超高速磨削及其砂轮技术发展
超高速磨削及其砂轮技术发展1
李长河1，蔡光起2
1 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：sy_lichanghe@https://www.wendangku.net/doc/1c18152643.html,
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“现代磨削技术的最高峰”。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，是当今在磨削领域最为引人注目的技术[1]。
高速加工(High-speed Machining)和超高速加工（Ultra-High Speed Machining）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，最高可达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F n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250 m/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最小。通过计算砂轮切向和法向应力，发现最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，据此找出最佳基体轮廓，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最多。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（Carbon Fiber Reinforced Plastic）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（BAY STATE）、瑞士的温特苏尔（WINTERTHUR）等。NORTON SG 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公司最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，厚度最薄可达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，以选择最佳修整方案。
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动传感器，振动控制器和平衡头组成，通过振动传感器检测砂轮旋转时不平衡量引起的振动信号并进行数据处理，以确定不平衡量的大小和相位，然后通过振动控制器控制跟随砂轮高速旋转和平衡头内的校正质量，实现对不平衡量的平衡补偿。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式，气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上重要组成部分，是保证产品加工质量，充分发挥超高速磨床生产能力及提高机床使用寿命的重要因素，美国、日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。
德国Hofmann公司生产的一种砂轮液体式自动平衡装置并在高速及超高磨床上得到广泛的应用，该平衡系统由以下几部分组成（图1）：检测和控制单元、和放大器集成的压电振动传感器、环状储液腔、4喷嘴喷射系统、阀座及冷却液过滤系统等。和微机相连的电子测量和控制单元能自动测量磨床的振动行为，因此，在运行过程中，不需要手动校正和调整。平衡系统所有组成部分均由微机控制，一旦工作失效，诊断系统将发出停止信号[6,7]。
砂轮不平衡量u是通过冷却液补偿的（图2），冷却液被喷射到环状储液腔中，平衡量K可分解为v1和v2，振动传感器被固定在主轴承上以检测不平衡量的大小，而不平衡量的位置是通过相位发生器检测的，通过电子检测和控制单元所检测的不平衡量相应地通过控制v1和v2的补偿量来平衡，控制单元控制电磁阀将经过过滤的冷却液喷射到平衡头内，实现系统的平衡。该平衡系统即可手动控制，也可自动控制。
1砂轮2驱动轴3振动传感器4喷嘴5测量和控制单元6冷却液7电磁阀8平衡头9过滤器
图1 在线动平衡系统控制框图
图2 不平衡质量与补偿质量矢量图
主要技术数据如下：
测量范围砂轮最高转速60000rpm
振动位移量0.01～99.9um
闭环控制采用PID微处理系统控制
平衡时间10～300s min/max 重新平衡大约5s
平衡公差0.05～10μm
2.2磨粒
用于超高速磨削砂轮的磨料主要有CBN、金刚石等超硬磨料磨粒，CBN磨料磨粒的主要特点（1）是CBN磨料磨粒具有良好的热稳定性，在正常的大气压下，CBN磨粒在1300℃没有发生氧化反应，甚至在1400℃也没有发生从立方晶格向六方晶格转变[8]，而金刚石在正常的大气压下热稳定性最高只有800℃，所以CBN磨料砂轮比金刚石砂轮能承受较高的加工温度，（2）是CBN磨料导热系数高，在磨削区产生相同磨削热量的情况下，传入工件的热量比率明显减少，所以工件的加工温度明显下降，在同样的冷却条件下，避免了工件的热伤害和提高工件的加工精度和表面完整性，（3）是比磨削能低，用CBN砂轮磨削可以允许大的金属切除率而不烧伤工件，实际磨削加工中允许大的切深和较快的工作台进给速度，在保证磨削质量的前提下，生产效率成倍的提高[8,9]。
在高速磨削中，一种新型的微晶氧化铝磨粒即SG磨粒已经引起人们的高度注意，SG 磨粒不仅具有高的硬度而且还具有良好的韧性，它的加工能力介于刚玉和CBN磨粒之间，由于SG磨粒在磨削加工中，辅助切削刃本身能发生自锐，所以磨削力和磨削区产生的热量
明显降低，同时也减少了砂轮的磨损，从而提高材料的去除率和砂轮的修整间隔时间，SG 磨粒和CBN磨粒相比不仅成本低，而且对磨削机床没有任何特殊的要求，砂轮的修整也和传统磨粒砂轮的修整方法相同。在砂轮速度为125m/s磨削回火钢的试验中比材料去除率已达100 mm3/mm·s[10]。
2.3砂轮的修整
砂轮修整的目的是为了保持砂轮正确的几何形状和磨粒的有效突出高度。对于CBN砂轮，由于很难从其砂轮圆周表面去除一薄层CBN磨粒，所以修整工具的损耗较大，修整成本较高。对于单层电镀和金属单层CBN砂轮一般不必像树脂或陶瓷结合剂那样进行修整，可直接投入使用。但对于精密超高速磨削加工中，由于磨粒在使用中钝化，磨粒突出基体的高度尺寸不一致，所以造成磨削力增大，工件表面质量和完整性下降，这时需对CBN砂轮进行修整。目前对CBN砂轮的修整广泛采用接触修整法，通过使用传感器系统控制砂轮和修整工具的接触，然后通过修整工具微量进给系统进行微米级进给，结果得到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。
3. 结语
高速超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分，它可以大幅度的提高生产效率和加工质量并降低成本。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。我国在超高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强高速超高速磨削加工技术的研究、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。随着超高速磨削基础理论和关键部件技术的进一步成熟，超高速磨削将在工业生产中发挥越来越大的作用，具有很好的发展潜力。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200 m/s、额定功率55kW、最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床，并先后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、200 m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机制研究、高速钢的高速深磨研究、超高速单颗粒CBN磨削试验研究、高速单颗粒磨削机理研究、超高速磨削温度场研究、磨削摩擦系数的研究、超高速磨削砂轮表面气流场的研究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平。
*:
参考文献
1.蔡光起宋贵亮刘文志，超高速磨削工艺技术[J]，机械工艺师 1995、9
2.蔡光起磨削技术现状与新进展，制造技术与机床[J] ，2000、5
3.陆名彰熊万里黄红武等，超高速磨削技术的发展及其主要相关技术[J]，湖南大学学报 2002、5
4.张伯霖谢影明肖曙红，超高速切削的原理与应用[J] 中国机械工程1995、1
5.李长河，修世超，蔡光起.高速超高速磨削工艺及其实现技术[J]，金刚石与磨料磨具工程，2004(4):16-21 6冯宝富蔡光起，超高速磨削及其发展趋势[J]，机械工程师 2001、1
7.S.Malkin. Current Trends in CBN Grinding Technology[J]. Annals of the CIRP，1985，34(2):557-563.
https://www.wendangku.net/doc/1c18152643.html,vine，S.Malkin，T.C.Jen Thermal Aspects of Grinding With CBN Wheels[J] Annals of the CIRP，1989，38(1):557-560.
9.H.K.Tonshoff，B.Karpuschewski，T.Mandrysch Grinding Process Achievements and their Consequences on Machine Tools Challenges and Opportunities[J] Annals of the CIRP，1998，47(2):651-667.
10.Hundt w.，Leuenberger D.，Rehsteiner .An Approach to Monitoring of the Grinding Process Using Acoustic Emission Technique[J]. Annals of the CIRP，1994，43(1):295-298.
Development of super-high speed grinding and wheel
technology
Li Changhe1, Cai Guangqi2
1. Qingdao technological university, Qingdao (266033)
2. Northeastern University, Shenyang (110004)
Abstract
High speed and Super-high speed grinding machining is one of the important technique of advanced manufacture. Combined with raw and finishing machining, it can attain the highest removal rate up to turning, milling and planning. The difficult to grinding materials can also be ground with high performance. In the paper, the characteristic of high speed and super-high speed grinding was introduced ; High speed and Super-high speed grinding wheel is made by plated and coated super-rigid CBN and diamond abrasive and super-rigid abrasive characteristic and wheel dressed and automatic balancing equipment of grinding wheel of Hofmann corporation in Germany are analyzed. Keywords: Super-high speed grinding, Grinding wheel, Key technology
高速磨削技术的现状及发展前景
高速磨削技术的现状及发展前景 The Situ ation and Developing Vistas of High-Speed G rinding T echnology 荣烈润 摘 要:本文综述了高速磨削的概念、优势、关键技术、应用近况和发展前景。 关键词:高速磨削 动平衡 砂轮修整 精密高速磨削 高效深磨 Abstract:This paper introduced concept,advantages,key technical points,application and developing vistas of high2speed grinding technology. K ey w ords:high2speed grinding dynamic balancing grinding wheel trim precision high2speed grind2 ing high2efficiency deep grinding 0 引言 人们一直对于提高磨削的砂轮速度所带来的技术优势和经济效益给予了充分的注意和重视。但是在高速磨削过程中,工件受热变形和表面烧伤等均限制了砂轮速度的进一步提高,砂轮强度和机床制造等关键技术也使得高速磨削技术在一段时间内进展缓慢。当20世纪90年代以德国高速磨床FS-126为主导的高速磨削(High-speed Grinding)技术取得了突破性进展后,人们意识到一个全新的磨削时代已经到来。 高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变,是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术,它集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术成就于一体。随着砂轮速度的提高,目前磨削去除率已猛增到了3000mm3/ mm?s甚至更多,可与车、铣、刨等切削加工相媲美,尤其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。日本先端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(CIRA)将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。 1 高速磨削的概念及优势 高速加工(High-speed Machining)概念首先由德国切削物理学家Card.J.Salomon于1931年提出,他发表了著名的Salomon曲线,创造性地预言了超越Taloy切削方程式的非切削工作区域的存在,提出如能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。这对今后高速磨削的发展有着非常重要的启示,对于高速磨削技术的实用化起到了直接的推动作用。 高速磨削与普通磨削相比具有以下突出的技术优势: (1) 可大幅度提高磨削效率,减少设备使用台数。以往磨削仅适用于加工余量很小的精加工,磨削前须有粗加工工序和半精加工工序,需配有不同类型的机床。而高速磨削既可精加工又可粗加工,这样就可以大大减少机床种类,简化了工艺流程。 (2) 可以明显降低磨削力,提高零件的加工精度。高速磨削在材料切除率不变的条件下,可以降低单一磨粒的切削深度,从而减少磨削力,获得高质量的工件表面,尤其在加工刚度较低(如薄壁零件)的工件时,易于保证较高的加工精度。 (3) 成功地越过了磨削热沟的影响,工件表面层可获得残余压应力(这对工件受力有利)。 (4) 砂轮的磨削比显著提高,有利于实现自动化磨削。 (5) 能实现对硬脆材料(如工程陶瓷及光学玻璃等)的高质量加工。
高速超高速磨削技术发展与关键技术
* 国家自然科学基金资助项目（编号:50475052） 教育部科学技术研究重点项目（编号:104190） 高校博士学科点专项科研基金资助项目（编号:20040145001）高速超高速磨削技术发展与关键技术* 青岛理工大学 机械工程学院 ( 266033) 李长河 东北大学 机械工程与自动化学院 (110004) 修世超 蔡光起 摘 要 论述了高速超高速磨削加工技术的发展、特点以及关键技术。 关键词 高速超高速 磨粒加工 关键技术 1 高速/超高速磨削技术发展 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“现代磨削技术的最高峰”。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，是当今在磨削领域最为引人注目的技术。 高速加工(High-speed Machining)和超高速加工（Ultra-High Speed Machining ）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45 m/s 的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150 m/s 的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。 欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早， 最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速 磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达 到210～230 m/s 。20世纪70年代，超高速磨削开始采用CBN 砂轮。1973年9月意大利的Famir 公司在西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120 m/s 的RFT-C120/50R 型磨轴承内套圈外沟的高速实用化磨床。1979年德国Bremen 大学的P.G .Werner 教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1983年德国Bremen 大学出资由德国Guhring Automation 公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60 kW ，转速为10 000 r/min ，砂轮直径为φ400 mm ，砂轮圆周速度达到了209 m/s 。德国Guhring Automation 公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140～160 m/s 的CBN 磨床，并正在试制线速度达180 m/s 的样机。德国Aachen 大学、Bremen 大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，其方法是用高线速度、深切入、快进给进行磨削，可得到高效率、高质量的磨削效果。据Aachen 工业大学实验室的Koeing 和Ferlemann 宣称，该实验室已经采用了圆周速度达到500 m/s 的超高速砂轮，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。另外Braunschweig 大学、Berlin 工业大学等也在进行此方面的研究。 瑞士Studer 公司开发的CBN 砂轮磨削线速度在60 m/s 以上，并向120～130 m/s 方向发展。S40 CBN 砂轮磨床，在125 m/s 时高速磨削性能发挥最为充分，即使在500 m/s 也能照常工作。目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行线速度为280m/s 的磨削试验。德国Kapp 公司很早就对超高速磨床的研制进行过尝试，目前该公司制造的高效深磨用超高速磨床利用线速度300 m/s 的砂轮在60 s 内对有10个沟槽的成组转子毛坯完成一次磨削成
砂轮的种类与性能
一、砂轮的种类与性能 （一）、概况 砂轮是磨削加工中最主要的一类磨具。砂轮是在磨料中加入结合剂，经压坯、干燥和焙烧而制成的多孔体。由于磨料、结合剂及制造工艺不同，砂轮的特性差别很大，因此对磨削的加工质量、生产率和经济性有着重要影响。砂轮的特性主要是由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等因素决定。 （二）、砂轮的分类 砂轮种类繁多，按所用磨料可分为普通磨料（刚玉（Al2O3）和碳化硅等）砂轮和超硬磨料（金刚石和立方氮化硼）砂轮；按砂轮形状可分为平形砂轮、斜边砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮等；按结合剂可分为陶瓷砂轮、树脂砂轮、橡胶砂轮、金属砂轮等。 （三）、砂轮的属性 砂轮是用磨料和结合剂等制成的中央有通孔的圆形固结磨具。 砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂、形状及尺寸等因素来决定，现分别介绍如下。 1、磨料及其选择 磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。常用磨料的名称、代号、特性和用途见表1 。 表1 常用磨料
2、粒度及其选择 粒度指磨料颗粒的大小。粒度分磨粒与微粉两组。磨粒用筛选法分类，它的粒度号以筛网上一英寸长度内的孔眼数来表示。例如 60 # 粒度的的磨粒，说明能通过每英寸长有 60 个孔眼的筛网，而不能通过每英寸 70 个孔眼的筛网。120# 粒度说明能通过每英寸长有120 个孔眼的筛网。 对于颗粒尺寸小于40μm（微米，1毫米=1000微米）的磨料，称为微粉。微粉用显微测量法分类，它的粒度号以磨料的实际尺寸来表示（ W ）。各种粒度号的磨粒尺寸见表2 。 磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度较大，砂轮不易堵塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般来说，磨粒越细，磨削表面粗糙度越好。不同粒度砂轮的应用见表3 。 表3 不同粒度砂轮的使用范围 3、结合剂及其选择 结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度。 （1）、陶瓷结合剂（V）：化学稳定性好、耐热、耐腐蚀、价廉，占90%，但性脆，不宜制成薄片，不宜高速，线速度一般为35m/s。
磨削不锈钢时怎样选择砂轮
1.磨料：白刚玉具有较好的切削性能和字锐性，适于磨削马氏体及马氏体+铁素体不锈钢；单晶刚玉磨料适用于奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢；微晶钢玉磨料是由许多微小的晶体组成的，强度高、韧性和自锐性好，其自锐的特点是沿微晶的缝隙碎列，从而获得微韧性和微刃高等性，可以减少烧伤、拉毛等现象，并可以降低磨削表面粗糙度，适于磨削各种不锈钢；立方氮化硼磨料的硬度很高，热稳定性好，化学惰性高，在1300℃～1500℃不氧化，磨粒的刃尖不易变钝，产生磨削热也少，适用于磨削各种不锈钢，为了减少粘附现象，也可采用碳化硅和人造金刚石为磨料的砂轮。 2.粒度：磨削不锈钢时，一般采用36号、46号、60号中等粒度的砂轮为宜，其中粗磨时，采用36号、46号粒度，精磨用60号粒度。为了同时适用于粗磨和精磨，则采用46号和60号粒度。 3.结合剂：磨削不锈钢要求砂轮具有较高的强度，以便承受较大的冲击载荷。陶瓷结合剂耐热、抗腐蚀，用它制作的砂轮能很好的保持切削性能，不怕潮湿，具有多孔性，适合于制作磨削不锈钢砂轮的结合剂。磨削耐浓硝酸不锈钢等材料内孔时，可采用树脂结合剂制造砂轮。 4.硬度；应选用硬度较低的砂轮，以提高自锐性，一般选用G～N硬度的砂轮，其中以K～L使用最为普遍，使用微晶刚玉作磨料的内圆磨砂轮，则以J为宜。 5.组织：为了避免磨削过程中砂轮堵塞，砂轮组织应选用较疏松的，一般选用5～8号较为合适。 十四、磨削不锈钢时怎样选择磨削用量 陶瓷结合剂砂轮的速度为30～35m/s；树脂结合剂的砂轮速度为35～50m/s。当发现表面烧伤时，应将砂轮速度降至16～20m/s。 工件速度：当工件直径小于50mm时，ｎ=120～150r/min;大于50mm时，ｎ=40～80r/min.用砂轮外圆进行平面精磨时，工作台远动速度一般为15～20m/min，粗磨时为5～50 m/min。磨削深度和横向进给量大时取最小值。粗磨深度为～，精磨深度为。修整砂轮后应减小磨削深度。 外圆磨削时纵向进给量，粗磨时为（～）Bmm/r,精磨时为（～）Bmm/r ；内圆磨削时纵向进给量，粗磨时为（～）Bmm/r,精磨时为（～）Bmm/r ；砂轮
超高速磨削及其砂轮技术发展
超高速磨削及其砂轮技术发展1 李长河1，蔡光起2 1 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：sy_lichanghe@https://www.wendangku.net/doc/1c18152643.html, 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“现代磨削技术的最高峰”。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，是当今在磨削领域最为引人注目的技术[1]。 高速加工(High-speed Machining)和超高速加工（Ultra-High Speed Machining）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，最高可达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。
高速切削
1. 论述高速切削的特点。 材料去除率高，切削力较小，工件热变形小，工艺系统振动小，可加工各种难加工材料，可实现绿色制造，简化加工工艺流程。高速切削追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高1~2等级。加快产品开发周期，大大降低制造成本。 2.阐述高速切削技术研究体系、关键技术。 数控高速切削加工技术是建立在机床结构与材料、高速主轴系统、高性能CNC控制系统、快速进给系统、高性能刀具材料、数控高速切削加工工艺、高效高精度测试技术等许多相关的软件和硬件技术基础之上的一项复杂的系统工程，是将各单元技术集成的一项综合技术。关键技术：高速切削机理；高速切削刀具技术；高速切削机床技术；高速切削工艺技术；高速加工的测试技术。 3.阐述高速切削发展趋势。 机床结构将会具有更高的刚度和抗振性，使在高转速和高级给情况下刀具具有更长的寿命；将会用完全考虑高速要求的新设计概念来设计机床；在提高机床进给速度的同时保持机床精度；快换主轴；高、低速度的主轴共存；改善轴承技术；改进刀具和主轴的接触条件；更好的动平衡；高速冷却系统。（新一代高速大功率机床的开发和研制；新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；高速切削机理的深入研究；高速切削动态特性及稳定性的研究；开发适用于高速切削加工状态的监控技术；建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；基于高速切削工艺，开发推广干式（准干式）切削绿色制造技术；基于高速切削，开发推广高能加工技术） 4结合典型工件材料和加工工艺方法，讨论高速切削的速度范围。 （1）根据工件材料：刚才380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，认为是合适的速度范围。（2）根据加工工艺方法：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削5000~10000m/min，认为是合适的速度范围。 5讨论高速切削加工的切削力变化规律。 （1）切削用量对切削力的影响:背吃刀量ap增大，切削力成正比增加，背向力和进给力近似成正比增加。进给量f增大，切削力与增大，但切削力的增大与f不成正比（75%）（2）工件材料对切削力的影响：较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。a材料的强度、
超高速加工技术的现状及发展趋势
目录 摘要 (1) 1 引言 (1) 2 超高速加工技术简介 (1) 2.1 超高速加工技术概况 (1) 2.2 超高速加工技术分类 (2) 2.3 超高速加工技术特点 (2) 3 超高速加工技术现状 (3) 3.1 超高速加工技术现状简述 (3) 3.2 国外超高速加工技术发展 (4) 3.3 国内发展情况 (5) 4 超高速加工技术发展趋势 (5) 谢辞 (8)
超高速加工技术的应用和发展趋势 摘要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。 关键词：高速加工技术、机械制造、应用、发展 1 引言 当前机械制造业为实现高生产率和追求利润,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分,也已被积极地推广使用。20世纪20年代德国人Saloman最早提出高速加工(High Speed Cutting, 简称HSC)的概念,并1931 年申请了专利。50年代末及60年代初,美国和日本开始涉足此领域,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展,使得刀具切削速度得到很大提高,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊 零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近20年来也得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司在1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kW强力立方氮化硼(CBN)砂轮磨床,Vs达到140~ 160m/s。当今, 超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。 2 超高速加工技术简介 2.1 超高速加工技术概况 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 超高速加工是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为 1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为 2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削 300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。
砂轮的种类与性能特点【秒懂】
砂轮的种类与性能特点 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 更多数控刀具、磨具、砂轮、磨床展示，就在深圳机械展。 砂轮是磨削的主要工具，它是由磨料和结合剂构成的多孔物体。其中磨料、结合剂和孔隙是砂轮的三个基本组成要素。随着磨料、结合剂及砂轮制造工艺等的不同，砂轮特性可能差别很大，对磨削加工的精度、粗糙度和生产效率有着重要的影响。因此，必须根据具体条件选用合适的砂轮。 砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂、形状及尺寸等因素来决定，现分别介绍如下。（1 ）磨料及其选择磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。常用磨料的名称、代号、特性和用途见表1 。 表1 常用磨料
注：括号内的代号是旧标准代号。 （2 ）粒度及其选择 粒度指磨料颗料的大小。粒度分磨粒与微粉两组。磨粒用筛选法分类，它的粒度号以筛网上一英寸长度内的孔眼数来表示。例如60 # 粒度的的磨粒，说明能通过每英寸长有60 个孔眼的筛网，而不能通过每英寸70 个孔眼的筛网。微粉用显微测量法分类，它的粒度号以磨料的实际尺寸来表示（W ）。
各种粒度号的磨粒尺寸见表2 。 注：比14 # 粗的磨粒及比W3.5 细的微粉很少使用，表中未列出。 磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。 粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度可较大，砂轮不易堵塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般来说，磨粒愈细，磨削表面粗糙度愈好。 表3 不同粒度砂轮的使用范围
（3 ）结合剂及其选择砂轮中用以粘结磨料的物质称结合剂。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要决定于结合剂的性能。常用的结合剂种类、性能及用途见表4 。
超高速磨削加工的关键技术及其装备开发
１引言 为适应现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面粗糙度与完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求，近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速外圆磨削、高效深切磨削、快速点磨削技术的发展最为引人注目。 ２超高速磨削技术 超高速磨削（Ｖｓ≥１５０ｍ／ｓ）是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。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。国际生产工程学会（ＣＩＲＰ）将超高速磨削技术确定为面向２１世纪的中心研究方向之一。东北大学自上世纪８０年代开始一直跟踪高速／超高速磨削技术发展，并对超高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国第一台额定功率５５ｋＷ、最高砂轮线速度达２５０ｍ／ｓ的超高速试验磨床，进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀ＣＢＮ超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、超高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的高效深磨研究、超高速单颗磨粒ＣＢＮ磨削试验研究、超高速磨削砂轮表面气流场和磨削摩擦系数的研究等，部分研究成果达到国际先进水平。 ２．１超高速磨削技术特点 （１）大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；（２）磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；（３）砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；（４）实现对难加工材料的磨削加工。 超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钛合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等高塑性的材料也可获得良好的磨削效果［１、２］。超高速磨削纯铝的实验表明，当磨削速度超过２００ｍ／ｓ（纯铝静态应力波速度）时，工件表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小，表面完整性得到改善。因为加载速度提高使得塑性应变点后移，增加了材料在弹性小变形阶段被去除的机率。因此塑性材料静态应力波速是实现“脆性”加工的临界点。 超高速磨削加工的关键技术及其装备开发 蔡光起修世超 （东北大学机械工程与自动化学院沈阳，１１０００４） 摘要：介绍了超高速磨削和快速点磨削的关键技术及国内外发展现状，以及东北大学在这一技术领域的研究成果，提出了跟踪国际先进超高速磨削加工技术，提高我国制造技术水平的途径和策略。 关键词：超高速磨削ＣＮＣ快速点磨削 Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇ ＣａｉＧｕａｎｇｑｉＸｉｕＳｈｉｃｈａｏ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇａｎｄｑｕｉｃｋ－ｐｏｉｎｔｇｒｉｎｄｉｎｇｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｗｅｒｅａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏａｂｓｏｒｂｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｎｄｐｒｏｍｏｔｅｏｕｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｒｉｎｄｉｎｇ，ＣＮＣ，Ｑｕｉｃｋ－ｐｏｉｎｔｇｒｉｎｄｉｎｇ
先进磨削技术的发展
先进磨削技术的新发展 摘要：磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工艺方法，磨削与车、铣削在常规加工材料上竞争可能难分高下。尽管硬车削已经替代了很多磨削加工，但由于粘结技术的进步、高级磨料的应用，磨削依然保持强势。作为先进制造技术中的重要领域，磨削加工技术已在机械、国防、航空航天、微加工、芯片制造等众多领域得到广泛应用。磨削加工的发展趋势正朝着采用超硬磨料、磨具，高速、高效、高精度磨削工艺及柔性复合磨削、绿色生态磨削方向发展。如今磨削加工的发展趋势，主要包括高速磨削、超高速磨削、精密和超精密磨削、缓进给磨削、高效深切磨削、砂带磨削及绿色磨削技术。我们也需要了解超高速磨削加工的机理及超高速磨削的优越性，把握高速超高速磨削加工技术的发展前景。 关键词：磨削精密磨削高效磨削超高速磨削 正文：磨削加工技术是利用磨料去除材料的加工方法，也是人类最早使用的生产技艺方法。18世纪中期世界上第一台外圆磨床问世，由石英石、石榴石等天然磨料构成，随后又研制出平面磨床。20世纪40年代末，人造金刚石出现；1957年立方氮化硼研制成功；随着磨削技术的发展，特别是超硬磨料人造金刚石砂轮与立方氮化硼党的应用，磨削加工范围日益增大，磨削加工精度和加工效率也不短提高。 磨削技术发展趋势 如今磨削加工技术正朝着高速化，精细化方向发展。因此，我们了解超高速磨削加工的机理及超高速磨削的优越性，把握高速超高速磨削加工技术的发展前景是很有必要的。主要包括高速磨削、超高速磨削、精密和超精密磨削、缓进给磨削、高效深切磨削、砂带磨削及绿色磨削技术 首先了解一下精密及超精密磨削机理，精密磨削一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮，主要用金刚石修整刀具以极小而又均匀的微进给（10～15mm/min）对砂轮进行精细修整，以获得众多的等高微刃，加工表面的磨痕较细，加工过程中，由于微切削、滑移、摩擦等综合作用，加工工件达到了小的表面粗糙度值和高的精度要求。超精密磨削则采用较小的修整导程和较小的背吃刀量修整砂轮，靠超细微磨粒等高微刃的磨削作用进行磨削加工。现在我们就对以上提到的磨削技术详细了解一下。 高效磨削技术 高效磨削是一种先进的制造技术，在其不断的发展中达到了一个崭新的水平。所谓高效磨削，是指加大磨削负荷或提高砂轮线速度，增加单位时间金属比切除率和单位时间的金属去除量，以达到和车削、铣削那样高的金属切除率，或者甚至更高。高效磨削主要包括高速磨削、缓进给磨削、高效深磨和砂带磨削，现已成为磨削加工技术发展的总体趋势。高效磨削技术的大力推广可有效地提高磨削效率、加工质量、砂轮耐用度，并降低生产成本。 缓进给磨削 缓进给磨削是继高速磨削之后发展起来的一种高效加工方法，对成型表面的加工有显著的成效。缓进给磨削是强力磨削的一种，又称深切缓进给磨削或蠕动磨削。缓进给磨削与普通磨削的不同在于采用增大磨削深度、降低磨削速度、砂轮与工件有较大的接触面积和高的速度比，达到很高的金属切除率。磨削工件时，只需经过一次或数次行程即可磨到所需的形状和尺寸精度。由于砂轮的磨削深度大，致使砂轮与工件的接触面积加大，有效抑制了磨削时振动的产生，磨
磨削砂轮的选择
砂轮的种类很多，并有各种形状和尺寸，由于砂轮的磨料、结合剂材料以及砂轮的制造工艺不同，各种砂轮就具有不同的工作性能。每一种砂轮根据其本身的特性，都有一定的适用范围。因此，磨削加工时，必须根据具体情况（如所磨工件的材料性质、热处理方法、工件形状、尺寸及加工形式和技术要求等），选用合适的砂轮。否则会因砂轮选择不当而直接影响加工精度、表面粗糙度及生产效率。下面列出砂轮选择的基本原则以供参考。 一、普通砂轮的选择 1. 磨料的选择磨料选择主要取决于工件材料及热处理方法。 a. 磨抗张强度高的材料时，选用韧性大的磨料。 b. 磨硬度低，延伸率大的材料时，选用较脆的磨料。 c. 磨硬度高的材料时，选用硬度更高的磨料。 d. 选用不易被加工材料发生化学反应的磨料。
最常用的磨料是棕刚玉（A）和白刚玉（WA），其次是黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），其余常用的还有铬刚玉（PA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、锆刚玉（ZA）。 棕刚玉砂轮：棕刚玉的硬度高，韧性大，适宜磨削抗拉强度较高的金属，如碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等，这种磨料的磨削性能好，适应性广，常用于切除较大余量的粗磨，价格便宜，可以广泛使用。 白刚玉砂轮：白刚玉的硬度略高于棕刚玉，韧性则比棕刚玉低，在磨削时，磨粒容易碎裂，因此，磨削热量小，适宜制造精磨淬火钢、高碳钢、高速钢以及磨削薄壁零件用的砂轮，成本比棕刚玉高。 黑碳化硅砂轮：黑碳化硅性脆而锋利，硬度比白刚玉高，适于磨削机械强度较低的材料，如铸铁、黄铜、铝和耐火材料等。 绿碳化硅砂轮：绿碳化硅硬度脆性较黑碳化硅高，磨粒锋利，导热性好，适合于磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。 铬刚玉砂轮：适于磨削刀具，量具、仪表，螺纹等表面加工质量要求高的工件。
(完整)超高速加工与超精密加工技术
超高速加工与超精密加工技术 一、技术概述 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。 超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。 超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μ m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。 超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。 二、现状及国内外发展趋势 1．超高速加工 工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。 在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国G．E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可
砂轮使用的选择
砂轮的选择 砂轮对磨削加工过程影响是多方面的，其中包括生产效率、表面质量以及加工精度等。 选择砂轮必须考虑的因素如下： 1、工件材料的物理机械性能（强度、硬度、韧性、导热性等） 2、工件的热处理方法（调质、淬火、氮化等） 3、对磨削光洁度和精度的要求 4、工件的形状和尺寸（成型面、曲面、长度、厚度等） 5、工件的形状和尺寸（成型面、曲面、长度、厚度等） 6、磨削方式（外圆、内圆或平面磨削、开槽、切断等） 此外，磨削用量、冷却状况、磨床状况、修整砂轮方法、生产力、类型以及操作者的熟练程度等，都对选择砂轮的特性有一定影响 由于影响选择砂轮的因素非常复杂，要提出各种加工条件都可适用的具体方法，显然是不可能的，所以下面只提出一些选择砂轮的基本原则，供参考。为了方便起见，下面仍按砂轮的各个特性介绍其选用原则。 一、磨料的选择 磨料的选择与被磨工件的材料及其热处理方法有关 磨料的特点及其适用范围
二、硬度的选择 砂轮硬度的选择，决定于许多因素，其中主要的有被磨工件材料、磨削方式和性质等。选择的主要原则如下： 1、工件材料硬度高，磨料容易磨钝，为了使磨钝的磨粒能及时脱落，应选择较软的砂轮；反之，，工件材料软，磨粒不易磨钝，为了从分利用磨粒的切削能力，砂轮应较硬些。但是磨削很软很韧的材料时，如铜、铝、韧性黄铜、软钢等，为了避免砂轮堵塞，砂轮的硬度也应软一些。磨削硬度很高的材料（硬质合金除外），砂轮的硬度也不能太低，否则磨粒过分容易脱落，切削能力降低，且光洁度也不易保证。 通常磨削淬过火的碳素钢、合金钢、高速钢可选用硬度R2~ZR1，磨未淬火钢可用硬度ZR1~ZR2。 2、磨削容易烧伤、变形的弓箭，如导热性差的工件、薄壁薄片工件等，应选用较软的砂轮。 3、砂轮与工件接触面积较大时，因发热量多，冷却条件差，为了避免工件烧伤或变形，应当用较软的砂轮。 例如内圆磨削、平面磨削比外圆磨削的接触面积大，用砂轮端面磨平面比用砂轮圆周面磨平面的接触面积大，所以选用砂轮硬度时应有所区别。 4、精磨时的硬度应比粗磨时的硬度适当高一些。成型磨削以及磨削具有圆角的轴颈（如发动机曲轴等），为了较好地保持砂轮外形轮廓，应该用较硬的砂轮。 5、磨削断续表面，如花键轴、有键槽的外圆等，由于有撞击作用而使磨粒较易脱落，所以硬度应高一些。 6、砂轮线速度低，工件线速度高或纵向进给量大时，磨粒受力较大，应当用较硬的砂轮，以避免过早脱落。 7、干磨应比湿磨的砂轮选得稍软些，以减少发热量。 三、粒度的选择 粒度的选择主要与加工精度、光洁度要求有关，选择原则如下： 1、精磨时工件表面光洁度和精度要求高，应选择粒度较细的砂轮。反之，粗磨时磨削余量大，对表
砂轮的特性要素及选择标准
砂轮的特性要素及选择标准 由和结合剂经压坯、干燥、烧结而成的多孔体。磨料、结合剂和气孔构成了砂轮的组成三要素。砂轮的性能取决于磨料、粒度、结合剂、硬度和组织5个参数。 1.磨料 承担切削任务，具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和韧性，并有较锋利的棱角。 常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨科系三类。 氧化物系磨料的主要成分是A1203，由于它的纯度不同和加入金属元素不同，而分为不同的品种。 碳化物系磨料主要以、等为基体，也是因材料的纯度不同而分为不同品种。超硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼。立方氮化硼是一种很有前途的磨料。耐热性(1400℃)比金刚石(800℃)高出许多，而且对铁元素的化学惰性高，所以特别适合于磨削既硬又韧的钢材。 2.粒度 粒度表示磨粒的大小程度。以磨粒刚能通过的筛网的网号来表示磨粒的粒度。以每英寸长度上筛孔的数目表示粒度号，粒度号越大，颗粒越小；尺寸小于40μm的微粉，用其实际尺寸前加W 表示粒度号。我国新标准中采用米制单位，磨粒的大小统一以磨粒最大尺寸方向上的尺寸来表示。 选择原则： （1）精磨用颗粒较细的磨粒；
（2）粗磨用颗粒较粗的磨粒； （3）高速磨削用颗粒较粗的磨粒； （4）当工件材料软、塑性大和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮，也可采用较粗的磨粒，精磨或磨硬脆性材料选用细磨粒。3.结合剂 结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度。常用的砂轮结合剂有： 1）陶瓷结合剂(代号V) 是由粘土、长石、滑石、硼玻璃和硅石等陶瓷材料配制而成。特点是化学性质稳定，耐水、耐酸、耐热和成本低，但较脆。除切断砂轮外，大多数砂轮都是采用陶瓷结合剂。它所制成的砂轮线速度一般为35m／s。 2）树脂结合剂(代号B) 其成分主要为酚醛树脂，但也有采用环氧树脂的。树脂结合剂的强度高，弹性好，故多用于高速磨削、切断和开槽等工序。但是树脂结合剂的耐热性差，当磨削温度达200—300℃时，它的结合能力便大大降低。利用它强度降低时磨粒易于脱落而露出锋利的新磨粒(自砺)的特点，在一些对磨削烧伤和磨削裂纹特别敏感的工序(如磨薄壁件、超精磨或刃磨硬质合金等)都可采用树脂结合剂。 3）橡胶结合剂(代号R)
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-highspeed point-grinding is an advanced manufacture technology that hasintegrated high speed grinding，thin super-abrasive wheel and CNC turning technologies，and has m any excellent performance sin grindingshafts process. The development and the technical characters o f super-highspeed point-grinding were introduced，and the key technology and applicationon automobile manufacturing o f super-high speed point-grindingwere also analyzed. The significance of super-h igh speed point-grindingon automobile manufacturing was presented. Keywords: Super-high speed point-grinding; Technicalcharacteristics;Key technology; Automobile manufacturing 1．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( Vs < 45m/ s) 、高速磨削( 45≤ Vs<150m/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Guehring Automation 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Carnegie Mellon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 Edgetek Machine 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]。