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超高速磨削加工技术发展及研究

作者: 沈桂兰

  摘要: 介绍了超高速磨削加工技术的起源,超高速磨削的发展概况,总结了超高速磨削相比普通磨削的优点,分析高速超高速磨削加工的关键技术,对超高速磨削的砂轮、主轴、磨床、磨削液及供液系统等作了介绍。阐述了超高速磨削以后的发展趋势。
  关键词: 超高速磨削;磨床;高速加工
  中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2012)23-0014-02
  0 引言
  一般情况下砂轮线速度高于45m/s的磨削称为高速磨削,而高于150m/s的超高速磨削可以称作是磨削技术的史上一次跳跃性的发展。超高速磨削是一项新兴技术产业发展的产物,它作为综合性的加工技术促进了现代精密加工技术发展要求;超高速磨削加工领域涉及到很多相关方面的的技术,如:现代机械、纳米加工、计算机、液压、控制、光学、计量及先进材料。超高速磨削是在德国首先发展起来,然后在欧美和日本等国家和地区得到扩展。高速磨削加工的发展趋势正朝着采用超硬磨料磨具,高速高效、精密超精密磨削工艺以及绿色生态磨削方向发展。
  1 超高速磨削加工发展
  1.1 国外超高速磨削加工技术进展 高速超高速磨削加工技术在美国和欧洲这样的发达国家和地区发展相当迅速。超高速磨削加工技术的初步探索是始于上世纪60年代,即便是在那个时候研究中的磨削速度就已经达到了210-230m/s。欧洲在高速超高速磨削的研究方面始终处于领先地位。德国Aachen大学、Bremen大学在高效率深切削的高速磨削研究方面取得了高水平成果,研究人员采用高速度、快进给、深切入进行超高速磨削实验,可得到高质量的磨削效果。柏林技术大学机床加工工艺研究所和霍伦霍夫研究院生产设备和设计技术研究所开展了创新型磨削工艺,开发出了高速双面磨削工艺。德国Aachen工业大学在超高速磨削研究中采用圆周速度500m/s的超高速砂轮进行了实验。美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等在研究超高速磨削实验时采用了149m/s的砂轮速度和电镀金刚石砂轮硅研究分析了超高速磨削砂轮的地貌和磨削机理。美国的Edgetek Machine公司采用单层CBN砂轮推出圆周速度可达203m/s的超高速磨床。日本高速超高速磨削技术近十年来发展迅速,2000年,日本进行了500m/s的超高速磨削实验,其目的主要研究磨削过程的综合性能以及超高速磨削机理的分析,其在超高速磨削领域已经处于国际领先地位。
  1.2 国内超高速磨削的发展 相对于欧美日等发达国家的超高速磨削加工技术发展状况而言,我国高速超高速磨削加工发展滞后了,国内从50年代开始研究,其最高速度达到50m/s,到70年代提高到125m/s,90年代研究速度又提高到200m/s,如今部分高校研究机构已经在实验室将速度提高到250m/s。东北大学超高速磨削方面的研究成绩突出,研制了我国第一台超高速实验磨床,其圆周速度200m/s,最高砂轮线速度达250m/s。国内高校以及研究机构对超高速磨削加工技术的各个方面开展了研究,包括传热机理、高速深磨加工技术、单颗粒CBN高速磨削力、电镀CBN超高速砂轮设计、超高速磨削摩擦磨损、超高速磨削砂轮表面气流场的、超高速磨削机理、点磨研究和高速磨料流磨削等多个方面,湖南大学、哈尔滨工业大学、天津大学、东北大学、清华大学等高校在超高速磨削方面都取得了大量的研究成果,其中部分研究成果已经达到国际先进水平。
  2 超高速磨削过程的优越性
  超高速磨削适合加工超硬材料,同时超高速磨削对高塑性难加工金属材料也有一定的磨削效果。与普通磨削相比,超高速磨削具有如下优越性:磨削力和工件受力变形小、高材料去除率、工件表面粗糙度降低、加工精度和加工质量好、高加工效率。
  2.1 大幅度提高磨削加工效率,减少磨床设备使用的台数 磨削技术的发展史与磨削速度的提高紧密相连。磨削效率始终是磨削技术发展的重要里程碑。经过半个多世纪的发展,磨削速度提高了10多倍,比磨削去除率增加近百倍。
  2.2 提高加工精度并降低磨削力 磨削力是反映磨削过程的重要物理量之一,超高速磨削时可以降低磨削力。当进给量不变时,超高速磨削其磨屑厚度变薄,加工精度得到提高。由于砂轮线速度增大,单位时间内参加磨削的磨粒数大大增加,单颗磨粒的切削厚度变薄,降低了每颗磨粒的磨削力,从而导致磨削力减小。而当磨削速度进一步提高时,超高速磨削冲击成屑,砂轮和工件面的摩擦区由固态向液态转变,从而超高速磨削磨削力得到急剧下降。
  2.3 工件表面光滑度增加 为了增加磨削表面的光滑度和提高磨削表面质量就需要不断的加快砂轮线速度并且降低单颗磨粒的切削的厚度。增加超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动和工件的进给的速度,就可以使得磨削区快速脱离加工工件表面,削弱其应变率响应的温度,减少残留在工件表面上的应力,再加上因为伴随着砂轮线速度越来越高,可以减少单颗磨粒在去除工件材料时犁两侧隆起的面积比沟槽横截的面积的值,从而磨削表面粗糙度得到降低,获得了高精度的工件表面。
  2.4 提高耐用度,延长超高速磨削砂轮的使用寿命 主超高速磨削时单颗磨粒所受负荷很小,磨损减轻,磨粒工作寿命得到延长,从而提高了超高速磨削时砂轮的使用寿命。
  2.5 实现硬脆材料的延性域磨削 陶瓷等脆性材料的表面在超高速磨削和低速磨削时呈现出来的特征不一样,超高速磨削时脆性材料的表面以塑性去除为主来代替低速磨削时的脆性断裂去除,达到使得陶瓷材料的延性磨削的目标,硬脆材料塑性去除的方式使得塑性变形产生磨屑,这样的方式使得磨削表面质量增加和效率加大。
  2.6 具备很大的社会效益,降低了加工成本 超高速磨削加工之所以能够创造巨大的社会效益主要原因在于它具备了以下的优点:合理有效的加工时间,较高的劳动生产率,简易的加工工序、合理的设备和人员投入,节省的人力物力的消耗,噪声的污染少。它之所以能具备环境效益和经济效益主要是超高速磨削磨床主轴运转速度很高,激振频率远离工艺系统固有频率从而减小了工艺系统的振动,以达到降低噪音的效果;超高速磨削砂轮磨损减小后设备的寿命变长,降低了生产加工的设备投入,达到资源的有效利用。
论文来源:《价值工程》 2012年第23期
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