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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)院、鄭州三磨所等先后進行50-60m/s的磨削試驗;湖南大學(xué)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(xué)院、上海交通大學(xué)、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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)進行了大量的高速磨削試驗研究。以東北大學(xué)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(xué)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�，最高速度達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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)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(xùn)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:
①過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兀庸ぞ扰c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(xué)習(xí)與自動維護。華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)和東北大學(xué)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(xué)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(xué)目前也正在國家教委的資助下進行智能磨削的研究。
