国内外高速平面磨削发展比较

作者：杭州机床集团公司 骆广进 姚峻

欢迎访问e展厅 展厅 5 磨床/珩磨设备展厅 平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ... 近年来，国际上高速磨削技术发展很快，除了把常规磨削的速度普遍提升以外，还推广应用了高效深切磨削的新工艺，这种方法是在提高砂轮线速度的同时，加大切入进给速度以提高金属切除率的高效磨削方法。 高速磨削的优点 高速磨削的优点： （1）可以大大提高磨削效率。由于高速磨削的切屑厚度减小，切削力降低，如果保持与普通磨削同样的切屑厚度和切削力，则可极大地提高机床的进给量，从而提高磨削效率。据有关数据统计，磨削效率一般可以提高1~3倍。 （2）提高加工工件的表面质量：由于磨粒的切屑厚度减小，磨粒留在工件表面上的切痕深度减小，从而提高了工件表面的光洁度（降低了表面的粗糙度），一般可以提高1~3级。此外，切削力的降低有利于提高工件的尺寸精度。 （3）提高砂轮的耐用度：理论上由于切屑厚度减小，导致切削力大幅度降低，磨粒承受的负荷减小，因此，提高了磨粒的切削能力，也就提高了砂轮的耐用度。一般，砂轮寿命可以提高１倍左右。 国外高速磨床制造和应用概况 高速磨削的历史较长，早在上个世纪四十年代，国外就开始试验高速磨削工艺，到五十年代初已将50m/s的高速磨削应用于生产。据文献介绍，1958年砂轮线速度已能达到60m/s。高速磨削从上世纪60年代以来得到较快的发展，各工业发达国家都积极采用高速磨削来提高磨削效率，美国诺顿砂轮制造公司60年代就制造出砂轮线速度超60m/s的高速砂轮，到70年代逐步提高到90m/s，80年代末已制造出最高线速度为120m/s的高速磨床。日本在上世纪60年代末首先在汽车和轴承行业采用高速磨床，到70年代中期已生产和应用线速度达80m/s的高速磨床。80年代以后，随着CBN砂轮的广泛应用，砂轮线速度更是达到150m/s。目前，磨床砂轮的线速度普遍采用60m/s以上的高速，最高的甚至达到250m/s。德国的高速磨床发展同样迅速，该国的BLOHM公司、ELB公司等厂家均大力发展高速磨床，产品已比较成熟。其中，BLOHM的一台高速平面和成形磨砂轮转速达8,000r/min，且各轴向的速度也较高，X轴为40m/min、加速度为3m/s2。目前，CBN砂轮的线速度已达150~250m/s以上。在提高砂轮线速度的同时，还要提高工作台的往复速度，如德国BLOHM公司开发的一种用于航空发动机新材料的先进磨削技术，其最大工作台速度达到200m/min，最大工作台加速度达到50m/s2，最大切削线速度170m/s，最大主轴转速为11,000r/min。据称这是国际上第一台工作台速度达到200m/min、加速度达50m/s2的平面磨床。该机已投入正常使用，应用前景广阔。斯来福临公司在江苏太仓的生产基地也生产高速磨床，线速度达到60m/s。德国的居林公司研究开发出把高速磨削和深切缓进给磨削结合在一起的高效深切磨削，成倍地提高磨削效率。德国阿亨大学对高速磨削有系统、深入的研究，最高的线速度达到500m/s的超高水平。总体说来，这些工业发达国家通用磨床上都普遍采用了60m/s的高速砂轮，并积极研究和推广线速度超高的高速磨削。 以立方氮化硼砂轮为代表的高速砂轮的广泛应用为高速磨削的发展创造了条件。上世纪80年代兴起了一种称为高效深切磨削的方法，这种方法把高速磨削和缓进给强力成形磨削结合在一起，采用了特别高的砂轮线速度，同时采用和缓进给磨削一样的大切深，金属去除率比普通磨削高100倍以上，甚至达到1,000倍。如德国居林公司采用CBN砂轮的高效深切磨削，金属磨除率达到惊人的2kg/min。研究试验表明，砂轮线速度达到150m/s时，工件的温升和60m/s时是一样的，采用超高速磨削时存在一个临界温度，一旦超过这个临界温度，线速度的提高不会导致温升，还有利于在接触区散发热量，反而对工件没有热损伤。由于高效深切磨削有这个优点，因此在国外应用非常广泛。 近年来，随着工程陶瓷、光学玻璃及半导体硅片等硬脆材料的应用日益广泛，在机械加工领域由于这类材料的高强度、高硬度和高脆性，给传统的磨削工艺带来了挑战。由于磨削温度高、磨削效率低，而且砂轮极易钝化、堵塞而丧失其切削性能，所以此类材料加工成本非常高。而在此类材料的加工中，高速超高速磨削工艺被认为是能够获得高去除率的经济有效的方法之一。砂轮速度的增加能够减小单颗磨粒最大未变形切屑厚度，从而使磨削力减小及表面粗糙度下降，为提高材料的去除率提供了条件。随着科学技术的发展，工程陶瓷领域的一系列的突破推动了相关新技术的快速发展，如长效耐磨的氮化硅陶瓷轴承被广泛应用于各工业领域以减少摩擦、提高设备性能，再如汽车用陶瓷催化转化器在减少汽车废气排放和空气污染方面，起到了重要作用。因此，在需要耐高温、耐腐蚀、耐磨损和减轻质量的情况下，陶瓷是首选材料，它具备了减少维护费用、延长了设备使用寿命、减少生产能耗、减少环境污染等一系列优势。然而，目前陶瓷与金属相比使用范围往往受到限制，主要原因是它具有相对较高的硬度和脆性，加工性能差，它在磨削过程中表面和亚表面区域内易形成裂纹，从而影响了构件的稳定性。再如主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承，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。 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，试验中更是高达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其它类型的砂轮相比，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来获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。由于陶瓷结合剂砂轮的结构特点，使得修整后的容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况下可以不修锐。 国内磨床行业高速平磨发展概况 中国的高速磨削起步不算太晚，上世纪７０年代初已开始研制高速磨床，取得了一些零星的成果。 1974年磨床行业召开了一次全国高速磨削会议，会议决定在全国逐步推广高速磨床并由磨床生产厂联合设计高速磨床。1976年，磨床行业有关厂家在杭州机床厂集中进行联合设计，设计出好几款产品，其中M7132高速平磨指定由原石家庄第三机床厂生产，该机床的线速度也是60m/s。1978年，原石家庄第三机床厂按联合设计图纸生产了2台高速平磨，同年在武汉机床展览会上展出并获得好评，但可惜未能进行销售。此后，全国国民经济进入调整时期，机床行业受到冲击，这2台高速磨床始终未进行销售，致使高速磨床的发展和推广受挫。由于没有市场需求的动力，高速平磨在10余年间停步不前。 直到90年代，高速平磨的研发才进入新一轮的发展期。1992年，贵州遵义长征第八电器厂因需要加工一种高初磁导率玻莫合金（IJ 50）的材料，这种材料采用线速度35m/s的常规平磨，精度和表面粗糙度始终达不到技术要求，但采用高速磨削工件能达到要求。在此情况下，该单位要求杭机提供一台高速磨床。于是，在MM7132A精密平磨的基础上为该单位改装了1台高速平磨，砂轮线速度达到60m/s以上，使用情况较好，获得了较好的经济效益。2005年，高速磨床的生产逐步由改装的专机产品转为正规产品，定型号为MMS7132。但许多用户往往为了节省设备购置费用，宁愿购买普通机床再进行改装。 值得一提的是2002年左右曾设计并试验成功HZ-74/1和MKS7130两台超高速平磨，这两台机床是杭机以与湖南大学合作的性质开发的，砂轮最高线速度前者为120m/s，后者更高达314m/s。机床在湖南大学做超高速磨削的试验时，技术人员在超高速平磨上对45#钢、不锈钢、工具钢、轴承钢、陶瓷等材料进行了磨削试验，特别是对硬脆难加工的氧化锆PSZ、氮化硅、氧化铝等材料进行高效深切磨削，都达到了比较理想的磨削效果。机床用CBN砂轮磨削陶瓷材料也取得较好的效果。可以说，这是中国在超高速磨削领域取得的最好成积，说明我们在此领域也是可以有所作为的。 但总的说来，国内高速磨床的制造和应用仍处于不愠不火的状态，高速磨床的应用至今仅局限在电子等少数行业，未能得到大规模的推广应用。在高速和超高速磨削研究领域，中国湖南大学高效磨削研究所作了有益的尝试，取得了一些成果。 中国高速平磨与国际先进水平的差距 首先，常规平磨砂轮线速度和工作台往复速度与国外水平相比有较大的差距。线速度一般都在35m/s以下，砂轮多采用普通的刚玉砂轮、碳化硅砂轮，CBN、金刚石砂轮的应用较少。国外平磨砂轮速度45m/s以上十分普遍，甚至60m/s的线速度也成为机床的常规速度。 其二，高速磨床的产量很少，应用不普及，到目前为止，磨床行业只有MMS7132A一种型号和规格，最高线速度60m/s。机床是在MM7132A精密平磨基础上改制，加大磨头电机的功率，采用变频装置提高转速。加厚了砂轮防护罩壳，并提高了工作台的往复速度（35m/min），加大了冷却液流量。砂轮选用高速砂轮。由于用户较少，机床批量不大，多年来只是少量生产，在整个产品产量中占比很少。 在超高速磨削领域，虽已作了有益的尝试，但总的说来，在基础研究方面投入不足，在高速和超高速磨削领域缺乏深入研究，尚未确立自主开发研究高速磨床的计划。到目前为止，也没有为用户提供超高速的高效深切成形磨床产品，当然这类磨床产品缺乏强力的市场支撑也是一个原因。对CBN磨料等先进磨料应用以及对超硬非金属材料的磨削试验等研究也很少，不能为用户提供强有力的技术支撑。在产学研方面严重脱节，有的只是为了争取项目而已。产学研之间配合不够，各顾各的利益和兴趣，导致成果的产业化率低下。 发展高速平磨若干建议 （1）在产品销售差异化策略下，适当提高有代表性的常规磨床产品的砂轮线速度，把线速度普遍提高到45m/s，以提高磨削效率。换句话说，就是发展一些准高速磨床，在这些机床上使用一些CBN高效磨料砂轮。当然，机床的价格也应适当提高。这些机床可以在特定的行业推广。通过提高砂轮转速的方法达到提高生产效率的目的，这肯定会受到用户的欢迎。事实上，随着国内高速砂轮磨料的技术进步，高速砂轮的应用可以得到逐步扩大，完全可以普遍提高常规磨床的砂轮线速度，当然需要通过行业标准的实施来加以推广。 （2）在“十二五”期间，对高速磨床尤其是高效深切成形磨床的生产有所安排和规划，确定一些先天条件较好的机床为基型机床，开发高速磨床。 （3）培育高速磨床的用户群，在最需要实现高效率磨削的模具等行业寻找用户，积极推广高速磨削工艺。逐步让用户体验到采用高速磨削给他们带来的好处，在选购机床设备时就会自觉地购买高速磨床。 （4）进行深入的高速磨削研究，在超高速磨削领域也应适时介入。可以预见，谁在超高速磨削领域取得研究成果，谁就能在高效深切磨削机床的开发方面取得主动权。目前基础技术研究仍是薄弱的环节，加强对新技术的研究、新工艺的探索具有十分重要的意义。试验工作应纳入正规管理，有计划、有经费、有目标，确保每年出成果。 （5）开展深度的产学研技术合作，在国内建立合适的合作伙伴和创业群，通过各种渠道在国家、省、市层级列项，把高速和超高速磨削项目列入计划，争取获得政府的财政支持。 （6）通过展览会等各种载体，对高速磨削机床进行广泛宣传推广，有意识地培育典型用户群。 （7）向全国机床标准委员会提议，把高速和超高速磨床的标准制定列为标准化工作内容。同时应开展进一步的调研，如陶瓷加工行业的需求以及超高速磨床等，以引领国内的市场。(end)

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