超高速磨削加工的关键技术及其装备开发

１引言

为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。

２超高速磨削技术

超高速磨削（Ｖｓ≥１５０ｍ／ｓ）是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为“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。国际生产工程学会（ＣＩＲＰ）将超高速磨削技术确定为面向２１世纪的中心研究方向之一。东北大学自上世纪８０年代开始一直跟踪高速／超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国第一台额定功率５５ｋＷ、最高砂轮线速度达２５０ｍ／ｓ的超高速试验磨床，进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀ＣＢＮ超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、超高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的高效深磨研究、超高速单颗磨粒ＣＢＮ磨削试验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数的研究等，部分研究成果达到国际先进水平。

２．１超高速磨削技术特点

（１）大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；（２）磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；（３）砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；（４）实现对难加工材料的磨削加工。

超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钛合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性的材料也可获得良好的磨削效果［１、２］。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过２００ｍ／ｓ（纯铝静态应力波速度）时，工件表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改善。因为加载速度提高使得塑性应变点后移，增加了材料在弹性小变形阶段被去除的机率。因此塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工的临界点。

超高速磨削加工的关键技术及其装备开发

蔡光起修世超

（东北大学机械工程与自动化学院沈阳，１１０００４）

摘要：介绍了超高速磨削和快速点磨削的关键技术及国内外发展现状，以及东北大学在这一技术领域的研究成果，提出了跟踪国际先进超高速磨削加工技术，提高我国制造技术水平的途径和策略。

关键词：超高速磨削ＣＮＣ快速点磨削

Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇ

ＣａｉＧｕａｎｇｑｉＸｉｕＳｈｉｃｈａｏ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇａｎｄｑｕｉｃｋ－ｐｏｉｎｔｇｒｉｎｄｉｎｇｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｗｅｒｅａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏａｂｓｏｒｂｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｎｄｐｒｏｍｏｔｅｏｕｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇ，ＣＮＣ，Ｑｕｉｃｋ－ｐｏｉｎｔｇｒｉｎｄｉｎｇ

２．２超高速磨削关键技术

（１）超高速磨削砂轮

超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。目前，工业生产中广泛采用陶瓷结合剂、金属结合剂ＣＢＮ砂轮和单层电镀ＣＢＮ砂轮，使用速度可达２００ｍ／ｓ以上，基体材料常用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量／密度比高、热膨胀系数低的ＣＦＲＰ复合材料ＣＢＮ砂轮。日本在４００ｍ／ｓ的超高速磨床上，采用ＣＦＲＰ为基体、直径２５０ｍｍ的陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮，已实现３００ｍ／ｓ的磨削试验。美国Ｎｏｒｔｏｎ公司借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度超过１５５３Ｎ／ｍｍ２，并获得更大的磨粒突出高度和更理想的砂轮形貌。高温钎焊单层超硬磨料砂轮的磨料与基体的结合强度更高，磨粒裸露高度达到６０％～７０％，有更锋利的形貌。据报道，国外钎焊砂轮的线速度可达５００ｍ／ｓ。单层电镀超硬磨料砂轮和（高温）钎焊超硬磨料砂轮无需修整，且使用寿命长。东北大学研制的超高速磨削单层电镀ＣＢＮ砂轮已成功应用于超高速磨削实验。

ＳＧ磨料不仅具有高的硬度，还具有良好的韧性。它的加工能力介于刚玉和ＣＢＮ磨粒之间。由于ＳＧ磨粒在磨削加工中微刃能发生自锐，所以磨削力和磨削区热量明显降低，减少了砂轮磨损，从而提高了材料去除率和砂轮修整间隔时间。ＳＧ磨粒和ＣＢＮ磨粒相比不仅成本低，而且对机床没有特殊的要求，砂轮的修整也和普通砂轮的修整方法相同。在１２５ｍ／ｓ磨削回火钢的试验中材料去除率已达１００ｍｍ３／ｍｍ・ｓ［３］。

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，砂轮结构和形状一般采用有限元方法进行分析和优化，寻求最佳基体轮廓，以充分降低砂轮基盘敏感位置的应力［７］。

（２）主轴系统

超高速磨床的主轴最高转速在１００００ｒ／ｍｉｎ以上，传递的磨削功率常为几十千瓦，故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、空转功耗低。近年来，超高速磨床越来越多地使用电主轴。在第１９届ＪＩＭＴＯＦ展览会上，展出的超高速主轴基本上在１００００～２５０００ｒ／ｍｉｎ之间。目前瑞士的Ｆｉｓｈｅｒ公司的电主轴产品，其最高转速为４００００ｒ／ｍｉｎ，驱动功率４０ｋＷ，转速高达２０００００ｒ／ｍｉｎ和２５０００００ｒ／ｍｉｎ的实用高速电主轴也在研究开发中。

超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。目前主要采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承等。陶瓷滚动轴承采用性能优越的热压Ｓｉ３Ｎ４陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具有ｄｍ．ｎ值高（≥２．７×１０６），标准化程度高，便于维护的优点。用其组装的超高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等优点。其缺点是制造难度大、成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达２００ｍ／ｓ。但磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，电磁测控系统复杂且价格昂贵，且有发热、漏磁问题。随着新型磁性材料的出现及超导技术、传感技术和控制技术的发展，磁浮轴承可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。液体动静压轴承具有径向和轴向跳动误差小，阻尼特性好、功率大、动态特性好、在全转速范围内具有承载能力强和刚度大等优点。但在超高速、高负荷条件下工作时需使用低粘度流体和高供液压力，因此结构设计必须考虑其紊流、流体惯性和压缩性、温度粘度变化以及空穴等复杂现象，而且空载功率损耗大。东北大学研制的超高速磨削实验机床主轴采用动静压轴承，转速达１５０００ｒ／ｍｉｎ。空气静压轴承具有高速回转精度高，无振动，磨擦阻力小，经久耐用等特点，主要用于高速轻载和超精密的主轴系统中。

（３）超高速磨削砂轮的自动平衡技术

超高速回转的砂轮动不平衡引起的振动会严重影响主轴系统的工作性能和磨削质量。除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在磨削的过程中实施在线自动平衡。砂轮自动平衡系统一般由电子传感及控制系统和平衡头组成。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式、气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上的重要组成部分。美国、日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。

（４）砂轮修整技术

超硬磨料砂轮的修整特别是在线修整迄今仍是研究的热点。电解修整（ＥＬＩＤ）法适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修整，激光修整法不仅便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，而且热影响区小、砂轮修整损耗小和易于实现自动化，修整效率也高，有很好的发展前景。目前对ＣＢＮ砂轮的修整广泛采用接触在线修整法，借助传感系统控制砂轮和修整工具（一般为修整滚轮）的接触，然后通过进