内蒙古民族大学（通辽2）李长河超高速磨削是近十几年来在德、美、曰等工业发达国家迅速崛起的一顷先进制造技术。超高速切削的概念源于德国切削物理学家Salomon博士1931年所提出的具有划时代意义的假设：对于给定的某种工件材料，切削速度存在一个临界值，在该临界值之前，切削温度及刀具磨损随切削速度的增大而增大；但当切削速度超过该临界值时，即在高速区，切削速度超过切削温度*高的显下降，刀具磨损及单位切削力也随之降低。他的理论给人们一个非常重要的启示；如果能越过中的B区，金属陶瓷刀具的选用金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度，而且还具有硬质合金的高强度，可用于可转位刀片或焊接刀片。金属陶瓷刀具化学稳定性好，耐氧化性、抗粘结性和耐磨性也较好，且与钢的亲和力小，适合于中局速（200m/min左右）切削模具钢，尤其适于切槽加工。对铸铁件的加工，当切削速度低于750m/min时，可选用金属陶瓷刀具。

　　立方氮化硼刀具的选用立方氮化硼刀具主要用于加工淬硬钢和高硬铸铁以及一些难加工材料，被加工材料的硬度愈高愈能体现立方氮化硼刀具的优越性，并可以实现以车代磨，大幅度地提高加工效率。立方氮化硼刀具的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响，CBN的含量越高，其硬度和耐磨性越好。

　　*近国外已经开发出各种成分配比的CBN刀具以及CBN +金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片含有不等量的CBN（见表2）。

　　表2不同CBN含量的刀片及用途刀片的加工用途连续切削淬硬钢（45-65HRC半断续切削淬硬钢（45-65HRC加工镍铬铸铁连续重载切削淬硬钢（45-65HRC局速切削铸铁（v；500-1300m/min）粗切削、半粗切削淬硬钢而在高速区（c区）进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。经过长期的研究和开发，特别是随着近十几年在刀具和机床设备等关键技术领域的突破性进展，超高速切削技术曰渐成熟，正逐步走向工业实用化。图i高速切削概念的产生金刚石刀具的选用金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。金刚石刀具已在汽车、航空航天、国防工业等领域广泛应用。金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800<时，就会失去其硬度。

　　金刚石刀具不适合加工钢铁类材料，其原因是金刚石与铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏。

　　近年来，刀具材料的不断更新和发展，有利地推动着高速切削加工的广泛应用。目前国内外适用于高速切削加工的刀具材料主要有：涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷、CBN和PCD等。各种刀具材料都与相应的工件材料相匹配，并有着不同的切削速度范围。涂层刀具将会在高速切削领域占主导地位；陶瓷刀具由于自身的资源优势将会得到更大的发展；CBN和=0将会在高速切削中占有重要地位，而且应用会越来越广泛；超细晶粒的硬质合金和粉末冶金高速钢也会在高速切削领域有一席之地；纳米复合涂层材料将会在未来几年内变成现实。

　　因此，进一步加强刀具材料的研究和开发，并合理地选择刀具材料，是推动高速切削技术应用和发展的重要前机械工人为制咄业创咄价值各国对超高速切削的速度范围迄今尚未做出明确统一的规定，但是通常把切削速度比常规高出5~10倍以上的切削加工称为高速切削或超高速切削。

　　超高速磨削是基于其相关技术而发展起来的一顷先进技术。超高速磨削技术在国外发展很快，早在20世纪60年代末期，欧洲实验室磨削速度已达210"230m/s.20世纪70年代，已有砂轮圆周速度120m/s的实用高速磨床。德国1983年制造了转速为10000r/min，功率为60k2，砂轮直径为400mm的强力磨床。阿亨工业大学已进行砂轮线速度为500mA的超高速磨削试验研究。欧洲工业实用高速磨削速度在200~250m/s之间。一般来讲，按砂轮线速度v*的高低将磨削分为普通磨削（！S<45m/s，高速磨削（45！v*<150m/s）和超高速磨削（v*"150m/s），随着砂轮线速度的提高，比磨削去除率己猛增到3000mm3/mCs甚至更多，从而*终可与车、铣、刨等切削加工方法相媲美，彻底摆脱了传统磨削方法高精度低效率的缺陷，实现高质与高效的有机结合。不仅如此，利用超高速可对硬脆材料实现延性域磨削加工，避免磨削烧伤和磨削裂纹，使加工质量明显提高，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T.Tawakoli.博士将其誉为“现代磨削技术的*高峰”。曰本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会（CIRP）将超高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。

　　超高速磨削的优越性大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数实验表明，200m/s超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比80m/s磨削提高150，而340m/s时比180m/s时提高200.采用CBN砂轮进行超高速磨削，砂轮线速度由80m/s提局至300m/s时，比金属切除率由50mm3/mnrs提局至1000mm3/mnrs，因而可使磨削效率显著提高。

　　磨削力小在其他参数不变的条件下，随着砂轮线速度的提高，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，总磨削力也大大降低。

　　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形，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，能显著降低磨削表面粗糙度值。实验表明，在其他条件一定时，将磨削速度由33m/s提高至200m/s磨削表面的粗糙度值由Ra=2.0jum降低至Ra=；由于在局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表面的残余应力，有利于获得良好的表面物理性能和力学性能，加工表面芫整性好。

　　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，实验表明：在磨削力不变条件下，200m/s磨削砂轮寿命比80m/s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的自动化和无人化。

　　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，由于磨屑成屑时间极短，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易得多。

　　磁浮轴承在超高速磨床中的应用超高速磨削砂轮主轴的转速一般在15上，所传递的磨削功率通常为几十干瓦。因此，研究和开发性能良好的超高速主轴系统是实现超高速磨削的前提条件和关键因素。高速主轴单元的孩心是高速精密轴承，经过多年努力现已成功研究开发了陶瓷滚动球轴承、液体动静压轴承、空气静压轴承和磁浮轴承等几种。陶瓷球轴承的滚动体采用性能优越的Si3N4陶瓷球，套圈为钢圈，润滑多为油气润滑法，具有m.值（m为轴承的节圆直径，为主轴的转速）高（"2.7mmx106），标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护等优点，其缺点是在高速旋转时滚珠会产生很大的离心力和陀螺力矩，滚珠制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感；空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点，主要用于高速、轻载和超精密的场合；液体动静压轴承集成了静压轴承和动压轴承的优点，轴承刚度高，但无负荷功率损失较大，而且随着主轴转速的上升而增加，主要用于低速、重载主轴系统。在国外，磁浮轴承作为机电磁一体化的高新技术产物，以其独特的优越性在高速主轴系统的设计中越来越受到工程技术人员的青睐。

　　机械工人为制造业创造价值如曰本的Koyoseiko公司和德国的Kapp公司都成功在其高速磨床的砂轮主轴系统上使用了磁浮轴承。

　　磁浮轴承的特点磁浮轴承与普通轴承相比，有以下几个特点：由于磁浮轴承是利用电磁力将转子悬浮于空间的新型高性能轴承，属于非接触轴承，由于无机械接触，所以无磨损、能耗小、噪声小，不需要机械维护，可实现超高速回转（转速可达60000r/min）不需要润滑和密封，省掉了油、泵、油箱、管路及密封件等，结构简单，更易使结构合理化。

　　精度高，轴承的机械加工精度要求不高，但由于采用了高精度的位移传感器使轴承的旋转精度极高，可实现轴向和径向的微量进给。

　　不受工作环境的影响，可运行于低温、高温、真空、蒸汽、腐蚀性气体等特殊环境中。

　　无振动运行及自动平衡，转子以惯性轴为中心回转，不产生失衡力，即使产生了失衡，也会自动平衡找正。

　　电子线路控制，可靠性高，易于维护，高刚度且刚度、阻尼在线可调。通过监测定子线圈的电流，可灵敏地控制切削力，通过检测切削力的微小变化控制机械运动，以提高加工质量。

　　对传感器和控制电路要求高，因而总的制造费用较局。

　　圄1磁浮轴承工作原理由定子和转子两部分组成，它们都是由厚0.05~ 0.35mm的硅钢片迭压而成，转子压入回转轴或回转筒中。定子线圈产生磁场，将转子悬浮起来，通过4个位置传感器不断检测转子的位置，如转子的位置不在中心位置，位置传感器测得其偏差信号，并将信号输送给控制装置，控制装置调整4个定子线圈的励磁功率，使转子精确地圄4主轴5自由度控制磁浮轴承结构示意圄1.前辅助轴承2.前径向传感器3.前径向轴承4.高频电动机5.推力轴承6.后径向轴承7.后径向传感器8.后辅助轴承9.砂轮10.轴向传感器磁浮轴承支承的高速主轴系统，具有高速、高刚度、高精度，在线控制等诸多优点，是超高速磨床砂轮主轴*理想的支承形式之一。德国的KAPP公司生产的HGS磨床，采用磁浮轴承使砂轮主轴转速高达60 000r/min，瑞典的Schneeberger公司、法国的Ford公司生产的高速磨床也都采用了磁浮轴承。曰本和意大利的机床生产厂商也都将磁浮轴承用于超高速磨床。在国内，由于初期投入成本高，产品种类还没有标准化和系列化，特别是其在各种高速设备上的应用及与主轴结构的匹配上，还有待于在实践中芫善和提高。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理论研究的深入；基于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的应用前景将会越来越广阔，应用潜力很大。