超高速磨削技术

高速/超高速磨削技术摘要：超高速点磨削是一种先进的高速磨削技术，它集成了高速磨削、CBN超硬磨料及CNC车削技术，具有优良的加工性能。对国内外高速磨削技术发展的作了比较详细的介绍，重点论述和分析了超高速点磨削的技术特征、关键技术和在汽车制造中的应用，最后分析了我国汽车工业发展超高速点磨削技术的必要性。关键词:超高速点磨削;技术特征;关键技术;汽车工业Abstract:Super-highspeedpoint-grindingisanadvancedmanufacturetechnologythathasintegratedhighspeedgrinding，thinsuper-abrasivewheelandCNCturningtechnologies，andhasmanyexcellentperformancesingrindingshaftsprocess.Thedevelopmentandthetechnicalcharactersofsuper-highspeedpoint-grindingwereintroduced，andthekeytechnologyandapplicationonautomobilemanufacturingofsuper-highspeedpoint-grindingwerealsoanalyzed.Thesignificanceofsuper-highspeedpoint-grindingonautomobilemanufacturingwaspresented.Keywords:Super-highspeedpoint-grinding;Technicalcharacteristics;Keytechnology;Automobilemanufacturing1．国内外高速磨削技术简介通常所说的“磨削”主要是指用砂轮或砂带进行去除材料加工的工艺方法。它是应用广泛的高效精密的终加工工艺方法。一般来讲，按砂轮线速度V的高低将磨削分为普通磨削(Vs45m/s)、高速磨削(45≤Vs150m/s)、超高速磨削(Vs≥150m/s)[1]。20世纪90年代以后，人们逐渐认识到高速和超高速磨削所带来的效益，开始重视发展高速和超高速磨削加工技术，并在实验和研究的基础上，使其得到了迅速的发展[2]。1.1国外磨削技术的发展磨削加工是一种古老而自然的制造技术，应用范围遍布世界各地，然而数千年来磨削速度一直处于低速水平。20世纪后，为了获得高加工效率，世界发达国家开始尝试高速磨削技术[2]。在高速、超高速精密磨削加工技术领域，德国及欧洲领先，日本后来居上，美国则在奋起直追[3]。1.1.1欧洲磨削技术的发展情况超高速切削的概念源于德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士1929年所提出的假设，即在高速区当切削速度的“死谷”区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，单位切削力也随之降低[1]。欧洲高速磨削技术的发展起步早。最初高速磨削基础研究是在20世纪60年代末期，实验室磨削速度已达210-230m/s。70年代末期，高速磨削采用CBN砂轮。意大利的法米尔(Famir)公司在1973年9月西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120m/s的RFT-C120/50R型磨轴承内套圈外沟的高速适用化磨床[1]。德国的GuehringAutomation公司1983年制造了功率60kW、转速10000r/min、砂轮线速度209m/s[4]和砂轮直径400mm的强力磨床。该公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140-160m/s的CBN磨床，线速度达180m/s的样机[5]。Aachen大学、Bremm大学等在实验室已完成了Vs为250m/s、350m/s的实验。瑞士Studer公司开发的CBN砂轮线速度在60m/s以上，并向120-130m/s方向发展[2、6、7]。目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行280m/s的磨削试验。瑞士S40高速CBN砂轮磨床，在125m/s时，高速磨削性能发挥最为充分，在500m/s时也能照常工作。1.1.2美国磨削技术的发展情况1967年，美国的61m/s磨床投入市场，1969年生产出80m/s的高速无心磨床。1970年，本迪克斯公司曾生产了91m/s切入式高速磨床。1971年，美国CarnegieMellon大学制造了一种无中心孔的钢质轮，在其周边上镶有砂瓦，其试验速度可达185m/s，工作速度达到125m/s，用于不锈钢锭磨削和切断，也可用于外圆磨削。1993年，美国的EdgetekMachine公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203m/s，用以加工淬硬的锯齿等，可以达到很高的金属切除率。美国Connectiout大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250m/s，主轴功率30kW，修整盘转速12000r/min，砂轮自动平衡，自动上料。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等人，以149m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅研究砂轮的地貌和磨削机理。至2000年，T.W.Hwang等人一直在进行超高速磨削研究。目前美国的高效磨削磨床很普遍，一个重要的研究方向是低损伤磨削高级陶瓷，试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高品质的氮化硅陶瓷零件[8]。1.1.3日本磨削技术的发展情况从20世纪60年代初日本首先提出高速磨削理论以来，尤其随着CBN磨料的使用和其它高效磨削技术的进步，超高速磨削在一些发达国家发展很快。日本高速磨削技术在近20年来发展迅速。1976年，在凸轮磨床上开始应用CBN砂轮进行40m/s的高速磨削。1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s。1990年后，开始开发160m/s以上的超高速磨床。1993年前后，使用单颗粒金刚石进行了250m/s的超高速磨削试验研究[9、10]。1994年使用铍(Be)芯金刚石砂轮进行了超高速磨削研究[11、12]。目前，实用的磨削速度已达到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床也已研制出来，该磨床主轴最大转速30000r/min，最大功率22kW，采用直径250mm的砂轮，最高周速达395m/s。并在30m/s-300m/s速度范围内研究了速度对铸铁可加工性的影响。日本的丰田工机、三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用CBN砂轮的超高速磨床。至2000年，日本已进行500m/s的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改造的磨床，将两根主轴并列在一起:一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为Vs+Vw的结果。因此，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s[13]。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。1.2国内磨削技术的发展情况超高速磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视。我国高速磨削起步较晚，自1958年，我国开始推广高速磨削技术。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验，在机床改装和工艺等方面获得一定成果[7]。1974年，第一汽车厂、第一砂轮厂、瓦房店轴承厂、华中工学院、郑州三磨所等先后进行50m/s-60m/s的磨削试验;湖南大学进行了60m/s-80m/s高速磨削试验。1976年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速磨削试验小组，对80m/s和100m/s高速磨削工艺进行了试验研究。1977年，湖南大学在实验室成功地进行了100m/s和120m/s高速磨削试验。1982年10月，湖南大学进行了60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年，汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速高表面粗糙度的磨削试验研究工作。在2000年中国数控机床展览会(CCMT’2000)上，湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床[6]。2001年，广西大学开展了高速磨削表面微观形貌的研究[2]。从2002年开始，湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计[14]。1976年，东北大学与阜新第一机床厂合作，研究成功F1101型60m/s高速半自动活塞专用外圆磨床。到20世纪80年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的YLM-1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到80m/s，磨削压力在2500N-5000N以上[6]。20世纪90年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW的超高速试验磨床，最高速度达250m/s[1]。2．高速/超高速磨削的特点及关键技术2.1磨削机理在高速超高速磨削加工过程中，在保持其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的大幅度提高，单位时间内磨削区的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，则高速超高速磨削时每颗磨粒切削厚度变薄。这导致每个磨粒承受的磨削力大大变小，总磨削力也大大降低[15]。超高速磨削时，由于磨削速度很高，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(可近似认为等于磨削速度)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。此外，超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快，加上应变率响应的温度滞后的影响，会使工件表面磨削温度有所降低，因而能越过容易发生磨削烧伤的区域，而极大扩展了磨削工艺参数的应用范围[16-17]。2.2高速磨削加工特点砂轮周速提高后，在单位宽度金属磨除率一定的条件下，单位时间内作用的磨粒数大大增加；如进给量与普通磨削相同，则每颗磨粒的切削厚度变薄、负荷减轻。因此高速与超高速磨削有以下特点:(1)生产效率高。由于单位时间内作用的磨粒数增加，使材料磨除率成倍增加，最高可达2000mm3/(mm﹒s)，比普通磨削可提高30%-100%；(2)砂轮使用寿命长。由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。磨削力一定时，200m/s磨削砂轮的寿命是80m/s磨削的两倍；磨削效率一定时，200m/s磨削砂轮的寿命则是80m/s磨削的7.8倍。这非常有利于实现磨削自动化；(3)磨削表面粗糙度值低。超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙度数值降低；同时由于超高速磨削材料的极高应变率(可达10-4-10-6s-1)，磨屑在绝热剪切状态下形成，材料去除机制发生转变，因此可实现对脆性和难加工材料的高性能加工；(4)磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高.由于切削厚度小，法向磨削力Fn相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。在切深相同时，磨削速度250m/s磨削时的磨削力比磨削速度180m/s时磨削力降低近一倍；(5)磨削温度低。超高速磨削中磨削热传入工件的比率减小，使工件表面磨削温度降低，能越过容易发生热损伤的区域，受力受热变质层减薄，具有更好的表面完整性。使用CBN砂轮200m/s超高速磨削钢件的表面残余应力层深度不足10微米。从而极大地扩展了磨削工艺参数地应用范围.(6)充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能.电镀和钎焊单层超硬磨料砂轮是超高速磨削首选的磨具.特别是高温钎焊金属结合剂砂轮，磨削力及温度更低，是目前超高速磨削新型砂轮.(7)具有巨大的经济效益和社会效益，并具有广阔的绿色特性.高速超高速磨削加工能有效地缩短加工时间，提高劳动生产率，减少能源的消耗和噪声的污染.因超高速磨削热的70%被磨屑所带走，所以加工表面