高速及超高速磨削加工

高速及超高速磨削加工 篇1

关键词：超高速,磨削,CNC,快速点磨削

1 概述

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20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。

a.大幅度提高磨削效率, 设备使用台数少;b.磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好;c.砂轮使用寿命长, 有助于实现磨削加工的自动化;d.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。a.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250mm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。b.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。c.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。d.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 (ELl D) 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。e.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。f.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。g.磨削状态检测及数控技术。

3 快速点磨削技术

德国Junker公司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。

3.1 快速点磨削的关键技术。

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。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:a.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。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, 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。b.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0.002mm以内, 并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大。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 (下转68页) (上接69页) 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阎。c.砂轮速度可达90～160m/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/min。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。d.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]。e.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%～95%, 比传统磨削方法高出3%～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%～80%, 加工精度在H6级以上, 表面粗糙度值低于0.8μm[7]。

4 结论

高速磨削加工工艺及应用 篇2

班级：测控技术与仪器 1122240 姓名：叶成权

指导教室：赵世萍

摘要

高速磨削加工属于先进制造方法。与普通磨削比，它有很多优点，且集粗精加工于一身，能达到与车、铣、刨等切削加工相媲美的金属磨除率，能实现对难磨材料的高性能加工。阐述了高速磨削加工工艺的确定，高速磨削加工在工业中的具体应用，以及进一步提高磨削速度的设想。

关键词：高速磨削；加工工艺；应用 高速磨削概述

高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的工艺方法。它与普通磨削的区别在于很高的磨削速度和进给速度，而高速磨削的定义随时间的不同在不断推进。20 世纪60年代以前，磨削速度在50 m/ s 时。即被称为高速磨削；而20世纪90 年代磨削速度最高已达500 m/s。在实际应用中，磨削速度在100 m/ s 以上即被称为高速磨削。高速磨削可大幅度提高磨削生产效率、延长砂轮使用寿命、降低磨削表面粗糙度值、减小磨削力和工件受力变形、提高工件加工精度、降低磨削温度，能实现对难磨材料的高性能加工。随着砂轮速度的提高，目前比磨削去除率已猛增到了3 000 mm3/mm·s 以上，可达到与车、铣、刨等切削加工相媲美的金属磨除率。近年来各种新兴硬脆材料（如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等）的广泛应用，更推动了高速磨削技术的迅猛发展。高速磨削技术是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术于一体。日本先进技术研究会把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）将高速磨削技术确定为面向21 世纪的中心研究技术之一。高速磨削加工工艺

高速磨削的加工工艺涉及磨削用量、磨削液及砂轮修整等方面，下面将分别进行阐述。

2.1 磨削用量选择

在应用高速磨削工艺时，磨削用量的选择对磨削效率、工件表面质量以及避免磨削烧伤和裂纹十分重要。表1 给出了磨削用量与砂轮速度的关系。除了砂轮速度以外，决定磨削用量的因素还有很多，因此应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料、冷却方式等因素，以选择最优的磨削用量。

2.2 磨削液

在高速磨削过程中，所采用的冷却系统的优劣常常能决定整个磨削过程的成败。冷却润滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延长砂轮的使用寿命，降低工件表面粗糙度值。它在磨削过程中必须完成润滑、冷却、清洗砂轮和传送切削屑四大任务，与普通磨削液要求类似。

2.3 砂轮的修整

目前应用较为成熟的砂轮修整技术有：（1）ELID在线电解修整技术在线电解修整（electrolytic in—process dressing，简称ELID）是专门应用于金属结合剂砂轮的修整方法，与普通的电解修整方法相比，具有修整效率高、工艺过程简单、修整质量好等特点，同时它采用普通磨削液作为电解修整液，很好地解决了机床腐蚀问题。经ELID修整的4000 号铸铁结合剂金刚石砂轮成功地实现了工程陶瓷、硬质合金、单晶硅、光学玻璃等多种材料的精密镜面磨削，表面粗糙度Ra 可达2～4 nm。（2）电火花砂轮修整技术

利用电火花修整可对任何以导电材料为结合剂的砂轮进行在线、在位修整，易于保证磨削精度，不会腐蚀设备，修整力小，对小直径及极薄砂轮的修整较为方便，同时整形效率高、修锐质量好；磨料周围不残留结合剂，修锐强度易于控制。（3）杯形砂轮修整技术

采用杯形砂轮修整器修整超硬磨料成形砂轮，其修整效率及修整精度都比传统的成形砂轮修整方法要高，可达到零误差的砂轮表面。砂轮修整后的磨削性能实验表明磨削力明显减小，磨削性能良好，且砂轮使用寿命长。

（4）电解—机械复合整形技术

运用此法可在短时间内将砂轮修整到较高的表面质量及形状精度，为砂轮的精密修整提供了良好的条件。高速磨削的应用

高速磨削的应用技术有高速深切磨削、高速精密磨削、难磨材料及硬脆材料的高速磨削。

3.1 高速深切磨削

以砂轮高速、高进给速度和大切深为主要特点的高效深磨（high efficiencydeep grinding，简称HEDG）技术是高速磨削在高效加工方面的应用之一。高效深磨技术起源于德国。1979年德国P.G.Werner博士预言了高效深磨区的存在合理性，开创了高效深磨的概念，并在1983 年由德国Guhring Automation公司创造了当时世界上最具威力的60 kW强力磨床，转速397 0 0 1 为10000 r/min，砂轮直径为400 mm，砂轮圆周速度达到100～180 m/s，标志着磨削技术进入了一个新纪元。1996 年由德国Schaudt 公司生产的高速数控曲轴磨床，是具有 高效深磨特性的典型产品，它能把曲轴坯件直接由磨削加工到最终尺寸。德国Aachen工业大学宣称，该校已采用了圆周速度达到500 m/s的超高速砂轮，此速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。高速深切磨削可直观地看成是缓进给磨削和高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率（磨除率比普通磨削高100～1 000 倍），表面质量也可达到普通磨削水平。例如，采用陶瓷结合剂砂轮以120m/s 的速度磨削，比磨削率可达500～1000 mm3/mm·s，比车削和铣削高5倍以上。英国用盘形CBN砂轮对低合金钢51CrV4进行了146 m/s 的高效深磨试验研究，材料去除率超过400 mm3/mm·s。高效成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助CNC系统完成更复杂型面的加工。此项技术已成功地用于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。日本丰田工机、三菱重工等公司均能生产CBN高速磨床。GP-33 型高速磨床采用CBN砂轮以120 m/s 磨削速度实现对工件不同部位的自动磨削。美国Edgetrk Machine公司也生产高效深磨 机床，该公司主要发展小型3 轴、4轴和5 轴CNC成型砂轮，可实现对淬硬钢的高效深磨，表面质量可与普通磨削媲美。高速深切磨削具有加工时间短（一般为0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备高速磨削的技术要求外，还要求机床具有高的刚度。

3.2 高速精密磨削

高速精密磨削（precision high speed grinding）是采用高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度。高速精密磨削主要是高速外圆磨削。即使用150～200 m/s的砂轮周速和CBN 砂轮，配以高性能CNC 系统和高精度微进给机构，对凸轮轴、曲轴等零件外圆回转面进行高速精密磨削加工的方法。它既能保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。这一技术在日本应用最为广泛。例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC高速外圆磨床来磨削加工余量达5 mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨削率可达174 mm3/mm·s，砂轮磨削比可达33500。以表面粗糙度Rz3 μm为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60 个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转。丰田工机GZ50 型CNC高速外圆磨床上装备了其最新研制的Toyoda State Bearing 轴承，使用转速在200 m/s 的薄片陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮对轴类零件进行一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工过程，并首先在曲轴销加工中应用成功。在M104CNS/CBN 高速外圆磨床上安装了带有神经网络自学习功能的数控系统，使得磨床的加工性能更加完善。德国Guhring Automation 公司RB625高速外圆磨床上，使用CBN 砂轮可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2 kg金属。高速磨削技术的研究

高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。我国在高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强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和加快新产品开发具有十分重要的意义。

高速磨削技术的研究，主要从制约切削速度的各个方面进行研究。（1）发展高功率高速主轴。

（2）研制适应高速磨削的新颖砂轮，这样才能提高磨削速度。（3）磨床结构的改进。

为了尽可能降低机床在高速时由于砂轮不平衡引起的振动，应配置在线自动平衡系统，以使机床在不同转速时，始终处于最佳的运行状态。为了提高生产效率和工件的加工精度，则应采用高速、高效和高精度进给驱动系统。比如在平面磨床上采用直线电机替代丝杠螺母传动；在进行偏心磨削时，外圆磨床除了须具备高速滑台系统外，还要配备高速数控系统，以保证工件的精度及较高的生产率。（4）优化冷却润滑系统。除了要注意冷却润滑液本身的化学构成外，其供给系统也十分重要。因此，在研制高速磨床时，必须配置高压的冷却润滑供给系统。（5）磨削速度向超音速迈进。