：高效磨削時(shí)磨削熱問題的研究
前言：分析了高效磨削的發(fā)展現(xiàn)狀 ,指出制約高效磨削潛力進(jìn)一步發(fā)揮的主要問題是磨削熱和由此引起的工件熱損傷。提出了解決這個(gè)問題的對策 ,即提高砂輪的鋒利度以大幅度降低磨削比能 ,減少磨削熱的產(chǎn)生 ;強(qiáng)化弧區(qū)
換熱效果 ,以最大限度地疏導(dǎo)已經(jīng)產(chǎn)生的積聚在弧區(qū)的磨削熱。具體措施為 :研制高溫
釬焊單層超硬
磨料砂輪以減少磨削熱 ,采用高壓徑向
射流沖擊強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱
【摘 要】在磨削加工過程中，去除材料所消耗的功幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量大部分都積聚在加工區(qū)，特別是對于難加工材料的高效磨削而言，高的材料去除率需要大的能量輸入，這時(shí)在加工區(qū)的將會產(chǎn)生更多的熱量，此時(shí)如不能采取適當(dāng)?shù)睦鋮s方法及時(shí)地將熱量疏導(dǎo)出去，將導(dǎo)致加工區(qū)的溫度顯著升高，影響工件的加工質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致工件燒傷。事實(shí)上，正是加工區(qū)工件的高溫?zé)齻麊栴}在很大程度上限制了高效磨削技術(shù)在難加工材料中應(yīng)用。
熱管作為一種高效的傳熱組件，利用其內(nèi)部工質(zhì)的相變，能以較小的溫度梯度快速地傳遞熱量，具有很高的傳熱效率，被稱為“熱超導(dǎo)體”。由于其優(yōu)良的傳熱性能，熱管技術(shù)已廣泛應(yīng)用與能源、航空、機(jī)械加工等領(lǐng)域。
本文針對高效磨削加工工程中高溫致使工件燒傷的問題，根據(jù)徑向回轉(zhuǎn)熱管的工作原理，設(shè)計(jì)并制作了熱管砂輪，期望借助熱管優(yōu)良的傳熱性能，有效控制磨削弧區(qū)的溫度，促進(jìn)高效磨削技術(shù)在難加工材料中的應(yīng)用和發(fā)展。主要研究內(nèi)容如下：
（1）設(shè)計(jì)制作了熱管砂輪基體，根據(jù)熱管制造的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了熱管砂輪抽真空、注液及封尾裝置，完成了對熱管砂輪的抽真空、注液及封尾試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱管砂輪基體的真空密封性能。
（2）根據(jù)熱管砂輪的工作情況，采用專用流體數(shù)值計(jì)算軟件 FLUENT 建立熱管砂輪磨削溫度場數(shù)值計(jì)算模型，對模型網(wǎng)格進(jìn)行檢查，設(shè)置所需的邊界條件，選擇合適的求解器及控制方程。
（3）仿真過程主要分析弧區(qū)熱流密度、冷流體參數(shù)、砂輪轉(zhuǎn)速、砂輪外圓壁厚等對熱管砂輪溫度場的影響，并通過對比同參數(shù)條件時(shí)，水冷及風(fēng)冷兩種不同冷卻端冷卻方式對砂輪溫度場的影響可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下，冷卻端采用水冷方式較風(fēng)冷可以獲得更好的冷卻效果，為試驗(yàn)選擇合適的參數(shù)組合提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】高效磨削，難加工材料，熱管砂輪，數(shù)值計(jì)算，F(xiàn)LUENT，溫度場
第一章 緒論
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是航空、航天、航海技術(shù)的飛速發(fā)展，對諸如鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及高溫合金等難加工材料零件的需求越來越迫切，同時(shí)也對該類材料零件的加工質(zhì)量提出了高的要求。通常，對于上述難加工材料的加工，特別是成形表面的加工，磨削是一種行之有效的加工方法，由于高效磨削加工過程中，上述材料本身的難加工性及高的材料去除率帶來了高的弧區(qū)熱流密度，造成磨削區(qū)的高溫，最終導(dǎo)致工件的燒傷和砂輪壽命的縮短，很大程度上限制了高效磨削技術(shù)在難加工材料中的應(yīng)用和推廣?，F(xiàn)有的弧區(qū)冷卻換熱技術(shù)雖然在一定程度上能夠降低弧區(qū)溫度，但效果仍然不理想。本課題擬將熱管技術(shù)應(yīng)用于磨削冷卻，研制出熱管砂輪，利用熱管的高導(dǎo)熱性能，將冷卻的重心由工件轉(zhuǎn)移到工具，期望采用這用全新的冷卻方式有效地控制弧區(qū)的溫度，將高效磨削技術(shù)在難加工材料加工中的應(yīng)用推向一個(gè)新的高度。
1.1 課題研究背景
1.1.1 高效磨削技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及目前存在的一些問題
（1）高效磨削技術(shù)[1]
磨削是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中進(jìn)行精密加工、超精密加工的重要工藝方法，通過磨削可以獲得較高的精度和較好的表面完整性。隨著磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代磨削技術(shù)在保證加工精度的前提下，對磨削的效率提出了要求，高效磨削技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)有的高效磨削技術(shù)主要有：高速超高速磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深切磨削、高效砂帶磨削。[NextPage]
通常根據(jù)磨削工具的線速度來作為常規(guī)磨削與高速超高速磨削的劃分標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)的磨削速度一般為 30～40 m/s，高速磨削速度通常為 80～120 m/s，超高速磨削的速度通常為常規(guī)磨削速度（30 m/s）的 5 倍（150m/s）以上。
在高速超高速磨削條件下，磨削速度很快，切屑的高應(yīng)變率形成過程在很短的時(shí)間內(nèi)完成，工件表面塑性變形層變淺，工件表面層硬化及殘余應(yīng)力減小。由于應(yīng)變率響應(yīng)的溫度滯后，磨削弧區(qū)的溫度會有所降低，工件表面的熱損傷減小，一定程度上擴(kuò)大了磨削工藝參數(shù)的選擇范圍。
緩進(jìn)給磨削因進(jìn)給速度低（約為常規(guī)磨削的 1/100～1/1000）而得名，其切深大（約為常規(guī)磨削的 100～1000 倍），平面緩磨的一次切深可達(dá)到 20～30 mm。由于緩磨切深很大，砂輪和工件的接觸弧區(qū)很長，總磨削力大，因此緩進(jìn)給磨削又稱為強(qiáng)力磨削或重負(fù)載磨削。由于緩磨過程中，同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)目增加，因而單個(gè)磨粒承受的磨削力很小，砂輪磨損小，工件型面保持性好，特別適合難加工材料的型面、深槽類零件的加工。
高效深切磨削是結(jié)合高速超高速磨削與緩磨的一項(xiàng)加工方法，是當(dāng)代高效加工的主流技術(shù)。
高效深切磨集合了高速超高速磨削與緩磨的優(yōu)勢，工件進(jìn)給速度和砂輪線速度同步提高，使得高效深切磨可以獲得極高的材料去除率。
高效砂帶磨削的是采用靜電植砂技術(shù)大幅度提高磨粒的靜態(tài)鋒利度以實(shí)現(xiàn)高效磨削的經(jīng)典范例，其材料去除率大，磨削比能低，熱效應(yīng)小，可實(shí)現(xiàn)高效干磨削。
（2）高效磨削技術(shù)存在的主要問題及目前的一些對策
高效磨削技術(shù)目前已達(dá)到實(shí)用化的地步，其在實(shí)際應(yīng)用中也取得了顯著的成效，但是我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外在推廣高效磨削技術(shù)的過程中還存在著不少的問題。其中最為突出的問題就是磨削弧區(qū)的高溫和工件表面的燒傷[2,3]。
眾所周知，傳統(tǒng)的砂輪并不適合用于高效加工金屬材料，因?yàn)槟ハ魅コ牧纤牡哪芰?div style="height:15px;">
比切削要高的多，以去除碳鋼為例，磨削比能高達(dá) 60～200 J/mm3，切削比能僅為 8～10 J/mm3。
磨削去除材料所消耗的額外能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量聚集在磨削弧區(qū)，造成弧區(qū)溫度升高，如果不能及時(shí)將磨削時(shí)弧區(qū)熱疏導(dǎo)出去，極易造成工件表面的燒傷、產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力等缺陷，另外，高的磨削溫度也加快了砂輪的磨損，特別是在磨削加工鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料時(shí)，上述問題更為突出[4-7]。磨削中正是這種顯著的熱效應(yīng)制約著高效磨削技術(shù)所能達(dá)到的極限材料去除率。目前大量針對高效磨削的研究都局限在通過提高砂輪速度以得到高速下的動(dòng)態(tài)鋒利度來降低磨削比能，這顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上，除了速度因素外，砂輪結(jié)構(gòu)、砂輪地貌、用量組合等條件對磨削比能都有顯著的影響。從總體上講，要使高效磨削產(chǎn)生的磨削熱效應(yīng)減小，確保工件不燒傷，可以從以下兩個(gè)途徑入手：
一方面，深入研究盡可能地提高砂輪的鋒利度以求大幅度地降低磨削比能的方法。南京航空航天大學(xué)高效精密加工研究所在該方面現(xiàn)已取得了巨大的成就，成功研制出了釬焊金剛石砂輪和釬焊 CBN 砂輪。應(yīng)用釬焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磨粒、釬料和基體的高強(qiáng)度結(jié)合，磨粒的出露高度達(dá)到了磨粒本身高度的 70%-80%以上，增大容屑空間，并借鑒砂帶磨削中磨粒的有序合理排布大幅度提高磨具靜態(tài)鋒利度的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了砂輪磨粒的相對有序排布，大幅度地提高了砂輪的動(dòng)靜態(tài)鋒利度，降低了磨削比能，減少磨削弧區(qū)產(chǎn)生的熱量。
另一方面，對弧區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化換熱冷卻。常用的冷卻方法是將冷卻液直接噴射至磨削區(qū)，冷卻液可以起到冷卻、潤滑及清洗砂輪的作用，一定程度上可以改善砂輪的堵塞。常見的冷卻方式有：常規(guī)澆注法、砂輪內(nèi)冷卻法、開槽砂輪供液法、高壓射流沖擊冷卻法等。由于磨削區(qū)的換熱面積有限而且砂輪與工件的間隙很小，冷卻工質(zhì)難以順利到達(dá)磨削區(qū)，一旦磨削區(qū)熱流密度超過某一臨界值，磨削液就會進(jìn)入成膜沸騰階段，使其換熱能力大大下降[8,9]。
磨削裂紋的防止措施
(1)磨削裂紋的產(chǎn)生是因?yàn)槟ハ鳠崴?，所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵。一般所采用的濕磨法，無論如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同時(shí)進(jìn)入磨削面，因而無法降低磨削點(diǎn)位置的磨削熱。切削液只能是使砂輪和零件的磨削點(diǎn)在磨削走過后瞬時(shí)受到冷卻，同時(shí)切削液對零件的磨削點(diǎn)起淬火作用，因而事實(shí)上加大了磨削裂紋的產(chǎn)生。如果采用于磨法，背吃刀量選擇較淺的磨法，可減少磨削裂紋。但是這種方法效果不是很顯著，而且灰塵飛揚(yáng)，影響工作
環(huán)境，不宜采用。
(2)選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪來磨削，可以降低磨削熱。但如果粒度太粗時(shí)會影響工件的表面粗糙度。對于表面粗糙度質(zhì)量要求高的工件，不能采用此法，因而受到一定的限制。
(3)分粗精磨，即粗磨選用粒度較粗的軟砂輪磨削，便于強(qiáng)力磨削，提高效率，然后再用粒度細(xì)的砂輪進(jìn)行精磨(背吃刀量較淺)。分開兩臺磨床進(jìn)行粗磨和精磨，這是一種比較理想的方法。
(4)剛出爐的工件，必須待工件自然冷卻后(冷卻到常溫)才能進(jìn)行磨削。如果在時(shí)間允許的情況下，最好讓工件自然時(shí)效1～2個(gè)月，消除應(yīng)力后再進(jìn)行磨削，這也會收到很好的效果。
(5)選用粒度較為鋒利的砂輪，PA36～46K，及時(shí)清除砂輪表面積屑，減少背吃刀量，增加走刀(磨削)次數(shù)，減小工作臺速度，取<=1～2m/min，也是一種有效的減少磨削裂紋的途徑。
高速磨削冷卻液
【摘要】：正 廣州機(jī)床研究所研制成功一種水溶性離子型高速磨削冷卻液。以GMY-3為例,其配方為亞硝酸鹽16％,三乙醇胺18％,脂肪酸鹽4％,21號表面活性劑15％,余量為自來水。使用時(shí),用自來水稀釋至5％。它具有對環(huán)境無污染,對人體無毒害,長期使用不腐敗變質(zhì),不需定期更換等特點(diǎn),只要適當(dāng)加入溶液保持一定的液面,即可經(jīng)常使用。
【關(guān)鍵詞】：
磨削冷卻液表面活性劑研制成功水溶性離子自來水亞硝酸鹽無污染高速脂肪酸鹽腐敗變質(zhì)【正文快照】： 廣州機(jī)床研究所研制成功一種水溶性離子型高速磨削冷卻液.以GMY一3為例,其配方為亞硝酸鹽16%,一三乙醉胺18%,脂肪酸鹽峨%,21一號表面活性劑15男,余且為自來水。使用時(shí),用自來水稀釋至5%。 它具有對環(huán)境無污染,對人體無毒害,長期使用不腐敗變質(zhì),不需定期更換等特點(diǎn),只要適當(dāng)加
低溫冷卻磨削機(jī)理的研究
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推薦1前言磨削加工由于高的磨削力和比磨削能,在磨削區(qū)產(chǎn)生大量的熱量,由于被切削的金屬層比較薄,大約60%-90%的熱量被傳入工件,僅有不到10%的熱量被磨屑帶走,這些傳入工件的熱量在磨削過程中常來不及傳入工件深處,而聚集在表面層里形成局部高溫,工件表面溫度?？蛇_(dá)1000℃以上,在表面層形成極大的溫度梯度(可達(dá)600-1000℃/mm)。所以磨削的熱效應(yīng)對工件表面質(zhì)量和使用性能影響極大。特別是當(dāng)溫度在界面上超過某一臨界值時(shí),就會引起表面熱損傷(表面氧化、燒傷、殘余應(yīng)力和裂紋),其結(jié)果將會導(dǎo)致零件的抗磨損性能降低,應(yīng)力銹蝕的靈敏性增加、抗疲勞性能變差,從而降低了零件的使用壽命和工作可靠性。此外,磨削周期中工件的累積溫升,也常導(dǎo)致工件產(chǎn)生尺寸精度和形狀精度誤差。另一方面,磨削區(qū)的磨削熱,不僅影響工件,也影響到砂輪的使用壽命[1]。因此控制磨削區(qū)溫度是提高磨削能力和工件表面質(zhì)量的有力措施之一。實(shí)際生產(chǎn)中常采用選用適當(dāng)?shù)纳拜?、?yōu)化工藝參數(shù)、增大供(冷卻)液壓力和流量來降低磨削區(qū)溫度,但這些方法只能在一定程度上減少磨削損傷。因此采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档湍ハ鲄^(qū)溫度是磨削加工的重要......(本文共計(jì)3頁)
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http://www.momo35.com 來源:《磨料磨具》雜志 日期:2010-07-15
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我國高速磨削起步較晚，1958年開始推廣高速磨削技術(shù)，當(dāng)時(shí)第一汽車廠、第一砂輪廠、第二砂輪廠等相繼試制成功50m/s高速砂輪，并進(jìn)行了磨削試驗(yàn)。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛陽拖拉機(jī)廠合作進(jìn)行了50m/s高速磨削試驗(yàn)，在機(jī)床改裝和工藝等方面獲得一定成果。
1974年在洛陽召開了全國性高速磨削經(jīng)驗(yàn)交流和推廣會議。在這期間，華中工學(xué)院、鄭州磨料磨具磨削研究所等先后進(jìn)行了50～60m/s的磨削試驗(yàn)，湖南大學(xué)進(jìn)行了60～80m/s高速磨削試驗(yàn)。1975年10月，河南省南陽機(jī)床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機(jī)床廠、上海砂輪廠、鄭州磨料磨具磨削研究所、華中工學(xué)院、上海交通大學(xué)、廣州機(jī)床研究所、武漢材料保護(hù)研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組，對80m/s、100m/s高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。與此同時(shí)，上海機(jī)床廠設(shè)計(jì)制造了MBSA1332型80m/s半自動(dòng)高速外圓磨床，磨削效率達(dá)到了車削和銑削的生產(chǎn)率。東北大學(xué)與阜新第一機(jī)床廠合作，研制成功F1101型60m/s高速半自動(dòng)活塞專用外圓磨床。至1977年，全國已有17個(gè)省市770臺磨床采用50m/s高速磨削技術(shù)。
1982年10月，湖南大學(xué)進(jìn)行了60m/s高速強(qiáng)力凸輪磨削工藝試驗(yàn)研究，為發(fā)展高速強(qiáng)力磨削凸輪軸磨床和高速強(qiáng)力磨削砂輪提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。八十年代初，東北大學(xué)進(jìn)行了大量的高速磨削試驗(yàn)研究。以東北大學(xué)為主開發(fā)的YLM-1型雙面立式半自動(dòng)修磨生產(chǎn)線，磨削速度達(dá)到80m/s，磨削壓力在2500～5000N以上。
1995年，漢江機(jī)床廠使用陶瓷CBN砂輪，進(jìn)行了200 m/s的超高速磨削試驗(yàn)。廣西大學(xué)于1997年前后開展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削試驗(yàn)研究工作。至2000年湖南大學(xué)一直在開展高速磨削研究工作。在2000年中國數(shù)控機(jī)床展覽會上，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。從2002年開始，湖南大學(xué)開始針對一臺250m/s超高速磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行高速超高速研究，并在國內(nèi)首次進(jìn)行了磁浮軸承設(shè)計(jì)。2001年，廣西大學(xué)開展了高速磨削表面微觀形貌的研究。20世紀(jì)90年代至現(xiàn)在，東北大學(xué)一直在開展超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國第一臺圓周速度200 m/s、額定功率55kW、最高砂輪線速度達(dá)250m/s的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ玻⑾群筮M(jìn)行了超高速大功率磨床動(dòng)靜壓主軸系統(tǒng)研究、200 m/s電鍍CBN超高速砂輪設(shè)計(jì)與制造、超高速磨削成屑機(jī)理研究、超高速磨削熱傳遞機(jī)制研究、高速鋼的高速深磨研究、超高速單顆粒CBN磨削試驗(yàn)研究、高速單顆粒磨削機(jī)理研究、超高速磨削溫度場研究、磨削摩擦系數(shù)的研究、超高速磨削砂輪表面氣流場的研究、超高速磨削機(jī)理分子動(dòng)力學(xué)的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平、部分研究成果與國際水平持平。
高速、超高速磨削特點(diǎn)及共性關(guān)鍵技術(shù)
砂輪周速提高后，在單位寬度金屬磨除率一定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)作用的磨粒數(shù)大大增加；如進(jìn)給量與普通磨削相同，則每顆磨粒的切削厚度變薄、負(fù)荷減輕。因此高速與超高速磨削有以下特點(diǎn)：
（1）生產(chǎn)效率高。由于單位時(shí)間內(nèi)作用的磨粒數(shù)增加，使材料磨除率成倍增加，最高可達(dá)2000mm3/mms，比普通磨削可提高30%~100%；
（2）砂輪使用壽命長。由于每顆磨粒的負(fù)荷減小，磨粒磨削時(shí)間相應(yīng)延長，提高了砂輪使用壽命。磨削力一定時(shí)，200m/s磨削砂輪的壽命是80m/s磨削的兩倍；磨削效率一定時(shí)，200m/s磨削砂輪的壽命則是80m/s磨削的7.8倍。這非常有利于實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)化；
（3）磨削表面粗糙度值低。超高速磨削單個(gè)磨粒的切削厚度變小，磨削劃痕淺，表面塑性隆起高度減小，表面粗糙度數(shù)值降低；同時(shí)由于超高速磨削材料的極高應(yīng)變率（可達(dá)10-4~10-6s-1），磨屑在絕熱剪切狀態(tài)下形成，材料去除機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此可實(shí)現(xiàn)對脆性和難加工材料的高性能加工；
（4）磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高。由于切削厚度小，法向磨削力Fn相應(yīng)減小，從而有利于剛度較差工件加工精度的提高。在切深相同時(shí)，磨削速度250 m/s磨削時(shí)的磨削力比磨削速度180m/s時(shí)磨削力降低近一倍；
（5）磨削溫度低。超高速磨削中磨削熱傳入工件的比率減小，使工件表面磨削溫度降低，能越過容易發(fā)生熱損傷的區(qū)域，受力受熱變質(zhì)層減薄，具有更好的表面完整性。使用CBN砂輪200m/s超高速磨削鋼件的表面殘余應(yīng)力層深度不足10μm。從而極大地?cái)U(kuò)展了磨削工藝參數(shù)地應(yīng)用范圍。
（6）充分利用和發(fā)揮了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的優(yōu)異性能。電鍍和釬焊單層超硬磨料砂輪是超高速磨削首選的磨具。特別是高溫釬焊金屬結(jié)合劑砂輪，磨削力及溫度更低，是目前超高速磨削新型砂輪。
（7）具有巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效應(yīng)，并具有廣闊的綠色特性。高速超高速磨削加工能有效地縮短加工時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少能源的消耗和噪聲的污染。在高速超高速情況下磨床主軸作高速運(yùn)轉(zhuǎn)，激振頻率已遠(yuǎn)離“機(jī)床-工件-刀具”工藝系統(tǒng)的固有頻率，從而減小了工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，減少了噪聲污染。在高速超高速磨削加工中，砂輪磨損減小，使用壽命長，使加工成本降低，資源得到有效利用。由于超高速磨削效率高，可取消或替代刨、銑、車加工，從而減少了加工工序、設(shè)備和人員的投入，減少了資源、能源和人員的消耗，實(shí)現(xiàn)制造工藝的綠色特性。因超高速磨削熱的70%被磨屑所帶走，所以加工表面的溫度相對低，所需磨削液的流量和壓力可相對減少，使冷卻液的需求量減少，能量需求減少，污染減少。
正是上述這些突出的特點(diǎn)，使得超高速磨削可以成為即獲得高效率，又達(dá)到高精度，同時(shí)能對各種材料和形狀進(jìn)行加工的最佳磨削方法。因此，使用CBN磨料磨具的超高速磨削技術(shù)是最新的高效率磨削技術(shù)，是先進(jìn)制造學(xué)科的前沿技術(shù)。
由于超高速磨削砂輪轉(zhuǎn)速極高，對機(jī)床功率及性能、砂輪強(qiáng)度、振動(dòng)、平衡、氣流擾動(dòng)、安全防護(hù)和冷卻液注入等工藝措施提出了特殊要求。因此與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)（圖1）有：
（1）超高速磨削砂輪技術(shù)。
高速超高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動(dòng)平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導(dǎo)熱性，而且其機(jī)械強(qiáng)度必須能承受高速超高速磨削時(shí)的切削力等。高速超高速磨削時(shí)砂輪主軸高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力會導(dǎo)致普通砂輪迅速破碎，因此必須采用基體本身的機(jī)械強(qiáng)度、基體和磨粒之間的結(jié)合強(qiáng)度均極高的砂輪。
砂輪基體應(yīng)避免殘余應(yīng)力，在運(yùn)行過程中的伸長應(yīng)最小。通過計(jì)算砂輪切向和法向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在砂輪基體內(nèi)徑的切線方向，這個(gè)應(yīng)力不應(yīng)超出砂輪基體材料的強(qiáng)度極限。為了保證砂輪在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下承受巨大離心力而不破碎，一般采用有限元方法進(jìn)行分析和優(yōu)化，砂輪回轉(zhuǎn)時(shí)所承受的徑向和切向應(yīng)力應(yīng)盡可能相等，據(jù)此找出最佳基體輪廓，優(yōu)化后的砂輪基體沒有單獨(dú)的大法蘭孔，而是代之以多個(gè)小螺孔，以充分降低大法蘭孔附近的應(yīng)力。超高速砂輪中間是一個(gè)高強(qiáng)度材料的基體圓盤，大部分實(shí)用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。在基體周圍僅僅粘覆一薄層磨料。粘覆磨料使用的結(jié)合劑有樹脂、金屬和電鍍?nèi)N，其中以單層電鍍用的最多。這是因?yàn)樗恼辰Y(jié)強(qiáng)度高，易于做出復(fù)雜的形狀，使用中不需要修整，而且基體可以重復(fù)使用。近幾年，美國諾頓（Norton）公司還使用銅焊接法替代電鍍研制出砂輪的磨粒突出比已達(dá)到70～80%，結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過了1533N/mm2，獲得更大的結(jié)合劑強(qiáng)度和容屑空間。
常用的砂輪基體材料是合金鋼。為了滿足超高速砂輪的性能要求，人們還在尋找具有高的彈性模量/密度比，以及低熱膨脹系數(shù)的更理想的材料。日本Noritake公司推出一種被稱為CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）的碳纖維復(fù)合樹脂基體材料，其比彈性是鋼的2.1倍，密度和熱膨脹系數(shù)分別是鋼的1/5和1/12。使用這種材料基體所做的超高速砂輪的磨料層厚5mm，使用樹脂結(jié)合劑，它與基體之間用一層氧化鋁陶瓷過渡。這種砂輪已較多地應(yīng)用于日本生產(chǎn)的超高速磨床，使用效果也很好。
高速超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪，使用速度可達(dá)125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達(dá)250m/s，試驗(yàn)中已達(dá)340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達(dá)200m/s。同其他類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易于修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率。陶瓷結(jié)合劑砂輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得修整后容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況可以不修銳。采用片狀燒結(jié)陶瓷砂輪片和可靠的粘結(jié)，解決了由于陶瓷結(jié)合劑的彈性系數(shù)與基體相差太大，而易于破裂的缺陷。美國Norton公司研究出一種借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脫落，其結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過1553N/mm2（電鍍鎳基結(jié)合劑為345～449N/mm2）。我國的南京航空航天大學(xué)已成功地研制高溫釬焊單層超硬磨料砂輪以減少磨削熱，增加磨削比，取得了較好的效果。阿亨工業(yè)大學(xué)在其砂輪的鋁基盤上使用溶射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了磨料層與基體的可靠粘接。
在高速磨削中，一種新型的微晶氧化鋁磨粒即SG(seeded gel)磨粒已經(jīng)引起人們的高度注意，SG磨粒不僅具有高的硬度而且還具有良好的韌性，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，輔助切削刃本身能發(fā)生自銳，所以磨削力和磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量明顯降低，同時(shí)也減少了砂輪的磨損，從而提高材料的去除率和砂輪的修整間隔時(shí)間，SG磨粒和CBN磨粒相比不僅成本低，而且對磨削機(jī)床沒有任何特殊的要求，砂輪的修整也和傳統(tǒng)磨粒砂輪的修整方法相同。在砂輪速度為125m/s磨削回火鋼的試驗(yàn)中比材料去除率已達(dá)100 mm3/mm·s。
此外，還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性。主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，砂輪與主軸的錐連接處產(chǎn)生不均勻的膨脹，連接剛度下降。在超高速磨削試驗(yàn)中，曾出現(xiàn)過由于夾緊力不足，而導(dǎo)致在啟動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)。德國開發(fā)出HSK（短錐空心柄）連接方式和對刀具進(jìn)行等級平衡及主軸自動(dòng)平衡的技術(shù)。因此，開發(fā)高精度、高剛度和良好的動(dòng)平衡性能的砂輪與主軸的連接方式很有必要。
為了保證砂輪在整個(gè)使用壽命中保持鋒利，砂輪的結(jié)構(gòu)需有利于磨粒分裂。要達(dá)到砂輪自鋒利的目的，除了應(yīng)盡量降低結(jié)合劑的比例外，還要優(yōu)化磨粒的空間分布。對于某些高速磨削，不但要有高的磨削效率，而且還要有高的磨削質(zhì)量(如高的加工精度及低的表面粗糙度)，為此對砂輪應(yīng)有一套完善的修整技術(shù)。砂輪修整是決定磨削質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，不同的修整方法具有不同的特點(diǎn)，因而應(yīng)用中需綜合考慮加工條件、工件材料、砂輪材料等因素，以選擇最佳修整方案。（文/李長河 快速制造國家工程研究中心青島示范中心）
(本文連載三將刊登于本刊第七期，敬請欣賞)
（本文轉(zhuǎn)載自《磨料磨具》第6期雜志，更多精彩盡在《磨料磨具》雜志?！赌チ夏ゾ摺冯s志第10期新鮮出爐，歡迎訂閱。）
超高速磨削的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)
發(fā)布：2008/12/23 16:53:35 來源： 科技在線 [字體：
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超高速磨削的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)
超高速磨削通常指砂輪速度大于150m/s的磨削。超高速磨削在歐洲、日本和美國等發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)將其確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向，并進(jìn)行了一些著名的合作研究。超高速磨削可以對硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工，對高塑性等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。與普通磨削相比，超高速磨削顯示出極大的優(yōu)越性: 大幅度提高磨削效率，減少設(shè)備使用臺數(shù)。如采用電鍍CBN砂輪以123m/s的高速磨削割草機(jī)曲軸，原來需要6個(gè)車削和3個(gè)磨削工序，現(xiàn)在只需要 3個(gè)磨削工序，生產(chǎn)時(shí)間減少65%，每小時(shí)可以加工180件。再如人們以125m/s的速度應(yīng)用普通砂輪高效磨削淬硬低碳鋼42CrMo4，切除率達(dá) 167mm3/mms，比緩進(jìn)給磨削大11倍。
磨削力小，零件加工精度高。速度360m/s以下的試驗(yàn)表明，在一個(gè)較窄的速度范圍(180-200 m/s)內(nèi)，摩擦狀態(tài)由固態(tài)向液態(tài)急劇變化，并伴隨著磨削力的急劇下降。筆者在單顆磨粒高速磨削45鋼和20Cr鋼試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)在臨界速度以下，隨速度的增大而大幅度減少;超過臨界速度后，摩擦系數(shù)卻隨速度的增大而略有增加。 降低加工工件表面粗糙度。在其它條件相同時(shí)，33m/s,100m/s，和200m/s的速度磨削時(shí)，表面粗糙度值分別為Ra2.0,Ra1.4和Ra1.1μm。 砂輪壽命延長。在金屬切除率相同的條件下，砂輪速度由80m/s提高到200m/s，砂輪壽命提高8.5倍。在200m/s的速度磨削時(shí)，以2.5倍于80m/s時(shí)的磨除率，壽命仍然提高1倍。 1 超高速磨削的發(fā)展 歐洲 歐洲，高速磨削技術(shù)的發(fā)展起步早。
最初高速磨削基礎(chǔ)研究是在60年代末期，實(shí)驗(yàn)室磨削速度已達(dá)210-230m/s。70年代末期，高速磨削采用 CBN砂輪。意大利的法米爾(Famir)公司在1973年9月西德漢諾威國際機(jī)床展覽會上，展出了砂輪圓周速度120m/s的RFT-C120/50R 型磨軸承內(nèi)套圈外溝的高速適用化磨床。90年代初，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最高速度350m/s的磨削實(shí)驗(yàn)。目前，實(shí)際應(yīng)用中，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在 200-250 m/s之間。 德國的Guhring Automation公司1983年制造了功率60kW，轉(zhuǎn)速10000r/min,砂輪直徑400mm的強(qiáng)力磨床。阿亨工業(yè)大學(xué)的目標(biāo)為500m/s的超高速磨床也是該公司制造的。
德國CBN砂輪高速磨削的應(yīng)用，一個(gè)典型的例子是加工齒輪輪齒，在155m/s的速度下，以811mm3 /mms的切除率，實(shí)現(xiàn)了對16MCr5鋼齒輪的高效加工。另一個(gè)例子是，采用電鍍CBN砂輪，在300m/s的速度下，以140mm& sup3;/mms的切除率，實(shí)現(xiàn)了對100Cr6高硬度(60HRC)滾動(dòng)軸承鋼水泵回轉(zhuǎn)輪窄槽的高效加工。瑞士Studer公司也曾用改裝的S45型外圓磨床進(jìn)行280m/s的磨削試驗(yàn)。瑞士S40高速CBN砂輪磨床，在125m/s時(shí)，高速磨削性能發(fā)揮最為充分，在500m/s也照常工作。此外 Kapp公司,Schandt公司、Naxa Union公司、Song Machinery公司等也相繼推出了各類高速磨床。 美國 1970年美國的本迪克斯公司曾生產(chǎn)了91m/s切入式高速磨床。1993年，美國的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用單層CBN砂輪，圓周速度達(dá)到了203m/s、用以加工淬硬的鋸齒等可以達(dá)到很高的金屬切除率。美國 Connectient大學(xué)磨削研究與發(fā)展中心的無心外圓磨床，最高磨削速度250m/s，主軸功率30kW,修整盤轉(zhuǎn)速12000r/min，砂輪自動(dòng)平衡，自動(dòng)上料。
目前美國的高效磨削磨床很普遍，主要是應(yīng)用CBN砂輪?？蓪?shí)現(xiàn)以160m/s的速度75mm3/mms的切除率，對高溫合金 Inconel718進(jìn)行高效磨削，加工后達(dá)Ra1～2μm，尺寸公差±13μm。另外采用直徑400mm的陶瓷CBN砂輪，以150-200m/s的速度磨削，可達(dá)到Ra0.8μm，尺寸公差±2.5-5μm。美國高速磨削的一個(gè)重要研究方向是低損傷磨削高級陶瓷。傳統(tǒng)的方法是采用多工序磨俐，而高速磨削試圖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質(zhì)量的氮化硅陶瓷零件。 日本 日本高速磨削技術(shù)在近20年來發(fā)展迅速，1976年，在凸輪磨床上開始應(yīng)用CBN砂輪進(jìn)行40m/s的高速磨削,1985年前后，在凸輪和曲軸磨床上，磨削速度達(dá)到了80m/s。1990年后，開始開發(fā)160m/s以上的超高速磨床。目前，實(shí)用的磨削速度已達(dá)到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床也已經(jīng)研制出，該磨床主軸最大轉(zhuǎn)速3000r/min，最大功率22kW,采用直徑250mm的砂輪，最高周速達(dá)395m/s。并在30- 300m/s速度范圍內(nèi)研究了速度對鑄鐵可加工性的影響。 日本的豐田工機(jī)、三菱重工、岡本機(jī)床制作所等公司均能生產(chǎn)應(yīng)用CBN砂輪的超高速磨床，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，圓周速度達(dá)到了200m/s。
中國 我國高速磨削起步較晚，1974年，第一汽車廠、第一砂輪廠、瓦房店軸承廠、華中工學(xué)院、鄭州三磨所等先后進(jìn)行50-60m/s的磨削試驗(yàn);湖南大學(xué)進(jìn)行了60-80m/s高速磨削試驗(yàn)。1975年10月，南陽機(jī)床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機(jī)床廠、上海砂輪廠、鄭州三磨所、華中工學(xué)院、上海交通大學(xué)、廣州機(jī)床研究所、武漢材料保護(hù)研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組，對80m/s,100m/S高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。與此同時(shí)，上海機(jī)床廠設(shè)計(jì)制造了MBSA1332型80m/s半自動(dòng)高速外圓磨床，磨削效率達(dá)到了車削和銑削的生產(chǎn)率。1977年，湖南大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室成功地進(jìn)行了100m/s, 120m/s高速磨削試驗(yàn)、在2000年中國數(shù)控機(jī)床展覽會(CCMT""""2000)上，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。
1976年，東北大學(xué)與阜新第一機(jī)床廠合作，研制成功F1101型60m/s高速半自動(dòng)活塞專用外圓磨床。到80年代初，東北大學(xué)進(jìn)行了大量的高速磨削試驗(yàn)研究。以東北大學(xué)為主開發(fā)的YLM-1型雙面立式半自動(dòng)修磨生產(chǎn)線，磨削速度達(dá)到80m/s，磨削壓力在2500-5000N以上。90年代，東北大學(xué)開始了超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國第一臺圓周速度200m/s,額定功率55kW的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ?，最高速度達(dá)250m/s。 2 超高速磨削的關(guān)健技術(shù) 超高速主軸 提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，因而，為實(shí)現(xiàn)高速切削，砂輪驅(qū)動(dòng)和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求足夠的剛度，回轉(zhuǎn)精度高，熱穩(wěn)定性好，可靠，功耗低，壽命長等。為減少由于切削速度的提高而增加的動(dòng)態(tài)力，要求砂輪主軸及主軸電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行極其精確，且振動(dòng)極小。 目前，國外生產(chǎn)的高速超高速機(jī)床，大量地采用電主軸。 國外的高速電主軸發(fā)展很快，如在日本，1998年10月19屆JIMTOF展覽會上，展出的超高速主軸基本上在10000-25000r/min 之間。目前國際上最高水平的電主軸是瑞士Fisher公司的產(chǎn)品(nmax=40000r/min,N=40kW)。轉(zhuǎn)速高達(dá)200000r/min、 250000r/min的實(shí)用高速電主軸也正在研究開發(fā)中。
沈陽工業(yè)學(xué)院研制的超高速車銑床，采用的電主軸調(diào)速范圍0-18000r/min，最大輸出功率7.5kW。廣西工業(yè)大學(xué)研制的額定轉(zhuǎn)速1500r/min的GD-2型高速電主軸采用Si3N4陶瓷球軸承，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)18000r/min,主電機(jī)額定功率13.5kW。 主軸軸承可采用陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承或液體動(dòng)靜壓軸承等。陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是制造難度大，成本高，對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感_磁浮軸承的最高表面速度可達(dá)200m/s，可能成為未來超高速主軸軸承的一種選擇。
目前磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負(fù)荷容量低，所用磁鐵與回轉(zhuǎn)體的尺寸相比過大，價(jià)格昂貴。空氣靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)梢度高，沒有振動(dòng)，摩擦阻力小，經(jīng)久耐用，可以高速回轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。用于高速、輕載和超精密的場合。液體動(dòng)靜壓軸承，無負(fù)載時(shí)動(dòng)力損失太大，主要用于低速重載主軸。 超高速磨削砂輪 高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動(dòng)平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導(dǎo)熱性等通常由高機(jī)械性能的基體和薄層的磨粒組成。砂輪基體應(yīng)避免殘余應(yīng)力，在運(yùn)行過程中的伸長應(yīng)最小。通過計(jì)算砂輪切向和法向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在砂輪基體內(nèi)徑的切線方向，這個(gè)應(yīng)力不應(yīng)超出砂輪基體材料的強(qiáng)度極限。大部分實(shí)用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。日本和歐洲也開發(fā)了其它材料如CFRP復(fù)合材料的CBN砂輪。雖然CFRP彈性系數(shù)低，但彈性系數(shù)與比重的比率高，可以抑制砂輪在半徑方向的延伸。CFRP的另一優(yōu)點(diǎn)是較低的線性伸長系數(shù)。目前以CFRP為基體直徑380mm的CBN砂輪，可實(shí)現(xiàn) 200m/s的磨削，進(jìn)給速度2m/s。日本在400m/s的超高速磨床上，采用CFRP為基體直徑250mm的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，已實(shí)現(xiàn)300 m /s的磨削試驗(yàn)。
超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合荊等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪，使用速度可達(dá)125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達(dá)250m/s,試驗(yàn)中已達(dá)340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達(dá)200m/s。同基他類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易干修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有 40%的氣孔率。由于陶瓷結(jié)合劑砂輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得修整后容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況下可以不修銳。采用片狀燒結(jié)陶瓷砂輪片和可靠的粘結(jié)，解決了由于陶瓷結(jié)合劑的彈性系數(shù)與基體相差太大，而易于破裂的缺陷。美國Norton公司研究出一種借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出 80%的高度而不脫落，其結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過1553N/mm2(電鍍鎳基結(jié)合劑為345-449N/mm2)。
阿亨工業(yè)大學(xué)在其砂輪的鋁基盤上使用溶射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了磨料層與基體的可靠粘接。此外，還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性。主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用砂輪與主軸的錐連接處產(chǎn)生不均勻的膨脹，連接剛度下降。筆者在超高速磨削試驗(yàn)中，曾出現(xiàn)過由于夾緊力不足，而導(dǎo)致在啟動(dòng)過程中，產(chǎn)生振動(dòng)。德國開發(fā)出HSK(短錐空心柄)連接力式和對刀具進(jìn)行等級平衡及主軸自動(dòng)平衡的技術(shù)，但未見其用于超高速磨削的報(bào)道。因此，開發(fā)高精度、高剛度和良好的動(dòng)平衡性能的砂輪與主軸的連接方式很有必要。 進(jìn)給系統(tǒng) 高速加工不但要求機(jī)床有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率，而且同時(shí)要求機(jī)床工作臺有很高的進(jìn)給速度和運(yùn)動(dòng)加速度。 直線電機(jī)取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。進(jìn)給速度可達(dá)60-200 m/mv以上，加速度可達(dá)10-100m/s2以上。定位精度高達(dá)0.5-0.05μm，甚至更高。且推力大，剛度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，行程長度不受限制。主要問題是發(fā)熱較嚴(yán)重，對其磁場周圍的灰塵和切屑有吸附作用，價(jià)格較高。德國西門子公司生產(chǎn)的直線電機(jī)，最大進(jìn)給速度可達(dá)200m/min。日本研制的高效平面磨床，工作臺進(jìn)給采用直線電機(jī)，最高速度60m/min,最大加速度10 m/s 磨削液及其注入系統(tǒng) 磨削表面質(zhì)量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削熱的影響。
盡管人們開發(fā)了液氮冷卻、噴氣冷卻、微量潤滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷卻潤滑介質(zhì)。磨削液分為兩大類:油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)油基磨削液潤滑性優(yōu)于水基磨削液。但水基磨削液冷卻效果好。 油基磨削液良好的潤滑作用，可以有效的減小切屑、工件、磨粒切削刃和砂輪結(jié)合劑之間的摩擦。從而減少磨削熱的產(chǎn)生和砂輪的磨損，提高工件表面的完整性。但油基磨削液在工作時(shí)會產(chǎn)生油霧，嚴(yán)重污染環(huán)境;易引起冒煙、起火、不安全;能源浪費(fèi)嚴(yán)重。由于水基磨削液冷卻效果好，防火性好，對環(huán)境的污染問題易于解決等，因此，含有各種表面活性劑、油性劑、極壓添加劑、緩蝕劑和防腐殺菌劑的性能優(yōu)越的水基磨削液，是近年來重要的發(fā)展方向。
除了通常的磨削液外，也可輔以氣態(tài)或固態(tài)磨削劑。 包含混合磨削油和合成水基磨削液的聯(lián)合應(yīng)用，對于磨削難加工材料特別有效。用少量油潤濕砂輪提高潤滑效果，用水基磨削液注人磨削弧提高冷卻效果或者，油在磨削區(qū)前加人，而水則僅僅用來冷卻工件表面。通過聯(lián)合應(yīng)用水和油，獲得的表面粗糙度和金屬去除率與乳化液相當(dāng)。與單純使用乳化液相比，能降低砂輪的磨損。其缺點(diǎn)是需要后續(xù)的油水分離。 高速磨削時(shí)，氣流屏障阻礙廠磨削液有效地進(jìn)人磨削區(qū)，還可能存在薄膜沸騰的影響。因此，采用恰當(dāng)?shù)淖⑷朔椒ǎ黾幽ハ饕哼M(jìn)人磨削區(qū)的有效部分，提高冷卻和潤滑效果，對于改善工件質(zhì)量，減少砂輪磨損，極其重要。常用的磨削液注人方法有:手工供液法和澆注法;高壓噴射法;空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣?砂輪內(nèi)冷卻法;利用開槽砂輪法等。為提高冷卻潤滑效果，通常將多種方法綜合使用。如，采用靴狀噴嘴，可在砂輪接觸區(qū)前一個(gè)較大的區(qū)域?qū)ι拜嗊M(jìn)行直接地潤滑，噴嘴本身起了氣流擋板的作用。
石墨管浮動(dòng)噴嘴將磨削液輔以固態(tài)磨削劑結(jié)合起來，石墨管本身又相當(dāng)于氣流擋板射流內(nèi)冷卻，將射流與砂輪內(nèi)冷卻結(jié)合起來，用徑向射流沖擊，達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果，可突破成膜沸騰的障礙高低壓噴嘴聯(lián)合應(yīng)用，采用高壓噴嘴和空氣擋板向砂輪及磨削區(qū)供液，低壓噴嘴冷卻工件。也有采用環(huán)狀噴嘴冷卻工件，潤滑噴嘴向砂輪及磨削區(qū)供液，以降低不件整體溫度，提高工件尺寸精度。 噴嘴位置、幾何形狀對冷卻和潤滑效果也有很大的影響。增加噴嘴與磨削區(qū)的距離，冷卻效果降低。因而，噴嘴應(yīng)盡可能靠近磨削弧區(qū)，提高進(jìn)人磨削弧區(qū)的有效流量和壓力。對噴嘴進(jìn)行優(yōu)化，采用內(nèi)腔為凹狀的噴嘴，目內(nèi)壁光滑，出口處為銳邊，可均化液流，產(chǎn)生較長的高聚射流，提高冷卻和潤滑效果。 高速磨削液必須凈化，過濾系統(tǒng)的選擇與切屑長度、厚度及類型有關(guān)，還取決于磨粒的切削深度。
常用的過濾方法有:物理方法，如重力沉降、渦旋過濾、磁力過濾、濾網(wǎng)過濾、濾帶(紙)過濾;化學(xué)方法，如采用助濾劑硅藻土等。在過濾系統(tǒng)中同時(shí)經(jīng)過多個(gè)過濾單元進(jìn)行復(fù)合過濾，效果更佳。超高速磨削系統(tǒng)還需要采取措施降低磨削液溫度，月前主要的降溫方式有自然揮發(fā)對流散熱，強(qiáng)力揮發(fā)和利用制冷系統(tǒng)降溫等。 此外，還應(yīng)對磨削液引起的砂輪主軸功率消耗，以及磨削區(qū)域磨削液的動(dòng)靜壓對磨削力的影響進(jìn)行研究。對高速磨削的供液壓力和速度進(jìn)行優(yōu)化。有效地減少功率消耗和對環(huán)境的負(fù)面影響。有關(guān)研究表明，對于某一流量存在一臨界速度，當(dāng)砂輪速度大于臨界速度時(shí)，隨著砂輪速度的增加，法向磨削力降低。
砂輪修整 在磨削過程中，砂輪變鈍，或由于磨損而失去正確的幾何形狀，必須進(jìn)行及時(shí)修整。修整分為整形和修銳兩個(gè)過程。整形是使砂輪達(dá)到要求的幾何形狀和精度。修銳就是使磨粒凸出結(jié)合劑，產(chǎn)生必要的容屑空間，使砂輪達(dá)到較佳的磨削能力。根據(jù)具體情況，這兩個(gè)過程可以統(tǒng)一進(jìn)行或同時(shí)進(jìn)行，也可分兩步進(jìn)行。 常用的整形方法有車削法、磨削法、金剛石滾輪法。電火花和激光法等新的整形法也正在研究中。常用的修銳方法有自由磨粒法(如氣體噴砂修銳法、游離磨粒擠壓修銳法、液壓噴砂修銳法等>和固結(jié)修銳工具修銳法(如油石法、剛玉塊切人法、砂輪對磨法等)兩大類，此外還有電解在線修整法、電火花修銳法、高壓水噴射修銳法和激光修銳等。
對于新型修整方法，應(yīng)加快實(shí)用化研究。修整系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)優(yōu)先考慮通用的高效修整系統(tǒng)的研究 磨削的成擬化與智能化 超高速磨削的實(shí)驗(yàn)研究需要耗費(fèi)大量人力物力因而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行磨削過程的仿真是一個(gè)重要的研究課題CIRP磨削科技委員會已把“虛擬實(shí)驗(yàn)室”作為一個(gè)重要的合作項(xiàng)目，虛擬磨床可以建立一個(gè)逼真的虛擬磨削環(huán)境，可用于評估、預(yù)測磨削加工過程和產(chǎn)品質(zhì)量以及培訓(xùn)等一利用計(jì)算機(jī)仿真可模擬磨削過程，對磨削區(qū)溫度場、磨削力變化等進(jìn)行仿真，分析預(yù)測不同條件下磨削精度和磨削表面質(zhì)量。 磨削過程是一個(gè)多變量的復(fù)雜過程隨著人工智能技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能磨削也成為個(gè)重要的研究方向。智能加工的基本目的就是要解決加工過程中眾多的不確定性的，要有人干預(yù)才能解決的問題。由計(jì)算機(jī)取代或延伸加工過程中人的部分腦力勞動(dòng)。實(shí)現(xiàn)加工過程中的決策、監(jiān)測與控制的自動(dòng)化其中關(guān)鍵是決策自動(dòng)化。 機(jī)床智能磨削系統(tǒng)的基本框架由以下二部分組成:
①過程模型和傳感器集成模塊。利用多傳感器信息融合技術(shù)，對加工過程信息進(jìn)行處理，為決策與控制提供更加準(zhǔn)確可靠的信息。多傳感器信息融合的實(shí)現(xiàn)方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波、貝葉斯估計(jì)、統(tǒng)計(jì)決策理論、Shafer-Dempster證據(jù)推理、具有置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；
②決策規(guī)劃與控制模塊，根據(jù)傳感器模塊提供的加工過程信息，作出決策規(guī)劃，確定合適的控制方法，產(chǎn)生控制信息，通過NC控制器作用于加工過程，以達(dá)到最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)要求的加工任務(wù)。
③知識庫與數(shù)據(jù)庫，存放有關(guān)加工過程的先驗(yàn)知識，提高加工精度的各種先驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约翱芍挠绊懠庸ぞ鹊囊蛩?，加工精度與加I過程有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系等。此外，應(yīng)能自動(dòng)學(xué)習(xí)與自動(dòng)維護(hù)。華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)和東北大學(xué)等都先后進(jìn)行過智能制造技術(shù)或智能制造系統(tǒng)等的研究工作。華中科技大學(xué)與漢江機(jī)床廠曾合作進(jìn)行過螺紋智能磨削的研究。東北大學(xué)目前也正在國家教委的資助下進(jìn)行智能磨削的研究。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪精密制造技術(shù)中硬質(zhì)合金插齒刀磨削用碟形金剛石砂輪修整試驗(yàn)研究
梁立艷 馮平法 許銳弘 張建強(qiáng) 郭紅【摘要】：重點(diǎn)研究了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪精密制造技術(shù)中,硬質(zhì)合金插齒刀磨削用碟形金剛石砂輪的內(nèi)側(cè)進(jìn)給、外側(cè)進(jìn)給和交替進(jìn)給修整方式,對砂輪整形精度的影響規(guī)律,進(jìn)一步分析了不同進(jìn)給方式修整后的碟形砂輪磨制硬質(zhì)合金插齒刀時(shí),對插齒刀齒形精度的影響,同時(shí)采用粉末冶金棒、GC杯形砂輪、D/GC杯形砂輪3種修整方法,修整碟形金剛石砂輪,與原有修整方法進(jìn)行對比試驗(yàn),使修整后的碟形砂輪磨制整體硬質(zhì)合金插齒刀而獲得的齒形精度,分別提高了2.3倍、2.6倍和5.3倍。
【作者單位】：
內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)公司工藝研究所;【關(guān)鍵詞】：
磨削修整碟形金剛石砂輪試驗(yàn)【分類號】：TG61
