金刚石与磨料磨具工程高速超高速磨削工艺及其实现技术李长河修世超1蔡光起。东北大学先进制造与自动化技术研究所，沈阳00042内蒙古民族大学，通辽，28，42方法相媲美的金属磨除率，而且能实现对难磨材料的高性能加工。本文主要论述了高速超高速磨削工艺技术的特点；分析了电主是高速超高速磨削主轴系统的理想结构，介绍了陶瓷滚动轴承磁浮轴承空气静压轴承和液体动静压轴承在主轴单元中的应用；超高速砂轮主要用电镀或涂层超硬磨料，册金刚石制成，介绍了超硬磨粒的特点和砂轮的修整，分析了在高速及超高速磨床上得到广泛应用的德国6，3.公司生产的砂轮液体式自动平衡装置；介绍了高压喷射法，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磨削液供给系统的特点；*后介绍了直线电机进给系统和声发射智能监测系统等实现高速超高速磨削的关键技术。

　　1高速超高速磨削工艺技术的特点高速超高速磨削加工是近年来迅猛发展的项先进制造技术。磨削加工按砂轮线速度的高低1将磨削和超高速磨削以日本普遍将砂轮，周速度超过的磨削工艺称为超高速磨削，在当前生产实践中，高速和超高速的磨削速度般在200之间。超高速磨削技术是磨削工艺本身革命性的跃变，德国著名磨削专家丁。1止也士将其，为现代磨削技术的*高峰。日本先端技术研究学会把超高速加工列为大现代制造技术之。国际生产工程学会讯0将超高速磨削技术确定为面向十tJilVfflhiVTIl高速超高速磨削工艺有以下主要特点大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数实验明，200+超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比8，1磨削提高150，而340心时比18，1时提尚2米用，0砂轮进行超尚速磨削，砂轮线速度由8，1心提高至3008时，比金属切除率由50，抓3咖18提尚至1000咖18，因而可使磨削效率显著提高。

　　1.2磨削力小此它参数+变的条件下。随砂轮速度的提高，单位时间内参与切削的磨粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，导致每个磨粒承受的磨削力变小，总磨削力也人大降低。

　　1.3加工质量好由于磨屑厚度变薄，在磨削效率不变时，法向磨削力随磨削速度的提高而大幅度减小，从而减小磨削过程中的变氏提高工件的加工精度；由于砂轮速度提高，磨粒两侧材料的隆起量明显降低，能显著降低磨削削速度由331提高至200磨削面的粗糖度值由只32.，1降低至他1.1如；由于在高速区域进行磨削加工，超高速磨削可以越过容易产生磨削烧伤的死谷区域，因而可以不发生磨削烧伤并减小工件面的残余应力，有利于获得良好的面物理性能和机械性能，加工面完整性好。

　　1.4砂轮磨损少，使用寿命长由于每颗磨粒所承受的切削负荷减少，则每颗磨粒的磨削时间大大延长，可提高砂轮的使用寿命，实验80+提高1倍，而在磨削效率不变的条件下可提高7.8倍。砂轮寿命大幅度提高，有助于实现磨削加工1.5实现对难加工材料的磨削加工超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对高塑性的材料也可获得良好的磨削效果。钛合金镍基耐热合金高温合金铝及铝合金在普通磨削条件下难以进行磨削加工，但在超高速磨削条件下，由尸磨屑成屑时间极短，塑性变形减小，再加上磨削区温度降低，避免了烧伤和裂纹，因而使这类材料磨削加工变的容砧得多。

　　2高速超高速磨削实现技术2.1主轴系统高速超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定超高速磨床所能达到的速度极阪。1前发，趋势是主轴单元越来越多地采用主电机和机床主轴体化的结构形式，形成独立的内装式电机主轴功能部件电主轴电主轴结构紧冶轻，生小，响应特性好，并可避免振动与噪声，因而是超高速主轴单元的理想结构4.

　　外的高速电主轴发展很快，如在日木，1998年第19届胃0展览会上，展出的超高速主轴基本上，真，之目前国际上*水的电主轴是瑞士的厂也公司的产品，其*尚主轴转速为40000驱动功率为40，转速高达2，1仙超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。经过多年努力，现己成功研究开发了陶瓷滚动轴承磁浮轴转的斩型轴承。陶瓷滚动轴承滚动体采用性能优越的34陶瓷球套圈为钢圈润滑多用油气润滑法，具有心。值柯2.7标准化程度高，对机床结构改动小。便厂维扩的优点。用其组装的超高速主轴能兼得速度高刚度高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。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴氧建立了超高速磨削试验。能址厅20，的磨削加工试验，站速度磁抒轴承是利用电磁力将主轴无机械接触的悬浮起来的智能化轴承，其转速4达450，血，功率为201贾。磁浮轴承的高速性能好精度高容易实现在线诊断和控制，但由于电磁测控系统十分复杂且价格昂贵，在生产中应用较少。在国外，德国的1认，公司生产的13磨床，采用磁浮轴承使砂轮主轴转速高达以，幻办士，瑞典的3咖切1.公司法；1的，1.1公司生产的高速磨床也都采用了磁浮轴承。日本和意大利内，亍初期投入成本高。产品种类还没，标准化和系列化，特别足扣在各种高速设备上的及小轴结构的匹配上，还有待于在实践中完善和提高。但是随着新型磁性材料的出现及超导技术传感技术控制技术的发展；电磁学转子动力学控制论和计算机科学等学科基础观论研究的深入站=全局优化设计的产品标准化系列化的开发，磁浮轴承在超高速磨床上液体动静压轴承采用流体静力和流体动力相结合动误差小，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高等突出优点。但由于在超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，因此必须考虑其紊流，流体惯性和压缩性，溢叱站心娜及空穴等以，象，而且今载功率损耗大，无通用性维护和维修较困难。主要用于低速重载主轴系统。

　　空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，磨擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点，主要用于高速轻载和超精密的主轴系统中5.

　　2.2高速超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮应！1有良好的1时磨性，高的动平刚石在高性能基体上涂敷薄层而成，基体材料常用合金钢或错合金。日本和欧洲开发了弹性模量密度高热膨胀系数低的，7即复合材料的嫩砂轮。曰本在40.的超高速磨床，采吓，5为基体直径250的陶瓷结合奥郑，菏迪殖0，1的磨肖1试验。前，工1〃产中广泛，金，结合剂，砂轮和单层电镀，撕砂轮，使用速度可达25，试验中已达340，8.美国他1恤公司研究出种借助化学粘接力把持肷粒的法，可使肷粒突出80的高度而不脱落，库结剂抗拉伽度超过1553邛腿2，以获戌赶尺的磨粒结合强度，肷粒戈出高度以及更为理想的锋利地貌。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。

　　为保证砂轮在超高速运的条件下承受巨大离心力而不破碎。般采用有限元方法进厅分析和优化，砂轮回转时所承受的径向和切向应力应尽可能相等，据此找出*佳基体轮廓，优化后的砂轮基体没有单独的人法兰孔，而是代之以多个小螺孔。以充分降低人法兰孔刚近的劾7.

　　2.2.1高速超速，削砂轮的动，衔对于高速超高速磨削，砂轮系统的在线自动平衡尤为重要，即使存在很小的不平衡量，在高速超高速工作条件下，将会产生很大的不平衡离心力会使机床产生振动。砂轮自动平衡系统般由振动传感器，振动控制器和衔头组成，通过振动传感沿检测砂轮转时不平衔起的振动信进行数，处理确记不平衡量的大小和相位，然后通过振动控制器控制跟随砂轮速旋转和平衡头内的校正质，实现对4衡量的平衡补偿。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式，气体式及机械式种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上重要组成部分，是保证产品加工质量，充分发挥超高速磨床生产能力及提高机床使用寿命的重要因素，美国日本和德国等工业发达的家在高速磨床上均，用自动平衡系统。

　　德国，6，30公司生产的种砂轮液体式自动平衡装咒片在高速及超高磨床上得到广泛的应。该平衡系统由以下几部分组成1检测和控制单元和放大器集成的1电振动传感器坏状储液腔4喷嘴喷射系统阀座及冷却液过滤系统等。和微机相连的电子测量和控制单元能自动测量磨床的振动行为，因此，在运行过程中，不需要手动校正和调整。平衡系统所1.砂轮2驱动轴3振动传感器4.喷嘴5.测量和控制单元6冷却液7.电磁阀8平衡头9.过滤器发出停止信号。

　　砂轮不平衡量是通过冷却液补偿的2，冷却液波喷射到坏状储液腔。平衡！可分解为和振动传感器被固定在主轴承上以检测不平衡量的大小，而不平衡量的位置是通过相位发生器检测的，通过电子检测和控制单元所检测的不平衡量相应地通过控制力2的补岱量来散控制心控制电磁阀将经过过滤的冷却液喷射到平衡头内，实现系统的平衡。

　　该平衡系统即可手动控制，也可自动控制。

　　主要技术数据如下测量范围砂轮*高转速600001；振动位移量0.0199.9 1相不控制采叫，微处理系统控制；2.22磨粒用于高速超高速磨削砂轮的磨料主要有，邸⒔，刚石等超硬磨料磨粒，漳チ夏チ5闹饕，氐愫心，料磨粒具有良好的热稳定性，在正常的人气1以磨粒庄1300，没了发生氧化反，甚至在140也没有发生从方格向六方晶格转变此金刚石在正常的大气压下热稳定性*高只有800.0. .，m，所以8.磨料砂轮比佘刚石砂轮能承受较的加工有。且成部分均由微机控制，旦工作失父诊断系统+赌，2.是，磨料导持系数高，在磨酿产生相同磨削热量的情况下，传入工件的热量比率明显减少，所以工件的加工温度明显下降，在同样的冷却条件下，避免了工件的热伤害和提高工件的加工精度和面完整性。31是比，削能低。用，砂轮磨削4以允许大的金属切除率而不烧伤工件，实际磨削加工中允许大的切深和较快的1作台进给速度。在保证磨削质量在高速超高速磨削中，主要用于陶瓷结合剂金属结合剂和单层电镀CBN砂轮，尽管陶瓷结合剂由于高孔中利1磨削液通过磨削区，似由于其张度和抗破碎能力比金属结合剂低而没有被广泛利用。

　　在高速磨削中，种新型的微晶氧化铝磨粒即30磨粒己经引起人们的高度注意，30磨粒不仅具有高的硬度而且还具有良好的韧性，它的加工能力介厂刚玉和，勰チV，洌，捎诘0磨粒在磨削加工中，辅助切削刃本身能发生自锐，所以磨削力和磨削区产生的热量明显降低，同时也减少了砂轮的磨损，从而提高材料粒相比不仅成本低，而且对磨削机床没有任何特殊的要求，砂轮的修整也和传统磨粒砂轮的修整方法相同。

　　在砂轮速度为125，磨削回火钢的试验中比材料2.2.3砂轮的修整砂轮修整的目的是为了保持砂轮正确的几何形状和磨粒的有效突度。对厂爪砂轮，由于似难从其砂轮圆周面去除十队训磨粒，所以修浩工具层，8砂轮般不必像树脂或陶瓷结合剂那样进行修整，可直接投入使用。但对于精密超高速磨削加工中，由于磨粒在使用中钝化，磨粒突出基体的高度尺寸不致，所以造成磨削力增大，工件面质量和完整性下降，这，需对通砂轮进行修整，目前对刚砂轮制砂轮和修整工具的接触，然后通过修整工具微量进给系统进行微米级进给，结果得到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。

　　2.3磨削液供给系统高速超高速磨削加工由于砂轮线速度很高，砂轮高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削仙弈舰高溢以+到效的抑制使工件特别是难加工材料出现烧伤，严重影响了零件加工的面完整性和机械物理性能。闪此，选择恰1的磨削液供给系统，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。

　　高压喷射法是将磨削液高压速喷出，冲破环绕砂轮面的气流屏障，冷却磨削区，同时清除砂轮面靴状喷嘴。在很宽的速度范围内堪本上消除了流屏啼的影响。

　　空气挡板辅助截断气流法是在砂轮外周面及侧面设，可调节的空气挡板，阻们空1向弧区束流动，挡板与砂轮面间隙应尽量小，随砂轮直径的减小能连续地调整。采用空气挡板，砂轮面可以犯好的被润湿，还可防止磨削液向两穷6溅，砂轮内冷却法是利用砂轮径向孔供液或利用砂轮盘的侧孔供液。利用离心力渗漏作用将磨削液通过砂轮气孔从周边甩出，进入磨削区。系统需配置高精度压低温氧化碳进厅内冷却1阁3在砂轮体上共开个0孔，分布在5个沿砂轮轴线方向上均布的截面上。每个截面上沿圆周均布着20个通孔。气体内冷却效果很好，避免了采用液体内冷却时，由于滞留液体，引起的启动偏心振动。

　　1水箱2过器3压柱泵4单向阀3压力6安全阀7，压阀8密，头4砂轮径向射流冲击强化换热法利用开槽，嫩砂轮的速度可达100，接近垂直地冲击弧区工件面。

　　由于高压射流可以轻易冲破已形成汽膜的阻挡，确保磨削液与工件面的持续接触，因而就有条件突破成膜沸腾的障碍，使磨削弧区温度保持在以下，这种冷却液注入方法不受砂轮气障的影响，换热效率高，缺点，作时砂轮易产生振动，2.4进给系统尚速超高速磨床不但要求机床主轴有很高的转速和功率，同时也要求机床工作台也有与之相应的进给速度和运动加速度。直线电机实现了从电动机到工作台之间的切中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，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，可获得高精度的尚速移动并具有极好的稳定性。日本研制的高效平面磨床，工作台进给采用直线电机145，*高浊度60，从大加速度*大驱动力，*小运动单位为0.51.

　　2.5智能监测系统高速超高速磨削加工中，由于砂轮线速度极高，砂轮由于超高速引起的破碎现象时常发生，砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保叱质帚和叫14凼2整性的关键；在超高，加中，砂轮与工件的对刀精度，砂轮与修整轮的对刀精度将直接影响到工件的尺寸精度和砂轮的修整质量，因此，在超高速磨削加工中，在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素13.

　　目前，声发射技术己成功用于超高速磨削的无损检测。利用麽削过秤中产少的各种声发射源。如砂轮与工件弹性接触砂轮粘接剂破裂砂轮磨粒与工件磨擦工件衣而裂纹和烧伤砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波这邱因素和工件材判磨削条件少轮面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的改变必然会1起射1号的邮频谱等方面发生来对磨削状态进行判别。因此利用声发射技术可监测磨削裂纹和磨削烧伤，砂轮破碎砂轮磨损砂轮与工件接触砂轮1修整轮接触，沣取得满意的效3结束语诚超高速磨削加工纪先进制造疗法的常要组成部分。高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。我国在超高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，随着超高速磨削基础理论和关键部件技术的进步成熟，超高速磨削将在工业生产中发挥越来越大的作用，具有很好的发展潜力。东北大学在国家自然科学基金的资助下成功地完成了砂轮周速为200的超高速磨削试验台，采用液体动静压轴承和单以电镀奶砂轮。并在超速磨削机理深磨热机理和智能磨削等方面进行大量的理论和试验研究，取得了可喜的成果。

　　I1蔡光起，宋贵亮，刘文志超高速磨削工艺技术。机械工艺师。1995，9.

　　2蔡光起，磨削技术现状与新进展制造技术与机床。2000，5 3陆名彰，熊万里，黄红武等。超高速磨削技术的发展及其主要相关技术。湖南大学学报，2002，5 4张伯霖，谢影明，肖曙红。超高速切削的原理与应用。中国机5王西彬，解丽静。超高速切削技术及其新进展。中国机械工6冯宝富，蔡光起。超高速磨削及其发展趋势。机械工程师，2001.

　　7宋贵亮，巩亚东，蔡光起。超高速磨削及应用。航空精密制造472651667.iHi冯宝富，蔡光起，潘贤君等。高速磨削冷却液的注入新方法。

　　机床与液压，20低2.

　　12王继先。磨削加工冷气冷却方法的些试验研究东北大学硕士学位论文。2001.

　　13武志斌，徐鸿钧，姚正军等高效磨削时磨削热问的研究。

　　农业机械学报。2004 14张伯霖，程光华，李锻能等超高速进给系统的零传动。制造技术与机床1997，8 15刘贵杰，巩亚东，王宛山。芦发射技术在磨削加工监测中的应用。机械工程师，2001.

　　大学先进制造研究所博士研究生，主要从事高效率精密磨粒加蔡光起，男，1947年生，教授，博士生导师，主要从事高效率精密磨粒加工及工业机器人自动化等方面的研究工作。

　　收稿日期20队0！16