1 高速磨削概述

　　高速磨削是通過提高砂輪線速度來達(dá)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(jìn)給速度，而高速磨削的定義隨時(shí)間的不同在不斷推進(jìn)。20 世紀(jì)60年代以前，磨削速度在50 m/ s 時(shí)即被稱為高速磨削；而20世紀(jì)90 年代磨削速度最高已達(dá)500 m/s。在實(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dá)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(dòng)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(xiàng)新興綜合技術(shù)，集現(xiàn)代機(jī)械、

　　電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、液壓、計(jì)量及材料等先進(jìn)技術(shù)于一體。日本先進(jìn)技術(shù)研究會(huì)把高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將高速磨削技術(shù)確定為面向21 世紀(jì)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(jìn)行闡述。

　　2.1 磨削用量選擇

　　在應(yīng)用高速磨削工藝時(shí)，磨削用量的選擇對(duì)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(gè)磨削過程的成敗。冷卻潤(rùn)滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延長(zhǎng)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(rùn)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(jiǎn)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(jiǎn)單、修整質(zhì)量好等特點(diǎn)，同時(shí)它采用普通磨削液作為電解修整液，很好地解決了機(jī)床腐蝕問題。經(jīng)ELID修整的4000 號(hào)鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪成功地實(shí)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(dá)2～4 nm。

　　（2） 電火花砂輪修整技術(shù)

　　利用電火花修整可對(duì)任何以導(dǎo)電材料為結(jié)合劑的砂輪進(jìn)行在線、在位修整，易于保證磨削精度，不會(huì)腐蝕設(shè)備，修整力小，對(duì)小直徑及極薄砂輪的修整較為方便，同時(shí)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(qiáng)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(dá)到零誤差的砂輪表面。砂輪修整后的磨削性能實(shí)驗(yàn)表明磨削力明顯減小，磨削性能良好，且砂輪使用壽命長(zhǎng)。

　　（4） 電解—機(jī)械復(fù)合整形技術(shù)

　　運(yùn)用此法可在短時(shí)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(jìn)給速度和大切深為主要特點(diǎn)的高效深磨（high efficiencydeep grinding，簡(jiǎn)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(guó)。1979年德國(guó)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(guó)Guhring Automation公司創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)世界上最具威力的60 kW強(qiáng)力磨床，轉(zhuǎn)速為10000 r/min，砂輪直徑為400 mm，砂輪圓周速度達(dá)到100～180 m/s，標(biāo)志著磨削技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。1996 年由德國(guó)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(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)宣稱，該校已采用了圓周速度達(dá)到500 m/s的超高速砂輪，此速度已突破了當(dāng)前機(jī)床與砂輪的工作極限。

　　高速深切磨削可直觀地看成是緩進(jìn)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(gè)磨削行程，完成過去由車、銑、磨等多個(gè)工序組成的粗精加工過程，獲得遠(yuǎn)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(dá)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(dá)500～1000 mm3/mms，比車削和銑削高5倍以上。英國(guó)用盤形CBN砂輪對(duì)低合金鋼51CrV4進(jìn)行了146 m/s 的高效深磨試驗(yàn)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(xiàng)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(jī)、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(shí)現(xiàn)對(duì)工件不同部位的自動(dòng)磨削。美國(guó)Edgetrk Machine公司也生產(chǎn)高效深磨 機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間短（一般為0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特點(diǎn)，除了應(yīng)具備高速磨削的技術(shù)要求外，還要求機(jī)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(xì)磨料磨具，采用亞微米級(jí)切深和潔凈加工環(huán)境獲得亞微米級(jí)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(jìn)給機(jī)構(gòu)，對(duì)凸輪軸、曲軸等零件外圓回轉(zhuǎn)面進(jìn)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(jī)株式會(huì)社GCH63B型CNC高速外圓磨床來磨削加工余量達(dá)5 mm的球墨鑄鐵凸輪軸，比磨削率可達(dá)174 mm3/mm·s，砂輪磨削比可達(dá)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(gè)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(jī)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(duì)軸類零件進(jìn)行一次性縱磨來完成整個(gè)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(xí)功能的數(shù)控系統(tǒng)，使得磨床的加工性能更加完善。德國(guó)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(diǎn)磨削

　　快速點(diǎn)磨削（quick-qoint grinding）是由德國(guó)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(diǎn)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(zhǎng)，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(jìn)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(guó)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(shí)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(jī)床制造、紡織與印刷機(jī)械制造、陶瓷加工、電子工業(yè)中也有廣闊應(yīng)用前景。我國(guó)部分汽車制造業(yè)也引進(jìn)了幾十臺(tái)這一工藝設(shè)備，并取得了明顯效益，但僅限于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件的加工。目前國(guó)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(duì)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(qiáng)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(shí)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(dāng)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(shí)現(xiàn)延性材料的脆性;加工。例如用200 m/s 磨削純鋁時(shí)，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(shí)，工件表層硬度為45 HV，Ra1.8 m?？梢姡?dāng)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(shí)，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(lán)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(duì)磨削硬脆材料進(jìn)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(duì)玻璃的加工性能的影響進(jìn)行了對(duì)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(shí)間內(nèi)參加磨削的磨粒數(shù)大大增加，單個(gè)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(shí)的1.56 倍、30 m/s 時(shí)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(dá)國(guó)家所重視，并已開始進(jìn)入實(shí)用化階段。我國(guó)在高速磨削技術(shù)研究利用方面和國(guó)外相比有較大差距，大力加強(qiáng)高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對(duì)提高我國(guó)機(jī)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(gè)方面進(jìn)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(jìn)。

　　為了盡可能降低機(jī)床在高速時(shí)由于砂輪不平衡引起的振動(dòng)，應(yīng)配置在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)，以使機(jī)床在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，始終處于最佳的運(yùn)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。比如在平面磨床上采用直線電機(jī)替代絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)；在進(jìn)行偏心磨削時(shí)，外圓磨床除了須具備高速滑臺(tái)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。

　　（4） 優(yōu)化冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。

　　除了要注意冷卻潤(rùn)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(shí)，必須配置高壓的冷卻潤(rùn)滑供給系統(tǒng)。

　?。?） 磨削速度向超音速邁進(jìn)。

　　高速磨削應(yīng)用研究的下一個(gè)目標(biāo)將是沖破音速大關(guān)，把磨削速度提高到350 m/s 以上，進(jìn)而使500 m/s 的磨削速度在工業(yè)應(yīng)用上成為可能。當(dāng)然，單就磨削速度一個(gè)參數(shù)并不能全面評(píng)價(jià)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(jì)效益最好時(shí)的速度。這一最佳速度，必須經(jīng)過改進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)，優(yōu)化切削條件和配套系統(tǒng)等深入研究才能達(dá)到。