高速磨削加工cbn砂輪技術(shù)的特點(diǎn)和具體操作

    作為教育部科學(xué)技術(shù)研究課題，東北大學(xué)從2004 年開始對(duì)快速點(diǎn)磨削關(guān)鍵技術(shù)及磨削機(jī)理開展了基礎(chǔ)性的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并研制開發(fā)了實(shí)驗(yàn)機(jī)床和點(diǎn)磨削超薄cbn 砂輪。近年出現(xiàn)了一些先進(jìn)的磨削加工技術(shù)，其中以高砂輪線速度和超硬磨料砂輪為主要技術(shù)特征的高速外圓磨削、效率深切磨削、快速點(diǎn)磨削技術(shù)的發(fā)展為引人注目。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，高速磨削（Vs≥150m/s ）是近年迅猛發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的高峰”。日本先端技術(shù)研究學(xué)會(huì)把高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。

    國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP ）將高速磨削技術(shù)確定為面向21 世紀(jì)的研究方向之一。東北大學(xué)自上世紀(jì)80 年代開始一直跟蹤高速／高速磨削技術(shù)發(fā)展，并對(duì)高速磨削機(jī)理、機(jī)床設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)等開展了連續(xù)性的研究，建造了我國(guó)一臺(tái)額定功率55kw 、高砂輪線速度達(dá)250m/s 的高速試驗(yàn)?zāi)ゴ�，進(jìn)行了高速大功率磨床動(dòng)靜壓主軸系統(tǒng)研究、電鍍CBN 高速砂輪設(shè)計(jì)與制造、高速磨削成屑機(jī)理及分子動(dòng)力學(xué)仿真研究、高速磨削熱傳遞機(jī)制和溫度場(chǎng)研究、高速鋼等材料的效率深磨研究、高速單顆磨粒CBN 磨削試驗(yàn)研究、高速磨削砂輪表面氣流場(chǎng)和磨削摩擦系數(shù)的研究等，部分研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

   因?yàn)榧虞d速度提高使得塑性應(yīng)變點(diǎn)后移，增加了材料在彈性小變形階段被去除的機(jī)率。因此塑性材料靜態(tài)應(yīng)力波速是實(shí)現(xiàn)“脆性”加工的臨界點(diǎn)。高速磨削技術(shù)特點(diǎn)：（l）大幅度提高磨削效率，設(shè)備使用臺(tái)數(shù)少；（2）磨削力小、磨削溫度低、加工表面完整性好；（3）砂輪使用壽命長(zhǎng)，有助于實(shí)現(xiàn)磨削加工的自動(dòng)化；（4 ）實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工材料的磨削加工。高速磨削不僅可對(duì)硬脆材料實(shí)行延性域磨削，而且對(duì)欽合金、鎳基耐熱合金、高溫合金、鋁及鋁合金等高塑性的材料也可獲得良好的磨削效果[1、2]。高速磨削純鋁的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磨削速度超過200m /s （純鋁靜態(tài)應(yīng)力波速度）時(shí)，工件表面硬化程度和表面粗糙度值開始減小，表面完整性獲得改善。

高速磨削關(guān)鍵技術(shù)：

1、高速磨削砂輪

　　高速磨削砂輪應(yīng)具有良好的耐磨性、高動(dòng)平衡精度和機(jī)械強(qiáng)度、高剛度和良好的導(dǎo)熱性等。目前，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑CBN 砂輪和單層電鍍CBN 砂輪，使用速度可達(dá)200/s 以上，基體材料常用合金鋼或鋁合金。單層電鍍超硬磨料砂輪和（高溫）釬焊超硬磨料砂輪無(wú)需修整，且使用壽命長(zhǎng)。美國(guó)Norton 公司借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法，其結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過1553N/m 時(shí)，并獲得更大的磨粒突出高度和更理想的砂輪形貌。高溫釬焊單層超硬磨料砂輪的磨料與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高，磨粒裸露高度達(dá)到60－70 , 有更鋒利的形貌。據(jù)報(bào)道，國(guó)外釬焊砂輪的線速度可達(dá)500m/s 。東北大學(xué)研制的高速磨削單層電鍍CBN 砂輪已成功應(yīng)用于高速磨削實(shí)驗(yàn)。日本和歐洲開發(fā)了彈性模量／密度比高、熱膨脹系數(shù)低的CFRP 復(fù)合材料CBN 砂輪。日本在400m /s 的高速磨床上，采用CFRP 為基體、直徑25Omm 的陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪，已實(shí)現(xiàn)300m / s 的磨削試驗(yàn)。

　　SG 磨料不僅具有高的硬度，還具有良好的韌性。它的加工能力介于剛玉和CBN 磨粒之間。由于SG 磨粒在磨削加工中微刃能發(fā)生自銳，所以磨削力和磨削區(qū)熱量明顯降低，減少了砂輪磨損，從而提高了材料去除率和砂輪修整間隔時(shí)間。SG 磨粒和CBN 磨粒相比不僅成本低，而且對(duì)機(jī)床沒有特殊的要求，砂輪的修整也和普通砂輪的修整方法相同。在125 m/s磨削回火鋼的試驗(yàn)中材料去除率已達(dá)1000mm?／mm?s[3] 氣為了保證砂輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下承受巨大離心力而不破碎，砂輪結(jié)構(gòu)和形狀一般采用有限元方法進(jìn)行分析和優(yōu)化，尋求佳基體輪廓，以充分降低砂輪基盤敏感位置的應(yīng)力[7]。

2、主軸系統(tǒng)

　　高速磨床的主軸高轉(zhuǎn)速在10000r / mm 以上，傳遞的磨削功率常為幾十千瓦，故要求其主軸系統(tǒng)剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、溫升小、空轉(zhuǎn)功耗低。近年來(lái)，高速磨床越來(lái)越多地使用電主軸。在第19 屆JIMTOF 展覽會(huì)上，展出的高速主軸基本上在10000－25000r / min 之間。目前瑞士的Fisher 公司的電主軸產(chǎn)品，其高轉(zhuǎn)速為40000r/min ，驅(qū)動(dòng)功率40kw , 轉(zhuǎn)速高達(dá)200000r /min 和2500000r /min 的實(shí)用高速電主軸也在研究開發(fā)中。高速主軸單元的核心是高速軸承。目前主要采用陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承和液體動(dòng)靜壓軸承等。陶瓷滾動(dòng)軸承采用性能優(yōu)越的熱壓Si3N4 陶瓷球和鋼套圈，潤(rùn)滑多用油氣潤(rùn)滑，具有d mn 值高（≥2 . 7×106） ，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。用其組裝的高速主軸能兼有速度高、剛度和功率大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是制造難度大、成本高，對(duì)拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感。磁浮軸承的高表面速度可達(dá)200m / s �？諝忪o壓軸承具有高速回轉(zhuǎn)精度高，無(wú)振動(dòng)，磨擦阻力小，經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，主要用于高速輕載和超的主軸系統(tǒng)中。

3、高速磨削砂輪的自動(dòng)平衡技術(shù)但磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負(fù)荷容量低，電磁測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜且價(jià)格昂貴，且有發(fā)熱、漏磁問題。隨著新型磁性材料的出現(xiàn)及超導(dǎo)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，磁浮軸承可能成為未來(lái)高速主軸軸承的一種選擇。液體動(dòng)靜軸承具有徑向和軸向跳動(dòng)誤差小，阻尼特性好、功率大、動(dòng)態(tài)特性好、在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有承載能力強(qiáng)和剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但在高速、高負(fù)荷條件下工作時(shí)需使用低粘度流體和高供液壓力，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須考慮其紊流、流體慣性和壓縮性、溫度粘度變化以及空穴等復(fù)雜現(xiàn)象，而且空載功率損耗大。東北大學(xué)研制的高速磨削實(shí)驗(yàn)機(jī)床主軸采用動(dòng)靜軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)15000r / min 。

　　高速回轉(zhuǎn)的砂輪動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響主軸系統(tǒng)的工作性能和磨削質(zhì)量。除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡外，還應(yīng)當(dāng)在磨削的過程中實(shí)施在線自動(dòng)平衡。砂輪自動(dòng)平衡系統(tǒng)一般由電子傳感及控制系統(tǒng)和平衡頭組成。在高速及高速磨床上常用的在線動(dòng)平衡系統(tǒng)主要有液體式、氣體式及機(jī)械式三種。砂輪在線動(dòng)平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。美國(guó)、日本和德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家在高速磨床上均采用了自動(dòng)平衡系統(tǒng)。

4、砂輪修整技術(shù)

　　超硬磨料砂輪的修整特別是在線修整迄今仍是研究的熱點(diǎn)。電解修整（ELlD ）法適合金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的在線修整，激光修整法不僅便于修整樹脂或金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪，而且熱影響區(qū)小、砂輪修整損耗小和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，修整效率也高，有很好的發(fā)展前景。目前對(duì)CBN 砂輪的修整廣泛采用接觸在線修整法，借助傳感系統(tǒng)控制砂輪和修整工具（一般為修整滾輪）的接觸，然后通過進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行微米級(jí)進(jìn)給，獲得理想的砂輪形貌，從而保證了及超加工的要求。

5、磨削液供給系統(tǒng)

　　高速磨削中，由于砂輪極高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流屏障阻礙了磨削液有效地進(jìn)人磨削區(qū)，使接觸區(qū)高溫得不到有效的抑制，工件易出現(xiàn)燒傷，嚴(yán)重影響零件的表面完整性和機(jī)械物理性能。因此，磨削液供給系統(tǒng)對(duì)提高和改善工件質(zhì)量、減少砂輪磨損至關(guān)重要。高速磨削常用的冷卻液注人方法有［4］ : 高壓噴射法，空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣�，氣體內(nèi)冷卻法，徑向射流沖擊強(qiáng)化換熱法等。為提高供液效果，應(yīng)對(duì)供液系統(tǒng)參數(shù)包括供液壓力、流量、磨削液噴注位置、噴嘴結(jié)構(gòu)及尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此外系統(tǒng)還需配有效率率油氣分離和吸排風(fēng)單元。

6、高速磨削進(jìn)給系統(tǒng)

　　目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要采用滾珠絲杠傳動(dòng)。隨著高速高速加工技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都采用了直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)。使用高動(dòng)態(tài)性能的直線電機(jī)結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，避免了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)中的反向間隙、彈性變形、磨擦磨損和剛度不足等缺陷，可獲得高精度的高速移動(dòng)并具有好的穩(wěn)定性。

7、磨削狀態(tài)檢測(cè)及數(shù)控技術(shù)

　　高速磨削加工中，對(duì)砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)非常重要，砂輪與工件和修整輪的對(duì)刀精度直接影響尺寸精度和修整質(zhì)量。因此，在線智能監(jiān)測(cè)是保證高速磨削加工質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素。利用磨削過程中產(chǎn)生的各種聲發(fā)射源，如砂輪與工件彈性接觸、接合劑破裂、磨粒與工件磨擦、砂輪破碎和磨損、工件表面裂紋和燒傷、砂輪與修整輪的接觸等，可以通過檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的變化來(lái)對(duì)磨削狀態(tài)進(jìn)行判別和監(jiān)測(cè)，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面質(zhì)量的在線監(jiān)控技術(shù)也是效率率磨削的關(guān)鍵技術(shù)。

　　CNC 高速磨床，特別是快速點(diǎn)磨削機(jī)床，應(yīng)用連續(xù)軌跡技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)成型曲面磨削、凸輪廓線和復(fù)雜曲面的磨削，并可實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)測(cè)量。CNC 磨床要求組織和硬度均勻性好的砂輪，且有很好的靜動(dòng)平衡性能、高的尺寸和形狀精度、高磨削比和使用壽命。同時(shí)還要盡可能減小超硬磨料砂輪消耗并提高修整效率和精度。這種需求一方面推動(dòng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)，另一方面也促進(jìn)了磨削數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。磨削數(shù)控軟件和系統(tǒng)正在工藝優(yōu)化并向柔性化方向發(fā)展。

8、砂輪安裝及防護(hù)技術(shù)

　　應(yīng)用該工藝可以通過一次裝夾幾乎實(shí)現(xiàn)軸類件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生產(chǎn)率。我國(guó)部分汽車制造企業(yè)目前也引進(jìn)了這一工藝設(shè)備，并取得了明顯效益。由于國(guó)內(nèi)目前沒有開展系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究，不掌握其核心技術(shù)理論、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和編程技術(shù)，僅就單一零件加工由國(guó)外壟斷定制，全部工藝、設(shè)備和配套附件均依賴進(jìn)口。高速磨削砂輪動(dòng)能很大，須設(shè)置高強(qiáng)度半封閉或封閉的砂輪防護(hù)罩，罩內(nèi)好敷設(shè)緩沖材料，以起到吸收或減少砂輪碎塊的二次彈射作用。

  快速點(diǎn)磨削技術(shù)是一種新的高速／高速磨削技術(shù)形式，具有效率率、高柔性、大批量生產(chǎn)及高質(zhì)量穩(wěn)定性。主要用于軸類零件加工。cbn砂輪磨削優(yōu)異性能的主要表現(xiàn) 目前已在汽車工業(yè)、機(jī)床及工具制造業(yè)、紡織及印刷機(jī)械制造業(yè)中獲得應(yīng)用。而國(guó)外由于技術(shù)壟斷，對(duì)快速點(diǎn)磨削的相關(guān)技術(shù)信息也鮮見報(bào)道。