先进制造工艺技术―超高速磨削
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中图分类号：TU758.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0068-01
超高速磨削（Vs≥150m/s ）是近年迅猛发展的一项先进制造技术，也是先进加工制造工艺与装备的重要组成部分。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。超高速磨削具有如下优势：
1. 磨削效率高，砂轮损耗小
磨削速度愈高，单位时间内参与切削的磨粒数愈多，磨除的磨屑增多，且工件进给速度应与砂轮线速度的1.13次方成比例，故超高速磨削会使磨削效率大幅提高。与此相应，超高速磨削时单个磨粒上所承受的磨削力大为减少，从而降低了砂轮的磨损。许多实验表明，当磨削力不变时，砂轮线速度Vs从80m/s提高至200m/s，磨削效率提高2.5倍，CBN砂轮的寿命也延长了1倍。
2. 磨削力小，加工精度高
由于超高速磨削时磨屑厚度变薄，在磨削效率不变的条件下，法向磨削力会随Vs的增高而显着减少（Vs为200m/s时的法向磨削力仅为80m/s时的46%），从而使工艺系统的变形减少，加之超高速磨削的激振频率远高于工艺系统的固有频率，不会引起共振，其共同结果是促使磨削精度提高。
3. 工件表面质量好
实验表明，在其它条件一定时，当砂轮线速度从33m/s升至200m/s，磨削表面粗糙度则由Ra2.0降至Ra1.1。由于超高速磨削过程中大量磨削热将被磨屑带走，传入工件的比例很小，不仅不易发生表面烧伤，而且表面残余应力层的深度也随之变小。此外，超高速磨削还可实现对硬脆材料的延性域磨削，对高塑性等难磨材料也有良好的磨削效果。
二、超高速磨削的若干关键技术
超高速磨削的关键技术也离不开磨床、砂轮、磨削工艺、磨削液、自动平衡技术、磨削状态检测及数控技术等。
1、超高速磨床的主轴系统和进给系统
超高速磨床的总体结构和基础大件要有很高的动、静刚度，通常采用有限元法进行分析和优化，机床的安全防护也很重要，但最关键还是主轴系统和进给系统。
1.1 超高速主轴系统
提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，因而，为实现高速切削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。为减少由于切削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小。目前，国外生产的高速超高速机床，大量的采用电主轴。如在日本，1998年10月19届JIMTOF展览会上，展出的超高速主轴基本上在10000r/min-25000r/min之间。目前国际上最高水平的电主轴是瑞士Fisher公司的产品（nmax=40000r/min，N=40kW）。转速高达200000r/min、250000r/min的实用高速电主轴也正在研究开发中。
1.2 进给系统
高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。直线电机取消了中间传动环节，实现了所谓的“零传动”。进给速度可达60m/mv-200m/mv以上，加速度可达10m/s？-100m/s？以上。定位精度高达0.5？m-0.05？m，甚至更高，且推力大，刚度高，动态响应快，行程长度不受限制。主要问题是发热较严重，对其磁场周围的灰尘和切屑有吸附作用，价格较高。
2、超硬磨料砂轮
超高速磨削砂轮是在基体上固结一层或多层超硬磨料，进一步分为多层可修整和单层磨料砂轮两大类。所用超硬磨料除磨削硬脆材料为金刚石外，其余都使用CBN。超高速磨削砂轮的基体除要有足够的强度以承受巨大的离心力外，还要有高的弹性模量/密度比和低的热膨胀系数，目前常用的材料是高强度合金钢，正寻求高强度铝合金和铍等性能更优良的材料作基体，日本已使用一种碳素纤维复合材料CFRP作超高速砂轮基体。此外，超高速砂轮基体的形状设计也至关重要。
3、砂轮修整技术
在磨削过程重，砂轮变钝，或由于磨损而失去正确的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力。根据具体情况，这两个过程可以统一进行或同时进行，也可分两步进行。
常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法。电火花和激光法等新的整形法也在研究中。常用的修锐方法有自由磨粒法（如气体喷砂修锐法、游离磨粒挤压修锐法、液压喷砂修锐法等）和固结修锐工具修锐法（如油石法、刚玉块切入法、砂轮对磨法等）。
4、磨削液及其注入系统
超高速磨削时，气流屏障阻碍厂磨削液有效地进人磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注人方法，增加磨削液进人磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。
超高速磨削液必须净化，过滤系统的选择与切屑长度、厚度及类型有关，还取决于磨粒的切削深度。此外，还应对磨削液引起的砂轮主轴功率消耗，以及磨削区域磨削液的动静压对磨削力的影响进行研究。对超高速磨削的供液压力和速度进行优化，有效地减少功率消耗和对环境的负面影响。
5、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超高速磨床上的重要组成部分。
6、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的监测非常重要，砂轮与工件和修整轮的对刀精度直接影响尺寸精度和修整质量。因此，在线智能监测是保证超高速磨削加工质量和生产率的重要因素。利用磨削过程中产生的各种声发射源，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、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别和监测，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面质量的在线监控技术也是高效率磨削的关键技术。
CNC 超高速磨床，应用连续轨迹技术，可实现成型曲面磨削、凸轮廓线和复杂曲面的磨削，并可实现联机测量。CNC 磨床要求组织和硬度均匀性好的砂轮，且有很好的静动平衡性能、高的尺寸和形状精度、高磨削比和使用寿命。同时还要尽可能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的改进，另一方面也促进了磨削数控系统的发展。磨削数控软件和系统正在工艺优化并向柔性化方向发展。
7、磨削的成拟化
超高速磨削的实验研究需要耗费大量人力物力因而随着计算机技术的发展，利用计算机进行磨削过程的仿真是一个重要的研究课题CIRP磨削科技委员会已把“虚拟实验室”作为一个重要的合作项目，虚拟磨床可以建立一个逼真的虚拟磨削环境，可用于评估、预测磨削加工过程和产品质量以及培训等一利用计算机仿真可模拟磨削过程，对磨削区温度场、磨削力变化等进行仿真，分析预测不同条件下磨削精度和磨削表面质量。
超高速磨削是先进制造的前沿技术，随着超硬磨料磨具的应用和发展，高速大功率精密机床及数控技术、新型磨削液和砂轮修整等相关技术、以及磨削自动化和智能化等技术的发展，使超高速磨削和高效率磨削技术在机械制造领域具有更加重要的地位，发展前景广阔。
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