浅谈机械制造领域中的超高速磨削技术

来源:用户上传      作者: 李云艳

　　摘要：旨在讨论超高速磨削技术磨削机理、特点，结合实际，介绍了其在一些领域的重要应用。
　　关键词：机械制造超高速磨削机理应用
　　近年，在西方发达国家的机械制造领域，高速磨削技术受到了较多重视，且已向着实用化的阶段过渡与发展。
　　1、技术概述
　　超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大的提高切削速度、进给速度来提高材料的切除率、加工的精度、加工的质量的现代加工技术。
　　超高速加工切削的速度范围因不同的工件材料、切削方式而异。目前，通常认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铸铁为1500m/min，铝合金已超过1600m/min，钛合金达150~1000m/min，超耐热镍合金达300m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，钻削200~1100m/min，铣削300~6000m/min，磨削250m/s以上等。
　　超高速加工技术主要包括：超高速切削和磨削机理研究，超高速进给单元制造技术，超高速主轴单元制造技术，超高速加工用刀具和磨具制造技术，超高速加工在线自动检测和控制技术等。
　　当前，超精密加工是指被加工零件的尺寸的精度高于0.1μm，表面的粗糙度Ra小于0.025μm，所用机床的定位精度的分辨率与重复性高于0.01μm的加工技术，也称为亚微米级加工技术，并且正在向纳米级加工技术发展。
　　2、磨削机理
　　在高速超高速磨削加工的过程中，在保持其它参数不变的条件下，随着砂轮速度大幅度的提高，在单位时间内磨削区的磨粒数的增加，每个磨粒切下的磨屑厚度会变小，则在进行高速超高速磨削时，每颗磨粒切削的厚度变薄。这将导致每个磨粒所承受的磨削力会大大变小，总磨削力也会大大的降低。在进行超高速磨削时，因为磨削速度很高，单个磨屑的形成时间极短。在极短的时间内完成的磨屑的高应变率所形成过程与普通磨削有很大的差别，表现为工件表面的弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及残余应力倾向减小。
　　3、优越性
　　(1)大幅度提高磨削效率；
　　(2)明显降低磨削力，提高零件加工精度；
　　(3)降低加工工件表面粗糙度值，易获得高光洁的加工表面；
　　(4)砂轮耐用度提高，使用寿命延长；
　　(5)能实现对硬脆材料的延性域磨削，对高塑性和难磨材料获得良好的磨削效果；
　　(6)具有巨大的经济效益。
　　4、应用
　　4.1 高效深切磨削
　　高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100-250m/s)、高进给速(0.5-10 m/min)和大切深(0.1-30mm)为一体的高效率磨削技术，高效深磨概念是由德国Bremen大学Werner教授于1980年创立。目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位，高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合，与普通磨削不同的是高效深磨可以通过一个磨削行程，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100-1000倍)，表面质量也可达到普通磨削水平。
　　4.2 超高速外圆磨削
　　提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度，可实现高效率超高速精密磨削，超高速外圆磨削是使用150-200m/s及以上的砂轮周速和CBN砂轮，配以高性能CNC系统和高精度微进给机构，对主轴、曲轴等零件外圆回转表面进行超高速精密磨削加工的方法，它既能够保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。
　　这一技术在日本已成功应用于汽车工业部门。 例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC超高速外圆磨床来磨削加工余量达5mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达174mm3/(s﹒mm)，砂轮磨削比可达33500。以表面粗糙度Rz=3微米为上限，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GZ0型CNC 超高速外圆磨床装备了Toyo da State Bearing 轴承，用200m/s的薄片CBN 砂轮对回转体零件进行一次性纵向轨迹磨削完成整个工件的柔性加工。
　　4.3 硬脆材料及难加工材料超高速磨削
　　随着现代高科学技术及产业化发展，工程陶瓷、功能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料获得日益广泛的应用，用超硬磨料在高速或超高速条件下对硬脆材料进行磨削加工已成为几乎唯一的加工手段。在普通磨削条件下，磨粒浸入工件较深，磨屑主要料脆性断裂形式完成，超高速磨削单位时间内参加磨削的磨粒数大大增加，单个磨粒的切削厚度极薄，容易使陶瓷、玻璃等硬脆材料以塑性变形形式产生磨屑，大大提高磨削表面质量和效率， 因此超高速磨削能实现对硬脆材料的延性域磨削。例如，在采用金刚石砂轮以160m/s的磨削速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比80 m/s提高一倍，砂轮寿命为80 m/s和30m/s时的1.56倍和7倍，并且可获得良好的表面质量。
　　5、结语
　　近年来，我国在机械制造领域取得了较大的进步，然而在超高速磨削技术的发展与应用方面，与国外的发展还存在着较大的差距。我们也应当看到，随着超高速磨削技术在现代机械制造领域的应用越来越广泛，我国的机械制造业也必将向着现代化的方向进一步发展。
　　参考文献
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　　[2]宋贵亮，巩亚东，蔡光起．超高速磨削及应用[J]．航空精密制造技术，2000，(3):265-268.
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