先进超高速磨削加工技术发展状况2009

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1、先进超高速磨削加工技术的发展状况2009-6-10来源：中国机床工具工业协会1引言　　为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。2超高速磨削技术　　超高速磨削(Vs≥150m/s)是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会(CIRP)将超高速磨削技术确定为面向21

2、世纪的中心研究方向之一。东北大学自上世纪80年代开始一直跟踪高速／超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国第一台额定功率55kw、最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床，进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀CBN超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、超高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的高效深磨研究、超高速单颗磨粒CBN磨削试验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数的研究等，部分研究成果达到国际先进水平。2.1超高速磨削技术特点　　(l)大幅度提高磨削效率，设备使

3、用台数少；(2)磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；(3)砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；(4)实现对难加工材料的磨削加工。　　超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钦合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性的材料也可获得良好的磨削效果[1、2]。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过200m/s(纯铝静态应力波速度)时，工件表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改善。因为加载速度提高使得塑性应变点后移，增加了材料在弹性小变形阶段被去除的机率。因此塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工的临界点。2.2超高速磨削关键技术(1

4、)超高速磨削砂轮　　超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。目前，工业生产中广泛采用陶瓷结合剂、金属结合剂CBN砂轮和单层电镀CBN砂轮，使用速度可达200/s以上，基体材料常用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量／密度比高、热膨胀系数低的CFRP复合材料CBN砂轮。日本在400m/s的超高速磨床上，采用CFRP为基体、直径25Omm的陶瓷结合剂CBN砂轮，已实现300m/s的磨削试验。美国Norton公司借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度超过1553N/m时，并获得更大的磨粒突出高度和更理想的砂轮形貌。高温钎焊

5、单层超硬磨料砂轮的磨料与基体的结合强度更高，磨粒裸露高度达到60%－70%,有更锋利的形貌。据报道，国外钎焊砂轮的线速度可达500m/s。单层电镀超硬磨料砂轮和(高温)钎焊超硬磨料砂轮无需修整，且使用寿命长。东北大学研制的超高速磨削单层电镀CBN砂轮已成功应用于超高速磨削实验。　　SG磨料不仅具有高的硬度，还具有良好的韧性。它的加工能力介于刚玉和CBN磨粒之间。由于SG磨粒在磨削加工中微刃能发生自锐，所以磨削力和磨削区热量明显降低，减少了砂轮磨损，从而提高了材料去除率和砂轮修整间隔时间。SG磨粒和CBN磨粒相比不仅成本低，而且对机床没有特殊的要求，砂轮的修整也和普通砂轮

6、的修整方法相同。在125m/s磨削回火钢的试验中材料去除率已达1000mm³／mm•s[3]气为了保证砂轮在超高速运转条件下承受巨大离心力而不破碎，砂轮结构和形状一般采用有限元方法进行分析和优化，寻求最佳基体轮廓，以充分降低砂轮基盘敏感位置的应力[7]。(2)主轴系统　　超高速磨床的主轴最高转速在10000r/mm以上，传递的磨削功率常为几十千瓦，故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、空转功耗低。近年来，超高速磨床越来越多地使用电主轴。在第19届JIMTOF展览会上，展出的超高速主轴基本上在10000－25000r/min之间。目前瑞士的Fisher公司的电主轴产

7、品，其最高转速为40000r/min，驱动功率40kw,转速高达200000r/min和2500000r/min的实用高速电主轴也在研究开发中。超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。目前主要采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承等。陶瓷滚动轴承采用性能优越的热压Si3N4陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具有dmn值高(≥2.7×106)，标准化程度高，便于维护的优点。用其组装的超高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等优点。其缺点是制造难度大、成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达200m/