超高速磨削通常指砂輪速度大于150m/s的磨削。超高速磨削在歐洲、日本和美國等發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”状萤。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向，并進(jìn)行了一些著名的合作研究洽灿。超高速磨削可以對硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工撒肉，對高塑性等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。與普通磨削相比盆述，超高速磨削顯示出極大的優(yōu)越性大幅度提高磨削效率实腹，減少設(shè)備使用臺(tái)數(shù)。如采用電鍍CBN砂輪以123m/s的高速磨削割草機(jī)曲軸霜铸，原來需要6個(gè)車削和3個(gè)磨削工序滥诀，現(xiàn)在只需要3個(gè)磨削工序沐亏，生產(chǎn)時(shí)間減少65%，每小時(shí)可以加工180件赎遗。再如人們以125m/s的速度應(yīng)用普通砂輪高效磨削淬硬低碳鋼42CrMo4尤痒，切除率達(dá)167mm3/mms曾谁，比緩進(jìn)給磨削大11倍峰孝。磨削力小，零件加工精度高莱衩。速度360m/s以下的試驗(yàn)表明爵嗅，在一個(gè)較窄的速度范圍(180-200m/s)內(nèi)，摩擦狀態(tài)由固態(tài)向液態(tài)急劇變化笨蚁，并伴隨著磨削力的急劇下降睹晒。筆者在單顆磨粒高速磨削45鋼和20Cr鋼試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)在臨界速度以下括细，隨速度的增大而大幅度減少;超過臨界速度后伪很，摩擦系數(shù)卻隨速度的增大而略有增加。降低加工工件表面粗糙度奋单。在其它條件相同時(shí)33m/s,100m/s和200m/s的速度磨削時(shí)锉试，表面粗糙度值分別為Ra2.0,Ra1.4和Ra1.1μm。砂輪壽命延長览濒。在金屬切除率相同的條件下呆盖，砂輪速度由80m/s提高到200m/s，砂輪壽命提高8.5倍贷笛。在200m/s的速度磨削時(shí)应又，以2.5倍于80m/s時(shí)的磨除率，壽命仍然提高1倍石被。

　　超高速磨削的發(fā)展

　　歐洲鲜映，高速磨削技術(shù)的發(fā)展起步早。最初高速磨削基礎(chǔ)研究是在60年代末期低吠，實(shí)驗(yàn)室磨削速度已達(dá)210-230m/s袭仲。70年代末期，高速磨削采用CBN砂輪劈耽。意大利的法米爾(Famir)公司在1973年9月西德漢諾威國際機(jī)床展覽會(huì)上若棒，展出了砂輪圓周速度120m/s的RFT-C120/50R型磨軸承內(nèi)套圈外溝的高速適用化磨床。90年代初拆楣，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最高速度350m/s的磨削實(shí)驗(yàn)的唆。目前，實(shí)際應(yīng)用中浅仑，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在200-250 m/s之間求瞎。

　　德國的Guhring Automation公司1983年制造了功率60kW屁样，轉(zhuǎn)速10000r/min,砂輪直徑400mm的強(qiáng)力磨床。阿亨工業(yè)大學(xué)的目標(biāo)為500m/s的超高速磨床也是該公司制造的睦作。德國CBN砂輪高速磨削的應(yīng)用我衬，一個(gè)典型的例子是加工齒輪輪齒，在155m/s的速度下饰恕，以811mm3/mms的切除率挠羔，實(shí)現(xiàn)了對16MCr5鋼齒輪的高效加工。另一個(gè)例子是埋嵌，采用電鍍CBN砂輪破加，在300m/s的速度下，以140mm3/mms的切除率雹嗦，實(shí)現(xiàn)了對100Cr6高硬度(60HRC)滾動(dòng)軸承鋼水泵回轉(zhuǎn)輪窄槽的高效加工范舀。瑞士Studer公司也曾用改裝的S45型外圓磨床進(jìn)行280m/s的磨削試驗(yàn)。瑞士S40高速CBN砂輪磨床了罪，在125m/s時(shí)锭环，高速磨削性能發(fā)揮最為充分，在500m/s也照常工作泊藕。此外Kapp公司,Schandt公司辅辩、Naxa Union公司、Song Machinery公司等也相繼推出了各類高速磨床吱七。

　　美國70年美國的本迪克斯公司曾生產(chǎn)了91m/s切入式高速磨床娜振。1993年，美國的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床陷龟，采用單層CBN砂輪眨涯，圓周速度達(dá)到了203m/s、用以加工淬硬的鋸齒等可以達(dá)到很高的金屬切除率逻事。美國Connectient大學(xué)磨削研究與發(fā)展中心的無心外圓磨床凑溜，最高磨削速度250m/s，主軸功率30kW,修整盤轉(zhuǎn)速12000r/min畜溺，砂輪自動(dòng)平衡柔些，自動(dòng)上料。<br>目前美國的高效磨削磨床很普遍理章，主要是應(yīng)用CBN砂輪欺枚。可實(shí)現(xiàn)以160m/s的速度75mm3/mms的切除率厂均，對高溫合金Inconel718進(jìn)行高效磨削竖习，加工后達(dá)Ra1～2μm，尺寸公差±13μm碱茁。另外采用直徑400mm的陶瓷CBN砂輪裸卫，以150-200m/s的速度磨削仿贬，可達(dá)到Ra0.8μm，尺寸公差±2.5-5μm墓贿。美國高速磨削的一個(gè)重要研究方向是低損傷磨削高級陶瓷茧泪。傳統(tǒng)的方法是采用多工序磨俐，而高速磨削試圖采用粗精加工一次磨削聋袋，以高的材料去除率和低成本加工高質(zhì)量的氮化硅陶瓷零件队伟。

　　日本高速磨削技術(shù)在近20年來發(fā)展迅速，1976年舱馅，在凸輪磨床上開始應(yīng)用CBN砂輪進(jìn)行40m/s的高速磨削,1985年前后缰泡，在凸輪和曲軸磨床上，磨削速度達(dá)到了80m/s代嗤。1990年后，開始開發(fā)160m/s以上的超高速磨床缠借。目前干毅，實(shí)用的磨削速度已達(dá)到了200m/s。400m/s的超高速平面磨床也已經(jīng)研制出泼返，該磨床主軸最大轉(zhuǎn)速3000r/min等盏，最大功率22kW,采用直徑250mm的砂輪，最高周速達(dá)395m/s沥卦。并在30-300m/s速度范圍內(nèi)研究了速度對鑄鐵可加工性的影響缩睛。日本的豐田工機(jī)、三菱重工辩钢、岡本機(jī)床制作所等公司均能生產(chǎn)應(yīng)用CBN砂輪的超高速磨床辉召，日本的三菱重工推出的CA32-U50A型CNC超高速磨床，采用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪沛三，圓周速度達(dá)到了200m/s影虫。

　　我國高速磨削起步較晚，1974年墩衍，第一汽車廠跛农、第一砂輪廠、瓦房店軸承廠谢市、華中工學(xué)院沼币、鄭州三磨所等先后進(jìn)行50-60m/s的磨削試驗(yàn);湖南大學(xué)進(jìn)行了60-80m/s高速磨削試驗(yàn)。1975年10月寞奸，南陽機(jī)床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床呛谜。1976年，上海機(jī)床廠蝇闭、上海砂輪廠呻率、鄭州三磨所硬毕、華中工學(xué)院、上海交通大學(xué)礼仗、廣州機(jī)床研究所吐咳、武漢材料保護(hù)研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組，對80m/s,100m/S高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究元践。與此同時(shí)韭脊，上海機(jī)床廠設(shè)計(jì)制造了MBSA1332型80m/s半自動(dòng)高速外圓磨床，磨削效率達(dá)到了車削和銑削的生產(chǎn)率单旁。1977年沪羔，湖南大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室成功地進(jìn)行了100m/s,120m/s高速磨削試驗(yàn)、在2000年中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)(CCMT''2000)上象浑，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床蔫饰。1976年，東北大學(xué)與阜新第一機(jī)床廠合作庸尚，研制成功F1101型60m/s高速半自動(dòng)活塞專用外圓磨床喇暴。到80年代初，東北大學(xué)進(jìn)行了大量的高速磨削試驗(yàn)研究换乙。以東北大學(xué)為主開發(fā)的YLM-1型雙面立式半自動(dòng)修磨生產(chǎn)線倍熄，磨削速度達(dá)到80m/s，磨削壓力在2500-5000N以上膀娱。90年代混检，東北大學(xué)開始了超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國第一臺(tái)圓周速度200m/s,額定功率55kW的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ布谧ⅲ罡咚俣冗_(dá)250m/s写并。

　　超高速磨削的關(guān)健技術(shù)

　　提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，因而员研，為實(shí)現(xiàn)高速切削徙蜓，砂輪驅(qū)動(dòng)和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求足夠的剛度阶质，回轉(zhuǎn)精度高贫怀，熱穩(wěn)定性好，可靠糕伐，功耗低砰琢，壽命長等。為減少由于切削速度的提高而增加的動(dòng)態(tài)力良瞧，要求砂輪主軸及主軸電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行極其精確陪汽，且振動(dòng)極小。目前褥蚯，國外生產(chǎn)的高速超高速機(jī)床挚冤，大量地采用電主軸况增。國外的高速電主軸發(fā)展很快，如在日本训挡，1998年10月19屆JIMTOF展覽會(huì)上澳骤，展出的超高速主軸基本上在10000-25000r/min之間。目前國際上最高水平的電主軸是瑞士Fisher公司的產(chǎn)品(nmax=40000r/min,N=40kW)澜薄。轉(zhuǎn)速高達(dá)200000r/min为肮、250000r/min的實(shí)用高速電主軸也正在研究開發(fā)中。沈陽工業(yè)學(xué)院研制的超高速車銑床肤京，采用的電主軸調(diào)速范圍0-18000r/min果喊，最大輸出功率7.5kW。廣西工業(yè)大學(xué)研制的額定轉(zhuǎn)速1500r/min的GD-2型高速電主軸采用Si3N4陶瓷球軸承腿逞，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)18000r/min,主電機(jī)額定功率13.5kW实朗。

　　主軸軸承可采用陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承符殊、空氣靜壓軸承或液體動(dòng)靜壓軸承等晒躺。陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小倘秸、硬度高、耐高溫眼骗、高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定轨皮、耐腐蝕、壽命高方秤、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)燎厘。其缺點(diǎn)是制造難度大，成本高益锻，對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感_磁浮軸承的最高表面速度可達(dá)200m/s蠢琳，可能成為未來超高速主軸軸承的一種選擇。目前磁浮軸承存在的主要問題是剛度與負(fù)荷容量低镜豹，所用磁鐵與回轉(zhuǎn)體的尺寸相比過大傲须，價(jià)格昂貴√酥空氣靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)梢度高泰讽，沒有振動(dòng)，摩擦阻力小昔期，經(jīng)久耐用已卸，可以高速回轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。用于高速硼一、輕載和超精密的場合累澡。液體動(dòng)靜壓軸承梦抢，無負(fù)載時(shí)動(dòng)力損失太大，主要用于低速重載主軸愧哟。

　　超高速磨削砂輪

　　超高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性奥吩，高的動(dòng)平衡精度，抗裂性翅雏，良好的阻尼特性镇纳，高的剛度和良好的導(dǎo)熱性等通常由高機(jī)械性能的基體和薄層的磨粒組成。砂輪基體應(yīng)避免殘余應(yīng)力咒娶，在運(yùn)行過程中的伸長應(yīng)最小仍枕。通過計(jì)算砂輪切向和法向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在砂輪基體內(nèi)徑的切線方向吗罪，這個(gè)應(yīng)力不應(yīng)超出砂輪基體材料的強(qiáng)度極限尚蔗。大部分實(shí)用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。日本和歐洲也開發(fā)了其它材料如CFRP復(fù)合材料的CBN砂輪话贯。雖然CFRP彈性系數(shù)低篡搓，但彈性系數(shù)與比重的比率高，可以抑制砂輪在半徑方向的延伸露使。CFRP的另一優(yōu)點(diǎn)是較低的線性伸長系數(shù)页镜。目前以CFRP為基體直徑380mm的CBN砂輪，可實(shí)現(xiàn)200m/s的磨削答肤，進(jìn)給速度2m/s纸牌。日本在400m/s的超高速磨床上，采用CFRP為基體直徑250mm的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪愧杯，已實(shí)現(xiàn)300m /s的磨削試驗(yàn)涎才。

　　超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅力九、CBN耍铜、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷跌前、樹脂或金屬結(jié)合荊等棕兼。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅舒萎、立方氮化硼磨料的砂輪程储，使用速度可達(dá)125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達(dá)250m/s,試驗(yàn)中已達(dá)340m/s臂寝。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達(dá)200m/s章鲤。同基他類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易干修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比败徊，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率帚呼。特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率。由于陶瓷結(jié)合劑砂輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)侣豌，使得修整后容屑空間大皮向，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況下可以不修銳幼浩。采用片狀燒結(jié)陶瓷砂輪片和可靠的粘結(jié)盘荸，解決了由于陶瓷結(jié)合劑的彈性系數(shù)與基體相差太大，而易于破裂的缺陷软健。美國Norton公司研究出一種借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法售检，可使磨粒突出80%的高度而不脫落，其結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過1553N/mm2(電鍍鎳基結(jié)合劑為345-449N/mm2)祸榨。阿亨工業(yè)大學(xué)在其砂輪的鋁基盤上使用溶射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了磨料層與基體的可靠粘接彤擒。            

　　此外，還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性垢雨。主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)锯叮，由于離心力的作用砂輪與主軸的錐連接處產(chǎn)生不均勻的膨脹，連接剛度下降辐践。筆者在超高速磨削試驗(yàn)中坦报，曾出現(xiàn)過由于夾緊力不足，而導(dǎo)致在啟動(dòng)過程中狂鞋，產(chǎn)生振動(dòng)燎竖。德國開發(fā)出HSK(短錐空心柄)連接力式和對刀具進(jìn)行等級平衡及主軸自動(dòng)平衡的技術(shù)，但未見其用于超高速磨削的報(bào)道要销。因此，開發(fā)高精度夏块、高剛度和良好的動(dòng)平衡性能的砂輪與主軸的連接方式很有必要疏咐。

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