超高速磨削及其砂轮技术发展

，蔡光起21青岛理工大学机械工程学院，山东青岛（266033）2东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳（110004）E-mail：[e-mail]摘要：高速超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分，集粗精加工与一身，达到可与车、铣和刨削等切削加工方法相媲美的金属磨除率，而且能实现对难磨材料的高性能加工。本文主要论述了高速超高速磨削工艺技术的特点；分析了超高速砂轮用电镀或涂层超硬磨料（CBN、金刚石）的特点以及修整方法，介绍了在高速及超高磨床上得到广泛应用的德国Hofmann公司生产的砂轮液体式自动平衡装置。关键词：超高速磨削，砂轮，关键技术1.超高速磨削的特点超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。德国著名磨削专家T.Tawakoli.博士将超高速磨削誉为“现代磨削技术的昀高峰”。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。在1996年国际生产工程学会（CIRP）年会上超高速磨削技术被正式确定为面向21世纪的中心研究方向之一，是当今在磨削领域昀为引人注目的技术[1]。高速加工(High-speedMachining)和超高速加工（Ultra-HighSpeedMachining）的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon曲线，创造性地预言了超越Talor切削方程式的非切削工作区域的存在，提出如能够大幅度提高切削速度，就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。通常将砂轮线速度大于45m/s的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削。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[2]：1.1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，昀高可达2000mm3/mm⋅s，比普通磨削可提高30%~100%。实验表明，200m/s超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比80m/s磨削提高150％，而340m/s时比180m/s时提高200％。采用CBN砂轮进行超高速磨削，砂轮线速度由80m/s提高至300m/s时，比金属切除率由50mm3/mm·s提高至1000mm3/mm·s，因而可使磨削效率显著提高1.2砂轮使用寿命长1本课题得到国家自然科学基金资助项目（50475052）和教育部科学技术研究重大项目（104190）的资助。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；1.3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；1.4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；1.5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10µm。从而极大地扩展了磨削工艺参数地应用范围。1.6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。1.7具有巨大的经济效应和社会效应，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。在高速超高速情况下磨床主轴作高速运转，激振频率已远离“机床-工件-刀具”工艺系统的固有频率，从而减小了工艺系统的振动，减少了噪声污染。在高速超高速磨削加工中，砂轮磨损减小，使用寿命长，使加工成本降低，资源得到有效利用。由于超高速磨削效率高，可取消或替代刨、铣、车加工，从而减少了加工工序、设备和人员的投入，减少了资源、能源和人员的消耗，实现制造工艺的绿色特性。因超高速磨削热的70%被磨屑所带走，所以加工表面的温度相对低，所需磨削液的流量和压力可相对减少，使冷却液的需求量减少，能量需求减少，污染减少[3]。2.超高速磨削砂轮高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。砂轮基体应避免残余应力，在运行过程中的伸长应昀小。通过计算砂轮切向和法向应力，发现昀大应力发生在砂轮基体内径的切线方向，这个应力不应超出砂轮基体材料的强度极限。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，一般采用有限元方法进行分析和优化，砂轮回转时所承受的径向和切向应力应尽可能相等，据此找出昀佳基体轮廓，优化后的砂轮基体没有单独的大法兰孔，而是代之以多个小螺孔，以充分降低大法兰孔附近的应力。超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢，在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料。粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀三种，其中以单层电镀用的昀多。这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用。近几年，美国诺顿（Norton）公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70～80%，结合剂抗拉强度超过了1533N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。常用的砂轮基体材料是合金钢。为了满足超高速砂轮的性能要求，人们还在寻找具有高的弹性模量/密度比，以及低热膨胀系数的更理想的材料。日本Noritake公司推出一种被称为CFRP（CarbonFiberReinforcedPlastic）的碳纤维复合树脂基体材料，其比弹性是钢的2.1倍，密度和热膨胀系数分别是钢的1/5和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮已较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果也很好。高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐。采用片状烧结陶瓷砂轮片和可靠的粘结，解决了由于陶瓷结合剂的弹性系数与基体相差太大，而易于破裂的缺陷。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2（电镀镍基结合剂为345～449N/mm2）。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。国际著名品牌的磨料磨具产品主要有美国的诺顿（NORTON）、奥地利的泰利莱（TYROLIT）、德国的温特（WINTER）、英国的尤尼康（UNICON）、意大利的文森特（VINCENT）、美国的贝斯登（BAYSTATE）、瑞士的温特苏尔（WINTERTHUR）等。NORTONSG磨料是圣戈班公司开发并拥有专利的超微晶烧结刚玉磨料，采用引晶凝胶烧结工艺生产，具有比普通白刚玉小几千倍的晶粒尺寸，磨粒强度高，有微破碎性能，在磨削难磨材料的场合以及要求高磨削效率和高精度的场合，具有优异的特性，同时可以大大减少砂轮的修整量，延长砂轮的使用寿命。由于SG磨料价格较贵，使用时根据不同要求按比例与刚玉磨料混合，形成不同牌号。为充分发挥其性能，开发了专用的陶瓷结合剂，一种是高效低温结合剂，还有一种是大气孔高效低温结合剂，后者主要用于强力磨削。该公司针对轿车工业加工的需求，开发了系列普通陶瓷结合剂磨具和超硬材料（CBN、金刚石）磨具及其它工具。WINTER公司开发出外形与被修整的砂轮磨削的工件外形无关的金刚石修整轮，适合于多种砂轮外形的在线数字仿形修整。TYROLIT公司昀近推出了具有减震芯体的超硬材料砂轮，其良好的减震性能，可以改善表面光洁度，并可提高磨削比。WINTERTHUR公司能够生产陶瓷结合剂大气孔缓进给磨削砂轮、微晶烧结陶瓷磨料砂轮和陶瓷结合剂CBN砂轮。其陶瓷结合剂大气孔缓进给磨削砂轮用于涡轮叶片的磨削，其陶瓷结合剂单线或复线螺纹成型磨砂轮，可以用切入式或切向进给式磨削方法，磨削精密滚珠丝杠、螺纹及蜗杆[4]。郑州磨料磨具磨削研究所开发生产的高精度超薄超硬材料切割片，用于电子元件切断或开槽，厚度昀薄可达0.01mm，厚度和内孔公差可达0.004mm，已成功应用于生产线上，加工精度和生产效率达到国外产品同等水平.据中国工具信息网报道，北京工业大学成功开发了定向排列晶须磨具与类金刚石(DLC)纤维新素材磨具与刀具。使用DLC纤维代替细磨粒作为磨料，克服了现有磨具因细磨粒粘结面小和强度弱而导致正常磨削条件下细磨粒易脱落的缺点，具有磨削能力强、耐磨性好、寿命长等优点，磨削效率提高10倍以上.晶须磨具、DLC纤维磨具分别精磨模具钢、硅片可获得纳米极加工表面，精磨、研磨可用同一磨具，无需专门的研磨和抛光[5]。此外，还要充分考虑砂轮与主轴连接的可靠性。主轴高速旋转时，由于离心力的作用，砂轮与主轴的锥连接处产生不均匀的膨胀，连接刚度下降。在超高速磨削试验中，曾出现过由于夹紧力不足，而导致在启动过程中产生振动。德国开发出HSK（短锥空心柄）连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的技术。因此，开发高精度、高刚度和良好的动平衡性能的砂轮与主轴的连接方式很有必要。为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构需有利于磨粒分裂。要达到砂轮自锋利的目的，除了应尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的空间分布。对于某些高速磨削，不但要有高的磨削效率，而且还要有高的磨削质量(如高的加工精度及低的表面粗糙度)，为此对砂轮应有一套完善的修整技术。砂轮修整是决定磨削质量的关键因素之一，不同的修整方法具有不同的特点，因而应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料等因素，以选择昀佳修整方案。2.1超高速磨削砂轮的自动平衡对于超高速磨削，砂轮系统的在线自动平衡尤为重要，即使存在很小的不平衡量，在超高速工作条件下，将会产生很大的不平衡离心力会使机床产生振动。砂轮自动平衡系统一般由振