超高速磨削技术

高速/超高速磨削技术

摘要：超高速点磨削是一种先进的高速磨削技术，它集成了高速磨削、CBN 超硬磨料及CNC 车削技术，具有优良的加工性能。对国内外高速磨削技术发展的作了比较详细的介绍，重点论述和分析了超高速点磨削的技术特征、关键技术和在汽车制造中的应用，最后分析了我国汽车工业发展超高速点磨削技术的必要性。

关键词: 超高速点磨削; 技术特征; 关键技术; 汽车工业

Abstract: Super-highspeed point-grinding is an advanced manufacture technology that hasintegrated high speed grinding，thin super-abrasive wheel and CNC turning technologies，and has m any excellent performance sin grindingshafts process. The development and the technical characters o f super-highspeed point-grinding were introduced，and the key technology and applicationon automobile manufacturing o f super-high speed point-grindingwere also analyzed. The significance of super-h igh speed point-grindingon automobile manufacturing was presented.

Keywords: Super-high speed point-grinding; Technicalcharacteristics;Key technology; Automobile manufacturing

1．国内外高速磨削技术简介

通常所说的“磨削”主要是指用砂轮或砂带进行去除材料加工的工艺方法。它是应用广泛的高效精密的终加工工艺方法。一般来讲，按砂轮线速度V的高低将磨削分为普通磨削( Vs < 45m/ s) 、高速磨削( 45≤ Vs<150m/s) 、超高速磨削(Vs≥150m/s)[1]。20世纪90年代以后，人们逐渐认识到高速和超高速磨削所带来的效益，开始重视发展高速和超高速磨削加工技术，并在实验和研究的基础上，使其得到了迅速的发展[2]。

1.1 国外磨削技术的发展

磨削加工是一种古老而自然的制造技术，应用范围遍布世界各地，然而数千年来磨削速度一直处于低速水平。20世纪后，为了获得高加工效率，世界发达国家开始尝试高速磨削技术[2]。在高速、超高速精密磨削加工技术领域，德国及欧洲领先，日本后来居上，美国则在奋起直追[3]。

1.1.1 欧洲磨削技术的发展情况

超高速切削的概念源于德国切削物理学家Carl.J.Salomon 博士1929 年所提出的假设，即在高速区当切削速度的“死谷”区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，单位切削力也随之降低[1]。

欧洲高速磨削技术的发展起步早。最初高速磨削基础研究是在20世纪60年代末期，实验室磨削速度已达210-230m/s。70年代末期，高速磨削采用CBN 砂轮。意大利的法米尔( Famir ) 公司在1973年9月西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120m/s的RFT-C120/ 50R 型磨轴承内套圈外沟的高速适用化磨床[1] 。德国的Guehring Automation 公司1983 年制造了功率60kW、转速10000r/min、砂轮线速度209m/s[4]和砂轮直径400mm 的强力磨床。该公司于1992 年成功制造出砂轮线速度为140-160m/s的CBN 磨床，线速度达180m/s的样机[5]。Aachen 大学、Bremm 大学等在实验室已完成了Vs为250m/s、350m/ s 的实验。瑞士Studer 公司开发的CBN 砂轮线速度在60m/s 以上，并向120-130m/s方向发展[2、6、7]。目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行

280m/s的磨削试验。瑞士S40高速CBN 砂轮磨床，在125m/s时，高速磨削性能发挥最为充分，在500m/s时也能照常工作。

1.1.2 美国磨削技术的发展情况

1967 年，美国的61m/s 磨床投入市场，1969 年生产出80m/s的高速无心磨床。1970 年，本迪克斯公司曾生产了91m/s切入式高速磨床。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185m/s，工作速度达到125m/s，用于不锈钢锭磨削和切断，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Connectiout 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250m/s，主轴功率30kW，修整盘转速12000r/min，砂轮自动平衡，自动上料。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。至2000年，T. W. Hwang 等人一直在进行超高速磨削研究。目前美国的高效磨削磨床很普遍，一个重要的研究方向是低损伤磨削高级陶瓷，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品质的氮化硅陶瓷零件[8]。

1.1.3 日本磨削技术的发展情况

从20世纪60年代初日本首先提出高速磨削理论以来，尤其随着CBN 磨料的使用和其它高效磨削

技术的进步，超高速磨削在一些发达国家发展很快。日本高速磨削技术在近20年来发展迅速。1976 年，在凸轮磨床上开始应用CBN砂轮进行40m/ s的高速磨削。1985 年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s。1990 年后，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[9、10]。1994 年使用铍( Be)芯金刚石砂轮进

行了超高速磨削研究[11、12]。目前，实用的磨削速度已达到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床

也已研制出来，该磨床主轴最大转速30 000r/ min，最大功率22kW，采用直径250mm 的砂轮，最

高周速达395m/s。并在30m/s-300m/s 速度范围内研究了速度对铸铁可加工性的影响。

日本的丰田工机、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。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，利用改造

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Vs+ Vw 的结果。因此，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1

000m/s[13]。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。

1.2 国内磨削技术的发展情况

超高速磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视。我国高速磨削起步较晚，自

1958 年，我国开始推广高速磨削技术。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50m/s 高速磨削试验，在机床改装和工艺等方面获得一定成果[7]。1974 年，第一汽车厂、第一砂轮厂、瓦房店轴承厂、华中工学院、郑州三磨所等先后进行50m/ s-60m/ s的磨削试验; 湖南大学进行了60m/ s-80m/ s 高速磨削试验。1976年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨

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磨削试验小

组，对80m/s 和100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。1977 年，湖南大学在实验室成功地进行

了100m/ s 和120m/ s 高速磨削试验。1982 年10月，湖南大学进行了60m/s 高速强力凸轮磨削

工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995

年，汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/ s 的超高速磨削试验。广西大学于1997 年前后

开展了80m/ s 的高速高表面粗糙度的磨削试验研究工作。在2000年中国数控机床展览会

( CCMT’ 2000) 上，湖南大学推出了最高线速度达120m/s 的数控凸轮轴磨床[6]。2001年，广西

大学开展了高速磨削表面微观形貌的研究[2]。从2002 年开始，湖南大学开始针对一台250m/ s

超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计[14]。

1976 年，东北大学与阜新第一机床厂合作，研究成功F1101型60 m/ s 高速半自动活塞专用外圆磨床。到20世纪80 年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的

YLM-1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到80m/s，磨削压力在2500N-5 000N 以上[6]。

20 世纪90年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一

台圆周速度200m/s、额定功率55kW 的超高速试验磨床，最高速度达250m/s[1]。

2．高速/超高速磨削的特点及关键技术

2.1 磨削机理

在高速超高速磨削加工过程中，在保持其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的大幅度提高，单位

时间内磨削区的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，则高速超高速磨削时每颗磨粒切削厚

度变薄。这导致每个磨粒承受的磨削力大大变小，总磨削力也大大降低[15]。超高速磨削时，由于

磨削速度很高，单个磨屑的形成时间极短。在极短的时间内完成的磨屑的高应变率(可近似认为等

于磨削速度) 形成过程与普通磨削有很大的差别，表现为工件表面的弹性变形层变浅，磨削沟痕两

侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及

残余应力倾向减小。此外，超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加

快，加上应变率响应的温度滞后的影响，会使工件表面磨削温度有所降低，因而能越过容易发生磨

削烧伤的区域，而极大扩展了磨削工艺参数的应用范围[16-17]。

2.2 高速磨削加工特点

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: (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%；