超高速加工技术最新进展综述

机械工程学院
先进技术制造
论文题目：超高速加工技术最新进展综述专业：机械设计制造及其自动化
班级：10B2
学生学号：20101047
学生姓名：
二〇一三年月日
超高速加工技术最新进展综述
摘要: 综述了超高速磨削加工技术的起源,概述了德国、美国以及日本等国的发展历程和目前的现状,并分析了国内近年来超高速磨削的发展。

介绍了超高速磨削的机理, 简单总结了超高速磨削的优越性和特点。

超高速磨削是提高磨削效率、降低工件表面粗糙度和提高零件加工质量的先进加工技术。

超高速磨削具有巨大的经济效益。

阐述了超高速磨削目前的发展趋势。

关键字:超高速发展
1. 超高速磨削技术的发展
1.1 高速和超高速磨削的理论依据
高速加工和超高速加工的概念是由德国切削物理学家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Taylor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。

他的理论成为后来的高速超高速磨削的理论依据。

1. 2 国外高速超高速磨削的发展
1. 2. 1欧洲的发展情况
欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早。

1979年德国Bremen大学的Werner PG[1]教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性, 由此开创了高效深磨的概念。

1983年德国Bremen大学出资由德国Gushing Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床, 砂轮圆周速度达到了209m/s。

德国Gushing Automation公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140---160m/s的CBN磨床, 并正在试制线速度达180m/s的样机[2]。

德国Apache大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果。

据Apache工业大学实验室的Koenig和Freeman宣称, 该实验室已经采用了圆周速度达到500m/s的超高速砂轮, 这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。

瑞士Studier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[3-5]。

目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行线速度280m/s的磨削试验[3]。

1. 2. 2美国的发展情况
美国20世纪60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度。

辛辛那提-米拉克隆公司到
1969年已生产了100多台高速磨床, 其中有80m/s的无心磨床[3]。

本迪克斯公司1970年生产了91 m/s的切入式高速磨床[3]。

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, 用于磨削不锈钢锭和切断, 也可用于外圆磨削[3]。

1993年, 美国的EdgetekMachine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203m/s, 用以加工淬硬锯齿等可以达到很高的金属切除率[3-4]。

美国Connecticut 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床, 最高磨削速度可达250m/s[3]。

2000年美国马萨诸塞州立大学的Malians等人, 以149m/s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[6-8]。

2. 超高速磨削的特点
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[18]。

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[19-20]。

2. 2 优越性
超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工, 对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。

与普通磨削相比, 超高速磨削显示出极大的优越性[2-4,19-21]:
(1) 大幅度提高磨削效率;
(2) 明显降低磨削力, 提高零件加工精度;
(3) 降低加工工件表面粗糙度值, 易获得高光洁的加工表面;
(4) 砂轮耐用度提高, 使用寿命延长;
(5) 能实现对硬脆材料的延性域磨削, 对高塑性和难磨材料获得良好的磨削效果;
(6) 具有巨大的经济效益。

3．超高速磨削的应用
3.1 高效深磨（High efficiency deep grinding）
对于提高磨削生产率方面，最典型的应用是高效深磨技术。

高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度高进给速度（0.5～10m／min）和大切深（0.1～30mm）为一体的高效率磨削技术［23］。

高效深磨可以获得与普通磨削技
术相近的表面粗糙度，同时使材料磨除率比普通磨削高得
多［24］。

高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。

高效深磨与普通磨削不同，可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属磨除率，表面质量也可达到普通磨削的水平。

3.2超高速精密磨削（Precision ultra-high speed grinding）
试验表明，提高砂轮速度可减小工件表面残留凸峰及塑性变形的程度，从而有助于减少磨削表面粗糙度。

超高速精密磨削在日本应用最为广泛，可以说日本研究和使用超高速的目的不是为了提高磨削效率，而是为追求磨削精度和表面
质量。

日本的丰田工机在 GZ0型 CNC 超高速外圆磨床上装备了其最新研制的ToyodastateBearing 轴承，采用周200m／S的薄片 CBN 砂轮对回转体零件沿其形状进行一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工。

二．超高速加工技术在模具及成型制造中的应用
本世纪20年代德国人SMoman最早提出超高速加工(Hinge Speed Cutting，简称Hsc)的概念，并于1931 年申请了专利。

50年代末及60年代初，美国和日本开始涉足此领域，在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。

随着超高速加工主轴技术的发展，使得刀具切削速度得到很大提高，70年代诞生了第一台HSC机床。

真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期，因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。

80年代中期机床制造商开始将HSC技术应用于机床制造中。

根据 1996年德国对HSC机床市场需求的预测，其年增长率将为200％一300％。

如此高的增长率是缘于超高速加工使得产品的加工时间缩短、成本降低，并且加工质量得到很大提高，从而增加了产品的竞争力。

参考文献
[1] 宋贵亮, 巩亚东,蔡光起. 超高速磨削及应用[J]. 航空精密制造技术,2000, 36(3) :16- 20.
[2] 荣烈润. 高速磨削技术的现状及发展前景[J]. 机电一体化,2003, (1):6- 10.
[3] 赵恒华,冯宝富, 高贯斌,蔡光起. 超高速磨削技术在机械制造领域中的应用[J] . 东北大学学报:自然
科学版, 2003, 2(6): 564- 568.
[4] 冯宝富, 蔡光起,邱长伍. 超高速磨削的发展及关键技术[J]. 机械工程师,2002, (1):5- 9.
[5] 蔡光起, 冯宝富,赵恒华. 磨削磨料加工技术的最新进展[J]. 航空制造技术,2003, (4): 31-40.。