超高速磨削相关技术

　　1.1 超高速磨削砂轮技术
　　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[11]。
　　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 3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 1 533 N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。
　　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，质量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 5 mm，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[12]。
　　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 125 m/s。单层电镀 CBN砂轮的使用速度可达 250 m/s，试验中已达 340 m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达 200 m/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。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 1 553 N/mm2(电镀镍基结合剂为 345~449 N/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。
　　1.2 超高速磨床主轴及其轴承技术
　　超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定了超高速磨床所能达到的最高磨削速度极限，因而，为实现高速超高速磨削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑(轴承)，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的。为减少由于磨削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小[13]。
　　超高速磨削的砂轮主轴转速一般在 10 000 r/min以上，所传递的磨削功率通常为几十千瓦，因此要求主轴轴承的转速特征值非常高，还必须具有很高的回转精度和刚度，以保证砂轮圆周上的磨粒能均匀地参加切削，并能抵御超高速回转时不平衡质量造成的振动。
　　主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命长、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达 200 m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵[14-15]。空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴[11]。
　　高速超高速磨削的另一个特点是其主轴的无功功率损失随转速的增大而呈非线性增长。例如，将磨削速度由 80 m/s增大至 180 m/s时，主轴的无功功率会由不足 20%升高至 90%以上。高速范围内电机以恒功率方式工作，主轴转速增大时其输出转矩减小，无功功率的升高将导致磨削转矩减小。因此，在增大主轴转速时必须考虑降低无功功率损失，以保证主轴有足够的转矩用于磨削。; F  ^: y; h1 m0 @
　　1.3 高速超高速磨床
　　对于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主轴系统和机床的高抗振性。高速超高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度，还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序，高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。
　　磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的效果[16]。
　　进给系统是评价高速超高速磨床性能的重要指标之一，而随着高速超高速加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。
　　1.4 磨削液及其供给技术
　　磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响。尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却、微量润滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质。磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。
　　高速磨削时，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注入方法，增加磨削液进入磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。常用的磨削液注入方法有：手工供液法和浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。在超高速条件下，为了实现对磨削区的冷却，冲走切屑，磨削液的喷注必须有足够大的动量，以冲破砂轮周围的高速气流，使磨削液抵达磨削区。故与普通磨削相比，磨削液的流量、压力均成倍增加。此外，为了保证超高速磨削的表面质量，提高磨削液的利用率，减少磨削液中残留杂质对加工质量及机床系统的不良影响，必须采用一套高效高过滤精度的磨削液过滤系统。从喷嘴喷注在砂轮上的磨削液，会在强大离心力作用下形成严重的油雾。所以超高速磨床还要把磨削区封闭起来，并要及时抽出油雾。然后利用离心和静电的方法进行油气分离[17-18]。
　　具有极高磨削效率的超高速磨床，1min会产生几公斤的磨屑。能够及时干净地把这些大量地磨屑从磨削液中过滤出来也是一个很重要的问题。目前，多用离心机或硅藻土过滤系统对磨削液进行集中处理。
　　 1.5 砂轮、工件安装定位及安全防护技术
　　高速及超高速磨削砂轮动能很大，必须设置高强度半封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内最好敷设缓冲材料，以吸收或减少砂轮碎块的二次弹射。
　　1.6 磨削状态检测及数控技术
　　高速超高速磨削加工中，由于砂轮线速度极高，砂轮由于超高速引起的破碎现象时常发生，砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保证加工质量和零件表面完整性的关键;在超高速加工中，砂轮与工件的对刀精度、砂轮与修整轮的对刀精度将直接影响到工件的尺寸精度和砂轮的修整质量，因此，在超高速磨削加工中，在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素。目前，声发射技术已成功用于超高速磨削的无损检测，利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒与工件磨擦、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。因此利用声发射技术可监测磨削裂纹和磨削烧伤，砂轮破碎和砂轮磨损、砂轮与工件接触、砂轮与修整轮接触，并取得了令人满意的效果。此外，工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术，高精度、高可靠性、实用性强的测试技术与仪器都是高速超高速磨削所必不可少的关键技术[19-20]。

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