超高速磨削极限加工效率模型的理论研究宋贵亮1，刘兴国1，张玮1，魏高峰1，蔡光起（1.山东轻工业学院机电工程系，山东济南250100　2.东北大学机械学院，辽宁沈阳006 ）超高速磨削系统的机械容量与能力是限制磨削效率的*主要约束条件。本文研究了超高速磨削系统的可行性约束条件，通过理论分析得到了多条件约束下的高效深磨极限效率模型。试验结果和理论值较好地吻合。

　　效率约束模型一般的高效磨削可认为是普通磨削的延伸，实质上仍是精加工工序效率的提高。超高速深磨工艺则可以不限于精加工而由铸锻毛坯直接加工成成品。如图1所示，高效深磨工艺相当于传统加工中的荒加工、粗加工、半精加工及精加工的组合，不仅要保证工件*终质量，而且要达到极高金属去除率。对一般质量要求的工件可单工序成形，对质量要求很高的工件，可有效缩短加工路线为高效深磨超精加工。同普通车削、铣削相比，高效深磨加工工时可缩短90 同普通磨削相比，加工工时可以缩短98 .

　　超高速深磨工艺加工系统本身的能力是*主要约束条件。系统各主要组成要素的能力分析和评价，对确定高效深磨的参数和加工范围乃至极限磨削效率具有重要意义。

　　1超高速磨削系统的约束条件1.1砂轮的强度约束研究表明：超高速高效深磨CBN砂轮的磨削比*高可达到20000以上，被称为半永久性山东轻工业学院学报砂轮，磨粒自身的磨耗磨损和磨料表面的微细碎落很小。作为单层电镀砂轮是超高速磨削砂轮的主要形式，砂轮基体为金属等强固基体，目前超高速砂轮*高线速度可达500 m/s.普通平型砂轮的*大切向拉应力出现在砂轮内孔边缘，可表示为：式中ρ为基体材料密度ν为泊松比R是基体的内、外径ω为砂轮转速。

　　磨粒强度约束是个综合概念，主要针对磨粒的冲击破碎。高速冲击和高速交变高温热载荷作用下的磨粒抗破碎能力主要与磨料的三个物性参数有关：（1）内聚能密度（2）热传导系数（3）热膨胀系数。由实践可知，对于以钢铁材料为加工对象的高效率磨削， CBN磨粒的抗破碎综合性能*高，并可将磨削比控制在一个较理想的范围内，使破碎频率大大降低。电镀砂轮的磨粒把持强度很高，若采用活性金属如铜为粘结材料，超高速砂轮的极限速度将进一步提高。因此单层磨粒砂轮的突出比可超出60 .

　　1.2砂轮的容屑性约束超高速砂轮的阻塞现象是嵌入和粘着形式的混合阻塞状态。设磨粒为八面体结构，如图2所示，并沿砂轮周面均匀排列。经推导得到砂轮的有效物理容屑空间：其中λ为磨粒的突出比， kg为磨粒间距系数，hg为磨粒高度， D为砂轮直径， b为砂轮宽度。

　　由于切屑变形、结合剂大量堆积、组织结构、磨粒摩擦、机床振动及冷却液使用等原因将引起容屑空间可利用程度进一步降低。由此得到单位时间内工作砂轮的总有效容屑空间为：为砂轮转速，单位转/秒。f为砂轮容屑空间的有效比， f由砂轮容屑约束条件可知，高效磨削的*大磨除率必须满足：1.3电机驱动功率约束磨削过程中电机驱动总功率包括空载功率和磨削功率。其中空载功率有：其中P为电机内耗功率P是传动机械功率消耗P为冷却液和清洗液对砂轮的制动功率Pa为砂轮与空气的摩擦功耗。一般传动效率在0.7～0.8之间。超高速磨削的冷却系统（两套）和清洗系统的流量和压力远较普通磨削要高，引起的制动功耗很大，可消耗几乎2/3的电机输出功率。

　　综合实际功率消耗状况，可相应地确定超高速深磨磨削（100 mm /mm？s）的基本（*低）主电机输出功率（kw）：1.4工件表面完整性约束高效磨削中工件表面完整性约束主要是磨削热损伤问题。控制磨削烧伤的关键在于选用*佳的磨削参数和冷却条件。高效深磨比磨削能很低，约为10～30 J mm 3，与砂轮切断及砂带磨削相当，极高的磨除率使磨削热问题仍非常突出。超高速磨削温度的临界速度效应表明：超高速磨削切深对工件表面温度的作用较小，在高磨除率下随着砂轮周速的提高，工件表面温度在达到某一临界限后出现回落。

　　1.5超高速磨削极限效率模型超高速磨削是多条件约束的*优选择，即同时满足：砂轮应力约束：σ（材料屈服应力）磨粒强度约束：t（磨粒强度临界切深）砂轮容屑约束：Q驱动功率约束：P工件完整性约束：θ≤θ（工件烧伤临界表面温度）及其它约束条件等。

　　2超高速磨削的极限效率验证超高速高效深磨中单层电镀CBN砂轮以获得*牢固的结合剂强度，砂轮基体强度很高。

　　这时砂轮强度约束条件可以很好满足。高效深磨中单颗磨粒所承受的冲击切削力与其它高效宋贵亮等：超高速磨削极限加工效率模型的理论研究磨削方式基本相当，不会增大CBN磨粒的破碎概率。这使得单层电镀CBN砂轮的磨削比大幅度提高。如图3所示，在磨除同量的金属材料时， 330 m/s时的砂轮半径磨损比140 m/s时减少了26 .砂轮磨削比将提高2倍左右。

　　下面就砂轮的容屑约束条件确定高效深磨的效率极值。基础条件，电镀CBN砂轮，直径CrM n.由式（4）取容屑空间有效比的中值得到*高效率的理论值Q′试验结果如图4所示，在切深为6 mm时，细磨粒砂轮的磨除效率不断增大，当达到1500 mm /mm？s左右时，径向力急剧增大，表明砂轮容屑空间已达到饱和，砂轮磨除率接近极限。使用粗磨粒砂轮可进一步增加磨除率，在切深10 mm磨除率达到3000 mm /mm？s时磨削力上升较快，砂轮容屑空间趋于饱和。以上试验结果较好地与上述理论分析相吻合。

　　3结论3.1超高速磨削效率受到砂轮强度、砂轮的容屑性、电机驱动功率以及工件完整性的影响。

　　3.2本文提出的多条件约束下的高效磨削极限效率模型与试验结果较好地吻合。