高速磨削加工工艺数控技术及应用

1 高速磨削概述

　　高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的工艺方法。它与普通磨削的区别在于很高的磨削速度和进给速度，而高速磨削的定义随时间的不同在不断推进。20 世纪60年代以前，磨削速度在50 m/ s 时即被称为高速磨削；而20世纪90 年代磨削速度最高已达500 m/s。在实际应用中，磨削速度在100 m/ s 以上即被称为高速磨削。

　　高速磨削可大幅度提高磨削生产效率、延长砂轮使用寿命、降低磨削表面粗糙度值、减小磨削力和工件受力变形、提高工件加工精度、降低磨削温度，能实现对难磨材料的高性能加工。随着砂轮速度的提高，目前比磨削去除率已猛增到了3 000 mm3/mms 以上，可达到与车、铣、刨等切削加工相媲美的金属磨除率。近年来各种新兴硬脆材料（如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等）的广泛应用，更推动了高速磨削技术的迅猛发展。高速磨削技术是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，集现代机械、

　　电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术于一体。日本先进技术研究会把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）将高速磨削技术确定为面向21 世纪的中心研究技术之一。

2 高速磨削加工工艺数控技术

　　高速磨削的加工工艺数控技术涉及磨削用量、磨削液及砂轮修整等方面，下面将分别进行阐述。

　　2.1 磨削用量选择

　　在应用高速磨削工艺时，磨削用量的选择对磨削效率、工件表面质量以及避免磨削烧伤和裂纹十分重要。表1 给出了磨削用量与砂轮速度的关系。除了砂轮速度以外，决定磨削用量的因素还有很多，因此应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料、冷却方式等因素，以选择最优的磨削用量。

　　2.2 磨削液

　　在高速磨削过程中，所采用的冷却系统的优劣常常能决定整个磨削过程的成败。冷却润滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延长砂轮的使用寿命，降低工件表面粗糙度值。它在磨削过程中必须完成润滑、冷却、清洗砂轮和传送切削屑四大任务，与普通磨削液要求类似。

　　2.3 砂轮的修整

　　目前应用较为成熟的砂轮修整技术有：

　　（1） ELID在线电解修整技术

　　在线电解修整（electrolytic inprocess dressing，简称ELID）是专门应用于金属结合剂砂轮的修整方法，与普通的电解修整方法相比，具有修整效率高、工艺过程简单、修整质量好等特点，同时它采用普通磨削液作为电解修整液，很好地解决了机床腐蚀问题。经ELID修整的4000 号铸铁结合剂金刚石砂轮成功地实现了工程陶瓷、硬质合金、单晶硅、光学玻璃等多种材料的精密镜面磨削，表面粗糙度Ra 可达2～4 nm。

　　（2） 电火花砂轮修整技术

　　利用电火花修整可对任何以导电材料为结合剂的砂轮进行在线、在位修整，易于保证磨削精度，不会腐蚀设备，修整力小，对小直径及极薄砂轮的修整较为方便，同时整形效率高、修锐质量好；磨料周围不残留结合剂，修锐强度易于控制。

　　（3） 杯形砂轮修整技术

　　采用杯形砂轮修整器修整超硬磨料成形砂轮，其修整效率及修整精度都比传统的成形砂轮修整方法要高，可达到零误差的砂轮表面。砂轮修整后的磨削性能实验表明磨削力明显减小，磨削性能良好，且砂轮使用寿命长。

　　（4） 电解—机械复合整形技术

　　运用此法可在短时间内将砂轮修整到较高的表面质量及形状精度，为砂轮的精密修整提供了良好的条件。

3 高速磨削的应用

　　高速磨削的应用技术有高速深切磨削、高速精密磨削、难磨材料及硬脆材料的高速磨削。

　　3.1 高速深切磨削

　　以砂轮高速、高进给速度和大切深为主要特点的高效深磨（high efficiencydeep grinding，简称HEDG）技术是高速磨削在高效加工方面的应用之一。高效深磨技术起源于德国。1979年德国P.G.Werner博士预言了高效深磨区的存在合理性，开创了高效深磨的概念，并在1983 年由德国Guhring Automation公司创造了当时世界上最具威力的60 kW强力磨床，转速为10000 r/min，砂轮直径为400 mm，砂轮圆周速度达到100～180 m/s，标志着磨削技术进入了一个新纪元。1996 年由德国Schaudt 公司生产的高速数控曲轴磨床，是具有高效深磨特性的典型产品，它能把曲轴坯件直接由磨削加工到最终尺寸。德国Aachen工业大学宣称，该校已采用了圆周速度达到500 m/s的超高速砂轮，此速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。

　　高速深切磨削可直观地看成是缓进给磨削和高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率（磨除率比普通磨削高100～1 000 倍），表面质量也可达到普通磨削水平。例如，采用陶瓷结合剂砂轮以120m/s 的速度磨削，比磨削率可达500～1000 mm3/mms，比车削和铣削高5倍以上。英国用盘形CBN砂轮对低合金钢51CrV4进行了146 m/s 的高效深磨试验研究，材料去除率超过400 mm3/mms。高效成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助CNC系统完成更复杂型面的加工。此项技术已成功地用于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。

　　日本丰田工机、三菱重工等公司均能生产CBN高速磨床。GP-33 型高速磨床采用CBN砂轮以120 m/s 磨削速度实现对工件不同部位的自动磨削。美国Edgetrk Machine公司也生产高效深磨 机床，该公司主要发展小型3 轴、4轴和5 轴CNC成型砂轮，可实现对淬硬钢的高效深磨，表面质量可与普通磨削媲美。

　　高速深切磨削具有加工时间短（一般为0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备高速磨削的技术要求外，还要求机床具有高的刚度。

　　3.2 高速精密磨削

　　高速精密磨削（precision high speed grinding）是采用高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度。高速精密磨削主要是高速外圆磨削。即使用150～200 m/s的砂轮周速和CBN 砂轮，配以高性能CNC 系统和高精度微进给机构，对凸轮轴、曲轴等零件外圆回转面进行高速精密磨削加工的方法。它既能保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。

　　这一技术在日本应用最为广泛。例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC高速外圆磨床来磨削加工余量达5 mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨削率可达174 mm3/mm·s，砂轮磨削比可达33500。以表面粗糙度Rz3 μm为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60 个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转。丰田工机GZ50 型CNC高速外圆磨床上装备了其最新研制的Toyoda State Bearing 轴承，使用转速在200 m/s 的薄片陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮对轴类零件进行一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工过程，并首先在曲轴销加工中应用成功。在M104CNS/CBN 高速外圆磨床上安装了带有神经网络自学习功能的数控系统，使得磨床的加工性能更加完善。德国Guhring Automation 公司RB625高速外圆磨床上，使用CBN 砂轮可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2 kg金属。

　　3.3 快速点磨削

　　快速点磨削（quick-qoint grinding）是由德国Junker 公司于1994 年开发并取得专利的一种高速磨削技术。它使用CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高性，又有更高的效率和精度。砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和高速磨削的极佳结合， 成为高速磨削的主要技术形式之一。它集成了高速磨削、CBN 超硬磨料及CNC 柔性加工三

　　大先进技术，具有优良的加工性能，是高速磨削在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。此技术德国处于领先地位，并已在汽车工业、工具制造中得到应用。如汽车上的凸轮轴或齿轮轴，利用此工艺可通过一次装夹实现切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程的全部加工。这样大大提高了零件加工精度及生产率。在齿轮加工、机床制造、纺织与印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也有广阔应用前景。我国部分汽车制造业也引进了几十台这一工艺设备，并取得了明显效益，但仅限于汽车发动机轴类零件的加工。目前国内才开始这一理论与应用的研究。

　　3.4 难磨材料及硬脆材料的高速磨削

　　利用高速磨削对难磨材料及硬脆材料（工程陶瓷及光学透镜等）的高性能加工是高速磨削领域的另一重要应用。高强度合金钢、高温合金、铝合金、耐热合金、钛合金等难磨材料在普通磨削条件下的磨削加工性极差。磨削时砂轮钝化迅速、磨削温度高、表面质量差。而在高速磨削条件下，磨屑变形速度接近静态塑性变形应力波传播速度，材料变形应变率极高，塑性变形滞后，相当于材料塑性减小，降底了加工硬化倾向、表面粗糙度值和残余应力，从而可实现延性材料的脆性;加工。例如用200 m/s 磨削纯铝时，工件表层硬度为50 HV，表面粗糙度Ra2.2 m；磨削速度为280 m/s 时，工件表层硬度为45 HV，Ra1.8 m。可见，当磨削速度大于200 m/s（纯铝静态应力波的传播速度约为200 m/s）时，加工硬化及表面粗糙度值下降，表面质量提高。

　　工程陶瓷、功能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料获得了越来越广泛的应用。用超硬磨料在高速条件下对磨削硬脆材料进行磨削加工几乎成为唯一的加工手段。日本高桥正行等在安装磁力轴承的数控磨床上使用了3 种结合剂砂轮，围绕从普通速度到200 m/s 的砂轮速度对玻璃的加工性能的影响进行了对比研究，得出的结论是高速磨削下的玻璃表面粗糙度值要比普通速度下的磨削小得多。这是由于大幅度提高砂轮速度，单位时间内参加磨削的磨粒数大大增加，单个磨粒的切削厚度极薄，容易使陶瓷、玻璃等脆材料以塑性变形形式产生磨屑，大大提高磨削表面质量和效率。例如，在采用金刚石砂轮以160 m/s 的磨削速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比80m/s 提高一倍，砂轮寿命为80 m/s 时的1.56 倍、30 m/s 时的7 倍，并获得良好的表面质量。

4 高速磨削技术的研究

　　高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。我国在高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强高速磨削技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。

高速磨削技术的研究，主要从制约切削速度的各个方面进行研究。

　　（1） 发展高功率高速主轴。

　　（2） 研制适应高速磨削的新颖砂轮，这样才能提高磨削速度。

　　（3） 磨床结构的改进。

　　为了尽可能降低机床在高速时由于砂轮不平衡引起的振动，应配置在线自动平衡系统，以使机床在不同转速时，始终处于最佳的运行状态。为了提高生产效率和工件的加工精度，则应采用高速、高效和高精度进给驱动系统。比如在平面磨床上采用直线电机替代丝杠螺母传动；在进行偏心磨削时，外圆磨床除了须具备高速滑台系统外，还要配备高速数控系统，以保证工件的精度及较高的生产率。

　　（4） 优化冷却润滑系统。

　　除了要注意冷却润滑液本身的化学构成外，其供给系统也十分重要。因此，在研制高速磨床时，必须配置高压的冷却润滑供给系统。

　　（5） 磨削速度向超音速迈进。

　　高速磨削应用研究的下一个目标将是冲破音速大关，把磨削速度提高到350 m/s 以上，进而使500 m/s 的磨削速度在工业应用上成为可能。当然，单就磨削速度一个参数并不能全面评价磨削过程的优劣，最佳的磨削速度应是磨削过程经济效益最好时的速度。这一最佳速度，必须经过改进机床设计，优化切削条件和配套系统等深入研究才能达到。