高速磨削加工cbn砂轮技术的特点和具体操作

    作为教育部科学技术研究课题，东北大学从2004 年开始对快速点磨削关键技术及磨削机理开展了基础性的理论与实验研究，并研制开发了实验机床和点磨削超薄cbn 砂轮。近年出现了一些先进的磨削加工技术，其中以高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的高速外圆磨削、效率深切磨削、快速点磨削技术的发展为引人注目。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，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“现代磨削技术的高峰”。日本先端技术研究学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／高速磨削技术发展，并对高速磨削机理、机床设备及其关键技术等开展了连续性的研究，建造了我国一台额定功率55kw 、高砂轮线速度达250m/s 的高速试验磨床，进行了高速大功率磨床动静压主轴系统研究、电镀CBN 高速砂轮设计与制造、高速磨削成屑机理及分子动力学仿真研究、高速磨削热传递机制和温度场研究、高速钢等材料的效率深磨研究、高速单颗磨粒CBN 磨削试验研究、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。

   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。高速磨削技术特点：（l）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。高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对钦合金、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]。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，表面完整性获得改善。

高速磨削关键技术：

1、高速磨削砂轮

　　高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。目前，工业生产中广泛采用陶瓷结合剂、金属结合剂CBN 砂轮和单层电镀CBN 砂轮，使用速度可达200/s 以上，基体材料常用合金钢或铝合金。单层电镀超硬磨料砂轮和（高温）钎焊超硬磨料砂轮无需修整，且使用寿命长。美国Norton 公司借助化学粘接力把持磨粒的方法，其结合剂抗拉强度超过1553N/m 时，并获得更大的磨粒突出高度和更理想的砂轮形貌。高温钎焊单层超硬磨料砂轮的磨料与基体的结合强度更高，磨粒裸露高度达到60－70 , 有更锋利的形貌。据报道，国外钎焊砂轮的线速度可达500m/s 。东北大学研制的高速磨削单层电镀CBN 砂轮已成功应用于高速磨削实验。日本和欧洲开发了弹性模量／密度比高、热膨胀系数低的CFRP 复合材料CBN 砂轮。日本在400m /s 的高速磨床上，采用CFRP 为基体、直径25Omm 的陶瓷结合剂CBN 砂轮，已实现300m / s 的磨削试验。

　　SG 磨料不仅具有高的硬度，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 磨粒在磨削加工中微刃能发生自锐，所以磨削力和磨削区热量明显降低，减少了砂轮磨损，从而提高了材料去除率和砂轮修整间隔时间。SG 磨粒和CBN 磨粒相比不仅成本低，而且对机床没有特殊的要求，砂轮的修整也和普通砂轮的修整方法相同。在125 m/s磨削回火钢的试验中材料去除率已达1000mm?／mm?s[3] 气为了保证砂轮在高速运转条件下承受巨大离心力而不破碎，砂轮结构和形状一般采用有限元方法进行分析和优化，寻求佳基体轮廓，以充分降低砂轮基盘敏感位置的应力[7]。

2、主轴系统

　　高速磨床的主轴高转速在10000r / mm 以上，传递的磨削功率常为几十千瓦，故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、空转功耗低。近年来，高速磨床越来越多地使用电主轴。在第19 届JIMTOF 展览会上，展出的高速主轴基本上在10000－25000r / min 之间。目前瑞士的Fisher 公司的电主轴产品，其高转速为40000r/min ，驱动功率40kw , 转速高达200000r /min 和2500000r /min 的实用高速电主轴也在研究开发中。高速主轴单元的核心是高速轴承。目前主要采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静承和液体动静承等。陶瓷滚动轴承采用性能优越的热压Si3N4 陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具有d mn 值高（≥2 . 7×106） ，标准化程度高，便于维护的优点。用其组装的高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等优点。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。磁浮轴承的高表面速度可达200m / s 。空气静承具有高速回转精度高，无振动，磨擦阻力小，经久耐用等特点，主要用于高速轻载和超的主轴系统中。

3、高速磨削砂轮的自动平衡技术但磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，电磁测控系统复杂且价格昂贵，且有发热、漏磁问题。随着新型磁性材料的出现及超导技术、传感技术和控制技术的发展，磁浮轴承可能成为未来高速主轴轴承的一种选择。液体动静承具有径向和轴向跳动误差小，阻尼特性好、功率大、动态特性好、在全转速范围内具有承载能力强和刚度大等优点。但在高速、高负荷条件下工作时需使用低粘度流体和高供液压力，因此结构设计须考虑其紊流、流体惯性和压缩性、温度粘度变化以及空穴等复杂现象，而且空载功率损耗大。东北大学研制的高速磨削实验机床主轴采用动静承，转速达15000r / min 。

　　高速回转的砂轮动不平衡引起的振动会严重影响主轴系统的工作性能和磨削质量。除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在磨削的过程中实施在线自动平衡。砂轮自动平衡系统一般由电子传感及控制系统和平衡头组成。在高速及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的重要组成部分。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。

4、砂轮修整技术

　　超硬磨料砂轮的修整特别是在线修整迄今仍是研究的热点。电解修整（ELlD ）法适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修整，激光修整法不仅便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，而且热影响区小、砂轮修整损耗小和易于实现自动化，修整效率也高，有很好的发展前景。目前对CBN 砂轮的修整广泛采用接触在线修整法，借助传感系统控制砂轮和修整工具（一般为修整滚轮）的接触，然后通过进给系统进行微米级进给，获得理想的砂轮形貌，从而保证了加工的要求。

5、磨削液供给系统

　　高速磨削中，由于砂轮极高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液进人磨削区，使接触区高温得不到抑制，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面完整性和机械物理性能。因此，磨削液供给系统对提高和改善工件质量、减少砂轮磨损至关重要。高速磨削常用的冷却液注人方法有［4］ : 高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体内冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配率油气分离和吸排风单元。

6、高速磨削进给系统

　　目前数控机床进给系统主要采用滚珠丝杠传动。随着高速高速加工技术的发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有稳定性。

7、磨削状态检测及数控技术

　　高速磨削加工中，对砂轮破碎及磨损状态的监测非常重要，砂轮与工件和修整轮的对刀精度直接影响尺寸精度和修整质量。因此，在线智能监测是保证高速磨削加工质量和生产率的重要因素。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、接合剂破裂、磨粒与工件磨擦、砂轮破碎和磨损、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别和监测，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面质量的在线监控技术也是效率磨削的关键技术。

　　CNC 高速磨床，特别是快速点磨削机床，应用连续轨迹技术，可实现成型曲面磨削、凸轮廓线和复杂曲面的磨削，并可实现联机测量。CNC 磨床要求组织和硬度均匀性好的砂轮，且有很好的静动平衡性能、高的尺寸和形状精度、高磨削比和使用寿命。同时还要尽可能减小超硬磨料砂轮消耗并提高修整效率和精度。这种需求一方面推动了监测系统的改进，另一方面也促进了磨削数控系统的发展。磨削数控软件和系统正在工艺优化并向柔性化方向发展。

8、砂轮安装及防护技术

　　应用该工艺可以通过一次装夹几乎实现轴类件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生产率。我国部分汽车制造企业目前也引进了这一工艺设备，并取得了明显效益。由于国内目前没有开展系统的理论和应用研究，不掌握其核心技术理论、工艺参数设计和编程技术，仅就单一零件加工由国外垄断定制，全部工艺、设备和配套附件均依赖进口。高速磨削砂轮动能很大，须设置高强度半封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内好敷设缓冲材料，以起到吸收或减少砂轮碎块的二次弹射作用。

  快速点磨削技术是一种新的高速／高速磨削技术形式，具率、高柔性、大批量生产及高质量稳定性。主要用于轴类零件加工。cbn砂轮磨削优异性能的主要表现 目前已在汽车工业、机床及工具制造业、纺织及印刷机械制造业中获得应用。而国外由于技术垄断，对快速点磨削的相关技术信息也鲜见报道。