高效深切磨削概述及发展

高效深磨技术的研究
张宇霖学号 ********
班级：15机械设计制造及其自动化04班
摘要
高效深磨(HEDG-High Efficiency Deep Grinding)技术是由德国Bremen大学Werner教授于1980 年创立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）为一体的高效磨削技术。

本文通过对高效深磨技术的研究，主要完成以下创造性工作：
1.分析磨削过程的传热机制，得出高效深磨技术的基本原理：提高工件进给速度和砂轮速度，可以有效减少工件表面温度，使高效大磨除率的磨削成为可能。

2.针对高效深磨的特点，研究了实现高效深磨的设备，其中包括砂轮、磨床和磨削液的选择。

3.分析认为高效深磨目前存在的瓶颈是磨削弧区高温和工件表面烧伤，并针对性地提出一些可能的解决方案。

关键词：高效深磨;基本原理;设备选择;瓶颈;解决方案
Abstract
High Efficiency Deep Grinding( HEDG ) technology is a high wheel speed, high feed rate (0.5 ~ 10m / min) and large cutting depth (0.1 ~ 30mm), which was founded in 1980 by Professor Werner of Bremen University in Germany. Based on the study of HEDG technology, following creative work in this paper are carried out.
1.Through analyzing the heat transfer mechanism of the grinding process,t he following basic principle of HEDG technology is obtained:Improving the workpiece feed rate and wheel speed can effectively reduce the workpiece surface temperature, so that the efficient grinding becomes possible.
2.In view of the characteristics of HEDG, the equipments which can apply for HEDG is studied, including the selections of grinding wheel, grinding machine and grinding fluid.
3.It is concluded that the bottlenecks of HEDG is the high temperature of grinding area and the burning of workpiece surface, so that puting forward some possible solutions.
Key Words: High Efficiency Deep Grinding( HEDG ); basic principle; equipment selections; bottlenecks; possible solutions
目录
1 引言 (1)
2 高效深磨的原理 (2)
2.1工件进给速度对工件表面温度的影响 (2)
2.2 砂轮速度对工件表面温度的影响 (3)
3 高效深磨的设备选择 (4)
3.1 砂轮的选择 (4)
3.2 磨床的选择 (5)
3.3 磨削液的选择 (6)
4 高效深磨的瓶颈和对策 (7)
4.1 高效深磨目前的瓶颈 (7)
4.2 解决高效深磨瓶颈可能对策 (8)
5 结语 (8)
参考文献 (10)
1 引言
磨削是一种精密加工方法, 往往作为机械加工的最后一道工序, 从而最终保证零件所要求的尺寸和形状精度以及零件的表面完整性。

一般来讲, 磨削的加工余量是很小的、低效率的, 这主要是由于磨削工艺本身是近几年才迅速崛起的一项高新技术。

早在本世纪30 年代和40 年代, 人们就开始对如何提高磨削效率进行研究, 并取得了积极的成果[1]。

高效深磨(HEDG-High Efficiency Deep Grinding)技术是由德国Bremen大学Werner教授于1980 年创立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）为一体的高效磨削技术[2,3]。

它打破了传统的磨削观念，使磨削不再局限于传统上的精密加工范畴，可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等若干工序组成的粗、精加工过程。

从操作方法和最大可能达到的材料磨除率的不同, 平面磨削可以细分为三种性质不同的技术:传统(往复) 磨削、缓进磨削和高效深磨。

现将这三种不同的磨削技术的主要特性对比如下, 见表1[4]。

表1 三种不同磨削技术的主要特性
工件进给速度（m/min）1～300.05～0.50.5～10砂轮速度（m/s）20～6020～6080～200
单位金属磨除率（mm3/mm∙s）0.1～100.1～1050～2000由表1可见, 高效深磨是使用较高的砂轮速度和较大材料切除率的一种缓进磨削的形式。

它是缓进磨削和高速磨削的结合, 因而可
1
以获得远高于一般切削加工的金属磨除率，磨后表面质量也可达到与传统磨削方式相当的水平[5]。

2 高效深磨的原理
在普通的缓进磨削中,以较低的工件速度进行加工,磨削效率较低,如要提高金属磨除率而其它的条件都保持不变, 就要提高工件速度和切削深度,这样很难散发因磨削而产生的热量和不能得到持续散发热量的时间,其结果是对工件产生热损伤。

这就是在普通缓进磨削中不能获得更高金属磨削率的主要原因[6]。

高效深磨与缓进磨削相反，其加工中的能量在短时间内转化为热量而被传散，且同时为降低热能量传给加工零件，工作台快速进给(即工件进给速度快)。

砂轮高速转动，工件快速进给，砂轮很快与磨削区脱离，热量主要传散到切屑与磨削液。

因此，提高工件进给速度和砂轮速度，可以有效减少工件表面温度，使高效大磨除率的磨削成为可能。

2.1工件进给速度对工件表面温度的影响
图1是高效深磨的单位金属磨除率Q w、工件进给速度V w与工件表面温度t的关系。

图1 单位金属磨除率、工件进给速度与工件表面温度的关系在三种磨削深度a p(3、6、9mm)情况下，随着单位金属磨除率增加，即工件进给速度增加，工件表面温度下降。

随着磨削深度增加,工件表面温度有一定的上升倾向。

但总的趋势是随单位金属磨除率Q w和工件进给速度V w是增加，磨削工件表面温度t下降。

2.2 砂轮速度对工件表面温度的影响
图2所示即为高效深磨中砂轮速度V s与工件表面温度t的关系[7,8]，该图用Al2O3和CBN（立方氮化硼）两种砂轮在不同砂轮速度下研究工件表层温度变化情况。

在临界磨削速度（100m/s）以下，工件表面温度随砂轮速度的提高而增大，这与普通磨削和缓进磨削的情况是一致的；但当砂轮速度在高于临界速度后继续提高时，表面温度则随之下降，在临界磨削速度处，表面磨削温度达到最大值。

图2 砂轮速度与工件表面温度的关系
砂轮速度增大而引起工件表面温度的上升, 是因为摩擦力增加的结果。

当砂轮速度增大时,由每个与工件接触的切削刃切去的材料减小,即切削厚度减小;又由于切削刃与工件接触的频率较高, 故摩擦增加。

这种倾向一直延续到砂轮速度达到某一定值为止。

当砂轮速度超过某一定值后,摩擦才开始减小,之后随着砂轮速度的提高而工件表面温度随之而降低。

3 高效深磨的设备选择
3.1 砂轮的选择
这里主要讨论的是在高效深磨中如何正确地选择砂轮的磨料、浓度和粒度。

CBN磨料由于具有高的硬度, 极大的抗磨损能力,高的热和化学稳定性, 故它是高效深磨最理想的磨料。

较大浓度的砂轮是用于大的单位材料磨除率的基本条件, 因为较大的浓度意味着有较多的动态切削刃和较薄的切屑, 这就使得在大的材料磨除率时磨削力减小。

电镀砂轮既具有大的浓度又具有最大的容屑空间,故在高效深
磨中,电镀立方氮化硼砂轮是最优的选择。

砂轮粒度的粗细对磨削结果有直接影响。

立方氮化硼砂轮的粒度和磨削力之间的关系曲线如图3所示。

图3 CBN砂轮的粒度与磨削力关系曲线图中清楚的见到: 较粗和较细粒度的砂轮都会产生较大的磨削力。

从理论上来说,大的磨削力会使砂轮产生较大的磨损,产生更明显的形状误差以及较高的切削温度。

因此,用中等粒度砂轮能达到所要求的表面粗糙度的话, 就不必用较粗或较细粒度的CBN砂轮。

3.2 磨床的选择
高效深磨所用的磨床除应具有高的砂轮速度、大的工作台速度和磨削深度外, 还必须具有下列一些特殊的要求:
首先最重要的是要有性能良好的主轴系统。

对于高速旋转下的砂轮主轴系统, 应满足以下要求[9]：
①低摩擦、低温升、低功耗; ②高寿命;
③高的径向、轴向刚度; ④高的回转精度;
对于滚动轴承，为减小球的速度, 在高速轴上一般要求选择小轴承。

高功率主轴则要求大轴承以增强刚度,但一般在低速下回转。

高效深磨主轴系统则要求两者结合起来。

陶瓷球具有重量轻、热膨胀小、硬度高、耐高温、弹性模量高等特点, 选用陶瓷球和钢制轴承内外圈的混合轴承可使其寿命提高3~6倍, 极限转速增60% ,而温升降低35%~60%[10]。

此外，磨床还需具备下述条件：有良好的机床控制系统；有高的刚度及坚固的结构；有合理的磨削液供给系统；有砂轮的综合平衡系统；附有良好的调整和微量修整砂轮的装置。

满足上述要求的磨床，就可以实施高效深磨工艺。

一般要求的机床主轴驱动动力大于缓进给磨削的3~6倍，如用直径400mm的砂轮，至少需要用50kw功率。

3.3 磨削液的选择
在高效深磨中，磨削液通常采用高压喷嘴进行供液。

磨削区内充分的磨削液的供应，既可以提供散热冷却作用，将磨削热从磨削区内带走；也可以提供润滑功能，减少砂轮和工件间的摩擦力，并降低比磨削能[11]。

为了减少磨削液对砂轮的制动功率损失, 目前压力在几至几十兆帕的清洗液、压力为2MPa的冷却液已在不少场合下应用成功。

在欧洲主要使用纯油,而在日本则以水基磨削液较多,同时更多地使用直角喷嘴设计,有效地隔断了砂轮外周的空气流, 其效果非常明显。

4 高效深磨的瓶颈和对策
4.1 高效深磨目前的瓶颈
高效深磨技术实用化的成功以及已经达到的水平,无疑是令人鼓舞的。

不过在充分肯定成绩的同时,仍应清醒地看到,到目前为止国内外为发展高效深磨所做的工作事实上仍存在很大的局限性,在推广应用中也还存在许多问题,最为突出的关键问题(瓶颈)是磨削弧区高温和工件表面烧伤[12]。

高效深磨时砂轮线速度的提高,虽然可以增加砂轮的动态锋利度并可以收到诸如增加单位时间内参与切削的磨粒数,降低单颗磨粒临界切厚等效果。

但无可否认,它同时也带来了空载功耗急剧增加(可达磨削有效功率的4倍以上)、磨削弧区高温、工件特别是难加工材料工件烧伤等一系列难于解决的问题。

众所周知,传统的砂轮并不是一种适于高效去除金属的工具,磨削一般总要消耗比切削高得多的能量,以去除单位体积碳钢计算,磨削比能常高达60~200 J/mm3以上,而切削比能仅在8~10 J/mm3以下。

磨削时额外消耗的大量能量最终几乎都转化成了热量,正是磨削的这种极其显著的热效应严重危及到被磨零件的表面完整性从而直接制约了高效深磨所可能达到的极限金属磨除率。

4.2 解决高效深磨瓶颈可能对策
解决高效深磨的瓶颈，大幅度提高不发生烧伤的材料极限磨除率,总不外乎两种基本对策。

一是尽可能提高砂轮的锋利度以大幅度降低磨削比能，减少产生的磨削热。

为使产生的磨削热最少就应该力求确保磨削比能最少。

因为事实上除了速度以外,诸如砂轮结构、工作面地貌、磨粒的排布及裸露高度等都可以对磨削比能产生显著影响。

因此，确保砂轮表面磨料相对有序合理排布至关重要。

因为磨料的相对有序排布可提高砂轮的动静态锋利度,增大容屑空间,降低磨削比能,使设计制造的砂轮更能够适应高效磨削工艺的要求。

二是尽可能强化弧区换热效果以最大限度地疏导已经产生的积聚在弧区的磨削热。

在砂轮与用量组合条件已定,磨削比能不可能再有大的改善的情况下,弧区换热效率便是决定材料磨除率的第一要素。

因此弧区强化传热技术上的任何突破都足以改变高效深磨工艺的现状,使材料磨除率跃登上更高的台阶。

为了实现弧区的强化换热,若能构思出一项可望从根本上强化弧区换热过程的独创构想，就有条件可以将弧区换热提高到一个全新的水平上,并有效地避免和抑制烧伤。

5 结语
高效深磨技术是先进的制造技术，彻底解决了传统磨削加工高精
度、低效率的加工局限，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加工并降低成本。

在我国现有条件下，大力加强高效深磨技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。

如今超硬材料的应用日益广泛，实施高效深磨是加工超硬材料和难切材料的优选加工工艺。

由于超硬磨料磨具的应用，高速、大功率精密机床及数控技术发展、新型磨削液和砂轮修整等相关技术的发展和磨削自动化和智能化等技术的发展，使高效深磨在机械制造领域具有更加重要的地位，具有很好的发展前景。

研究透彻高效深磨的原理，合理选择适当的设备，发现高效深磨的瓶颈并思考相应的对策，就能使用和发展这一技术造福人类。

参考文献
[1]宋贵亮, 刘文志, 蔡光起. 高效深磨的最新发展与技术分析[J]. 机械制造, 1996(9).6-8
[2]Werner P G. The new message in advanced grinding. HEDG technology.Abrasives Journal.1994.3
[3]Werner P G. Advanced in high efficiency deep grinding. SME Paper. MR88-588
[4]苏彰道. 新的磨削技术_高效深磨[J]. 现代机械, 1997(3):15-22.
[5]蔡光起, 赵恒华, 高兴军. 高速高效磨削加工及其关键技术[J]. 制造技术与机床, 2004(11):42-43.
[6]姚峻. 高效深切磨削[J]. 工艺与装备, 1993(4):51.
[7]Tawakoli,T.Hochleistungsschleifen (HEDG) von Inconel und anderen Werkstoffen, VDI-Z 134(1992) ,Nr.I-Januar,Seite 48-57
[8]Tawakoli,T.Hochleistungsschleifen,Technologie,Verfahrensplanung und wirtschaftlicher Einsatz, Duesseldorf: VDI-Verlag 1990.15-17
[9]John.A.W.Deign of a 250m/s CBN Grinding Machine.SME.MR90-551
[10]戴曙. 超高速主轴轴承[J]. 制造技术与机床,1994(8)
[11]耿直. 高效深切磨削中磨削液的作用[J]. 磨料磨具通讯, 2003(1):8-10.
[12]武志斌. 高效磨削的瓶颈与对策[D]. 南京:南京航空航天大学, 2001.。