2014 - 13 - 高速超高速磨削

D 超高速磨削相关技术--超高速磨削液选择
油基磨削液（矿物油）的润滑作用比水基磨削液优越。 （1）可以防止CBN磨粒切刃的磨耗，抑制CBN磨粒的水解反应，提 高砂轮耐用度。 （2）降低磨削功率，提高工件的表面完整性。 油基磨削液中加入硫系及氯系挤压添加剂可以获得更为优越的效果。
高速回转的砂轮表面存在各种回转气流，速度越高，空气层越厚。 空气层的存在使磨削液难以进入磨削区。 一般采用高压（几个甚至几 十个MPa）冷却液体。 超高速磨削中，以实现无磨削液为目标。日本开发出采用低温压缩 空气冷却法，环保、清洁、安全舒适。
D 超高速磨削机理
（3）表面粗糙度
普通磨削中，砂轮磨损的主要原因是磨粒磨耗磨损和磨粒的破损
与脱落。
高速磨削中，未变形磨削层厚度较小，磨粒不易破损和脱落，砂
轮耐用度增加，磨削力下降。 一定金属切除率条件下，砂轮速度增加，砂轮径向磨损量降低， 表面粗糙度得到改善。 线速度增加，切屑变薄，工件表面的磨痕深度变浅，表面残留凸 峰变小，表面粗糙度得到改善。
C
超高速磨削加工的应用
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C 超高速磨削技术的应用
超高速磨削技术最先在德国发展，其中德国 Guehring Automation 公司较为著名。
80年代最先推出超高速磨床，与阿亨大学开展500m/s磨削研究制造
了设备。 FD613超高速平面磨床上磨削宽1-3mm，深30mm的转子槽 时，进给速度可达到3000mm/min(CBN砂轮，150m/s)。 轴齿轮齿槽、扳手开口槽、蜗杆螺旋齿槽等的一次性高效磨削加工 是Guehring公司超高速磨床的主要工艺。 欧洲还有许多公司推出了自己超高速磨床，反映出欧洲超高速磨削 技术实用化的地位。
C 超高速磨削技术的应用
日本将砂轮超过100m/s的磨削工艺称为超高速磨削。
与欧洲超高速磨削工艺的应用不同，日本主要不是以获得高得生产
效率为目的，而是对磨削的综合性能更感兴趣。
日本三菱公司CA32-U50A型磨削CNC超高速磨床采用陶瓷结合剂
CBN砂轮，砂轮线速度达到200m/s。 利用超高速磨削实现对工程陶瓷和光学玻璃等硬脆材料的高性能加 工是其重要应用领域。
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮
超高速磨削主要采用大动率超高速电主轴。 优点：惯性扭矩小，振动噪声小，高速性能好，可缩短加减
速时间。
难点：如何减小电动机发热、如散热？
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮
超高速主轴系统的核心是高速精密轴承。
国外多数用滚动轴承，但钢球轴承不可取。 提高限速方法： （1）提高制造精度。（但成本很高） （2）合理选择材料，陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、
硬度高、耐高温、超高温时尺寸稳定、耐腐蚀、非磁性等优点。
（制造难度大，对拉伸应力和缺口应力敏感） （3）改进轴承结构。（缩小球直径，增加球数，提高刚度；采
用空心滚动体，减少离心力和陀螺力矩等）
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮平衡技术
超高速砂轮不能仅仅进行静平衡，还必须进行分级动平衡以 保证在工作转速下的稳定磨削。
而340m/s时比180m/s时提高200%。
采用高速快进给的高效深磨HEDG技术，金属切除率极高。工件可由毛 坯一次成形，磨削时间仅为粗加工（车、铣）时间的5-20%。
B 超高速磨削加工的优势
磨削参数
普通磨削 小 0.0010.003 高 1-30 低 20-60 低
缓进给磨削 CHDG 大 0.1-30 低 0.05-0.5 低 20-60 低
C 超高速磨削技术的应用
美国的HEDG机床也得到了应用。
美国Edgetek Machine公司是全美首家生产高效深磨机床的企业，
该公司推出单层CBN砂轮，砂轮周速度203m/s的超高速磨床，用于 加工淬硬的锯齿等，可以达到很高得金属切除率。 采用电镀的CBN砂轮及油性磨削冷却液的HEDG磨床磨削镍基合 金，砂轮周速度160m/s，金属切除率可达到75mm³/(mm.s)。
（5）可改善加工表面完整性
超高速磨削加工可以越过易产生磨削烧伤的区域，在大磨削用量下反
而不产生磨削烧伤。
B 超高速磨削加工的优势
高速磨削加工优势总结： （1） 大幅度提高磨削效率 （2） 磨削力小，零件加工精度高 （3）可以获得低粗糙度表面
（4）可大幅延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工的自动化。
（5）可改善加工表面完整性
超高速磨削 Ultral-high Speed Grinding
A B C D E
超高速磨削技术的现状和发展
超高速磨削加工的优势
超高速磨削技术的应用
超高速磨削的加工机理
超高速磨削的相关技术
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A
超高速磨削技术的现状和发展
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A 超高速磨削技术的现状和发展
20世纪，60年，高速磨削一般在45-60 m/s; 70年代，80-90m/s，少数达到120m/s 。 存在问题： （1）高速磨削时，磨屑厚度变小，磨削能增加，磨削热增加。
（2）磨削液难以进入磨削区，传入工件的热流比例增大。
导致工件受热变形和表面烧伤等限制砂轮速度进一步提高。 早期高速磨削受到砂轮强度、磨料耐磨性、机床结构和成形砂轮修 整等因素制约。
A 超高速磨削技术的现状和发展
20世纪，50年代末，德国ELB公司首创缓进给磨削。 与高速磨削几乎同时发展起来。
缓进给磨削（深切缓进给强力磨削或蠕动磨削）：高效磨削方式，
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
下的磨屑厚度变薄: 实验表明超高速磨削条件下，磨屑的截面积仅为普通磨削条件下的 几十分之一。 每个磨粒承受的磨削力大大变小，所以总磨削力大大降低. 参看图2-41，法向和切向磨削力随速度增加变小。
D 超高速磨削机理
（2）硬化及残余应力倾向减小
超高速砂轮的结构与制造 80年代，国外开发出单层高温钎焊超硬磨料砂轮，根本上改善磨料、 结合剂（钎焊合金材料）和基体三者之间的强度。线速度可达到300-
500m/s。
欧洲：主要使用单层电镀CBN砂轮高效成形磨削和开槽磨削。
日本：以金属和陶瓷结合剂薄片砂轮居多。
我国没有超高速砂轮磨削专用砂轮，刚刚开始研究。
B 超高速磨削加工的优势
试验表明：采用磨削速度1000m/s（超过加工材料塑性变形应力波速 度）的超高速磨削效益明显。 受到现有设备的限制，试验室最高磨削速度为400m/s,更多是250m/s
以下的研究和开发，但超高速磨削相比传统磨削有明显优势：
（1） 大幅度提高磨削效率
磨削力不变，200m/s超高速磨削的金属切除率比80m/s磨削提高150%，
超高速磨削 UHSG 精密超高速磨削 PUHSG 小 0.003-0.05 高 1-30 高 80-250 中 高效深磨HEDG 大 0.1-30 高 0.5-10 高 80-250 高
磨削深度 mm
工件进给速度 m/min
砂轮周速m/s
金属切除率
B 超高速磨削加工的优势 （2） 磨削力小，零件加工精度高 当磨削效率相同时，200m/s时磨削力仅为80m/s时的50% 。
主要采用自动在线平衡技术，工作条件自动识别不平衡量大
小和相位。
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮平衡技术
砂轮自动平衡技术的三种形式：
（1）机电式自动平衡技术
美国公司采用微机控制微电机来移动平衡装臵内部的微小重块从而修 正砂轮不平衡量。
（2）液体注入平衡技术
德国公司提出砂轮液体自动平衡装臵。 （3）液、汽式平衡技术 美国公司采用氟里昂为平衡介质，开发出液、汽砂轮平衡装臵。
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮
砂轮修整 在磨削过程中，砂轮变钝，或由于磨损而失去正确的几何形状，必须 进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。 整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。 修锐是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，提高磨削能力。 整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法。 修锐方法有自由磨粒法和固结修锐工具修锐法两大类，此外还有电解 在线修整法、电火花修锐法等。 超高速单层电镀砂轮一般不需修整。 超高速金属结合剂砂轮一般采用电解修锐。
采用增大磨削深度，降低进给速度的方法，使砂轮与工件有较大的表 面接触面积及高的速度比，由此得到高的金属磨除率和精度，以及低
的表面粗糙度。
A 超高速磨削技术的现状和发展 – 缓进给磨削
与普通磨削的区别在于磨削深度大（1-30mm），工件的进给速
度小（5-30mm/min）。
适宜加工韧性材料（如镊基合金）和淬硬材料，包括各种型面和 沟槽。可部分取代车削和铣削的加工。 自1963年正式应用以来，一直受到传统砂轮速度(<35m/s)的限制。 普遍认为：高砂轮速度不适合深磨场合，因为砂轮速度的提高会引起 磨削温度上升，导致磨削烧伤的危险性增加。
超高速砂轮的结构与制造
要求:强度高、抗冲击、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低。
超高速磨削砂轮磨料：金刚石、CBN、SiC等。 CBN和金刚石砂轮在超高速磨削中比例越来越大。 超高速磨削结合剂：树脂、陶瓷和金属结合剂。 日本的陶瓷结合剂砂轮达到300m/s，单层电镀CBN砂轮250m/s。
D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮
A 超高速磨削技术的现状和发展
PCD和PCBN等超硬磨料砂轮的推广应用和高速磨削机制研究的深 入，高速磨削再度兴起，出现了高于普通磨削5-6倍的超高速磨削。
现在工业实用磨削速度150-250m/s，试验室达到400m/s。
超高速磨削加工技术领域，德国领先，日本后来居上，美国奋起直
追。
A 超高速磨削技术的现状和发展
D 超高速磨削机理
（4）磨削温度
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；
应变率响应的温度滞后影响； 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，从而极大扩展了磨削工艺 参数的应用范围。
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超高速磨削加工的相关技术
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D 超高速磨削相关技术--超高速磨削砂轮
次数的影响较小。
B 超高速磨削加工的优势
（4）可大幅延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工的自动化。 磨削力不变条件下，200m/s磨削时砂轮寿命比80m/s提高1倍。 磨削效率不变条件下，砂轮寿命可提高约8倍。 使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时，磨削速度由30m/s提高到 160m/s，砂轮磨削比由900提高到5100。
相同的单颗磨粒切深条件下，磨削速度对磨削力影响极小。
（3）可以获得低粗糙度表面
其他条件相同时，33m/s、100m/s 和200m/s速度下磨削表面粗糙度分别为
2.0、1.4和1.1 um。 对高达1000m/s超高速磨削效果的计算机模拟研究表明：磨削速度由20m/s， 提高到1000m/s，表面粗糙度降低至原来的1/4。 另外，超高速条件下，获得的表面粗糙度数值受切刃密度、进给速度及光磨
A 超高速磨削技术的现状和发展
1979年，德国P.G.Wemer博士预言存在高效深磨区。 1983年，Bremen大学出资制造HEDG，线速度达到100-180m/s。 真正实现优质高效，被誉为磨削技术发展的高峰，磨削技术进入新纪
元。
1984年，Wemer博士获得国际磨粒工程学会年度个人最高成就奖。
发展阶段：
1 高速磨削 2 缓进给磨削
3 高效深磨
4 超高速磨削
A 超高速磨削技术的现状和发展
国内高速磨削研究，1958年达到50m/s，后面发展一直缓慢。 试验室超高速磨削速度达到250m/s，但没有产业化。 工业引用一直在100m/s，与国外差距较大。
B
超高速磨削加工的优势
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单位时间内参与切削的磨粒数增加，磨除的磨屑增多，磨削效率
大大提高。由于磨削速度很高，单个磨屑形成时间极短；
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。
砂轮不需修整，使用寿命长，粗糙度值平均为1-2mm，可达到的
尺寸公差为13um。
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超高速磨削加工的机理
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D 超高速磨削机理
四个方面分析：
（1）磨削力 （2）硬化及残余应力 （3）表面粗糙度 （4）磨削温度
D 超高速磨削机理
（1）磨削力降低
在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