1 高速磨削概述

　　高速磨削是通過提高砂輪線速度來達到提高磨削效率和磨削質(zhì)量的工藝方法。它與普通磨削的區(qū)別在于很高的磨削速度和進給速度，而高速磨削的定義隨時間的不同在不斷推進。20 世紀60年代以前，磨削速度在50 m/ s 時即被稱為高速磨削；而20世紀90 年代磨削速度最高已達500 m/s。在實際應(yīng)用中，磨削速度在100 m/ s 以上即被稱為高速磨削。

　　高速磨削可大幅度提高磨削生產(chǎn)效率、延長砂輪使用壽命、降低磨削表面粗糙度值、減小磨削力和工件受力變形、提高工件加工精度、降低磨削溫度，能實現(xiàn)對難磨材料的高性能加工。隨著砂輪速度的提高，目前比磨削去除率已猛增到了3 000 mm3/mms 以上，可達到與車、銑、刨等切削加工相媲美的金屬磨除率。近年來各種新興硬脆材料（如陶瓷、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、單晶硅等）的廣泛應(yīng)用，更推動了高速磨削技術(shù)的迅猛發(fā)展。高速磨削技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來的一項新興綜合技術(shù)，集現(xiàn)代機械、

　　電子、光學(xué)、計算機、液壓、計量及材料等先進技術(shù)于一體。日本先進技術(shù)研究會把高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將高速磨削技術(shù)確定為面向21 世紀的中心研究技術(shù)之一。

2 高速磨削加工工藝數(shù)控技術(shù)

　　高速磨削的加工工藝數(shù)控技術(shù)涉及磨削用量、磨削液及砂輪修整等方面，下面將分別進行闡述。

　　2.1 磨削用量選擇

　　在應(yīng)用高速磨削工藝時，磨削用量的選擇對磨削效率、工件表面質(zhì)量以及避免磨削燒傷和裂紋十分重要。表1 給出了磨削用量與砂輪速度的關(guān)系。除了砂輪速度以外，決定磨削用量的因素還有很多，因此應(yīng)用中需綜合考慮加工條件、工件材料、砂輪材料、冷卻方式等因素，以選擇最優(yōu)的磨削用量。

　　2.2 磨削液

　　在高速磨削過程中，所采用的冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣常常能決定整個磨削過程的成敗。冷卻潤滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延長砂輪的使用壽命，降低工件表面粗糙度值。它在磨削過程中必須完成潤滑、冷卻、清洗砂輪和傳送切削屑四大任務(wù)，與普通磨削液要求類似。

　　2.3 砂輪的修整

　　目前應(yīng)用較為成熟的砂輪修整技術(shù)有：

　?。?） ELID在線電解修整技術(shù)

　　在線電解修整（electrolytic inprocess dressing，簡稱ELID）是專門應(yīng)用于金屬結(jié)合劑砂輪的修整方法，與普通的電解修整方法相比，具有修整效率高、工藝過程簡單、修整質(zhì)量好等特點，同時它采用普通磨削液作為電解修整液，很好地解決了機床腐蝕問題。經(jīng)ELID修整的4000 號鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪成功地實現(xiàn)了工程陶瓷、硬質(zhì)合金、單晶硅、光學(xué)玻璃等多種材料的精密鏡面磨削，表面粗糙度Ra 可達2～4 nm。

　?。?） 電火花砂輪修整技術(shù)

　　利用電火花修整可對任何以導(dǎo)電材料為結(jié)合劑的砂輪進行在線、在位修整，易于保證磨削精度，不會腐蝕設(shè)備，修整力小，對小直徑及極薄砂輪的修整較為方便，同時整形效率高、修銳質(zhì)量好；磨料周圍不殘留結(jié)合劑，修銳強度易于控制。

　?。?） 杯形砂輪修整技術(shù)

　　采用杯形砂輪修整器修整超硬磨料成形砂輪，其修整效率及修整精度都比傳統(tǒng)的成形砂輪修整方法要高，可達到零誤差的砂輪表面。砂輪修整后的磨削性能實驗表明磨削力明顯減小，磨削性能良好，且砂輪使用壽命長。

　?。?） 電解—機械復(fù)合整形技術(shù)

　　運用此法可在短時間內(nèi)將砂輪修整到較高的表面質(zhì)量及形狀精度，為砂輪的精密修整提供了良好的條件。

3 高速磨削的應(yīng)用

　　高速磨削的應(yīng)用技術(shù)有高速深切磨削、高速精密磨削、難磨材料及硬脆材料的高速磨削。

　　3.1 高速深切磨削

　　以砂輪高速、高進給速度和大切深為主要特點的高效深磨（high efficiencydeep grinding，簡稱HEDG）技術(shù)是高速磨削在高效加工方面的應(yīng)用之一。高效深磨技術(shù)起源于德國。1979年德國P.G.Werner博士預(yù)言了高效深磨區(qū)的存在合理性，開創(chuàng)了高效深磨的概念，并在1983 年由德國Guhring Automation公司創(chuàng)造了當時世界上最具威力的60 kW強力磨床，轉(zhuǎn)速為10000 r/min，砂輪直徑為400 mm，砂輪圓周速度達到100～180 m/s，標志著磨削技術(shù)進入了一個新紀元。1996 年由德國Schaudt 公司生產(chǎn)的高速數(shù)控曲軸磨床，是具有高效深磨特性的典型產(chǎn)品，它能把曲軸坯件直接由磨削加工到最終尺寸。德國Aachen工業(yè)大學(xué)宣稱，該校已采用了圓周速度達到500 m/s的超高速砂輪，此速度已突破了當前機床與砂輪的工作極限。

　　高速深切磨削可直觀地看成是緩進給磨削和高速磨削的結(jié)合。與普通磨削不同的是高效深磨可通過一個磨削行程，完成過去由車、銑、磨等多個工序組成的粗精加工過程，獲得遠高于普通磨削加工的金屬去除率（磨除率比普通磨削高100～1 000 倍），表面質(zhì)量也可達到普通磨削水平。例如，采用陶瓷結(jié)合劑砂輪以120m/s 的速度磨削，比磨削率可達500～1000 mm3/mms，比車削和銑削高5倍以上。英國用盤形CBN砂輪對低合金鋼51CrV4進行了146 m/s 的高效深磨試驗研究，材料去除率超過400 mm3/mms。高效成形磨削作為高效深磨的一種也得到廣泛應(yīng)用，并可借助CNC系統(tǒng)完成更復(fù)雜型面的加工。此項技術(shù)已成功地用于絲杠、螺桿、齒輪、轉(zhuǎn)子槽、工具溝槽等以磨代銑加工。

　　日本豐田工機、三菱重工等公司均能生產(chǎn)CBN高速磨床。GP-33 型高速磨床采用CBN砂輪以120 m/s 磨削速度實現(xiàn)對工件不同部位的自動磨削。美國Edgetrk Machine公司也生產(chǎn)高效深磨 機床，該公司主要發(fā)展小型3 軸、4軸和5 軸CNC成型砂輪，可實現(xiàn)對淬硬鋼的高效深磨，表面質(zhì)量可與普通磨削媲美。

　　高速深切磨削具有加工時間短（一般為0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特點，除了應(yīng)具備高速磨削的技術(shù)要求外，還要求機床具有高的剛度。

　　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，并通過精密修整微細磨料磨具，采用亞微米級切深和潔凈加工環(huán)境獲得亞微米級以下的尺寸精度。高速精密磨削主要是高速外圓磨削。即使用150～200 m/s的砂輪周速和CBN 砂輪，配以高性能CNC 系統(tǒng)和高精度微進給機構(gòu)，對凸輪軸、曲軸等零件外圓回轉(zhuǎn)面進行高速精密磨削加工的方法。它既能保證高的加工精度，又可獲得高的加工效率。

　　這一技術(shù)在日本應(yīng)用最為廣泛。例如，使用豐田工機株式會社GCH63B型CNC高速外圓磨床來磨削加工余量達5 mm的球墨鑄鐵凸輪軸，比磨削率可達174 mm3/mm·s，砂輪磨削比可達33500。以表面粗糙度Rz3 μm為上限，砂輪經(jīng)過一次修整可連續(xù)磨削60 個工件，磨后表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并可從毛坯直接磨為成品，省去了車工序及工序間的周轉(zhuǎn)。豐田工機GZ50 型CNC高速外圓磨床上裝備了其最新研制的Toyoda State Bearing 軸承，使用轉(zhuǎn)速在200 m/s 的薄片陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼砂輪對軸類零件進行一次性縱磨來完成整個工件的柔性加工過程，并首先在曲軸銷加工中應(yīng)用成功。在M104CNS/CBN 高速外圓磨床上安裝了帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習功能的數(shù)控系統(tǒng)，使得磨床的加工性能更加完善。德國Guhring Automation 公司RB625高速外圓磨床上，使用CBN 砂輪可將毛坯一次磨成主軸，每分鐘可磨除2 kg金屬。

　　3.3 快速點磨削

　　快速點磨削（quick-qoint grinding）是由德國Junker 公司于1994 年開發(fā)并取得專利的一種高速磨削技術(shù)。它使用CBN或人造金剛石超硬磨料砂輪軸線在水平和垂直方向與工件軸線形成一定傾角，使用薄砂輪與工件形成小面積點接觸，綜合利用連續(xù)軌跡數(shù)控技術(shù)，以高速度磨削，可以合并車磨工序。它既有數(shù)控車削的通用性和高性，又有更高的效率和精度。砂輪壽命長，質(zhì)量非常穩(wěn)定，是新一代數(shù)控車削和高速磨削的極佳結(jié)合， 成為高速磨削的主要技術(shù)形式之一。它集成了高速磨削、CBN 超硬磨料及CNC 柔性加工三

　　大先進技術(shù)，具有優(yōu)良的加工性能，是高速磨削在高效率、高柔性和大批量生產(chǎn)高質(zhì)量穩(wěn)定性方面的又一新發(fā)展。此技術(shù)德國處于領(lǐng)先地位，并已在汽車工業(yè)、工具制造中得到應(yīng)用。如汽車上的凸輪軸或齒輪軸，利用此工藝可通過一次裝夾實現(xiàn)切入、軸頸、軸肩、偏心及螺紋磨削過程的全部加工。這樣大大提高了零件加工精度及生產(chǎn)率。在齒輪加工、機床制造、紡織與印刷機械制造、陶瓷加工、電子工業(yè)中也有廣闊應(yīng)用前景。我國部分汽車制造業(yè)也引進了幾十臺這一工藝設(shè)備，并取得了明顯效益，但僅限于汽車發(fā)動機軸類零件的加工。目前國內(nèi)才開始這一理論與應(yīng)用的研究。

　　3.4 難磨材料及硬脆材料的高速磨削

　　利用高速磨削對難磨材料及硬脆材料（工程陶瓷及光學(xué)透鏡等）的高性能加工是高速磨削領(lǐng)域的另一重要應(yīng)用。高強度合金鋼、高溫合金、鋁合金、耐熱合金、鈦合金等難磨材料在普通磨削條件下的磨削加工性極差。磨削時砂輪鈍化迅速、磨削溫度高、表面質(zhì)量差。而在高速磨削條件下，磨屑變形速度接近靜態(tài)塑性變形應(yīng)力波傳播速度，材料變形應(yīng)變率極高，塑性變形滯后，相當于材料塑性減小，降底了加工硬化傾向、表面粗糙度值和殘余應(yīng)力，從而可實現(xiàn)延性材料的脆性;加工。例如用200 m/s 磨削純鋁時，工件表層硬度為50 HV，表面粗糙度Ra2.2 m；磨削速度為280 m/s 時，工件表層硬度為45 HV，Ra1.8 m?？梢?，當磨削速度大于200 m/s（純鋁靜態(tài)應(yīng)力波的傳播速度約為200 m/s）時，加工硬化及表面粗糙度值下降，表面質(zhì)量提高。

　　工程陶瓷、功能陶瓷、單晶硅、紅藍寶石和光學(xué)玻璃等硬脆材料獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。用超硬磨料在高速條件下對磨削硬脆材料進行磨削加工幾乎成為唯一的加工手段。日本高橋正行等在安裝磁力軸承的數(shù)控磨床上使用了3 種結(jié)合劑砂輪，圍繞從普通速度到200 m/s 的砂輪速度對玻璃的加工性能的影響進行了對比研究，得出的結(jié)論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。這是由于大幅度提高砂輪速度，單位時間內(nèi)參加磨削的磨粒數(shù)大大增加，單個磨粒的切削厚度極薄，容易使陶瓷、玻璃等脆材料以塑性變形形式產(chǎn)生磨屑，大大提高磨削表面質(zhì)量和效率。例如，在采用金剛石砂輪以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，砂輪壽命為80 m/s 時的1.56 倍、30 m/s 時的7 倍，并獲得良好的表面質(zhì)量。

4 高速磨削技術(shù)的研究

　　高速磨削技術(shù)正為世界工業(yè)發(fā)達國家所重視，并已開始進入實用化階段。我國在高速磨削技術(shù)研究利用方面和國外相比有較大差距，大力加強高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對提高我國機械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開發(fā)具有十分重要的意義。

高速磨削技術(shù)的研究，主要從制約切削速度的各個方面進行研究。

　?。?） 發(fā)展高功率高速主軸。

　?。?） 研制適應(yīng)高速磨削的新穎砂輪，這樣才能提高磨削速度。

　?。?） 磨床結(jié)構(gòu)的改進。

　　為了盡可能降低機床在高速時由于砂輪不平衡引起的振動，應(yīng)配置在線自動平衡系統(tǒng)，以使機床在不同轉(zhuǎn)速時，始終處于最佳的運行狀態(tài)。為了提高生產(chǎn)效率和工件的加工精度，則應(yīng)采用高速、高效和高精度進給驅(qū)動系統(tǒng)。比如在平面磨床上采用直線電機替代絲杠螺母傳動；在進行偏心磨削時，外圓磨床除了須具備高速滑臺系統(tǒng)外，還要配備高速數(shù)控系統(tǒng)，以保證工件的精度及較高的生產(chǎn)率。

　?。?） 優(yōu)化冷卻潤滑系統(tǒng)。

　　除了要注意冷卻潤滑液本身的化學(xué)構(gòu)成外，其供給系統(tǒng)也十分重要。因此，在研制高速磨床時，必須配置高壓的冷卻潤滑供給系統(tǒng)。

　?。?） 磨削速度向超音速邁進。

　　高速磨削應(yīng)用研究的下一個目標將是沖破音速大關(guān)，把磨削速度提高到350 m/s 以上，進而使500 m/s 的磨削速度在工業(yè)應(yīng)用上成為可能。當然，單就磨削速度一個參數(shù)并不能全面評價磨削過程的優(yōu)劣，最佳的磨削速度應(yīng)是磨削過程經(jīng)濟效益最好時的速度。這一最佳速度，必須經(jīng)過改進機床設(shè)計，優(yōu)化切削條件和配套系統(tǒng)等深入研究才能達到。