除率，而且能实现对难磨材料的高性能加工。本文主要论述了高速超高速磨削工艺技术的特点；分析了超高速砂轮用电镀或涂层超硬磨料（CBN、金刚石）的特点以及修整方法，介绍了在高速及超高磨床上得到广泛应用的德国Hofmann公司生产的砂轮液体式自动平衡装置。

关键词：超高速磨削，砂轮，关键技术

1. 超高速磨削的特点

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[1]。

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45m/s的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削。砂轮周速提高后，在单位宽度金属磨除率一定的条件下，单位时间内作用的磨粒数大大增加；如进给量与普通磨削相同，则每颗磨粒的切削厚度变薄、负荷减轻。因此高速与超高速磨削有以下特点[2]：

1.1生产效率高。

由于单位时间内作用的磨粒数增加，使材料磨除率成倍增加，最高可达2000mm3/mm⋅s，比普通磨削可提高30%~100%。实验表明，200m/s超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比80m/s磨削提高150％，而340m/s时比180m/s时提高200％。采用CBN砂轮进行超高速磨削，砂轮线速度由80m/s提高至300m/s时，比金属切除率由50mm3/mm·s提高至1000mm3/mm·s，因而可使磨削效率显著提高

1.2砂轮使用寿命长

1本课题得到国家自然科学基金资助项目（50475052）和教育部科学技术研究重大项目（104190）的资助。

由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。磨削力一定时，200m/s磨削砂轮的寿命是80m/s磨削的两倍；磨削效率一定时，200m/s磨削砂轮的寿命则是80m/s磨削的7.8倍。这非常有利于实现磨削自动化；

1.3磨削表面粗糙度值低

超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙度数值降低；同时由于超高速磨削材料的极高应变率（可达10-4~10-6s-1），磨屑在绝热剪切状态下形成，材料去除机制发生转变，因此可实现对脆性和难加工材料的高性能加工；

1.4磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高

由于切削厚度小，法向磨削力F n相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。在切深相同时，磨削速度250 m/s磨削时的磨削力比磨削速度180m/s时磨削力降低近一倍；

1.5磨削温度低

超高速磨削中磨削热传入工件的比率减小，使工件表面磨削温度降低，能越过容易发生热损伤的区域，受力受热变质层减薄，具有更好的表面完整性。使用CBN砂轮200m/s超高速磨削钢件的表面残余应力层深度不足10µm。从而极大地扩展了磨削工艺参数地应用范围。

1.6充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能

电镀和钎焊单层超硬磨料砂轮是超高速磨削首选的磨具。特别是高温钎焊金属结合剂砂轮，磨削力及温度更低，是目前超高速磨削新型砂轮。

1.7具有巨大的经济效应和社会效应，并具有广阔的绿色特性

高速超高速磨削加工能有效地缩短加工时间，提高劳动生产率，减少能源的消耗和噪声的污染。在高速超高速情况下磨床主轴作高速运转，激振频率已远离“机床-工件-刀具”工艺系统的固有频率，从而减小了工艺系统的振动，减少了噪声污染。在高速超高速磨削加工中，砂轮磨损减小，使用寿命长，使加工成本降低，资源得到有效利用。由于超高速磨削效率高，可取消或替代刨、铣、车加工，从而减少了加工工序、设备和人员的投入，减少了资源、能源和人员的消耗，实现制造工艺的绿色特性。因超高速磨削热的70%被磨屑所带走，所以加工表面的温度相对低，所需磨削液的流量和压力可相对减少，使冷却液的需求量减少，能量需求减少，污染减少[3]。

2. 超高速磨削砂轮

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。

砂轮基体应避免残余应力，在运行过程中的伸长应最小。通过计算砂轮切向和法向应力，发现最大应力发生在砂轮基体内径的切线方向，这个应力不应超出砂轮基体材料的强度极限。为了保证砂轮在超高速运转条件下承受巨大离心力而不破碎，一般采用有限元方法进行分析和优化，砂轮回转时所承受的径向和切向应力应尽可能相等，据此找出最佳基体轮廓，优化后的砂轮基体没有单独的大法兰孔，而是代之以多个小螺孔，以充分降低大法兰孔附近