探析超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

黎 剛

LI Gang

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 柳州 545006）

0 引言

所謂高速磨削技術(shù)是指在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)砂輪線的速度高于45m／s的磨削技術(shù)，而超高速磨削技術(shù)則是砂輪線的速度超過(guò)每秒150m／s的磨削技術(shù)，在實(shí)際的機(jī)械加工操作應(yīng)用中，磨削速度通常低于45m／s，少數(shù)部分的加工采用高速磨削，實(shí)際生產(chǎn)中超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用率更低。

目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)對(duì)高速磨削技術(shù)的重視程度越來(lái)越高，已由研究向?qū)嵱没较蜣D(zhuǎn)變，而我國(guó)在超高速磨削技術(shù)上的應(yīng)用仍處于初步階段，只有不斷加強(qiáng)研究和應(yīng)用，才能促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域加工效率的逐步提升。

1 超高速磨削技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)越性

1.1 高速磨削技術(shù)的應(yīng)用原理

在機(jī)械制造加工中，超高速磨削的應(yīng)用前提和基礎(chǔ)為各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)固定不變，當(dāng)砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不斷提高時(shí)，在固定時(shí)間段內(nèi)的磨削區(qū)含有的磨削粒的數(shù)量不斷增多，從而讓磨粒在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以切出厚度不一的磨屑，超高速磨削技術(shù)還可以將被切下的磨屑變薄，因此每顆磨粒所承擔(dān)的磨削力就會(huì)逐漸遞減，而整體磨削力就會(huì)在這一過(guò)程中降低。

超高速磨削技術(shù)會(huì)使磨削的速度保持在高水平，減少每個(gè)磨屑的形成時(shí)間。需要明確的是與普通情況下產(chǎn)生的磨屑及短時(shí)間內(nèi)加工出的磨屑在高應(yīng)變率的形成上差別較大，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的磨屑主要的表現(xiàn)為：磨削溝痕在塑性流動(dòng)條件下產(chǎn)生的隆起高度減小、工件表層的變形層明顯變淺、表面的剩余應(yīng)力及硬化程度降低、在形成磨屑時(shí)滑擦及耕犁有更近的距離等。由于應(yīng)用超高速磨削產(chǎn)生的磨粒移動(dòng)速度加快、應(yīng)變率響應(yīng)溫度延后、工件進(jìn)給效率提高等原因，所以可以跨域磨削的易燒板塊，由此增加了磨削技術(shù)的參數(shù)應(yīng)用范圍。

1.2 高速磨削技術(shù)優(yōu)越性

1.2.1 極大程度提高磨削效率

應(yīng)用超高速磨削技術(shù)，可以增加在單位時(shí)間里通過(guò)磨削區(qū)的磨粒的數(shù)量，如果每一磨粒磨除的平均磨屑厚度和一般情況下的磨削一致，那么就可以充分提高磨粒進(jìn)給量，增加單位時(shí)間中磨屑的磨除體積，極大程度提高磨削效率，降低設(shè)備的使用數(shù)量。

1.2.2 降低磨削力，提高零件加工的精度

當(dāng)磨粒進(jìn)給量不變時(shí)，超高速磨削技術(shù)可以將磨屑厚度變得更薄，可以極大程度提高加工零件的精度，以沖擊成屑理論來(lái)看，若磨削的速度設(shè)在為180～220米／s的范圍時(shí)，磨削區(qū)的磨削狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這就是超高速磨削力快速降低的原因。

1.2.3 提高砂輪的耐用程度，延長(zhǎng)使用的壽命

這一特性的成因在于每顆磨粒在超高速磨削過(guò)程中的負(fù)荷較小，從而增加了磨粒的工作時(shí)限，經(jīng)過(guò)論證，若金屬切除概率條件相同，超高速磨削的砂輪使用時(shí)間會(huì)提高8.5倍，速度由80m／s增至200m／s。

1.2.4 增加零件的光潔度

能夠使磨削加工的工件表面的粗糙程度降低，獲得較為光潔的工件表面，因?yàn)榕懦渌囊蛩?，磨削速度越快，工件表面就?huì)越光潔，粗糙度越小。

1.2.5 提高工件的使用效能

這一技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)磨削硬脆材料，超高速技術(shù)的產(chǎn)生的磨屑厚度小，而磨屑厚度越小，待磨材料就會(huì)呈現(xiàn)出流動(dòng)的狀態(tài)，因此，玻璃、陶瓷等硬脆材料可通過(guò)塑性變形的方式產(chǎn)生磨屑。另外，超高速磨削可以回避“熱溝”區(qū)的作用，降低工件表層燒傷的概率，還能制造出有殘余應(yīng)力的工件表層，加強(qiáng)零件的抗疲勞性。

2 磨削技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀探析

磨削加工制造技術(shù)歷史悠久，在世界各地都得到了廣泛應(yīng)用，在20世紀(jì)之后，世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究使用超高速磨削技術(shù)來(lái)獲取加工的高效率，但是其弊端凸顯，當(dāng)磨削運(yùn)轉(zhuǎn)的速度過(guò)快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的加工溫度，以致加工工件的外層以及磨削砂輪燒傷，反過(guò)來(lái)限制了磨削加工效率的提高。

20世紀(jì)前期，德國(guó)的磨削專家Carl. J. Salomon曾提出磨削溫度和磨削速度之間的假設(shè)關(guān)系，他認(rèn)為在高速磨削區(qū)會(huì)產(chǎn)生“熱溝”區(qū)域，在這一區(qū)域，磨削的速度加快會(huì)導(dǎo)致磨削溫度的上升，當(dāng)磨削溫度達(dá)到頂點(diǎn)后，溫度會(huì)在速度加快的情況下降低，若磨削速度超越“熱溝”，若再提高磨削的速度，磨削溫度仍會(huì)下降。這一論斷為高速和超高速的磨削加技術(shù)發(fā)展指出了研究方向。磨削溫度與速度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 磨削溫度與速度間的曲線關(guān)系圖

我國(guó)的磨削技術(shù)起步價(jià)較晚，上個(gè)世紀(jì)70年代，鄭州磨削研究所、第一汽車制造廠、第一砂輪廠等均進(jìn)行了50～60米／s的磨削實(shí)驗(yàn)，接著高速磨削實(shí)驗(yàn)在湖南大學(xué)成功進(jìn)行，80年代初，東北大學(xué)進(jìn)行了速度達(dá)到80m／s的高速磨削實(shí)驗(yàn)，90年代進(jìn)行了速度達(dá)到200m／s的超高速磨削技術(shù)研究?，F(xiàn)在，東北大學(xué)率先成功研制200m／s的超高速磨床，直至目前，國(guó)內(nèi)仍在進(jìn)行超高速磨削技術(shù)的研究，如對(duì)超高速磨削溫度場(chǎng)技術(shù)的研究、超高速磨削熱傳遞機(jī)制的研究等。

3 超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用

3.1 高效深磨技術(shù)

在提高磨削生產(chǎn)率方面，較為典型的應(yīng)用技術(shù)即是高效深磨的磨削技術(shù)。近年來(lái)，高效深磨技術(shù)已經(jīng)成為集進(jìn)給速度高、砂輪轉(zhuǎn)速快以及大切深等特性于一體的快速磨削技術(shù)。與普通的磨削技術(shù)相比，高效磨深技術(shù)能夠在提高材料磨削率的同時(shí)獲得一般磨削技術(shù)相近的表層粗糙程度。這一磨削技術(shù)是超高速磨削與緩進(jìn)給技術(shù)的有效結(jié)合，與通常情況下的磨削技術(shù)有別，它首先通過(guò)磨削的過(guò)程來(lái)完成由磨、車、銑等工序結(jié)合而成的機(jī)械精加工過(guò)程，以此來(lái)收獲普通磨削技術(shù)相當(dāng)?shù)谋砻尜|(zhì)量以及比常用磨削加工技術(shù)更高的工件磨除率。

通常情況下，高效磨深技術(shù)的磨削速度一般保持在60～250m／s范圍內(nèi)。常使用陶瓷結(jié)構(gòu)的劑砂輪，當(dāng)磨削速度為120m／s時(shí)，其磨除率超出了一般磨削技術(shù)的100～1000倍，較之銑削和車削高出5～20倍左右。若在加工中使用的是120m／s的CBN砂輪的磨削速度進(jìn)行磨削，會(huì)產(chǎn)生更高的磨除率。

德國(guó)Bremen大學(xué)使用的100～180m／s的磨削速度的高效超高速磨床、Aachen工業(yè)大學(xué)使用的500米高效超高速深磨的磨床都是德國(guó)Guhring Automation公司制造的高效深磨機(jī)床。以該公司的超高速FD613平面磨床為例，對(duì)深三十毫米、寬十毫米左右的轉(zhuǎn)子槽進(jìn)行磨削時(shí)，磨床的進(jìn)給效率可以達(dá)到每分鐘3000毫米，采用CBN邵侖的磨削速度為150m／s。

3.2 超高速的精密磨削技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)論證，降低工件的表面塑性變程度形以及凸峰的大小可以通過(guò)增加砂輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以降低磨削產(chǎn)生的表層粗糙程度。在日本，超高速精密磨削技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但是日本加強(qiáng)對(duì)超高速磨削技術(shù)的研究及使用，最終追求的不是機(jī)械磨削的效率，而是為了增加磨削的工件表面質(zhì)量和磨削精度。如，日本的豐田工機(jī)使用CNC超高速磨床時(shí)，配備了最先進(jìn)的軸承，用200 m／s轉(zhuǎn)速的薄片砂輪來(lái)對(duì)零件進(jìn)行縱磨，以達(dá)到對(duì)全部工件柔性加工的目的。

超高速的精密磨削技術(shù)通常使用修整精密的精細(xì)磨具，在潔凈的環(huán)境中采用超高速的精密磨床，使用亞米級(jí)之下的切深獲取亞米級(jí)的精度尺寸。精細(xì)磨削的主要方式是利用微細(xì)磨料加工磨具。超精密的鏡面磨削結(jié)合劑砂輪才采用的是平均粒徑低于4納米的金剛石磨粒。金剛石砂輪的磨削和光整過(guò)程都是在相同的裝置里完成，這一技術(shù)可以使硅片的平面度小于0.2～0.3納米，而表面粗糙程度小于1納米，可獲得較高水平的工件表面質(zhì)量。

3.3 難磨材料的超高速磨削技術(shù)

難磨材料的特性在于：硬度和高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、磨削屑易粘附、韌性大和加工時(shí)的硬化趨勢(shì)明顯。擁有上述特性，難磨材料在進(jìn)行加工時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題包括變形、迅速使砂輪鈍化、裂紋、表面燒傷、磨屑粘附嚴(yán)重和磨削加工效率降低等。國(guó)外在對(duì)難磨材料的磨削性能提高的過(guò)程中，進(jìn)行了深入的研究，其結(jié)果表明，難磨材料的難磨問(wèn)題成因在于材料自身?yè)碛休^強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)能力，容易導(dǎo)致砂輪的急劇堵塞，而磨削的溫度越高，則材料化學(xué)親和力越高，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的磨屑厚度很小，所以能夠?qū)τ泊嗟入y磨材料進(jìn)行磨削，產(chǎn)生良好的磨削效果。

3.4 具有綠色特性的高速磨削

超高速磨削技術(shù)的綠色特性明顯，這一特色的成因在于：第一，超高速磨削技術(shù)可以有效縮短機(jī)械加工的工時(shí)，降低能耗；第二，這一技術(shù)可以提供工件的表面質(zhì)量，降低砂輪的損耗程度、延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本，從而合理有效地利用資源；第三，由于超高速磨削技術(shù)擁有較高的加工效率，減少了人員、設(shè)備、加工工序等方面的投入和損耗，實(shí)現(xiàn)加工工藝的綠色性；第四，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的70%的熱能被磨屑帶走，因此工件的表層溫度得以降低，磨削液的壓力和流量減少，冷卻液的使用量相應(yīng)降低，減少了對(duì)能量的需求，最終，也減少了污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

超高速磨削技術(shù)在提高磨削工件質(zhì)量和磨削效率、提高工件表面的光潔度上表現(xiàn)優(yōu)秀，特別是對(duì)硬脆等難磨材料的磨削效果良好，是先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)。近年來(lái)，我國(guó)在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的超高速磨削技術(shù)研究取得了很大進(jìn)步，應(yīng)用也更加廣泛，但是我國(guó)的超高速磨削技術(shù)起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在差距，再近些加工領(lǐng)域，應(yīng)本著了綠色制造的原則，加快推進(jìn)我國(guó)產(chǎn)高速磨削技術(shù)向現(xiàn)代化方向邁進(jìn)。

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