整理高速超高速磨削技术.docx

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整理高速超高速磨削技术

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-highspeedpoint-grindingisanadvancedmanufacturetechnologythathasintegratedhighspeedgrinding，thinsuper-abrasivewheelandCNCturningtechnologies，andhasmanyexcellentperformancesingrindingshaftsprocess.Thedevelopmentandthetechnicalcharactersofsuper-highspeedpoint-grindingwereintroduced，andthekeytechnologyandapplicationonautomobilemanufacturingofsuper-highspeedpoint-grindingwerealsoanalyzed.Thesignificanceofsuper-highspeedpoint-grindingonautomobilemanufacturingwaspresented.

Keywords:

Super-highspeedpoint-grinding;Technicalcharacteristics;Keytechnology;Automobilemanufacturing

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GuehringAutomation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CarnegieMellon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30000r/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1000m/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60m/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-5000N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%；

（2）砂轮使用寿命长。

由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。

磨削力一定时，200m/s磨削砂轮的寿命是80m/s磨削的两倍；磨削效率一定时，200m/s磨削砂轮的寿命则是80m/s磨削的7.8倍。

这非常有利于实现磨削自动化；

（3）磨削表面粗糙度值低。

超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙度数值降低；同时由于超高速磨削材料的极高应变率（可达10-4-10-6s-1），磨屑在绝热剪切状态下形成，材料去除机制发生转变，因此可实现对脆性和难加工材料的高性能加工；

（4）磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高.由于切削厚度小，法向磨削力Fn相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。

在切深相同时，磨削速度250m/s磨削时的磨削力比磨削速度180m/s时磨削力降低近一倍；

（5）磨削温度低。

超高速磨削中磨削热传入工件的比率减小，使工件表面磨削温度降低，能越过容易发生热损伤的区域，受力受热变质层减薄，具有更好的表面完整性。

使用CBN砂轮200m/s超高速磨削钢件的表面残余应力层深度不足10微米。

从而极大地扩展了磨削工艺参数地应用范围.

（6）充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能.电镀和钎焊单层超硬磨料砂轮是超高速磨削首选的磨具.特别是高温钎焊金属结合剂砂轮，磨削力及温度更低，是目前超高速磨削新型砂轮.

（7）具有巨大的经济效益和社会效益，并具有广阔的绿色特性.高速超高速磨削加工能有效地缩短加工时间，提高劳动生产率，减少能源的消耗和噪声的污染.因超高速磨削热的70%被磨屑所带走，所以加工表面的温度相对低，所需磨削液的流量和压力可相对减少，使冷却液的需求量减少，能量需求减少，污染减少[18].

2.3高速磨削技术

由于超高速磨削砂轮转速极高，对机床功率及性能、砂轮强度、振动、平衡、气流扰动、安全防护和冷却液注入等工艺措施提出了特殊要求.因此与其相关的关键技术有:

（1）超高速磨削砂轮技术.

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性、高的动平衡精度、抗裂性、良好的阻尼特性、高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等.高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮.

超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢.在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料.粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀3种，其中以单层电镀用的最多.这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用.近几年，美国诺顿（Norton）公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70%~80%，结合剂抗拉强度超过了1533N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间.

高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料.结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等.树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s.单层电镀CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s.陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s.同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整.与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率.特殊结构拥有40%的气孔率.陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐.

在高速磨削中，一种新型的微晶氧化铝磨粒即SG（SeededGel）磨粒已经引起人们的高度注意，SG磨粒不仅具有高的硬度而且还具有良好的韧性，它的加工能力介于刚玉和CBN磨粒之间，由于SG磨粒在磨削加工中，辅助切削刃本身能发生自锐，所以磨削力和磨削区产生的热量明显降低，同时也减少了砂轮的磨损，从而提高材料的去除率和砂轮的修整间隔时间，SG磨粒和CBN磨粒相比不仅成本低，而且对磨削机床没有任何特殊的要求，砂轮的修整也和传统磨粒砂轮的修整方法相同.在砂轮速度为125m/s磨削回火钢的试验中比材料去除率已达100mm/（mm﹒s）.

此外，还要充分考虑砂轮与主轴连接的可靠性.开发高精度、高刚度和良好的动平衡性能的砂轮与主轴的连接方式很必要.为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构需有利于磨粒分裂，优化磨粒的空间分布.对于某些高速磨削，不但要有高的磨削效率，而且还要有高的磨削质量，为此对砂轮应有一套完善的修整技术.

（2）超高速磨床主轴及其轴承技术

超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定了超高速磨床所能达到的最高磨削速度极限，因而，为实现高速超高速磨削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高.主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等.要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑（轴承），主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的.为减少由于磨削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小.

超高速磨削的砂轮主轴转速一般在10000r/min以上，所传递的磨削功率通常为几十千瓦，因此要求主轴轴承的转速特征值非常高，还必须具有很高的回转精度和刚度，以保证砂轮圆周上的磨粒能均匀地参加切削，并能抵御超高速回转时不平衡质量造成的振动.

主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等.陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点.其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感.磁浮轴承的最高表面速度可达200m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择.目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵.空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点.用于高速、轻载和超精密的场合.液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴[19].

高速超高速磨削的另一个特点是其主轴的无功功率损失随转速的增大而呈非线性增长.例如，将磨削速度由80m/s增大至180m/s时，主轴的无功功率会由不足20%升高至90%以上.高速范围内电机以恒功率方式工作，主轴转速增大时其输出转矩减小，无功功率的升高将导致磨削转矩减小.因此，在增大主轴转速时必须考虑降低无功功率损失，以保证主轴有足够的转矩用于磨削.

（4）磨削液及其供给技术

磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响.尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却、微量润滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质.磨削液分为两大类:

油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）.油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好.

高速磨削时，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响.因此，采用恰当的注入方法，增加磨削液进入磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要.常用的磨削液注入方法有:

手工供液法和浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等.在超高速条件下，为了实现对磨削区的冷却，冲走切屑，磨削液的喷注必须有足够大的动量，以冲破砂轮周围的高速气流，使磨削液抵达磨削区.故与普通磨削相比，磨削液的流量、压力均成倍增加.此外，为了保证超高速磨削的表面质量，提高磨削液的利用率，减少磨削液中残留杂质对加工质量及机床系统的不良影响，必须采用一套高效高过滤精度的磨削液过滤系统.从喷嘴喷注在砂轮上的磨削液，会在强大离心力作用下形成严重的油雾.所以超高速磨床还要把磨削区封闭起来，并要及时抽出油雾，然后利用离心和静电的方法进行油气分离.

具有极高磨削效率的超高速磨床，一分钟会产生几公斤的磨屑.能够及时干净地把这些磨屑从磨削液中过滤出来也是一个很重要的问题.目前，多用离心机或硅藻土过滤系统对磨削液进行集中处理.

（5）砂轮、工件安装定位及安全防护技术.

高速及超高速磨削砂轮动能很大，必须设置高强度半封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内最好敷设缓冲材料，以吸收或减少砂轮碎块的二次弹射.

（6）磨削状态检测及数控技术

高速超高速磨削加工中，由于砂轮线速度极高，砂轮由于超高速引起的破碎现象时常发生，砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保证加工质量和零件表面完整性的关键;在超高速加工中，砂轮与工件的对刀精度，砂轮与修整轮的对刀精度将直接影响到工件的尺寸精度和砂轮的修整质量，因此，在超高速磨削加工中，在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素.目前，声发射技术已成功用于超高速磨削的无损检测，利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒与工件磨擦、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波.这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系.这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别.因此利用声发射技术可监测磨削裂纹和磨削烧伤、砂轮破碎砂轮磨损、砂轮与工件接触、砂轮与修整轮接触，并取得了令人满意的效果.此外，工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术，高精度、高可靠性、实用性强的测试技术与仪器都是高速超高速磨削所必不可少的关键技术[20].

3.高速超高速磨削技术的应用

超高速磨削的应用技术有高效深切磨削、超高速外圆磨削、超高速精密磨削、快速点磨削、硬脆材料及难加工材料超高速磨削等.

3.1高效深切磨削

高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度（100-250m/s）、高进给速（0.5-10m/min）和大切深（0.1-30mm）为一体的高效率磨削技术.高效深磨概念是由德国Bremen大学Werner教授于1980年创立.目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位.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.与普通磨削不同的是高效深磨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去除率（磨除率比普通磨削高100-1000倍），表面质量也可达到普通磨削水平.高效深切磨削工艺开始是使用树脂结合剂氧化铝砂轮，以80-100m/s的高速来进行钻头螺旋沟槽的深磨.由于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度，生产效率大幅度提高.后来又进一步在CBN砂轮基础上开发出200-300m/s的超高速深磨磨床，见表1.

表1普通磨削、缓进给磨削、高效深切磨削工艺参数对比

高效深切磨削具有加工时间短（一般为0.1-10s）、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备超高速磨削技术要求外，还要求机床具有高的刚度.一般高效深磨要求机床主轴驱动功率比缓进给磨削大3-6倍.如用400mm砂轮至少需要50kW的功率.

3.2超高速外圆磨削

提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度，可实现高效率超高速精密磨削.超高速外圆磨削是使用150-200m/s及以上的砂轮周速和CBN砂轮，配以高性能CNC系统和高精度微进给机构，对主轴、曲轴等零件外圆回转表面进行超高速精密磨削加工的方法.它既能够保证高的加工精度，又可获得高的加工效率.

这一技术在日本已成功应用于汽车工业部门.例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC超高速外圆磨床来磨削加工余量达5mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达174mm3/（s﹒mm），砂轮磨削比可达33500.以表面粗糙度Rz=3微米为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转.丰田工机GZ0型CNC超高速外圆磨床装备了ToyodaStateBearing轴承，用200m/s的薄片CBN砂轮对回转体零件进行一次性纵向轨迹磨削完成整个工件的柔性加工.这些对生产管理和降低成本均具有重要意义.德国GuhringAutomation公司RB625超高速外圆磨床上，使用CBN砂轮，也可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2kg金属.超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度.

3.3快速点磨削（Quick-pointGrinding）

快速点磨削（Quick-pointGrinding）是由德