超高速磨削加工及其關(guān)鍵技術(shù)

1、超高速磨削加工及其關(guān)鍵技術(shù)張洪波 > 石俊強(qiáng)陳奕(合肥學(xué)院雙實(shí)中心，合肥230022)摘 要超高速餅削加工技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新蘑削加工技術(shù),具冇傳統(tǒng)的蘑削加工技術(shù)不町替代的諸多優(yōu)點(diǎn)，擁冇 光明的市場前景。文中根據(jù)國內(nèi)外最新的研究資料，對超高速磨削加匚技術(shù)的機(jī)理、特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了較為詳實(shí) 的介紹和論述。矢鍵詞超高速；磨削加工；關(guān)鍵技術(shù)中圖分類號:tg580.614文獻(xiàn)標(biāo)識碼a文章編號:1002-2333(2009)06-0096-02ultra-high speed grin ding machining and its key technologieszhang hong-bo,

2、 shi jun-qiang, chen yi(basic experiment & practice teaching center, hefei university, hefei 230022, china)abstract: ultra-high speed grin ding machi ning technology is a synthetic high and new grin ding machining technology, it has many adva ntages that can not be substituted by traditional gri

3、nding machi ning tech no logy and widely appl yinc prospect. i n this paper, mechanics, features and key tech no logies about ultra-rapid grindi ng machining tech no logy are detailedly introduced according to the newest study documentskey words: ultra-high speed; grinding machi ning; key tech no lo

4、gy1引言超高速磨削加工技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代幵始發(fā)展 起來的一種高新磨削加工技術(shù)。自從面世以來該技術(shù)因 其巨大的技術(shù)優(yōu)勢受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和制造業(yè)的極大 尖注。一般而言按照砂輪線速度vs的高低磨削加工可分 為普通磨削(vs=30'40m/s )和高速磨glj(vs=45'120m/s )兩 類而超高速磨削是指砂輪線速度為普通磨削5倍以上 (即vs>150m/s)的高速磨削。與傳統(tǒng)的磨削加工相比超 高速磨削加工在提高生產(chǎn)率、降低企業(yè)生產(chǎn)成本、減少產(chǎn) 品在磨削加工過程中的熱變形、熱應(yīng)力、減輕磨削力、減輕 和消除加工設(shè)備和磨具在加工過程中的振動以及實(shí)現(xiàn)高 精度、高質(zhì)量零件的加

5、工等諸多方面具有明顯的優(yōu)勢。 2超高速磨削加工的機(jī)理1930年代初德國著名的機(jī)械切削物理學(xué)家卡爾 薩洛蒙(carl salomon)分析和總結(jié)了大量的切削加工實(shí) 驗(yàn)'速度-溫度'曲線 首次創(chuàng)新地提出了超高速切削加工 的理論。他指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)切削溫度隨 著切削速度的增大而升高；而且在超過一定的切削速度 后莊于切削溫度的升高超過了刀具的承受能力刀具的 硬度會劇烈降低刀具發(fā)軟并出現(xiàn)劇烈磨損將使切削加 工無法繼續(xù)進(jìn)行。但是當(dāng)切削速度繼續(xù)增大，達(dá)到甚至 超過一定的數(shù)值后如果再增加切削速度dt匕時(shí)的切削溫 度不但不會升高反而會降低甚至?xí)陀诘毒呖梢猿惺?的溫度這樣就可能重新利

6、用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速加 工-大幅度地減少切削加工的時(shí)間提高設(shè)備的生產(chǎn)效 率，這便是超高速切削加工的概念。如圖1所示。對磨削加工而言也存在著同樣的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的磨 削速度范圍內(nèi)(v$v120m/s)，隨著磨削速度的提高方 面由于砂輪回轉(zhuǎn)速 度的增大巨大離 心力的作用會使砂 輪出現(xiàn)破裂現(xiàn)象 另一方面大量產(chǎn)生 的磨削熱直接導(dǎo)致 磨削溫度的劇烈升些都將使磨削加工無法繼續(xù)進(jìn)行下去。但是當(dāng)磨削速 度繼續(xù)增大達(dá)到甚 至超過一定的數(shù)值后 如果再增加磨削速度 此時(shí)的磨削 力和磨削溫度不但不會升高反而都會降低 被加工工件 的表面將不再出現(xiàn)燒傷破壞缺陷。這樣在解決砂輪高速 破裂缺陷的前提下可能進(jìn)行超高速磨削加工

7、穴幅度 地減少磨削加工的時(shí)間提高設(shè)備的生產(chǎn)效率這便是超 高速磨削加工的概念。高強(qiáng)度、高硬度立方氮化硼砂輪的 出現(xiàn)使超高速磨削加工的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。3超高速磨削加工技術(shù)的特點(diǎn)超高速磨削加工技術(shù)與常規(guī)的磨削加工相比在以下幾方面具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)：3.1磨削效率高超高速磨削時(shí)的磨削速度可達(dá)150m/s以上所以 相應(yīng)地其進(jìn)給速度必然是相當(dāng)快的因而可使磨削效率 顯著提高。實(shí)驗(yàn)表明采用立方氮化硼砂輪逬行超高速磨 削砂輪線速度由80m/s提高至300m/s時(shí)磨削效率可 以提高近20倍。3.2加工質(zhì)量高3.2.1加工精度高96 i機(jī)械工程師2009年第6期學(xué)術(shù)戈流理論/研發(fā)/設(shè)計(jì)/制造 academic由于磨屑

8、厚度變薄 在磨削效率不變時(shí) 法向磨削力 隨磨削速度的增大而大幅度減少從而減小了工件在磨 削過程中的變形 提高工件的加工精度。此外 超高速磨 削時(shí)機(jī)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)激振頻率遠(yuǎn)離'磨床-工件-磨 具'工藝系統(tǒng)的固有頻率，從而減小了系統(tǒng)的振動，既有 利于提高加工精度 也可減小噪聲污染。如日本研制的超 高速外圓磨床(vs=160'260m/s) -ibi度誤差僅為1pmo 3.2.2降低磨削表面粗糙度超高速磨削時(shí)磨屑厚度薄且磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進(jìn)給速度均大大加快磨削區(qū)迅速離幵 工件表面使殘留在工件表面上的應(yīng)力減小因而能明顯 降低工件被磨削表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)表明在其它條件

9、一定 時(shí)將磨削速度由33m/s提高至200m/s工件表面粗糙度 可由ra2.0降低至rai.io3.2.3加工表面完整性好雖然在超高速磨削時(shí)往往采用大磨削用量但由于傳入工件的磨削熱比例遠(yuǎn)低于普通磨削因而不會發(fā)生 磨削表面熱損傷并減小工件表面的殘余應(yīng)力有利于獲 得良好的表面物理性能和機(jī)械性能。3.3材料消耗低3.3.1砂輪使用壽命長超高速磨削時(shí)砂輪上單個(gè)磨粒上所承受的磨削力大幅度減小因而可減少砂輪的磨損提高砂輪的使用壽 命。實(shí)驗(yàn)表明：在磨削力不變的條件下，將砂輪線速度由 80m/s提高至200m/s時(shí)砂輪壽命會延長1倍若保持磨 削效率不變則砂輪壽命可延長7.8倍。3.3.2冷卻液消耗減少在高速磨

10、削區(qū)隨著砂輪線速度和工件進(jìn)給速度的 提高，工件表面溫度迅速降低使冷卻液的需求量減少 降低了冷卻液的使用和污染。3.4擴(kuò)展了磨削工藝的應(yīng)用范圍3.4.1提高了硬脆材料的磨削效果超高速磨削時(shí)單位時(shí)間內(nèi)參加磨削的磨粒數(shù)大大增加單個(gè)磨粒的切削厚度極薄使陶瓷等硬脆材料不再 以脆性斷裂的形式是以塑性變形的形式產(chǎn)生磨屑，從 而大大提高其磨削表面質(zhì)量和磨削效率。3.4.2對高塑性和難磨材料獲得良好的磨削效果普通磨削時(shí)由于金屬活性高、熱導(dǎo)率低等因素的影 響鎳基耐熱合金、鈦合金等材料磨削加工性很差鋁及 鋁合金等較軟的金屬在普通速度下也難以進(jìn)行磨削加 工。但在超高速磨削條件下，由于磨屑形成時(shí)間極短材 料的應(yīng)變率已經(jīng)

11、接近塑性變形應(yīng)力波的傳播速度相當(dāng) 于材料的塑性減小因而使這類材料的磨削加工變得容 易擴(kuò)展了磨削工藝的應(yīng)用范圍。4超高速磨削加工的尖鍵技術(shù)4.1超高速磨床的主軸單元技術(shù)由于超高速磨削加工設(shè)備的主軸系統(tǒng)是在超高速條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)的齒輪變速和帶傳動方式已明顯不能 適應(yīng)其要求取而代之的是具有寬調(diào)速功能的交流變頻 電動機(jī)。這種電動機(jī)通常將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床 的主軸上-取消了從主電動機(jī)到機(jī)床主軸的一切中間傳 動環(huán)節(jié)使機(jī)床主傳動的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了極大的簡化形 成了一種新型的功能部件一主軸單元。為了適應(yīng)磨削 加工的超高速特點(diǎn)，主軸單元具有很大的驅(qū)動功率和轉(zhuǎn) 矩-具有較寬的調(diào)速范圍同時(shí)還有一系列監(jiān)控主軸振

12、動、軸承和電動機(jī)溫度升高等運(yùn)行參數(shù)的傳感器、測試控 制和報(bào)警系統(tǒng)以確保主軸單元在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的可靠 性和安全性。4.2超高速磨床的軸承技術(shù)為了適應(yīng)主軸系統(tǒng)的超高 速運(yùn)轉(zhuǎn)必須采用與之相匹配的高速精密軸承。由于業(yè)已存在的諸多優(yōu)點(diǎn)滾動軸 承成為目前國內(nèi)外的科技人員在設(shè)計(jì)和制造超高速機(jī)床 時(shí)的首選。為了提高滾動軸承的極限轉(zhuǎn)速科技人員紛紛 采用提高軸承的制造精度合理選擇高硬度、耐高溫的軸 承材料以及改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)等方法使超高速軸承技術(shù)得 到了很大的發(fā)展。據(jù)了解啟前最先進(jìn)的超高速軸承技術(shù) 可以滿足50000-100000r/min以上的主軸轉(zhuǎn)速支承。4.3超高速磨床主軸的平衡技術(shù)砂輪的直徑一般都遠(yuǎn)大 于銃刀

13、的直徑加上制造、修整和安裝上的誤差導(dǎo)致在更換、修整砂輪甚至磨床停 車重新起動時(shí)砂輪主軸都必須進(jìn)行動態(tài)平衡所以超高 速磨削主軸必須具有連續(xù)自動平衡系統(tǒng)使由動不平衡 引起的振動降低到最小程度，以保證獲得低的磨削表面 粗糙度。4.4超高速磨削的砂輪技術(shù)超高速磨削時(shí)砂輪高速回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大離心力 會導(dǎo)致普通砂輪迅速破碎因此必須采用強(qiáng)度極高的砂 輪，超高速磨削砂輪必須具有以下特點(diǎn)：磨粒突出高度 大，能容納大量長磨屑；磨粒的耐磨耗能力極高；動平衡 精度極高；超高速回轉(zhuǎn)時(shí)不會因周圍強(qiáng)力氣流的擾動而 發(fā)生振動；在巨大離心力和氣流摩擦溫升作用下變形小 等。目前超高速砂輪主要有立方氮化硼和人造金剛石磨 粒砂輪。5結(jié)束語隨著制造業(yè)競爭的日趨激烈要求企業(yè)在提高產(chǎn)品 質(zhì)量的同時(shí)盡一切可能提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、縮 短產(chǎn)品的加工周期:，超高速磨削加工技術(shù)因其獨(dú)特的技 術(shù)特點(diǎn) 在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)上具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。科學(xué)技 術(shù)的日益發(fā)展為超高速磨削加工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng) 用創(chuàng)造了很好的技術(shù)條件相信在不久的將來超高速 磨削加工技術(shù)將會在眾多企業(yè)中得到普及應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1白琨.超高速切削加工