超高速磨削的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)
超高速磨削通常指砂輪速度大于150m/s的磨削。超高速磨削在歐洲、日本和美國等發(fā)達國家發(fā)展很快，被譽為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)將其確定為面向21世紀的中心研究方向，并進行了一些著名的合作研究。超高速磨削可以對硬脆材料實現(xiàn)延性域磨削加工，對高塑性等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。與普通磨削相比，超高速磨削顯示出極大的優(yōu)越性: 大幅度提高磨削效率，減少設(shè)備使用臺數(shù)。如采用電鍍CBN砂輪以123m/s的高速磨削割草機曲軸，原來需要6個車削和3個磨削工序，現(xiàn)在只需要 3個磨削工序，生產(chǎn)時間減少65%，每小時可以加工180件。再如人們以125m/s的速度應(yīng)用普通砂輪高效磨削淬硬低碳鋼42CrMo4，切除率達 167mm3/mms，比緩進給磨削大11倍。
磨削力小，零件加工精度高。速度360m/s以下的試驗表明，在一個較窄的速度范圍(180-200 m/s)內(nèi)，摩擦狀態(tài)由固態(tài)向液態(tài)急劇變化，并伴隨著磨削力的急劇下降。筆者在單顆磨粒高速磨削45鋼和20Cr鋼試驗中發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)在臨界速度以下，隨速度的增大而大幅度減少;超過臨界速度后，摩擦系數(shù)卻隨速度的增大而略有增加。 降低加工工件表面粗糙度。在其它條件相同時，33m/s,100m/s，和200m/s的速度磨削時，表面粗糙度值分別為Ra2.0,Ra1.4和Ra1.1μm。 砂輪壽命延長。在金屬切除率相同的條件下，砂輪速度由80m/s提高到200m/s，砂輪壽命提高8.5倍。在200m/s的速度磨削時，以2.5倍于80m/s時的磨除率，壽命仍然提高1倍。 1 超高速磨削的發(fā)展 歐洲 歐洲，高速磨削技術(shù)的發(fā)展起步早。
最初高速磨削基礎(chǔ)研究是在60年代末期，實驗室磨削速度已達210-230m/s。70年代末期，高速磨削采用 CBN砂輪。意大利的法米爾(Famir)公司在1973年9月西德漢諾威國際機床展覽會上，展出了砂輪圓周速度120m/s的RFT-C120/50R 型磨軸承內(nèi)套圈外溝的高速適用化磨床。90年代初，已經(jīng)實現(xiàn)了最高速度350m/s的磨削實驗。目前，實際應(yīng)用中，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在 200-250 m/s之間。 德國的Guhring Automation公司1983年制造了功率60kW，轉(zhuǎn)速10000r/min,砂輪直徑400mm的強力磨床。阿亨工業(yè)大學的目標為500m/s的超高速磨床也是該公司制造的。
德國CBN砂輪高速磨削的應(yīng)用，一個典型的例子是加工齒輪輪齒，在155m/s的速度下，以811mm3 /mms的切除率，實現(xiàn)了對16MCr5鋼齒輪的高效加工。另一個例子是，采用電鍍CBN砂輪，在300m/s的速度下，以140mm& sup3;/mms的切除率，實現(xiàn)了對100Cr6高硬度(60HRC)滾動軸承鋼水泵回轉(zhuǎn)輪窄槽的高效加工。瑞士Studer公司也曾用改裝的S45型外圓磨床進行280m/s的磨削試驗。瑞士S40高速CBN砂輪磨床，在125m/s時，高速磨削性能發(fā)揮最為充分，在500m/s也照常工作。此外 Kapp公司,Schandt公司、Naxa Union公司、Song Machinery公司等也相繼推出了各類高速磨床。 美國 1970年美國的本迪克斯公司曾生產(chǎn)了91m/s切入式高速磨床。1993年，美國的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用單層CBN砂輪，圓周速度達到了203m/s、用以加工淬硬的鋸齒等可以達到很高的金屬切除率。美國 Connectient大學磨削研究與發(fā)展中心的無心外圓磨床，最高磨削速度250m/s，主軸功率30kW,修整盤轉(zhuǎn)速12000r/min，砂輪自動平衡，自動上料。
目前美國的高效磨削磨床很普遍，主要是應(yīng)用CBN砂輪�？蓪崿F(xiàn)以160m/s的速度75mm3/mms的切除率，對高溫合金 Inconel718進行高效磨削，加工后達Ra1～2μm，尺寸公差±13μm。另外采用直徑400mm的陶瓷CBN砂輪，以150-200m/s的速度磨削，可達到Ra0.8μm，尺寸公差±2.5-5μm。美國高速磨削的一個重要研究方向是低損傷磨削高級陶瓷。傳統(tǒng)的方法是采用多工序磨俐，而高速磨削試圖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質(zhì)量的氮化硅陶瓷零件。 日本 日本高速磨削技術(shù)在近20年來發(fā)展迅速，1976年，在凸輪磨床上開始應(yīng)用CBN砂輪進行40m/s的高速磨削,1985年前后，在凸輪和曲軸磨床上，磨削速度達到了80m/s。1990年后，開始開發(fā)160m/s以上的超高速磨床。目前，實用的磨削速度已達到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床也已經(jīng)研制出，該磨床主軸最大轉(zhuǎn)速3000r/min，最大功率22kW,采用直徑250mm的砂輪，最高周速達395m/s。并在30- 300m/s速度范圍內(nèi)研究了速度對鑄鐵可加工性的影響。 日本的豐田工機、三菱重工、岡本機床制作所等公司均能生產(chǎn)應(yīng)用CBN砂輪的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，圓周速度達到了200m/s。
中國 我國高速磨削起步較晚，1974年，第一汽車廠、第一砂輪廠、瓦房店軸承廠、華中工學院、鄭州三磨所等先后進行50-60m/s的磨削試驗;湖南大學進行了60-80m/s高速磨削試驗。1975年10月，南陽機床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機床廠、上海砂輪廠、鄭州三磨所、華中工學院、上海交通大學、廣州機床研究所、武漢材料保護研究所等組成高速磨削試驗小組，對80m/s,100m/S高速磨削工藝進行了試驗研究。與此同時，上海機床廠設(shè)計制造了MBSA1332型80m/s半自動高速外圓磨床，磨削效率達到了車削和銑削的生產(chǎn)率。1977年，湖南大學在實驗室成功地進行了100m/s, 120m/s高速磨削試驗、在2000年中國數(shù)控機床展覽會(CCMT""""2000)上，湖南大學推出了最高線速度達120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。
1976年，東北大學與阜新第一機床廠合作，研制成功F1101型60m/s高速半自動活塞專用外圓磨床。到80年代初，東北大學進行了大量的高速磨削試驗研究。以東北大學為主開發(fā)的YLM-1型雙面立式半自動修磨生產(chǎn)線，磨削速度達到80m/s，磨削壓力在2500-5000N以上。90年代，東北大學開始了超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國第一臺圓周速度200m/s,額定功率55kW的超高速試驗?zāi)ゴ玻罡咚俣冗_250m/s。 2 超高速磨削的關(guān)健技術(shù) 超高速主軸 提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，因而，為實現(xiàn)高速切削，砂輪驅(qū)動和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求足夠的剛度，回轉(zhuǎn)精度高，熱穩(wěn)定性好，可靠，功耗低，壽命長等。為減少由于切削速度的提高而增加的動態(tài)力，要求砂輪主軸及主軸電機系統(tǒng)運行極其精確，且振動極小。 目前，國外生產(chǎn)的高速超高速機床，大量地采用電主軸。 國外的高速電主軸發(fā)展很快，如在日本，1998年10月19屆JIMTOF展覽會上，展出的超高速主軸基本上在10000-25000r/min 之間。目前國際上最高水平的電主軸是瑞士Fisher公司的產(chǎn)品(nmax=40000r/min,N=40kW)。轉(zhuǎn)速高達200000r/min、 250000r/min的實用高速電主軸也正在研究開發(fā)中。
沈陽工業(yè)學院研制的超高速車銑床，采用的電主軸調(diào)速范圍0-18000r/min，最大輸出功率7.5kW。廣西工業(yè)大學研制的額定轉(zhuǎn)速1500r/min的GD-2型高速電主軸采用Si3N4陶瓷球軸承，最高轉(zhuǎn)速可達18000r/min,主電機額定功率13.5kW。 主軸軸承可采用陶瓷滾動軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承或液體動靜壓軸承等。陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(yōu)點。其缺點是制造難度大，成本高，對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感_磁浮軸承的最高表面速度可達200m/s，可能成為未來超高速主軸軸承的一種選擇。
目前磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負荷容量低，所用磁鐵與回轉(zhuǎn)體的尺寸相比過大，價格昂貴。空氣靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)梢度高，沒有振動，摩擦阻力小，經(jīng)久耐用，可以高速回轉(zhuǎn)等特點。用于高速、輕載和超精密的場合。液體動靜壓軸承，無負載時動力損失太大，主要用于低速重載主軸。 超高速磨削砂輪 高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導熱性等通常由高機械性能的基體和薄層的磨粒組成。砂輪基體應(yīng)避免殘余應(yīng)力，在運行過程中的伸長應(yīng)最小。通過計算砂輪切向和法向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在砂輪基體內(nèi)徑的切線方向，這個應(yīng)力不應(yīng)超出砂輪基體材料的強度極限。大部分實用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。日本和歐洲也開發(fā)了其它材料如CFRP復(fù)合材料的CBN砂輪。雖然CFRP彈性系數(shù)低，但彈性系數(shù)與比重的比率高，可以抑制砂輪在半徑方向的延伸。CFRP的另一優(yōu)點是較低的線性伸長系數(shù)。目前以CFRP為基體直徑380mm的CBN砂輪，可實現(xiàn) 200m/s的磨削，進給速度2m/s。日本在400m/s的超高速磨床上，采用CFRP為基體直徑250mm的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，已實現(xiàn)300 m /s的磨削試驗。
超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合荊等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪，使用速度可達125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達250m/s,試驗中已達340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達200m/s。同基他類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易干修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有 40%的氣孔率。由于陶瓷結(jié)合劑砂輪的結(jié)構(gòu)特點，使得修整后容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況下可以不修銳。采用片狀燒結(jié)陶瓷砂輪片和可靠的粘結(jié)，解決了由于陶瓷結(jié)合劑的彈性系數(shù)與基體相差太大，而易于破裂的缺陷。美國Norton公司研究出一種借助化學粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出 80%的高度而不脫落，其結(jié)合劑抗拉強度超過1553N/mm2(電鍍鎳基結(jié)合劑為345-449N/mm2)。
阿亨工業(yè)大學在其砂輪的鋁基盤上使用溶射技術(shù)實現(xiàn)了磨料層與基體的可靠粘接。此外，還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性。主軸高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用砂輪與主軸的錐連接處產(chǎn)生不均勻的膨脹，連接剛度下降。筆者在超高速磨削試驗中，曾出現(xiàn)過由于夾緊力不足，而導致在啟動過程中，產(chǎn)生振動。德國開發(fā)出HSK(短錐空心柄)連接力式和對刀具進行等級平衡及主軸自動平衡的技術(shù)，但未見其用于超高速磨削的報道。因此，開發(fā)高精度、高剛度和良好的動平衡性能的砂輪與主軸的連接方式很有必要。 進給系統(tǒng) 高速加工不但要求機床有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率，而且同時要求機床工作臺有很高的進給速度和運動加速度。 直線電機取消了中間傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。進給速度可達60-200 m/mv以上，加速度可達10-100m/s2以上。定位精度高達0.5-0.05μm，甚至更高。且推力大，剛度高，動態(tài)響應(yīng)快，行程長度不受限制。主要問題是發(fā)熱較嚴重，對其磁場周圍的灰塵和切屑有吸附作用，價格較高。德國西門子公司生產(chǎn)的直線電機，最大進給速度可達200m/min。日本研制的高效平面磨床，工作臺進給采用直線電機，最高速度60m/min,最大加速度10 m/s 磨削液及其注入系統(tǒng) 磨削表面質(zhì)量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削熱的影響。
盡管人們開發(fā)了液氮冷卻、噴氣冷卻、微量潤滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷卻潤滑介質(zhì)。磨削液分為兩大類:油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)油基磨削液潤滑性優(yōu)于水基磨削液。但水基磨削液冷卻效果好。 油基磨削液良好的潤滑作用，可以有效的減小切屑、工件、磨粒切削刃和砂輪結(jié)合劑之間的摩擦。從而減少磨削熱的產(chǎn)生和砂輪的磨損，提高工件表面的完整性。但油基磨削液在工作時會產(chǎn)生油霧，嚴重污染環(huán)境;易引起冒煙、起火、不安全;能源浪費嚴重。由于水基磨削液冷卻效果好，防火性好，對環(huán)境的污染問題易于解決等，因此，含有各種表面活性劑、油性劑、極壓添加劑、緩蝕劑和防腐殺菌劑的性能優(yōu)越的水基磨削液，是近年來重要的發(fā)展方向。
除了通常的磨削液外，也可輔以氣態(tài)或固態(tài)磨削劑。 包含混合磨削油和合成水基磨削液的聯(lián)合應(yīng)用，對于磨削難加工材料特別有效。用少量油潤濕砂輪提高潤滑效果，用水基磨削液注人磨削弧提高冷卻效果或者，油在磨削區(qū)前加人，而水則僅僅用來冷卻工件表面。通過聯(lián)合應(yīng)用水和油，獲得的表面粗糙度和金屬去除率與乳化液相當。與單純使用乳化液相比，能降低砂輪的磨損。其缺點是需要后續(xù)的油水分離。 高速磨削時，氣流屏障阻礙廠磨削液有效地進人磨削區(qū)，還可能存在薄膜沸騰的影響。因此，采用恰當?shù)淖⑷朔椒�，增加磨削液進人磨削區(qū)的有效部分，提高冷卻和潤滑效果，對于改善工件質(zhì)量，減少砂輪磨損，極其重要。常用的磨削液注人方法有:手工供液法和澆注法;高壓噴射法;空氣擋板輔助截斷氣流法;砂輪內(nèi)冷卻法;利用開槽砂輪法等。為提高冷卻潤滑效果，通常將多種方法綜合使用。如，采用靴狀噴嘴，可在砂輪接觸區(qū)前一個較大的區(qū)域?qū)ι拜嗊M行直接地潤滑，噴嘴本身起了氣流擋板的作用。
石墨管浮動噴嘴將磨削液輔以固態(tài)磨削劑結(jié)合起來，石墨管本身又相當于氣流擋板射流內(nèi)冷卻，將射流與砂輪內(nèi)冷卻結(jié)合起來，用徑向射流沖擊，達到強化換熱的效果，可突破成膜沸騰的障礙高低壓噴嘴聯(lián)合應(yīng)用，采用高壓噴嘴和空氣擋板向砂輪及磨削區(qū)供液，低壓噴嘴冷卻工件。也有采用環(huán)狀噴嘴冷卻工件，潤滑噴嘴向砂輪及磨削區(qū)供液，以降低不件整體溫度，提高工件尺寸精度。 噴嘴位置、幾何形狀對冷卻和潤滑效果也有很大的影響。增加噴嘴與磨削區(qū)的距離，冷卻效果降低。因而，噴嘴應(yīng)盡可能靠近磨削弧區(qū)，提高進人磨削弧區(qū)的有效流量和壓力。對噴嘴進行優(yōu)化，采用內(nèi)腔為凹狀的噴嘴，目內(nèi)壁光滑，出口處為銳邊，可均化液流，產(chǎn)生較長的高聚射流，提高冷卻和潤滑效果。 高速磨削液必須凈化，過濾系統(tǒng)的選擇與切屑長度、厚度及類型有關(guān)，還取決于磨粒的切削深度。
常用的過濾方法有:物理方法，如重力沉降、渦旋過濾、磁力過濾、濾網(wǎng)過濾、濾帶(紙)過濾;化學方法，如采用助濾劑硅藻土等。在過濾系統(tǒng)中同時經(jīng)過多個過濾單元進行復(fù)合過濾，效果更佳。超高速磨削系統(tǒng)還需要采取措施降低磨削液溫度，月前主要的降溫方式有自然揮發(fā)對流散熱，強力揮發(fā)和利用制冷系統(tǒng)降溫等。 此外，還應(yīng)對磨削液引起的砂輪主軸功率消耗，以及磨削區(qū)域磨削液的動靜壓對磨削力的影響進行研究。對高速磨削的供液壓力和速度進行優(yōu)化。有效地減少功率消耗和對環(huán)境的負面影響。有關(guān)研究表明，對于某一流量存在一臨界速度，當砂輪速度大于臨界速度時，隨著砂輪速度的增加，法向磨削力降低。
砂輪修整 在磨削過程中，砂輪變鈍，或由于磨損而失去正確的幾何形狀，必須進行及時修整。修整分為整形和修銳兩個過程。整形是使砂輪達到要求的幾何形狀和精度。修銳就是使磨粒凸出結(jié)合劑，產(chǎn)生必要的容屑空間，使砂輪達到較佳的磨削能力。根據(jù)具體情況，這兩個過程可以統(tǒng)一進行或同時進行，也可分兩步進行。 常用的整形方法有車削法、磨削法、金剛石滾輪法。電火花和激光法等新的整形法也正在研究中。常用的修銳方法有自由磨粒法(如氣體噴砂修銳法、游離磨粒擠壓修銳法、液壓噴砂修銳法等>和固結(jié)修銳工具修銳法(如油石法、剛玉塊切人法、砂輪對磨法等)兩大類，此外還有電解在線修整法、電火花修銳法、高壓水噴射修銳法和激光修銳等。
對于新型修整方法，應(yīng)加快實用化研究。修整系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)優(yōu)先考慮通用的高效修整系統(tǒng)的研究 磨削的成擬化與智能化 超高速磨削的實驗研究需要耗費大量人力物力因而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機進行磨削過程的仿真是一個重要的研究課題CIRP磨削科技委員會已把“虛擬實驗室”作為一個重要的合作項目，虛擬磨床可以建立一個逼真的虛擬磨削環(huán)境，可用于評估、預(yù)測磨削加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量以及培訓等一利用計算機仿真可模擬磨削過程，對磨削區(qū)溫度場、磨削力變化等進行仿真，分析預(yù)測不同條件下磨削精度和磨削表面質(zhì)量。 磨削過程是一個多變量的復(fù)雜過程隨著人工智能技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能磨削也成為個重要的研究方向。智能加工的基本目的就是要解決加工過程中眾多的不確定性的，要有人干預(yù)才能解決的問題。由計算機取代或延伸加工過程中人的部分腦力勞動。實現(xiàn)加工過程中的決策、監(jiān)測與控制的自動化其中關(guān)鍵是決策自動化。 機床智能磨削系統(tǒng)的基本框架由以下二部分組成:
�、龠^程模型和傳感器集成模塊。利用多傳感器信息融合技術(shù)，對加工過程信息進行處理，為決策與控制提供更加準確可靠的信息。多傳感器信息融合的實現(xiàn)方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、統(tǒng)計決策理論、Shafer-Dempster證據(jù)推理、具有置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；
�、跊Q策規(guī)劃與控制模塊，根據(jù)傳感器模塊提供的加工過程信息，作出決策規(guī)劃，確定合適的控制方法，產(chǎn)生控制信息，通過NC控制器作用于加工過程，以達到最優(yōu)控制，實現(xiàn)要求的加工任務(wù)。
�、壑R庫與數(shù)據(jù)庫，存放有關(guān)加工過程的先驗知識，提高加工精度的各種先驗?zāi)Ｐ鸵约翱芍挠绊懠庸ぞ鹊囊蛩�，加工精度與加I過程有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系等。此外，應(yīng)能自動學習與自動維護。華中科技大學、清華大學、西安交通大學、南京航空航天大學、天津大學、國防科技大學和東北大學等都先后進行過智能制造技術(shù)或智能制造系統(tǒng)等的研究工作。華中科技大學與漢江機床廠曾合作進行過螺紋智能磨削的研究。東北大學目前也正在國家教委的資助下進行智能磨削的研究。
