黎 剛

LI Gang

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 柳州 545006）

0 引言

所謂高速磨削技術(shù)是指在機械制造領(lǐng)域內(nèi)砂輪線的速度高于45m／s的磨削技術(shù)，而超高速磨削技術(shù)則是砂輪線的速度超過每秒150m／s的磨削技術(shù)，在實際的機械加工操作應(yīng)用中，磨削速度通常低于45m／s，少數(shù)部分的加工采用高速磨削，實際生產(chǎn)中超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用率更低。

目前，西方發(fā)達國家在機械制造領(lǐng)域內(nèi)對高速磨削技術(shù)的重視程度越來越高，已由研究向?qū)嵱没较蜣D(zhuǎn)變，而我國在超高速磨削技術(shù)上的應(yīng)用仍處于初步階段，只有不斷加強研究和應(yīng)用，才能促進我國機械制造領(lǐng)域加工效率的逐步提升。

1 超高速磨削技術(shù)的特點和優(yōu)越性

1.1 高速磨削技術(shù)的應(yīng)用原理

在機械制造加工中，超高速磨削的應(yīng)用前提和基礎(chǔ)為各項技術(shù)參數(shù)固定不變，當(dāng)砂輪的轉(zhuǎn)動速度不斷提高時，在固定時間段內(nèi)的磨削區(qū)含有的磨削粒的數(shù)量不斷增多，從而讓磨粒在轉(zhuǎn)動時可以切出厚度不一的磨屑，超高速磨削技術(shù)還可以將被切下的磨屑變薄，因此每顆磨粒所承擔(dān)的磨削力就會逐漸遞減，而整體磨削力就會在這一過程中降低。

超高速磨削技術(shù)會使磨削的速度保持在高水平，減少每個磨屑的形成時間。需要明確的是與普通情況下產(chǎn)生的磨屑及短時間內(nèi)加工出的磨屑在高應(yīng)變率的形成上差別較大，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的磨屑主要的表現(xiàn)為：磨削溝痕在塑性流動條件下產(chǎn)生的隆起高度減小、工件表層的變形層明顯變淺、表面的剩余應(yīng)力及硬化程度降低、在形成磨屑時滑擦及耕犁有更近的距離等。由于應(yīng)用超高速磨削產(chǎn)生的磨粒移動速度加快、應(yīng)變率響應(yīng)溫度延后、工件進給效率提高等原因，所以可以跨域磨削的易燒板塊，由此增加了磨削技術(shù)的參數(shù)應(yīng)用范圍。

1.2 高速磨削技術(shù)優(yōu)越性

1.2.1 極大程度提高磨削效率

應(yīng)用超高速磨削技術(shù)，可以增加在單位時間里通過磨削區(qū)的磨粒的數(shù)量，如果每一磨粒磨除的平均磨屑厚度和一般情況下的磨削一致，那么就可以充分提高磨粒進給量，增加單位時間中磨屑的磨除體積，極大程度提高磨削效率，降低設(shè)備的使用數(shù)量。

1.2.2 降低磨削力，提高零件加工的精度

當(dāng)磨粒進給量不變時，超高速磨削技術(shù)可以將磨屑厚度變得更薄，可以極大程度提高加工零件的精度，以沖擊成屑理論來看，若磨削的速度設(shè)在為180～220米／s的范圍時，磨削區(qū)的磨削狀態(tài)會瞬時從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這就是超高速磨削力快速降低的原因。

1.2.3 提高砂輪的耐用程度，延長使用的壽命

這一特性的成因在于每顆磨粒在超高速磨削過程中的負(fù)荷較小，從而增加了磨粒的工作時限，經(jīng)過論證，若金屬切除概率條件相同，超高速磨削的砂輪使用時間會提高8.5倍，速度由80m／s增至200m／s。

1.2.4 增加零件的光潔度

能夠使磨削加工的工件表面的粗糙程度降低，獲得較為光潔的工件表面，因為排除其他的因素，磨削速度越快，工件表面就會越光潔，粗糙度越小。

1.2.5 提高工件的使用效能

這一技術(shù)還可以實現(xiàn)磨削硬脆材料，超高速技術(shù)的產(chǎn)生的磨屑厚度小，而磨屑厚度越小，待磨材料就會呈現(xiàn)出流動的狀態(tài)，因此，玻璃、陶瓷等硬脆材料可通過塑性變形的方式產(chǎn)生磨屑。另外，超高速磨削可以回避“熱溝”區(qū)的作用，降低工件表層燒傷的概率，還能制造出有殘余應(yīng)力的工件表層，加強零件的抗疲勞性。

2 磨削技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀探析

磨削加工制造技術(shù)歷史悠久，在世界各地都得到了廣泛應(yīng)用，在20世紀(jì)之后，世界各主要發(fā)達國家開始研究使用超高速磨削技術(shù)來獲取加工的高效率，但是其弊端凸顯，當(dāng)磨削運轉(zhuǎn)的速度過快時，會產(chǎn)生很高的加工溫度，以致加工工件的外層以及磨削砂輪燒傷，反過來限制了磨削加工效率的提高。

20世紀(jì)前期，德國的磨削專家Carl. J. Salomon曾提出磨削溫度和磨削速度之間的假設(shè)關(guān)系，他認(rèn)為在高速磨削區(qū)會產(chǎn)生“熱溝”區(qū)域，在這一區(qū)域，磨削的速度加快會導(dǎo)致磨削溫度的上升，當(dāng)磨削溫度達到頂點后，溫度會在速度加快的情況下降低，若磨削速度超越“熱溝”，若再提高磨削的速度，磨削溫度仍會下降。這一論斷為高速和超高速的磨削加技術(shù)發(fā)展指出了研究方向。磨削溫度與速度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 磨削溫度與速度間的曲線關(guān)系圖

我國的磨削技術(shù)起步價較晚，上個世紀(jì)70年代，鄭州磨削研究所、第一汽車制造廠、第一砂輪廠等均進行了50～60米／s的磨削實驗，接著高速磨削實驗在湖南大學(xué)成功進行，80年代初，東北大學(xué)進行了速度達到80m／s的高速磨削實驗，90年代進行了速度達到200m／s的超高速磨削技術(shù)研究?，F(xiàn)在，東北大學(xué)率先成功研制200m／s的超高速磨床，直至目前，國內(nèi)仍在進行超高速磨削技術(shù)的研究，如對超高速磨削溫度場技術(shù)的研究、超高速磨削熱傳遞機制的研究等。

3 超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用

3.1 高效深磨技術(shù)

在提高磨削生產(chǎn)率方面，較為典型的應(yīng)用技術(shù)即是高效深磨的磨削技術(shù)。近年來，高效深磨技術(shù)已經(jīng)成為集進給速度高、砂輪轉(zhuǎn)速快以及大切深等特性于一體的快速磨削技術(shù)。與普通的磨削技術(shù)相比，高效磨深技術(shù)能夠在提高材料磨削率的同時獲得一般磨削技術(shù)相近的表層粗糙程度。這一磨削技術(shù)是超高速磨削與緩進給技術(shù)的有效結(jié)合，與通常情況下的磨削技術(shù)有別，它首先通過磨削的過程來完成由磨、車、銑等工序結(jié)合而成的機械精加工過程，以此來收獲普通磨削技術(shù)相當(dāng)?shù)谋砻尜|(zhì)量以及比常用磨削加工技術(shù)更高的工件磨除率。

通常情況下，高效磨深技術(shù)的磨削速度一般保持在60～250m／s范圍內(nèi)。常使用陶瓷結(jié)構(gòu)的劑砂輪，當(dāng)磨削速度為120m／s時，其磨除率超出了一般磨削技術(shù)的100～1000倍，較之銑削和車削高出5～20倍左右。若在加工中使用的是120m／s的CBN砂輪的磨削速度進行磨削，會產(chǎn)生更高的磨除率。

德國Bremen大學(xué)使用的100～180m／s的磨削速度的高效超高速磨床、Aachen工業(yè)大學(xué)使用的500米高效超高速深磨的磨床都是德國Guhring Automation公司制造的高效深磨機床。以該公司的超高速FD613平面磨床為例，對深三十毫米、寬十毫米左右的轉(zhuǎn)子槽進行磨削時，磨床的進給效率可以達到每分鐘3000毫米，采用CBN邵侖的磨削速度為150m／s。

3.2 超高速的精密磨削技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)過論證，降低工件的表面塑性變程度形以及凸峰的大小可以通過增加砂輪的運轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，還可以降低磨削產(chǎn)生的表層粗糙程度。在日本，超高速精密磨削技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但是日本加強對超高速磨削技術(shù)的研究及使用，最終追求的不是機械磨削的效率，而是為了增加磨削的工件表面質(zhì)量和磨削精度。如，日本的豐田工機使用CNC超高速磨床時，配備了最先進的軸承，用200 m／s轉(zhuǎn)速的薄片砂輪來對零件進行縱磨，以達到對全部工件柔性加工的目的。

超高速的精密磨削技術(shù)通常使用修整精密的精細(xì)磨具，在潔凈的環(huán)境中采用超高速的精密磨床，使用亞米級之下的切深獲取亞米級的精度尺寸。精細(xì)磨削的主要方式是利用微細(xì)磨料加工磨具。超精密的鏡面磨削結(jié)合劑砂輪才采用的是平均粒徑低于4納米的金剛石磨粒。金剛石砂輪的磨削和光整過程都是在相同的裝置里完成，這一技術(shù)可以使硅片的平面度小于0.2～0.3納米，而表面粗糙程度小于1納米，可獲得較高水平的工件表面質(zhì)量。

3.3 難磨材料的超高速磨削技術(shù)

難磨材料的特性在于：硬度和高溫強度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、磨削屑易粘附、韌性大和加工時的硬化趨勢明顯。擁有上述特性，難磨材料在進行加工時容易出現(xiàn)的問題包括變形、迅速使砂輪鈍化、裂紋、表面燒傷、磨屑粘附嚴(yán)重和磨削加工效率降低等。國外在對難磨材料的磨削性能提高的過程中，進行了深入的研究，其結(jié)果表明，難磨材料的難磨問題成因在于材料自身擁有較強的化學(xué)反應(yīng)能力，容易導(dǎo)致砂輪的急劇堵塞，而磨削的溫度越高，則材料化學(xué)親和力越高，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的磨屑厚度很小，所以能夠?qū)τ泊嗟入y磨材料進行磨削，產(chǎn)生良好的磨削效果。

3.4 具有綠色特性的高速磨削

超高速磨削技術(shù)的綠色特性明顯，這一特色的成因在于：第一，超高速磨削技術(shù)可以有效縮短機械加工的工時，降低能耗；第二，這一技術(shù)可以提供工件的表面質(zhì)量，降低砂輪的損耗程度、延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本，從而合理有效地利用資源；第三，由于超高速磨削技術(shù)擁有較高的加工效率，減少了人員、設(shè)備、加工工序等方面的投入和損耗，實現(xiàn)加工工藝的綠色性；第四，超高速磨削技術(shù)產(chǎn)生的70%的熱能被磨屑帶走，因此工件的表層溫度得以降低，磨削液的壓力和流量減少，冷卻液的使用量相應(yīng)降低，減少了對能量的需求，最終，也減少了污染。

4 結(jié)束語

超高速磨削技術(shù)在提高磨削工件質(zhì)量和磨削效率、提高工件表面的光潔度上表現(xiàn)優(yōu)秀，特別是對硬脆等難磨材料的磨削效果良好，是先進的機械加工技術(shù)。近年來，我國在機械制造領(lǐng)域內(nèi)的超高速磨削技術(shù)研究取得了很大進步，應(yīng)用也更加廣泛，但是我國的超高速磨削技術(shù)起步較晚，與發(fā)達國家相比仍存在差距，再近些加工領(lǐng)域，應(yīng)本著了綠色制造的原則，加快推進我國產(chǎn)高速磨削技術(shù)向現(xiàn)代化方向邁進。

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