超高速磨削技术

机械工程学院先进技术制造论文题目：超高速磨削技术 专 业：机械设计制造及其自动化班 级：10B2学生学号：20101047学生姓名：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(45W Vs150m/s)、超高速磨削(Vs$150m/s)l。 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 尔公司在 1 9 7 3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Gearing Automation公司1983年制造了功率60kW、转速10 000r/min、砂轮线速度209m/s4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。Ashen大学、Bram大学等在实验室已完成了Vs 为250m/ s、350m/ s的实验。瑞士Studded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 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 Connecticut 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Smacking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。1.2 国内磨削技术的发展情况超高速磨削技术在国外发展十分迅速，在国内也引起了高度重视。我国高速磨削起 步较晚，自1958 年，我国开始推广高速磨削技术。1964年，磨料磨具磨削（ 三磨） 研 究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验，在机床改装和工艺等方面获得一 定成果。1974 年，第一汽车厂、第一砂轮厂、瓦房店轴承厂、华中工学院、郑州三磨 所等先后进行50m/ s-60m/ s的磨削试验；湖南大学进行了60m/ s-80m/ s高速磨削试 验。1976 年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨所、华中工学院、上海交通大学、 广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速磨削试验小组，对80m/s和100m/s高 速磨削工艺进行了试验研究。1977年，湖南大学在实验室成功地进行了100m/s和120m/ s高速磨削试验。1982年10月，湖南大学进行了 60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研 究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995 年， 汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年 前后开展了80m/ s的高速高表面粗糙度的磨削试验研究工作。在2000年中国数控机床 展览会( CCMT 2000) 上，湖南大学推出了最高线速度达 120m/s 的数控凸轮轴磨床 6。 2001年，广西大学开展了高速磨削表面微观形貌的研究2。从2002 年开始，湖 南大学开始针对一台250m/ s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次 进行了磁浮轴承设计14。2高速/超高速磨削的特点及关键技术2.1 磨削机理在高速超高速磨削加工过程中，在保持其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的大 幅度提高，单位时间内磨削区的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，则高速超 高速磨削时每颗磨粒切削厚度变薄。这导致每个磨粒承受的磨削力大大变小，总磨削力 也大大降低15。超高速磨削时，由于磨削速度很高，单个磨屑的形成时间极短。在极 短的时间内完成的磨屑的高应变率(可近似认为等于磨削速度) 形成过程与普通磨削有 很大的差别，表现为工件表面的弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆 起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及残余应力倾向 减小。此外，超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快， 加上应变率响应的温度滞后的影响，会使工件表面磨削温度有所降低，因而能越过容易 发生磨削烧伤的区域，而极大扩展了磨削工艺参数的应用范围16-17。2.2 高速磨削加工特点砂轮周速提高后，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:(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%T00% ；(2) 砂轮使用寿命长。 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；(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；参考文献:1 朱从容超高速磨削及其关键技术J.磨床与磨削，2000，( 4).2 赵恒华，冯宝富，高贯斌，蔡光起.超高速磨削技术在机械制造领域中的应用J.东北大学学报(自然科学版)， 2003， ( 6).3 毛淑芳.CBN砂轮的高速、超高速磨削技术J.精密制造与自动化，2005，(1).4 荣烈润高速磨削技术的现状及发展前景J.机电一体化，2003，(1).5 蔡光起，冯宝富，赵恒华.磨削技术的最新进展A.中国机械工程学会2002年年会论文集C.北京：机械工业出 版社， 2002.6 冯宝富，蔡光起，邱长伍.超高速磨削的发展及关键技术J.机械工程师，2002，(1).7 蔡光起，冯宝富，赵恒华，磨削磨料加工技术的最新进展J.航空制造技术，2003，( 4).