（机械制造及其自动化专业论文）超高速磨削机理的研究.pdf

摘要 超高速磨削机理的研究 摘要 超高速磨削突破了传统磨削的概念，可集粗精加工于一身，达到 可与车、铣和刨削等切削加工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，被誉为现代磨削技术的高峰。目前我国在 超高速磨削的基础性理论和试验研究还不够深入，在很大程度上阻碍 了其在我国的发展和应用，本文对超高速磨削机理中的若干问题进行 了深入的探讨研究，以期为我国超高速磨削技术水平的提高提供理论 基础。 论文首先在大量查阅相关文献的基础上综述了超高速磨削国内 外的发展历程和现状，总结了超高速磨削的特点和优越性，阐述了超 高速磨削在高效深磨、外圆磨削、点磨削及硬脆材料和难磨材料上的 应用，并对课题意义进行了论述。 其次，根据超高速冲击机理和超高速磨削实验结果，构建了“超 高速磨削准流动相冲击成屑模型 ，提出了超高速磨削条件下磨屑形 成的新机理。普通磨削是靠磨粒切削刃对材料的剪切作用而达到去除 材料的目的，而超高速磨削是靠磨粒对工件材料的高速冲击，在磨粒 前下方形成一椭球状的高温、高压流动相，该流动相内的流动相物质 在磨粒的高速挤压下从磨粒的前端溢出并随磨粒的运动而被带出磨 削区、形成磨屑。因此超高速磨削最大未变形切屑厚度极小、磨削力 摘要 小、砂轮耐用度高、磨削接触区温度高而烧伤层浅、材料去除率高。 然后，结合高效深磨的特点，研究了高效深磨的热模型，并用实 验方法和理论计算方法对其磨削区温度和磨削点温度进行了深入分 析与研究，表明在磨削区的磨削温度足以使磨粒刃下方局部非常小范 围内的被磨材料在瞬间发生高温软化，出现准流动相甚至流动相，证 明了本文所构建的“超高速磨削准流动相冲击成屑模型是正确的。 另外，应用比磨削能构成理论，分析了超高速磨削的能量消耗，对超 高速磨削条件下比磨削能的影响因素进行了一定的分析。 最后，研究了超高速磨削中磨削热的产生及其影响，简要介绍了 将磨削液注入磨削区的常用方法，通过揭示超高速磨削弧区的换热机 理，着重介绍了径向射流冲击磨削弧区强化换热，并通过实验对普通 供液和径向射流冲击供液的换热效果作了全面的对照比较。 关键词：超高速磨削，磨削温度，磨削热，比磨削能，磨削液 硕士学位论文 摘要 t h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g a bs t r a c t u l t r a - h i g hs p e e dg r i n d i n g ( u h s g ) b r e a k st h r o u g ht h ec o n c e p to f c o n v e n t i o n a lg r i n d i n g c o m b i n e dw i t hr a wa n df i n i s hw o r k i n g ，i tc a n a t t a i nt h eh i g h e s tr e m o v a lr a t eu pt oc u t t i n g ，m i l l i n ga n dp l a n i n g t h e d i f f i c u l t t o - g r i n dm a t e r i a l c a na l s ob eg r o u n dw i t hh i g hp e r f o r m a n c e u h s gh a sb e e nt h o u g h tt ob et h ep e a ko fm o d e mg r i n d i n g f o c u s i n go n t h eu h s gi nc h i n a , t h eb a s i ct h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha r e i n s u f f i c i e n t ，w h i c ht o s o m ee x t e n th o l db a c ki t s d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n c e r t a i nq u e s t i o n so nm e c h a n i s mo ft h eu l t r a h i g hs p e e d g r i n d i n ga r er e s e a r c h e dd e e p l yi nt h i sp a p e r , a l lt h a tc a nl a y at h e o r y f o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fu h s gi nc h i n a f i r s t l y , b a s e do nr e f e r r i n gt oal o to fr e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h i sp a p e r g i v e sa no v e r v i e wo f t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fu h s ga t h o m ea n da b r o a d ，s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo fu h s g , e x p o u n d st h ea p p l i c a t i o no fu h s go nh e d g ( h i g he f f i c i e n c yd e e p g r i n d i n g ) 、c y l i n d r i c a lg r i n d i n g 、q u i c kp o i n tg r i n d i n ge t c ，a n dl i s t st h e s i g n i f i c a n c e i i i 硕上学位论文 摘要 s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fu l t r a - h i g hs p e e di m p a c t a n dr e s u l t so fu h s ge x p e r i m e n t s ，t h em o d e lo fc h i p - f o r m a t i o nd u et o s h o c ki nq u a s i f l o wp h a s eu n d e ru h s gi se s t a b l i s h e d ，an e wm e c h a n i s m o fc h i p f o r m a t i o nu n d e ru h s gi sa d v a n c e d m a t e r i a l sa r er e m o v e db y t h es h e a ra c t i o no fg r i n d i n gg r a i n sc u t t i n ge d g eu n d e rg e n e r a lg r i n d i n g ， b u tt h i si sd o n eb yt h eh i g hs p e e di m p a c to fg r i n d i n gg r a i na n dw o r k p i e c eu n d e ru h s g , ae l l i p t i cf l o wp h a s eo fh i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ei ss h a p e di nf r o n to f a n db e l o wg r i n d i n gg r a i n ，i to v e r f l o w sf r o m t h ef r o n to ft h eg r i n d i n gg r a i na tt h eg r a i n se x t r u d i n ga n di sb r o u g h to u t f r o mt h eg r i n d i n ga r e aa n dc h i p sa r ec o m ei n t ob e i n g t h e r e f o r e ，u n d e r u h s c 丐m a x i m u mu n d e f o r m e dc h i pt h i c k n e s sa n dg r i n d i n gf o r c ea r e s m a l l ，g r i n d i n gw h e e li s m o r ed u r a b l e ，t e m p e r a t u r eo fg r i n d i n ga r e ai s h i g hb u tb u ml a y e ri sl i g h ta n d m a t e r i a lr e m o v a lr a t ei sh i 曲 t h e n ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c o fh e d g lt h e r m a lm o d e l so f h e d ga r es t u d i e d ，t e m p e r a t u r eo fg r i n d i n ga r e aa n dt e m p e r a t u r eo f g r i n d i n gg r a i na r ea n a l y z e db ye x p e r i m e n ta n dt h e o r yc a l c u l a t i o n ，t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt e m p e r a t u r eo fg r i n d i n ga r e ai sh i 曲e n o u g ht os o f t e n t h eg r o u n dm a t e r i a li nf r o n to ft h eg r a i ni nam o m e n ta n dq u a s i f l o w p h a s e e v e nf l o wp h a s e e m e r g e s ，a l l t h a tc a np r o v ei tc o r r e c tt h a t e s t a b l i s h i n gm o d e lo fc h i p f o r m a t i o nd u et os h o c ki nq u a s i f l o wp h a s e u n d e ru h s gi nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，b a s e do nt h et h e o r yo fs p e c i f i c e n e r g yc o m p o s i t i o n ，e n e r g yc o n s u m i n go fu h s ga n da f f e c tf a c t o r so f i v 硕士学位论文 摘要 s p e c i f i ce n e r g yu n d e ru h s g a r ea n a l y z e d f i n a l l y , g e n e r a t i o na n di n f l u e n c eo fg r i n d i n gh e a tu n d e ru h s g a r e s t u d i e d ，c o m m o n l yu s e dm e t h o d so fs u p p l y i n gc o o l a n t si n t og r i n d i n ga r e a a r eb r i e f l yi n t r o d u c e d e n h a n c i n gh e a tt r a n s f e ro fg r i n d i n gc o n t a c tz o n e b yr a d i a lje ti m p i n g i n gi se m p h a s i z e l yi n t r o d u c e db yr e v e a l i n gt h eh e a t t r a n s f e r r i n gm e c h a n i s mo fg r i n d i n gc o n t a c tz o n eu n d e ru h s c 毛t h e nt h e h e a tt r a n s f e re f f e c tb e t w e e ni ta n dn o r m a ls u p p l y i n gc o o l a n ti sc o m p a r e d c o m p r e h e n s i v e l y k e y w o r d s ：u l t r a - h i g hs p e e dg r i n d i n g ( u h s g ) ，g r i n d i n gt e m p e r a t u r e ， g r i n d i n gh e a t ，s p e c i f i ce n e r g y c o o l a n t v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：产氧 日期：多葫陴弓月i 弓日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， 不保密回。 学位论文作者签名： 于专数 日期：可年弓月l e t 指导教师签名 醐中乡月i 堋 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 通常将砂轮线速度大于1 5 0 m s 的磨削称为超高速磨削。超高速磨削是磨削 技术的革命性飞跃，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术；它 集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术于一体。超高 速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展很快，德国著名磨削专家t t a w a k o l i 博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。日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( c i r p ) 将超高速磨削技术确 定为面向2 1 世纪的中心研究方向之一。 1 1超高速磨削技术的发展概况 1 1 1 欧洲超高速磨削的发展状况 欧洲超高速磨削技术的发展起步较早，最初在2 0 世纪6 0 年代末期就开始进行 超高速磨削的基础研究，当时实验室磨削速度已达2 l o - - 2 3 0 m s 。2 0 世纪7 0 年代 末期，超高速磨削开始采用c b n 砂轮。意大利的f a m i r 公司在1 9 7 3 年9 月的西德汉 诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度1 2 0 r n s 的磨轴承内环外沟槽的高速 磨床。1 9 7 9 年德国b r e m e n 大学的w e m e r 教授撰文预言了高效深磨区存在的合理 性，由此开创了高效深磨的概念i l l 。1 9 8 3 年德国b r e m e n 大学出资由德 g u e h r i n g a u t o m a t i o n 公司制造了世界上第一台高效深磨的磨床，功率6 0 k w ，转速 1 0 0 0 0 r m i n ，砂轮直径4 0 0 m m ，砂轮线速度2 0 9 m s 2 1 。德 g u e h r i n ga u t o m a t i o n 公司于1 9 9 2 年成功制造出砂轮线速度为1 4 0 - - 1 6 0 m s 的使用c b n 砂轮的磨床，并 已试制成功线速度达1 8 0 m s 的样机。德国a a c h e n 大学、b r e m e n 大学在高效深磨 的研究方面取得了世界公认的高水平成果，其方法是用高线速度、深切入、快进 给进行磨削，可得到高效率、高质量的磨削效果 3 1 。据a a c h e n t 业大学实验室的 k o e i n g 和f e r l e m a n n 宣称，该实验室已经采用了圆周速度达到5 0 0 州s 的超高速砂 轮，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。另：9 1 b r a u n s c h w e i g 大学、 b e r l i n 工业大学等也在进行此方面的研究。 硕士学位论文第一章绪论 瑞士s t u d e r 公司开发的c b n 砂轮磨削线速度在6 0 m s 以上，并向1 2 0 一- 1 3 0 m s 方向发展。瑞士s 4 0 高速c b n 砂轮磨床，在1 2 5 m s 时高速磨削性能发挥最为充分， 在5 0 0 m s 也能照常工作。目前在实验室内正用改装的$ 4 5 型外圆磨床进行线速度 为2 8 0 m s 的磨削试验1 4 1 。德 k a p p 公司很早就对超高速磨床的研制进行过尝试， 目前该公司制造的高效深磨用超高速磨床利用3 0 0 m s 的砂轮周速在6 0 s 内对有1 0 个沟槽的成组转子毛坯完成一次磨削成形，砂轮寿命可完成转子加工1 3 0 0 个，宽 度精度为2 聊。s c h a u d t 公司以生产凸轮磨床、外圆磨床为主，曾在改装的t 3 型 磨床上进行了超高速磨削试验。n a x a su n i o n 公司为其高速磨床研制出变厚度 c b n 砂轮。另外，s o n gm a c h i n e r y 公司等也相继开发并推出了各类高速磨床【5 】。 1 1 2 美国超高速磨削的发展状况 美国6 0 年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1 9 6 7 年诺顿公司在市场上出售 线速度为6 1 m s 的砂轮和磨床。到7 0 年代初，6 0 m s 的磨床已有相当数量，7 0 m s ， 8 0 m s 乃至9 0 m s 的磨床也相继出现。辛辛那提一米拉克隆公司到1 9 6 9 年已生产了 1 0 0 多台高速磨床，其中有8 0 m s 的无心磨床。本迪克斯公司1 9 7 0 年生产了9 1 m s 的切入式高速磨床，在7 0 s 内就可以从汽车轴的六个面上磨掉1 磅( 约4 5 4 9 ) 的金 属。1 9 7 1 年，美国c a r n e g i e m e l l o n 大学制造了一种无中心孔的钢质轮，在其周边 上镶有砂瓦，其试验速度可达1 8 5 m s ，工件速度1 2 5 m s ，用于磨削不锈钢锭和切 断，也可用于外圆磨削。1 9 9 3 年，美国的e d g e t e k m a c h i n e 公司首次推出的超高速 磨床，采用单层c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 3 m s ，用以加工淬硬的锯齿等可以 达到很高的金属切除率。美国c o n n e c t i c u t 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨 床，最高磨削速度2 5 0 m s 。2 0 0 0 年美国马萨诸塞州立大学的s m a l k i n 等人，以 1 4 9 m s 的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅研究砂轮的地貌和磨削 机理【6 1 ，至2 0 0 0 年，t w h w a n g 等人一直在进行超高速磨削研究【7 1 。 目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用c b n 砂轮。可实现以1 6 0 m s 的 速度、7 5 肌朋3 m 聊s 的磨除率，对高温合金i n c o n e l 7 1 8 进行高效磨削，加工后 r 。1 2 研，尺寸公差1 3 肌。此外采用直径4 0 0 m m 的陶瓷c b n 砂轮，以1 5 0 - - - 2 0 0 m s 的速度磨削，可达到r 。0 8 z m ，尺寸公差2 5 - 5 聊。美国高速磨削的 2 硕士学位论文第一章绪论 一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。传统的方法是采用多工序磨削，而高 速磨削试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高质量的氮 化硅陶瓷零件。 1 1 3 日本超高速磨削的发展状况 日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性 能更感兴趣。它的磨除率普遍都维持在6 0 m m 3 聊聊j 以下，这是与欧洲超高速 磨削工艺的显著差别。日本7 0 年代中期，不少工厂生产4 5 m s 和6 0 m s 的磨床，如 日平产业公司生产了5 r 1 6 x3 6 型曲柄销高速磨床( 6 0 r t g s ) ，三井精机于1 9 7 2 年 生产了8 0 m s 的高速磨床，切入成型磨铸铁工件，加工时间仅为5 9 s 。1 9 8 5 年前后， 在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了8 0 m s 。1 9 9 0 年1 0 月底在第五届“日本国 际机床展览会”上，日本推出了1 2 0 m s 的高速磨床。之后，开始开发1 6 0 m s 以上 的超高速磨床。1 9 9 3 年前后，使用单颗粒金刚石进行了2 5 0 m s 的超高速磨削试验 研究。1 9 9 4 年使用铍( b e ) 芯金刚石砂轮进行了超高速磨削研究。1 9 9 6 年日本又 推出了1 2 5 m s 的c b n 砂轮平面磨床 s l 。 日本在超高速磨削领域处于国际领先地位，丰田工机在其开发的g 2 5 0 型c n c 超高速外圆磨床上装备了其最新研制的t o y o d as t a rb e a r i n g 轴承，使用2 0 0 m s 的 陶瓷结合剂c b n 砂轮，对回转类零件进行高效高精度柔性加工。日本的三菱重工、 冈本机床制作所等公司均能生产应用c b n 砂轮的超高速磨床，日本的三菱重工推 出的c a 3 2 u s o a 型c n c 超高速磨床，采用陶瓷结合剂砂轮圆周速度达到了 2 0 0 m s 。日本广泛地用c b n 砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、 省力和无人化。至2 0 0 0 年，日本已进行5 0 0 r r y s 的超高速磨削试验。2 0 0 2 年s h i n i z u 等人，为了获得超高速磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起：一 根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相 对磨削速度为k + 圪的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1 0 0 0 m s t 9 1 。 这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。日本超高速磨削速度的进展如表卜1 所示。 硕士学位论文第一章绪论 表i - 1 日本超高速磨削的发展 年代7 0 年代8 0 年代9 0 年代2 0 0 0 年- 2 0 0 2 年2 0 0 2 年以后 磨削速度( m s ) 4 5 8 08 01 2 0 - 2 5 04 0 0 - 5 0 0 5 0 0 一1 0 0 0 表中为报道的实验室所研究的最高速度 i 1 4 我国超高速磨削发展的状况 我国超高速磨削起步较晚，总体发展情况不如欧洲、美国和日本，表i - 2 给 出了国内从5 0 年代开始至今的发展概况。 表i - 2 国内超高速磨削的发展 年代5 0 、6 0 年代7 0 年代8 0 年代9 0 年代2 0 0 0 年以后 磨削速度( r i g s ) 5 05 0 - 1 2 5 8 02 0 0 2 5 0 表中为报道的实验室所研究的最高速度 我国自1 9 5 8 年开始推广高速磨削技术，当时第一汽车厂、第一砂轮厂、第二 砂轮厂等相继试制成功5 0 m s 高速砂轮，并进行了磨削试验。1 9 6 4 年，郑州磨料 磨具磨削( 三磨) 研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了5 0 r n s 高速磨削试验，在机 床改装和工艺等方面获得一定的成果。 1 9 7 4 年在洛阳召开了全国高速磨削经验交流和推广会议。在这期间，华中工 学院、郑州磨料磨具磨削研究所等先后进行了5 0 - - 6 0 m s 的磨削试验，湖南大学 进行了6 0 , - - 一8 0 m s 高速磨削试验。1 9 7 5 年1 0 月，河南省南阳机床厂试制成功了 m s l 3 2 型8 0 m s 高速外圆磨床。1 9 7 6 年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具 磨削研究所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究 所等组成高速磨削试验小组，对8 0 r i d s 、l o o r r g s 高速磨削工艺进行了试验研究。 与此同时，上海机床厂设计制造了m b s a l 3 3 2 型8 0 m s 半自动高速外圆磨床，磨削 效率达到了车削和铣削的生产率。与此同时，东北大学与阜新第一机床厂合作， 研制成功f 1 1 0 1 型6 0 m s 高速半自动活塞专用外圆磨床。至1 9 7 7 年，全国已有1 7 个省市7 7 0 台磨床采用5 0 m s 的高速磨削技术。 1 9 8 2 年1 0 月，湖南大学进行了6 0 m s 高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发 展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。八十年代初， 东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的y l m 一1 型双面 立式半自动修磨生产线，磨削速度达到8 0 州s ，磨削压力在2 5 0 0 5 0 0 0 n 以上。 4 硕士学位论文 第一章绪论 至1 9 9 5 年，汉江机床厂使用陶瓷结合齐u c b n 砂轮，进行了2 0 0 m s 的超高速磨 削试验。广西大学于1 9 9 7 年前后开展j 8 0 m s 的高速低表面粗糙度的磨削试验研 究工作。至2 0 0 0 年湖南大学一直在开展高速磨削研究工作i i o l 。在2 0 0 0 年中国数 控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达1 2 0 m s 的数控凸轮轴磨床。从 2 0 0 2 年开始，湖南大学开始针对一台2 5 0 m s 超高速磨削主轴系统进行超高速研 究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计【l l 】。2 0 0 1 年，广西大学开展了高速磨削 表面微观形貌的研究眦l 。 1 2 超高速磨削的特点和优越性 1 2 1 超高速磨削的特点 随着砂轮转速加快，即磨削速度提高，每一磨粒( 相当于铣刀刀齿) 磨下的 磨屑厚度将变薄，磨粒切入工件的干涉切入角将变小；与此同时，在单位时间内 参与切削的磨粒数将增加，而每一磨粒切下的磨屑长度则没有多大变化，这表明， 在超高速磨削条件下，如果其它参数保持不变，则会使磨下的磨屑明显变细变薄， 其断面积将仅为正常磨屑的几十分之一，这时每个磨粒所受的磨削力也大大变小 了】；如果我们通过调整参数使磨屑厚度保持不变，则有作用磨粒数增加，即 在同样时间内产生的磨屑增多而大大提高磨削效率。 由于磨削速度比切削速度高得多，而且是断续切削，所以每一磨屑的形成时 间很短。例如当砂轮直径为4 0 0 m m ，切深为0 1 m m 时，在3 0 m s 速度下磨削， 一个磨屑的形成时间仅0 2 m s ，如果在1 5 0 m s 超高速磨削条件下，这一时间更 短，仅仅为0 0 4 m s 。在这一极短的时间内完成的磨屑的高应变率( 可以近似认 为等于磨削速度) 形成过程，将有一些不同于普通磨削的特殊表现。例如，会使 工件表面塑性变形层变浅，磨削沟痕两侧塑性流动而形成的隆起高度变小，使磨 屑形成中的耕犁和滑擦距离变小，以使工件表层硬化及残余应力倾向减小。 特别是超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度快了几倍，工件速度也大大 加快，加上应变率响应滞后，会使工件表面磨削温度有所降低，能越过容易发生 热损伤的区域，从而极大地扩展了磨削工艺参数的应用范围1 1 4 1 。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 超高速磨削的优越性 超高速磨削由于磨粒相对于工件运动的速度已经接近于压应力在材料中的 传播速度，所以会使工件材料变形区域明显变小，消耗的切削能量更集中于磨屑 的形成，会使切除单位体积材料需要的能量变小；材料变形能转化的热量也更集 中在磨屑中，使传入工件的热量比例减少。另外，由于磨粒运动速度很快，变形 区域的应力和热量来不及向工件传导，变形区域热量集中，应变率提高，相当于 在高速绝热冲击条件下完成切削，使材料更易于磨除，并使难磨材料的可磨性改 善。这一切使超高速磨削具有突出的优越性1 1 5 。 ( 1 ) 材料磨除率非常高，磨削效率大幅度提高。例如，在超高速外圆磨床 上由毛坯直接磨成曲轴，每分钟可磨除2 k g 金属，生产效率大大高于普通车削。 特别是在采用超高速( 1 5 0 r r g s - - - 2 5 0 r r g s ) 的同时，采用快速进给( 0 5 - 一1 0 r r d m i n ) 和大切深( 可至3 0 m m ) 的高磨削参数，可获得超过缓进给深磨近百倍的极高磨 除率。它能由毛坯一次加工成形，加工时间仅为车削、铣削的5 2 0 。不同 磨削方法的效率和参数范围的比较见表卜3 。 表卜3 不同磨削工艺的效率和参数 磨削参数普通磨削缓进给磨削 h e d g 磨削 磨削深度( m m ) o 0 0 1 o 0 50 1 3 00 1 3 0 工件进给速度( m m i n ) 0 3 0o 0 5 o 50 5 1 0 砂轮周速( m s ) 2 0 6 02 0 6 0 8 0 2 5 0 比金属磨除率 0 1 l o 2 2 0 5 0 2 0 0 0 ( 6 0 m m 3 m m s ) ( 2 ) 磨削力和比磨削能小，工件受力变形小，工件加工精度高。在切深相 同时，磨削速度2 5 0 m s 磨削时的磨削力比磨削速度1 8 0 r n s 时磨削力降低近一倍。 ( 3 ) 砂轮磨损少，使用寿命长。超高速条件使单颗磨粒受力小，使砂轮磨 损非常慢，极大地延长了砂轮寿命。磨削力一定时，2 0 0 r i g s 磨削砂轮的寿命是 8 0 m s 磨削的两倍；磨削效率一定时，2 0 0 m s 磨削砂轮的寿命则是8 0 m s 磨削的7 8 倍【1 6 1 。这不仅可降低成本，而且有利于实现磨削自动化。 ( 4 ) 磨削表面粗糙度值会随砂轮速度提高而降低，在其他条件一定而磨削 6 硕士学位论文第一章绪论 速度分别为3 3 “s 、1 0 0 r n s 、2 0 0 m s 时，磨削后表面粗糙度分别为r o2 0 9 i n 、 见1 4 z m 和兄1 1 z m ，超高速磨削条件下尼值最小。 ( 5 ) 超高速磨削工件表面温度低，受力受热变质层很薄，所以其表面加工 质量有很大提高，具有好的表面完整性。使用c b n 砂轮2 0 0 m s 超高速磨削钢件的 表面残余应力层深度不足1 0 研。 ( 6 ) 超高速磨削实现的极小的磨粒切深，可以使陶瓷等脆性材料不再以脆 性断裂，而是以塑性材料变形的形式产生磨屑，高效率地对硬脆材料实现延性域 磨削。另外，对高塑性和难磨材料，也会在高应变率响应的作用下，改善磨削加 工性能，具有良好磨削表现。 正是上述这些突出的优越性，使得超高速磨削可以成为既获得高效率，又达 到高精度，同时能对各种材料和形状进行加工的最佳磨削方法。因此，使用c b n 磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，是先进制造技术的前沿之 一o 1 3 超高速磨削的应用 正是由于超高速磨削具有前述诸多特点和优越的表现，使它从一出现就受到 人们的重视，并被迅速应用于实际生产中，其实际应用领域主要有以下几个方面。 1 3 1 高效深磨 高效深磨是超高速磨削最早的应用领域。它是8 0 年代末由德国g u e h r i n g a u t o m a t i o n 公司最先在缓进给深磨基础上发展起来的。开始是使用树脂结合剂氧 化铝砂轮，8 0 m j s - 一1 0 0m s 的高速来进行钻头螺旋沟槽的深磨。由于它可以使用 比缓进给快得多的进给速度，生产效率有大幅度提高1 1 7 1 。后来，又进一步在c b n 砂轮基础上，开发出高达2 0 0m s - - 一3 0 0n g s 的超高速深磨磨床。现已成功地用于 丝杆、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。这一磨削方法还可以借 助c n c 系统完成更复杂型面的加工1 1 8 1 。 1 3 2 超高速外圆磨削 超高速外圆磨削是使用2 0 0 m s 以上的砂轮线速度和c b n 砂轮，配以高性能 c n c 系统和高精度微进给机构，对阶梯轴、曲轴等零件的外圆回转表面进行磨 7 硕士学位论文 第一章绪论 削加工的方法。它能够在保证高的加工精度，又能获得高的加工效率【1 9 1 。 在这一领域的技术日本较为领先，已成功应用于汽车工业部门，并获得很好 的加工效果。例如，使用丰田工机株式会社生产的g c h 6 3 b 型c n c 超高速外圆 磨床来磨削加工余量达5 m m 的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达1 7 4 m m 3 m m j ， 砂轮磨削比可达3 3 5 0 0 。以表面粗糙度r ：= 3 朋为上限，砂轮经过一次修整可 连续磨削6 0 个工件，磨后表面呈现残余压应力。这种从毛坯一次直接磨为成品 的方法省去了车削工序及工序间半成品的周转和积压，对生产管理和降低成本具 有更重要的意义，并可在相当程度上改变现有机械加工方法和工艺【2 0 l 。 1 3 3 超高速点磨削 高速数控点磨削( q u i c k - - p o i n tg r i n d i n g ) 工艺和设备，是集数控技术、c b n 超硬磨料、超高速磨削三大先进技术于一身的，主要用于轴类零件高效率、高柔 性加工的先进工艺技术和装备，是数控磨削技术的新发展。 超高速数控点磨削工艺是由德国j u n k e r 公司首先发展起来的一种超硬磨料 高速高效率磨削新工艺【2 1 1 。该工艺采用很高的砂轮磨削速度( 一般1 5 0 r n s 或更 高) 和几个毫米宽的薄超硬磨料( c b n 或金刚石) 砂轮，充分利用超硬磨料的 高硬度、高耐磨性优势，来提高加工效率。砂轮轴线在水平和垂直方向还与工件 轴线形成一定的倾角，使薄砂轮与工件间的短的线接触变成点接触( 这是点磨削 名称的由来) ，以很小的磨削接触区面积和至少两轴的数控运动，完成对旋转工 件的磨削加工。 超高速数控点磨削工艺独具匠心地采用几个毫米宽的薄砂轮，不但有利于降 低砂轮重量和不平衡度，使主轴系统受力降低：还使裹附在高速旋转的砂轮周边 的空气层的压力大为降低，减少高速砂轮的旋转阻力，使冷却和润滑作用更有效。 另外，砂轮宽度减小使磨削力减小，等于增加了机床刚度，使磨削平稳，也提高 了砂轮寿命和加工质量。而砂轮宽度降低所损失的磨削效率能被提高磨削速度抵 偿有余，而超硬磨料砂轮的优点却得以充分发挥。 超高速数控点磨肖i j 采用电镀或钎焊的单层超硬磨料砂轮，允许进行1 5 0 m s 以上的超高速磨削。在这种速度下磨削除了会有极高的切除率和砂轮寿命外，大 量热量被保持在切屑中带走，是一种冷态磨削，使加工精度和表面质量提高，甚 硕士学位论文 第一章绪论 至可以真正实现干磨削。 超高速数控点磨削工艺适于回转体零件的高效率加工。典型的应用有回转工 具类( 铣刀、钻头等) 、法兰盘类、轴类( 细长轴、齿轮轴、凸轮轴等) 等零件 的加工，它能达到的技术指标为：最高磨削比( 磨除的工件材料和消耗的砂轮的 体积比) 可达6 0 0 0 0 ，最长砂轮使用寿命可达1 年，砂轮两次修整间磨削的工件 数可达2 0 0 0 0 件。该工艺能对钢、铸铁、铝、玻璃、塑料等各种材料进行加工， 有很高的金属切除率和加工柔性，与数控车削一样在一次装夹中可以完成工件上 所有外形的加工，能同时磨削出零件的外圆、锥面、台肩、凸轮表面和螺纹等， 使零件加工工序大大减少。同时冷却效果极佳，表面质量很好。它还可以在相对 位置装有两个砂轮同时磨削工件，能对淬硬钢加工，使热处理后的工件车磨工序 合并，更进一步提高加工效率。所以，超高速数控点磨削机床是数控车削技术发 展进化的重要方向，有广阔的应用和发展前景 2 2 1 。目前它在国外汽车工业、工 具行业等中已得到普遍应用。我国个别汽车制造企业也引进了这一工艺和设备。 1 3 4 硬脆材料与难加工材料超高速磨削 随着现代高科学技术及产业化的发展，工程陶瓷、功能陶瓷、单晶硅、红蓝 宝石和光学玻璃等一大批硬脆材料获得日益广泛的应用，并对机械加工提出更高 的要求。用高硬磨料对硬脆材料进行磨削加工已成为几乎唯一的加工手段。在普 通磨削条件下，由于磨粒浸入工件材料较深，所以其磨屑的生成主要是以材料脆 性细裂纹形式完成的。这不仅使磨削表面粗糙度降低，更重要的是留在工件表面 上的大量微细裂纹会大大降低材料的韧性和疲劳强度，损害零件的使用功能。在 超高速磨削中，由于每一磨粒的切屑厚度极薄，用来a n t 硬脆材料时则可以以塑 性变形的方式产生磨屑，去除材料，这会大大改善加工表面质量。另外，因超高 速磨削作用磨粒数大大增加，磨削效率也高于普通磨削。例如，用金刚石砂轮以 1 6 0 r i d s 的超高速磨削氮化硅陶瓷可获得比8 0 r i g s 磨削高一倍的磨削效率，砂轮 寿命为8 0 r i g s 和3 0 r i d s 磨削时的1 5 6 倍和7 倍，磨削表面质量也好。用超高速 磨削加工光学玻璃也获得同样的效果。这是超高速磨削的一个很有发展前途的应 用领域。 在材料科学发展的推动下，镍基耐热合金、钛合金等在航空航天和动力工程 中应用越来越广泛，对于难加工金属及其合金的磨削需求也更加迫切。但其金属 9 硕士学位论文第一章绪论 活性大、热导率低等一些因素影响，它们的可加工性都很差，加工成本很高。另 外如铝合金这类较软的金属，进行磨削加工很困难。而在超高速磨削条件下，由 于磨屑形成过程极其短暂、材料应变率已经接近塑性变形应力波传播的速度，相 当于材料塑性减少了，结果使这类材料的磨削加工变得容易多了。在4 2 届国际 生产工程研究学会年会的磨削委员会主题报告会中就明确指出，对耐热合金、铝 合金难加工材料的高效磨削，应该是超高速磨削的重要应用领域。 由以上几方面超高速磨削实际应用介绍可以看出，超高速磨削在机械制造领 域有着重要应用价值和广泛应用前景，是现代制造技术中的一个非常重要方面。 1 4 本课题的提出和意义以及主要研究内容 1 4 1 本课题的提出和意义 ( 1 ) 课题的提出 超高速磨削是磨削领域要求最高、难度最大但有独特加工效果的现代磨削技 术，是最重要的先进制造技术之一。超高速磨削以极高的磨削效率、极大的砂轮 磨削比和良好的加工表面完整性，而与传统磨削方式形成了很大的差别。国际上 德国、美国和日本等发达国家对超高速磨削的研究与应用给予了高度重视，投巨 资开展超高速磨削的理论与实验研究，开发超高速磨床并已进入实用化阶段。 超高速磨削的磨削机理研究，是磨削领域研究的难点。多年来国内外学者对 超高速磨削机制的研究投入了大量的精力，也取得了许多研究成果，但对于超高 速磨削的许多机理到目前为止还不十分清楚，尚有大量的问题有待进一步研究并 加以解决。 国内开展超高速磨削的单位少，研究人员队伍小，目前只有东北大学蔡光起 教授领导的研究人员和湖南大学部分人员在开展这方面的研究。为了适应我国赶 超世界先进制造技术水平，迫切需要对超高速磨削加工过程中的磨屑形成规律、 磨削过程传热机制和磨削温度、加工精度、表面完整性等进行深入的研究，以揭 示超高速磨削的加工机理，进一步建立完整的超高速磨削理论体系，为优化加工 工艺、充分发挥超高速磨削的优势，为磨削系统的设计提供理论和实验依据。鉴 于此，本课题选定“超高速磨削机理的研究”，以期对超高速磨削机理研究中的 若干问题进行深入的研究，并将研究成果献给我国超高速磨削加工事业，为我国 超高速磨削技术水平的提高提供参考。 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 研究意义 对超高速磨削机理中的若干问题进行较系统的理论和实验研究，对我国超高 速磨削的理论和工艺技术的发展以及磨削设备的设计具有十分重要的现实意义。 对提高我国磨削加工技术水平，具有重要的推动作用。因此积极开展超高速磨削 基础理论研究和实验研究，对于推广应用超高速磨削工艺，减少工件烧伤，提高 零件加工质量，合理选择加工参数，提高生产效率，都具有非常重要的意义。对 解决超高速磨削关键技术亦具有重要的指导意义。 1 4 2 本文的主要内容 ( 1 ) 综述了超高速磨削国内外的发展历程和现状，总结了超高速磨削的特 点和优越性，阐述了超高速磨削在高效深磨、外圆磨削、点磨削及硬脆材料和难 磨材料上的应用，并对课题意义进行了论述。 ( 2 ) 根据超高速冲击机理，构建了超高速磨削准流动相冲击成屑模型，提 出了超高速磨削条件下磨屑形成的新机理。 ( 3 ) 研究了高效深磨的热模型，用实验方法和理论计算方法对高效深磨条 件下磨削区温度和磨削点温度及其宏观输出机理进行了较深入的探讨。 ( 4 ) 应用比磨削能构成理论，分析了超高速磨削的能量消耗。对超高速磨 削条件下比磨削能的影响因素进行了一定的分析。 ( 5 ) 研究了超高速磨削中磨削热的产生及其影响，介绍了将磨削液注入磨 削区的8 种常用方法，通过揭示超高速磨削弧区