先进磨削技术的新发展

先进磨削技术的新发展
摘要：磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工艺方法，磨削加工的发展趋势正朝 着采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工艺及柔性复合磨削、绿色生态 磨削方向发展。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。我们也需要了解超高 速磨削加工的机理及超高速磨削的优越性，把握高速超高速磨削加工技术的发展前 景。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。 关键词：先进磨削 超高速磨削 发展方向 关键技术 正文： 超高速磨削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。 超高速磨削技术特点： 超高速磨削之所以应用这么广泛，与它特有的特点是分不开的，主要体现在以 下几个方面 磨削效率高。超高速磨削时，单位时间内通过磨削区的磨粒数增多，如保持每 颗磨粒的切深与普通磨削一样，其切入进给量可以大大增加，金属去除率 得到提 高， 磨削效率大幅度提高。 加工精度高。在进给量不变的条件下，超高速磨削的磨屑厚度更薄，在磨削效 率不变时，法向磨削力随磨削速度的增大而大幅度减小，继而减小磨削过程中的变 形，提高工件的加工精度。可以得到高质量、小粗糙度值的工件表面。砂轮耐用度 大幅提高，有利于实现磨削加工自动化。超高速磨削时，单颗磨粒的切削力较小， 使每颗磨粒的可切削时间相对延长。 可磨削难加工材料。超高速磨削可实现硬脆 材料的延性域磨削，使陶瓷材料的 磨削加工成为了现实，并且能够获得极好的磨削表面质量和极高的磨削效率。 大幅度提高磨削效率，设备使用台数少。磨削力小、磨削温度低、加工表面完整 性好。砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化。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， 而且对钦合金、 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。超高速磨削纯铝 的实验表明，当磨削速度超过 200m /s 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。 超高速磨削关键技术： 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。以此来实现高性能加工。 主轴系统 超高速磨床的主轴最高转速在 10000r / mm 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。 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。 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(ELlD ) 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的接触，然后通过进给系统进行微米级进给，得 到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。 磨削液供给系统 超高速磨削中，由于砂轮极高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进人 磨削区，使接触区高温得不到有效的抑制，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面 完整性和机械物理性能。因此，磨削液供给系统对提高和改善工件质量、减少砂轮 磨损至关重要。超高速磨削常用的冷却液注人方法有高压喷射法，空气挡板辅助截 断气流法，气体内冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供 液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设 计，此外系统还需配有高效率油气分离和吸排风单元。 超高速磨削进给系统 目前数控机床进给系统主要采用滚珠丝杠传动。 随着高速超高速加工技术的发 展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合 数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和 刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。 结语： 超高速磨削是先进制造的前沿技术，在获得高效率，高精度的同时，又能对各 种材料和形状进行高表面完整性和低成本加工，因此也正为世界工业发达国家所重 视，并已开始进入实用化阶段。随着超硬磨料磨具的应用和发展，高速大功率精密 机床及数控技术、新型磨削液和砂轮修整等相关技术、以及磨削自动化和智能化等 技术的发展，使超高速磨削和高效率磨削技术在机械制造领域具有更加重要的地 位，发展前景广阔。我国应在现有条件下，大力加强各种新型超高速磨削技术的研