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超高速磨削加工的关键技术及其装备开发 |
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摘要：介绍了超高速磨削和快速点磨削的关键技术及国内外发展现状，以及东北大学在这一技术领域的研究成果，提出了跟踪国际先进超高速磨削加工技术，提高我国制造技术水平的途径和策略。
关键词：超高速磨削CNC 快速点磨削
1 引言
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。
2 超高速磨削技术
超高速磨削（Vs≥150m/s )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（CIRP )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 年代开始一直跟踪高速／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。
2.1 超高速磨削技术特点
(l)大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；(2)磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；(3)砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；(4 )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[1、2]。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过200m /s （纯铝静态应力波速度)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。
2.2 超高速磨削关键技术
(1)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。目前，工业生产中广泛采用陶瓷结合剂、金属结合剂CBN 砂轮和单层电镀CBN 砂轮，使用速度可达200/s 以上，基体材料常用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量／密度比高、热膨胀系数低的CFRP 复合材料CBN 砂轮。日本在400m /s 的超高速磨床上，采用CFRP 为基体、直径25Omm 的陶瓷结合剂CBN 砂轮，已实现300m / s 的磨削试验。美国Norton 公司借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度超过1553N/m 时，并获得更大的磨粒突出高度和更理想的砂轮形貌。高温钎焊单层超硬磨料砂轮的磨料与基体的结合强度更高，磨粒裸露高度达到60%－70% , 有更锋利的形貌。据报道，国外钎焊砂轮的线速度可达500m/s 。单层电镀超硬磨料砂轮和（高温)钎焊超硬磨料砂轮无需修整，且使用寿命长。东北大学研制的超高速磨削单层电镀CBN 砂轮已成功应用于超高速磨削实验。
SG 磨料不仅具有高的硬度，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 磨粒在磨削加工中微刃能发生自锐，所以磨削力和磨削区热量明显降低，减少了砂轮磨损，从而提高了材料去除率和砂轮修整间隔时间。SG 磨粒和CBN 磨粒相比不仅成本低，而且对机床没有特殊的要求，砂轮的修整也和普通砂轮的修整方法相同。在125 m/s磨削回火钢的试验中材料去除率已达1000mm³／mm•s[3] 气为了保证砂轮在超高速运转条件下承受巨大离心力而不破碎，砂轮结构和形状一般采用有限元方法进行分析和优化，寻求最佳基体轮廓，以充分降低砂轮基盘敏感位置的应力[7]。
(2)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。在第19 届JIMTOF 展览会上，展出的超高速主轴基本上在10000－25000r / min 之间。目前瑞士的Fisher 公司的电主轴产品，其最高转速为40000r/min ，驱动功率40kw , 转速高达200000r /min 和2500000r /min 的实用高速电主轴也在研究开发中。
超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。目前主要采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承等。陶瓷滚动轴承采用性能优越的热压Si3N4 陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具有d mn 值高(≥2 . 7×106) ，标准化程度高，便于维护的优点。用其组装的超高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等优点。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 。但磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，电磁测控系统复杂且价格昂贵，且有发热、漏磁问题。随着新型磁性材料的出现及超导技术、传感技术和控制技术的发展，磁浮轴承可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。液体动静压轴承具有径向和轴向跳动误差小，阻尼特性好、功率大、动态特性好、在全转速范围内具有承载能力强和刚度大等优点。但在超高速、高负荷条件下工作时需使用低粘度流体和高供液压力，因此结构设计必须考虑其紊流、流体惯性和压缩性、温度粘度变化以及空穴等复杂现象，而且空载功率损耗大。东北大学研制的超高速磨削实验机床主轴采用动静压轴承，转速达15000r / min 。空气静压轴承具有高速回转精度高，无振动，磨擦阻力小，经久耐用等特点，主要用于高速轻载和超精密的主轴系统中。
(3)超高速磨削砂轮的自动平衡技术
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。
(4)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（一般为修整滚轮)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。
(5)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［4］ : 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。
(6)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。
(7)磨削状态检测及数控技术
超高速磨削加工中，对砂轮破碎及磨损状态的监测非常重要，砂轮与工件和修整轮的对刀精度直接影响尺寸精度和修整质量。因此，在线智能监测是保证超高速磨削加工质量和生产率的重要因素。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、接合剂破裂、磨粒与工件磨擦、砂轮破碎和磨损、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别和监测，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面质量的在线监控技术也是高效率磨削的关键技术。
CNC 超高速磨床，特别是快速点磨削机床，应用连续轨迹技术，可实现成型曲面磨削、凸轮廓线和复杂曲面的磨削，并可实现联机测量。CNC 磨床要求组织和硬度均匀性好的砂轮，且有很好的静动平衡性能、高的尺寸和形状精度、高磨削比和使用寿命。同时还要尽可能减小超硬磨料砂轮消耗并提高修整效率和精度。这种需求一方面推动了监测系统的改进，另一方面也促进了磨削数控系统的发展。磨削数控软件和系统正在工艺优化并向柔性化方向发展。
(8)砂轮安装及安全防护技术
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，以起到吸收或减少砂轮碎块的二次弹射作用。
3 快速点磨削技术
德国Junker 公司十1994 年开发的快速点磨削(Quick－point Grinding )是一种新的高速／超高速磨削技术形式，具有高效率、高柔性、大批量生产及高质量稳定性。主要用于轴类零件加工。目前已在汽车工业、机床及工具制造业、纺织及印刷机械制造业中得到应用。应用该工艺可以通过一次装夹几乎实现轴类件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生产率。我国部分汽车制造企业目前也引进了这一工艺设备，并取得了明显效益。由于国内目前没有开展系统的理论和应用研究，不掌握其核心技术理论、工艺参数设计和编程技术，仅就单一零件加工由国外垄断定制，全部工艺、设备和配套附件均依赖进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削的相关技术信息也鲜见报道。作为教育部重点科学技术研究课题，东北大学从2004 年开始对快速点磨削关键技术及磨削机理开展了基础性的理论与实验研究，并研制开发了实验机床和点磨削超薄CBN 砂轮（图)。
机床采用动静压主轴轴承，轴承工作压力30MPa ，转速达1500Or/min ，能够实现点磨变量角度。和刀在给定范围内变化，X－Z方向联动进给，冷却系统供液压力2MPa 。
3.1 快速点磨削的关键技术
点磨削加工凸轮轴
数控快速点磨削集成了数控车削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技术，可实现对多种形状表面及多种材料的高性能加工。图2为点磨削加工凸轮轴。快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下：
(1)点磨削加工时，砂轮与工件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平和垂直两个方向偏转α、β角度，以实现砂轮与工件理论上的“点接触”, 最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩发生干涉。接触区放大后如图3阴影部分所示。
快速点磨削接触区
点磨削以单向磨削为主，通过数控系统来控制这两个方向的角变量数值，以及在X 、Z 方向采用与CNC 车削相类似的两轴联动数控进给，以实现对不同形状表面的点磨加工。X 方向采用高精度静压圆柱导轨技术（图) ，以增加阻尼和稳定地实现微米级精确切人进给。Z方向（纵向)进给采用带有预负载的滚珠丝杠和平面浑形涂层导轨。
(2)快速点磨削采用金属结合剂超硬磨料(CBN 或人造金刚石)超薄砂轮，直径一般为300～400mm ，宽度为4 ～6mm ，径向磨料层厚度为5mm 。砂轮架、主轴箱和尾架的调整和安装均采用Junker 公司专利技术“三点定位安装系统”快速完成，重复定位精度高，砂轮径向跳动精度可控制在0.OO2mm 以内，并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大。如图所示，更换顶尖时间小于2min ，更换砂轮时间小于2Omin 。为控制由于砂轮高速旋转产生的振动，保证加工质量，在砂轮的每次修整和更换后都要进行动平衡。Junker 公司的点磨机床通过安装在主轴端部的电子自动平衡系统自动完成砂轮在线动平衡。由于砂轮极薄，降低了砂轮重量和不平衡度，并使由砂轮高速旋转在磨削区周围产生的高压空气层对冷却液的阻碍作用下降，同时也减少了高速砂轮的旋转阻力，并且能磨削狭窄及断面尺寸变化较大的型面。
(3)砂轮速度可达90－16Om/s 。为获得高磨除率，同时不使砂轮产生过大的离心力而发生破坏，工件也高速旋转，并与砂轮转向相同，通常在1000r / min 以上，最高可达12O00r /没in 。因此接触点处的实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加，可达200m/s 以上，以实现更高应变率下材料的去除。
(4)与一般磨削方式不同，在磨削外圆时，砂轮磨损主要是在端面沿横向发生，而沿径向磨损很小。实际应用中一般根据砂轮耐用度（加工工件的数量)或磨损状态（砂轮横向磨损宽度是否达到规定值)，通过与工件同轴线安装的金刚石滚轮和油石直接在机床上完成在线修整。修整时，主要是将砂轮在宽度方向磨损后剩存且已经钝化的一层磨粒由金刚石滚轮切除，恢复砂轮圆柱表面形状，再用油石修锐。直到砂轮磨粒径向厚度层全部修整去除，砂轮达到使用寿命。一汽大众汽车有限公司引进快速点磨削技术磨削发动机凸轮轴轴径，采用厚度为5mm 的金属结合剂CBN 砂轮，砂轮修整一次可磨削工件3000 件，每片砂轮可修整20 次[6]
(5)使用高速低粘度磨削油喷注进行冷却，供液压力一般为1～2MPa ，采用如图4 所示的双喷嘴喷注方式。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统、高效率磨屑分离与油气分离装置。
3.2 快速点磨削技术的应用效果
快速点磨削的磨削温度低，可实现少、无磨削液加工，能够达到高精度磨削的表面质量和加工精度；由于磨削力极小，用顶尖产生的摩擦力即可带动工件，特别适合刚性较差的细长轴加工，可进行包括工件两端在内的整体加工；快速点磨削砂轮使用寿命相当长，最高磨削比可达60000 ，成为半永久性工具，每次修整最多可加工上万个工件，生产效率比普通磨削提高6 倍，机床利用率高达88 ％一95 % , 比传统磨削方法高出3%一8 % ；快速点磨削砂轮的形状精度保持性极好，保证了大批量生产中极高的质量稳定性；一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形的加工，具有更大的柔性和更高的生产率。还可以实现车磨工序合并。我国汽车制造企业用快速点磨削技术加工凸轮轴，只需一台机床即可完成凸轮轴轴颈的全部加工，运行成本降低70%一80% ，加工精度在H6 级以上，表面粗糙度值低于0.8 µm [7]。
4 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究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平具有十分重要的意义。(end)
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(6/15/2009) |
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