超高速磨削加工关键技术的发展状况分析.doc

超高速磨削加工技术发展状况分析摘 要：超高速点磨削是一种先进高速磨削技术，它集成了高速磨削、CBN 超硬磨料及CNC 车削技术，具备优良加工性能。高速磨削从19世纪末就引起了各国研究者广泛关注。本文综合简介了国内外研究者在超高速磨削技术特点和核心技术研究成果，重点阐述了迅速点磨削技术。关 键 词：超高速点磨削；技术特性；核心技术中图分类号：TP 273 文献标志码：AThe analysis of the development situation of Super-high speed grinding technologyHAN Saizhou（ Mechanical and electrical engineering college,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China）ABSTRACT：Super-high speed point-grinding is an advanced manufacture technology that has integrated high speed grinding，thin super-abrasive wheel and CNC turning technologies，and has m any excellent performance sin grinding shafts process.High speed grinding from the end of nineteenth Century caused the wide attention of researchers all over the world. This paper introduces the domestic and international research achievements in the technical characteristics and the key technology of ultra high speed grinding，focuses on the quick point grinding technology.Keywords：Super-high speed point-grinding；Technical characteristics;Key technology 0 引言为适应当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规定，近年浮现了某些先进磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为重要技术特性超高速外圆磨削、高效深切磨削、迅速点磨削技术发展最为引人注目。1 超高速磨削技术超高速磨削(Vs150m/s )是近年迅猛发展一项先进制造技术，被誉为“当代磨削技术最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大当代制造技术之一。国际生产工程学会(CIRP )将超高速磨削技术拟定为面向21 世纪中心研究方向之一。东北大学自上世纪80 年始始终跟踪高速/超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其核心技术等开展了持续性研究，建造了国内第一台额定功率55kw 、最高砂轮线速度达250m/s 超高速实验磨床，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、高速钢等材料高效深磨研究、超高速单颗磨粒CBN 磨削实验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数研究等，某些研究成果达到国际先进水平。1.1 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自动化;(4 )实现对难加工材料磨削加工。超高速磨削不但可对硬脆材料实行延性域磨削，并且对钦合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性材料也可获得良好磨削效果1、2。超高速磨削纯铝实验表白，当磨削速度超过200m /s (纯铝静态应力波速度)时，工件表面硬化限度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改进。由于加载速度提高使得塑性应变点后移，增长了材料在弹性小变形阶段被去除机率。因而塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工临界点。1.2 超高速磨削核心技术(1)超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮应具备良好耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好导热性等。当前，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，基体材料惯用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量/密度比高、热膨胀系数低CFRP 复合材料CBN 砂轮。日本在400m /s 超高速磨床上，采用CFRP 为基体、直径25Omm 陶瓷结合剂CBN 砂轮，已实现300m / s 磨削实验。美国Norton 公司借助化学粘接力把持磨粒办法，其结合剂抗拉强度超过1553N/m 时，并获得更大磨粒突出高度和更抱负砂轮形貌。高温钎焊单层超硬磨料砂轮磨料与基体结合强度更高，磨粒裸露高度达到60%-70% ，有更锋利形貌。据报道，国外钎焊砂轮线速度可达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 磨料不但具备高硬度，还具备良好韧性。它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，因此磨削力和磨削区热量明显减少，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 磨粒相比不但成本低，并且对机床没有特殊规定，砂轮修整也和普通砂轮修整办法相似。在125 m/s磨削回火钢实验中材料去除率已达1000mm/mms3 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，砂轮构造和形状普通采用有限元办法进行分析和优化，谋求最佳基体轮廓，以充分减少砂轮基盘敏感位置应力7。(2)主轴系统超高速磨床主轴最高转速在10000r / mm 以上，传递磨削功率常为几十千瓦，故规定其主轴系统刚性好、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，展出超高速主轴基本上在10000-25000r / min 之间。当前瑞士Fisher 公司电主轴产品，其最高转速为40000r/min ，驱动功率40kw ，转速高达00r /min 和2500000r /min 实用高速电主轴也在研究开发中。超高速主轴单元核心是超高速精密轴承。当前重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热压Si3N4 陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具备d mn 值高(2 . 7106) ，原则化限度高，便于维护长处。用其组装超高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等长处。其缺陷是制造难度大、成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承最高表面速度可达200m / s 。但磁浮轴承存在重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。随着新型磁性材料浮现及超导技术、传感技术和控制技术发展，磁浮轴承也许成为将来超高速主轴轴承一种选取。液体动静压轴承具备径向和轴向跳动误差小，阻尼特性好、功率大、动态特性好、在全转速范畴内具备承载能力强和刚度大等长处。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，因而构造设计必要考虑其紊流、流体惯性和压缩性、温度粘度变化以及空穴等复杂现象，并且空载功率损耗大。东北大学研制超高速磨削实验机床主轴采用动静压轴承，转速达15000r / min 。空气静压轴承具备高速回转精度高，无振动，磨擦阻力小，经久耐用等特点，重要用于高速轻载和超精密主轴系统中。(3)超高速磨削砂轮自动平衡技术超高速回转砂轮动不平衡引起振动会严重影响主轴系统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动平衡外，还应当在磨削过程中实行在线自动平衡。砂轮自动平衡系统普通由电子传感及控制系统和平衡头构成。在高速及超高速磨床上惯用在线动平衡系统重要有液体式、气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上重要构成某些。美国、日本和德国等工业发达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修整特别是在线修整迄今仍是研究热点。电解修整(ELlD )法适合金属结合剂超硬磨料砂轮在线修整，激光修整法不但便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，并且热影响区小、砂轮修整损耗小和易于实现自动化，修整效率也高，有较好发展前景。当前对CBN 砂轮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(普通为修整滚轮)接触，然后通过进给系统进行微米级进给，得到抱负砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工规定。(5)磨削液供应系统超高速磨削中，由于砂轮极高速旋转形成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抑制，工件易浮现烧伤，严重影响零件表面完整性和机械物理性能。因而，磨削液供应系统对提高和改进工件质量、减少砂轮磨损至关重要。超高速磨削惯用冷却液注人办法有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，应对供液系统参数涉及供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴构造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当前数控机床进给系统重要采用滚珠丝杠传动。随着高速超高速加工技术发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能直线电机结合数字控制技术，避免了老式滚珠丝杠传动中反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度局限性等缺陷，可获得高精度高速移动并具备极好稳定性。(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监测非常重要，砂轮与工件和修整轮对刀精度直接影响尺寸精度和修整质量。因而，在线智能监测是保证超高速磨削加工质量和生产率重要因素。运用磨削过程中产生各种声发射源，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、砂轮与修整轮接触等，可以通过检测声发射信号变化来对磨削状态进行鉴别和监测，已取较好效果。此外，工件精度和加工表面质量在线监控技术也是高效率磨削核心技术。CNC 超高速磨床，特别是迅速点磨削机床，应用持续轨迹技术，可实现成型曲面磨削、凸轮廓线和复杂曲面磨削，并可实现联机测量。CNC 磨床规定组织和硬度均匀性好砂轮，且有较好静动平衡性能、高尺寸和形状精度、高磨削比和使用寿命。同步还要尽量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改进，另一方面也增进了磨削数控系统发展。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，必要设立高强度半封闭或封闭砂轮防护罩，罩内最佳敷设缓冲材料，以起到吸取或减少砂轮碎块二次弹射作用。 2 迅速点磨削技术 德国Junker 公司于1994 年开发迅速点磨削(Quick-point Grinding )是一种新高速/超高速磨削技术形式，具备高效率、高柔性、大批量生产及高质量稳定性。重要用于轴类零件加工。当前已在汽车工业、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所有表面加工，大大提高了零件加工精度及生产率。国内某些汽车制造公司当前也引进了这一工艺设备，并获得了明显效益。由于国内当前没有开展系统理论和应用研究，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，所有工艺、设备和配套附件均依赖进口。而国外由于技术垄断，对迅速点磨削有关技术信息也鲜见报道。作为教诲部重点科学技术研究课题，东北大学从 年开始对迅速点磨削核心技术及磨削机理开展了基本性理论与实验研究，并研制开发了实验机床和点磨削超薄CBN 砂轮(见图1 和图2)。 图1 实验机床图2 点磨削超波CBN砂轮机床采用动静压主轴轴承，轴承工作压力30MPa ，转速达1500Or/min ，可以实现点磨变量角度。和刀在给定范畴内变化，X-Z方向联动进给，冷却系统供液压力2MPa 。2.1 迅速点磨削核心技术 图3 迅速磨削凸轮轴数控迅速点磨削集成了数控车削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技术，可实现对各种形状表面及各种材料高性能加工。图3 为点磨削加工凸轮轴。迅速点磨削磨削过程不同于普通意义上超高速磨削，其技术特性如下：(1)点磨削加工时，砂轮与工件轴线并不是始终处在平行状态，而是在水平和垂直两个方向偏转、角度，以实现砂轮与工件理论上“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。 点磨削以单向磨削为主，通过数控系统来控制这两个方向角变量数值，以及在X 、Z 方向采用与CNC 车削相类似两轴联动数控进给，以实现对不同形状表面点磨加工。X 方向采用高精度静压圆柱导轨技术(图4) ，以增长阻尼和稳定地实现微米级精准切人进给。Z方向(纵向)进给采用带有预负载滚珠丝杠和平面浑形涂层导轨。 图4 高精度静压圆柱导轨和静压进给丝杠(2)迅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，直径普通为300400mm ，宽度为4 6mm ，径向磨料层厚度为5mm 。砂轮架、主轴箱和尾架调节和安装均采用Junker 公司专利技术“三点定位安装系统”迅速完毕，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砂轮孔径涨大。如图5 所示，更换顶尖时间不大于2min ，更换砂轮时间不大于2Omin 。为控制由于砂轮高速旋转产生振动，保证加工质量，在砂轮每次修整和更换后都要进行动平衡。Junker 公司点磨机床通过安装在主轴端部电子自动平衡系统自动完毕砂轮在线动平衡。由于砂轮极薄，减少了砂轮重量和不平衡度，并使由砂轮高速旋转在磨削区周边产生高压空气层对冷却液阻碍作用下降，同步也减少了高速砂轮旋转阻力，并且能磨削狭窄及断面尺寸变化较大型面阎。 图5三点定位安装系统(3)砂轮速度可达90-16Om/s 。为获得高磨除率，同步不使砂轮产生过大离心力而发生破坏，工件也高速旋转，并与砂轮转向相似，普通在1000r / min 以上，最高可达12O00r /没in 。因而接触点处实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度叠加，可达200m/s 以上，以实现更高应变率下材料去除。(4)与普通磨削方式不同，在磨削外圆时，砂轮磨损重要是在端面沿横向发生，而沿径向磨损很小。实际应用中普通依照砂轮耐用度(加工工件数量)或磨损状态(砂轮横向磨损宽度与否达到规定值)，通过与工件同轴线安装金刚石滚轮和油石直接在机床上完毕在线修整。修整时，重要是将砂轮在宽度方向磨损后剩存且已经钝化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所有修整去除，砂轮达到使用寿命。一汽大众汽车有限公司引进迅速点磨削技术磨削发动机凸轮轴轴径，采用厚度为5mm 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，供液压力普通为12MPa ，采用如图4 所示双喷嘴喷注方式。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必要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。2.2 迅速点磨削技术应用效果迅速点磨削磨削温度低，可实现少、无磨削液加工，可以达到高精度磨削表面质量和加工精度;由于磨削力极小，用顶尖产生摩擦力即可带动工件，特别适合刚性较差细长轴加工，可进行涉及工件两端在内整体加工;迅速点磨削砂轮使用寿命相称长，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，机床运用率高达88 %一95 % ，比老式磨削办法高出3%一8 % ;迅速点磨削砂轮形状精度保持性极好，保证了大批量生产中极高质量稳定性;一次安装后可完毕外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工，具备更大柔性和更高生产率。还可以实现车磨工序合并。国内汽车制造公司用迅速点磨削技术加工凸轮轴，只需一台机床即可完毕凸轮轴轴颈所有加工，运营成本减少70%一80% ，加工精度在H6 级以上，表面粗糙度值低于0.8m 。3 结束语(1) 超高速磨削最大优越性在它能越过磨削“热沟”影响，减少传入工件磨削热，从而可以减少或避免工件表面磨削“烧伤”，保证工件加工质量。并且，超高速磨削在应用中符合绿色制造加工原则。(2) 超高速磨削是提高磨削效率、减少工件表面粗糙度和提高工件加工质量先进加工技术，特别对硬脆材料能实现延性域磨削，对高强度难磨材料也能获得良好磨削效果，这对某些领域是难得可贵。(3) 当前世界发达工业国家，如德国、美国、日本等超高速磨削加工技术己趋成熟，实际应用超高速磨削速度在200- 300m/s 之间，实验室磨削速度己达500m/s。中华人民共和国超高速磨削研究起步较晚，到当前为止仅仅停留在实验室中，东北大学以蔡光起专家为首研究小组在国家自然科学基金和教诲部重大科学项目资助下正在进行电镀、陶瓷结合剂CBN 砂轮超高速高效、高精、迅速点磨削研究，最高磨削速度达200m/s，某些研究成果达到世界先进水平。参照文献:1 朱从容.超高速磨削及其核心技术,.2 毛淑芳.CBN 砂轮高速、超高速磨削技术,.3 荣烈润.高速磨削技术现状及发展前景，.