（机械制造及其自动化专业论文）超高速数控点磨削型机理与砂轮磨损仿真研究.pdf

j at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s i m u l a t i o ns t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i s m a n dw h e e lw e a ro fs u p e r h i g h - - p o i n tg r i n d i n g b yw a n gj i n b a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg o n gy a d o n g n or t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 06 册234舢8 iiii脚y 忪， l ， ， - ； 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：捡整 日 期：加8 易弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：至金r 襄 签字e l 期： 沙好、g 、弓。 导师签名： 签字日期： y ， 0 ， f t 东北大学硕士学位论文 摘要 、 i 超高速数控点磨削成型机理与砂轮磨损仿真研究 摘要 超高速数控点磨削是超高速磨削的一种更为先进、高效的磨削方式，融合了 数控技术、c b n 砂轮技术和超高速磨削技术等先进技术。点磨削具有磨削力小、 磨削温度低等优点，主要用于轴类零件的加工。目前已在国外汽车、机床及工具 制造业中取得应用，但仍处于起步发展阶段，特别是对其磨削机理、磨削质量控 制等方面的研究及相关技术信息鲜见报道。我国少数汽车制造企业针对特定零件 的加工也全套引进了这一工艺及设备，但由于不掌握其核心技术及理论，不能进 行工艺开发，应用范围有限。因此该项新工艺的许多关键技术及理论、新的应用 领域有待于进一步开发和研究。 超高速数控点磨削工艺的工作原理是：在水平和垂直两个方向上，要求砂轮 轴线与工件轴线形成夹角。目的是使砂轮与工件间理论上是一点接触，在数控装 置控制下砂轮精确进给，完成整个外圆表面的磨削。快速点磨削过程中点磨削变 量角的存在，使得砂轮与回转形工件表面形成理论上的点接触，其磨削几何学， 砂轮磨损特性等与常规磨削方式有很大的区别。点磨削变量角将显著影响磨削区 形状、面积、方位，因而也将影响磨削力、磨削热、工件表面的完整性及砂轮磨 损特性等。 本文首先阐述了超高速磨削技术和快速点磨削工艺的发展状况、特点及应用 状况，总结了快速点磨削的相关技术和机床特性，并结合点磨削工艺的实际发展 状况提出本课题的研究意义、研究内容等。在对超高速数控点磨削工艺的原理和 机理特征进行剖析的基础上，对超高速数控点磨削及其砂轮特性进行较深入研究， 重点研究了点磨削砂轮磨削刃的结构特征。 其次，侧重于从磨削几何学的角度对点磨削进行分析，通过对其进行建模， 推导出砂轮当量直径、最大接触弧长以及未变形切屑厚度等参数，对点磨削接触 区域进行了分析与仿真，分析总结出了点磨削变量角和磨削深度对点磨削接触区 域的形状和面积的影响规律。 再次，结合超高速数控点磨削的特点，通过对点磨削砂轮的磨损特性的分析， 研究了点磨削砂轮磨损的主要影响因素，得出点磨削砂轮磨损的规律和趋势，提 出了减小砂轮磨损的途径。 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 最后，对点磨削精度和表面质量特性进行分析研究。对点磨削过程中工件的 尺寸精度和表面粗糙度进行了研究，分析了一些主要参数对它们的影响规律，探 讨了提高尺寸精度和降低表面粗糙度的措施。 关键词：快速点磨削；超高速数控点磨削；接触区；砂轮磨损；表面粗糙度 i i i | ， - f s i m u l a t i o ns t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dw h e e lw e a r o fs u p e r h i g h - p o i n tg r i n d i n g a b s t r a c t s u p e r h i g h p o i n tg r i n d i n gi sm o r ea d v a n c e da n dm o r ee f f i c i e n c y a sam e t h o do f s u p e r h i g hs p e e dg r i n d i n g ，w h i c hi n t e g r a t e ss u p e ra b r a s i v ew h e e l ，s u p e r h i g hs p e e d g r i n d i n ga n dc n ct e c h n o l o g y i t sm a i ng r i n d i n gp r o p e r t i e sa r el o wg r i n d i n gf o r c e s a n dt e m p e r a t u r ea n dn o wi ti sm a i n l yu s e di ng r i n d i n gs h a f t s n o wt h ep r o c e s sh a s b e e n a p p l i e d i na u t o m o b i l ea n dt o o lm a n u f a c t u r i n ga b r o a d b u t ，t h e r e i r ef e w i n f o r m a t i o na n dr e p o r t sa b o u tt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s ma n dp r o c e s so ft h en e w t e c h n o l o g yi n t h ew o r l d s o m ev e h i c l e sm a n u f a c t u r i n gg r o u p si n c h i n ah a v e i n t r o d u c e dt h i sn e wt e c h n i q u et om a c h i n es i n g l ep a r tw i t hb e t t e rb e n e f i t s b e c a u s e t h e yh a v en o tp o s s e s s e dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h et h e o r i e so fq u i c k 。p o i n tg r i n d i n g ， t h ew h o l ee q u i p m e n ta n dt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e sh a v et or e l yo ni m p o r t ，a n dt h e a p p l y i n gf i e l d so ft h eg r i n d i n gp r o c e s sa r el i m i t e d t h e r e f o r e ，t h eg r i n d i n gm e c h a n i s m a n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e so fq u i c k p o i n tg r i n d i n gn e e dt os t u d ya n de x p l o r em o r e i n c h i n a ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h et h e o r i e sa n dt h ea p p l i c a t i o n so fq u i c k p o i n t g r i n d i n gd e e p l ya n dm a s t e rt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sf o ri m p r o v i n gt h ee q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fs u p e r h i g h p o i n tg r i n d i n gi s ：t h e r ea r ea n g l e s b e t w e e nt h ea x i so fw o r k p i e c ea n dt h ea x i so fw h e e li nt w od i r e c t i o n s ，b o t hi nt h e h o r i z o n t a lp l a n ea n di nt h ev e r t i c a lp l a n e t h ep u r p o s ei sm a k i n gt h ec o n t a c ta r e ao f t h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c eb e i n go n l yap o i n t a n dt h eg r i n d i n gw h e e lc a nb e c o n t r o l l e db yc n cs y s t e mt og r i n dt h ew h o l ec o m p l i c a t e dc y l i n d r i c a ls u r f a c e s i n c e t h ep o i n t g r i n d i n ga n g l e se x i s t e n c ei nq u i c k p o i n tg r i n d i n g ，i ti st h ep o i n tc o n t a c t b e t w e e nt h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c e t h em e c h a n i s m so fg e n e r a t i n gs u r f a c ea n d m a t e r i a l sr e m o v a l ，w e a rp e r f o r m a n c eo ft h ew h e e li nt h ep r o c e s si sd i f f e r e n tf r o m t h o s ei nc o n v e n t i o n a lc y l i n d r i c a lg r i n d i n gp r o c e s s b e c a u s eo fp o i n t g r i n d i n ga n g l e s ， t h e r ea r ee f f e c t so nc o n t a c tl a y e rm o d e l ，g r i n d i n gf o r c ea n dh e a t ，w o r ks u r f a c e i n t e g r i t ya n dw e a rp e r f o r m a n c e i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e rg i v e sa no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t 、t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e a p p l i c a t i o no fs u p e r h i g hs p e e dg r i n d i n ga n dq u i c k p o i n tg r i n d i n g ，s u m m a r i z e st h e r e l a t e dt e c h n o l o g ya n dm a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c so fq u i c k - p o i n tg r i n d i n g w i t ht h e a c t u a ld e v e l o p m e n to fq u i c k p o i n tg r i n d i n g ，t h ec o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c r e s e a r c hw e r ea l s oi n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h e a n a l y s i s o fp r i n c i p l ea n d m e c h a n i s mo f s u p e r h i g h p o i n tg r i n d i n g ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r h i g h - p o i n t ， g r i n d i n ga n dw h e e l ，e s p e c i a l l yt h es p e c i a lc h a r a c t e ro fw h e e lc u t t i n gp o i n t ，w e r e r e s e a r c h e d s e c o n d l y ，t h i sp a p e re m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo nt h ea b r a s i v eg e o m e t r ya n a l y s i so n 、 t h eq u i c k - p o i n tg r i n d i n g a f t e rf o u n d i n gam o d e l ，t h i sp a p e rh a se d u c e de q u i v a l e n t w h e e ld i a m e t e r ，m a x i m u mc o n t a c tl e n g t h ，u n d e f o r m e dc h i pt h i c k n e s s ，a n ds oo n t h e a r e ao fc o n t a c tz o n ew a s a n a l y z e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h er u l eo fp o i n t - g r i n d i n ga n g l e s a n dg r i n d i n gd e p t ha f f e c t st h ef o r ma n da r e ao fc o n t a c tz o n ew e r es u m m a r i z e d t h e n ，w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r h i g h - p o i n tg r i n d i n ga n da n a l y s i so fw h e e l w e a r ，m a i nf a c t o r s a f f e c t sw h e e lw e a rw e r er e s e a r c h e d ，t h er u l eo fw h e e lw e a ri s o b t a i n e d ，a n dt h ew a y t or e d u c ew h e e lw e a rw e r ea d v a n c e d a tl a s t ，t h e a c c u r a c ya n d s u r f a c e q u a l i t yo fs u p e r h i g h - p o i n tg r i n d i n gw e r e r e s e a r c h e d ，s i z ep r e c i s i o n a n ds u r f a c e r o u g h n e s s i n q u i c k - p o i n tg r i n d i n g a r e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee f f e c t i v em e c h a n i s mo fs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so nt h e ma r e s t u d i e d ，t h ew a yt oh i g h e rs i z ep r e c i s i o na n dl o w e rs i z ep r e c i s i o na r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：q u i c k p o i n tg r i n d i n g ；s u p e r h i g h - p o i n tg r i n d i n g ；c o n t a c tz o n e ；w h e e l w e a r ；s u r f a c er o u g h n e s s - v ， j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a bs t r a c t 第1 章绪论1 1 1 超高速磨削技术发展概述1 1 2 超高速磨削的特点与应用1 1 2 1 超高速磨削的特点l 1 2 2 超高速磨削的应用一2 1 3 快速点磨削工艺的概述5 1 3 1 快速点磨削工艺的发展状况一5 1 3 2 快速点磨削的特点概述6 1 3 3 快速点磨削相关技术与机床特点6 1 4 课题的提出与研究意义一9 1 5 论文的主要研究内容l o 第2 章点磨削及其砂轮特性研究1 2 2 1 超高速数控点磨削的原理与机理特征1 2 2 1 1 超高速数控点磨削工艺的原理j 1 2 2 1 2 超高速数控点磨削的机理特征1 3 2 2 超高速数控点磨削工艺的应用研究1 3 2 2 1 难加工材料的超高速数控点磨削1 3 2 2 2 复杂回转表面的点磨削加工1 5 2 2 3 面向绿色制造的点磨削加工1 6 2 3 超高速数控点磨削砂轮1 6 2 3 1 磨料和结合剂的选择：1 6 2 3 2 点磨削砂轮基体的设计和选择1 8 v i 东北大学硕士学位论文目录 2 - 3 3 点磨削砂轮磨削刃的结构特征2 0 第3 章点磨削的几何学分析与仿真2 2 3 1 点磨削几何学特征2 2 3 1 1 砂轮当量直径2 2 3 1 2 砂轮一工件接触弧长2 4 3 1 3 磨粒未变形切屑厚度2 5 3 1 4 砂轮周边各点切削深度2 7 3 2 点磨削接触区域分析2 9 3 2 1 点磨削接触区形状和面积公式2 9 3 2 2 接触区面积与各主要参数关系分析3 6 3 2 3 点磨削接触区域对磨削过程的影响4 0 第4 章点磨削砂轮磨损特性分析4 1 4 1 砂轮磨损机理分析4 1 4 1 1 砂轮磨损机理分析现状4 1 4 1 2 砂轮磨损形式及原因4 1 4 1 3 砂轮磨损特征4 4 4 2 点磨削砂轮磨损特性分析4 5 4 2 1c b n 磨料砂轮的磨损特性4 5 4 2 2 点磨削砂轮的磨损特性4 6 4 3 快速点磨削过程中的磨削力4 7 4 4 点磨削砂轮磨损规律分析5 2 4 4 1 点磨削砂轮的磨损规律5 2 4 4 2 减小点磨削砂轮磨损的途径5 3 第5 章点磨削精度与表面质量特性研究5 4 5 1 点磨削尺寸精度分析5 4 5 1 1 外圆纵向磨削尺寸生成机理5 4 5 1 2 点磨削外圆尺寸生成机理5 6 5 1 3 提高点磨削尺寸精度的措施5 7 5 2 点磨削表面粗糙度分析5 8 v i i ， 东北大学硕士学位论丈 目录 5 2 1 磨削表面粗糙度的影响因素5 8 5 2 2 点磨削表面粗糙度与主要影响参数的关系5 9 5 2 3 降低点磨削表面粗糙度的措施6 2 第6 章结论与建议6 3 6 1 结论6 3 6 2 建议6 3 参考文献6 5 致谢6 9 v i i i t ， ， ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 超高速磨削技术发展概述 超高速) ) i i ( u l t r a h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) 的概念是由德国切削物理学家c a r l j s a l o m o n 博士于1 9 3 1 年首先提出的，他断言当切削速度越过“热沟区所对应的 速度后，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降。他的预言对后来的超高速 磨削的发展指明了方向，为超高速磨削领域的技术研究开辟了广阔的空间。 超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验 技术的高度集成，超高速磨削技术是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的 革命性变革。国外将超高速磨削誉为“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。在1 9 9 6 年国际生产工程学会 ( c i r p ) 年会上超高速磨削技术被正式确定为面向2 1 世纪的中心研究方向之一，是 当今在磨削领域最为引人注目的技术【l 】。 随着c b n 的大量应用和磨削理论研究深入及磨床制造水平的提高，2 0 世纪9 0 年代以来超高速磨削技术再次受到广泛关注，德、美、日、瑞士等工业发达国家 已经实现了15 0 m s 2 5 0 m s 的工业实用化磨削速度；实验室内磨削速度达到 5 0 0 m s ，从而进入超高速磨削技术的崭新阶段【2 j 。 2 0 世纪9 0 年代起，我国东北大学在国家自然科学基金支持下开展了超高速磨 削技术研究，研制成功液体动静压轴承主轴2 0 0 m s ( 最高2 5 0 m s ) 、5 5 k w 超高速 磨削试验台，开展了超高速磨削机理、高速深磨和快速点磨削机理等研究，部分 研究成果达到了国际先进水平【3 1 。广西大学开展了8 0 m s 高速低表面粗糙度磨削试 验研究和高速磨削表面微观形貌研究。2 0 0 0 年湖南大学推出1 2 0 m s 数控凸轮轴磨 床。从2 0 0 2 年始，湖南大学开始针对2 5 0 m s 超高速磨床主轴系统进行研究，并进 行了超高速磨削磁浮轴承设计。 1 2 超高速磨削的特点与应用 1 2 1 超高速磨削的特点 超高速磨削由于磨粒相对于工件运动的速度己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 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 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。 总结起来，超高速磨削具有以下一般特点【2 ，5 j ： ( 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( 15 0 m s - 2 5 0 m s ) 的同时，采用快速进给( 0 5 l o m 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 。 ( 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 m 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 m 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 【l 。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速 度分别为3 3 m s ，1 0 0 m s ，2 0 0 m s 时，磨削后表面粗糙度分别为r a 2 o 肛m 、r a l 4 1 t i n 和r a l 1 l x m ，超高速磨削条件下r 口值最小。 ( 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 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 泛重视，并被迅速应用于实际生产中，其应用领域主要有高效深切磨削、超高速 外圆磨削与精密磨削、硬脆材料及难加工材料超高速磨削、快速点磨削等i l 。 1 2 2 1 高效深切磨削 高效深切磨朗 ( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ) 是超高速磨削最早的应用形式， 也是典型的提高磨削生产率的形式之一。是集砂轮高速度( 6 0 - - 2 5 0 m s ) 、工件高 进给速度( o 5 1 0 m m i n ) 和大切深( 0 1 3 0 m m ) 为一体的高效率磨削技术。2 0 世纪 8 0 年代由德国g u e h r i n ga u t o m a t i o n 公司最先发展起来，开始使用树脂结合剂氧化 铝砂轮，8 0 m s - - l0 0 m 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。后来，又进一步在c b n 砂轮基 础上，开发出高达2 0 0 3 0 0 m s 的超高速深磨磨床。现已成功地用于丝杠、螺杆、 齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代车、以磨代铣加工，能获得高的金属切除率和 高的表面质量，工件的表面粗糙度与普通磨削相当【l2 1 。高效成形磨削作为高效深 磨的一种，也得到了广泛的应用，该工艺一次可磨出齿轮槽、扳手槽、蜗杆螺旋 槽等。这一磨削方法还可以借助c n c 系统完成更复杂型面地加工。高效深切磨削 加工时间短、磨削力大、磨削速度高、主轴功率大，要求机床具有很高的刚度。 1 2 2 2 超高速磨削与超高速精密磨削 图1 1 超高速磨削加工齿轮轴 f i g 1 1g r i n d i n gg e a rs h a f to ns h g 超高速磨 j l j ( s u p e r - h i g hs p e e dg r i n d i n g ) 是使用15 0 - - 一2 0 0 m s 及以上的砂轮转 速和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 件外圆回转表面进行磨削加工的方法。它能够保证高的加工精度，又能获得高的 加工效率。图1 1 为超高速磨削齿轮轴的情况。提高砂轮速度可减小工件表面残留 凸峰及塑性变形的程度，从而有助于减少被磨削工件的表面粗糙度【i 。超高速精 密磨肖l j ( p r e c i s i o nu l t r ah i g hs p e e dg r i n d i n g ) i e 是基于这一理论形成的。在这一领 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 域的技术日本较为领先，已成功应用于汽车工业部门。 1 2 2 3 高速强力外圆磨削 高速强力外圆磨削是以高速外圆磨削与强力磨削配合使用的一种磨削工艺。 主要采用逆磨方式，磨削速度等于砂轮速度和工件速度之和。强力磨削要求高刚 性工艺系统，而高速磨削使磨削力降低，因此外圆强力磨削往往与高速磨削配合 使用，其单位宽度金属切除率约8 - - 4 0 m m 3 ( m m s ) 。高速外圆强力磨削通常分两 个阶段完成，即先使用大径向进给量高效率切除大部分余量，然后减小径向进给 量进行普通高速磨削工件，进行精加工。东北大学、湖南大学等曾进行高速强力 外圆磨削温度场、6 0 m s 高速强力外圆磨削机理、6 0 m s 高速强力凸轮磨削工艺等 课题研究，推动了这项技术在我国的发展。 1 2 2 4 硬脆材料及难加工材料超高速磨削 用超硬磨料对工程陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料进行磨削 加工已成为几乎唯一的加工手段。在超高速磨削中，磨削磨粒数大大增加，单个 磨粒的切屑厚度极薄，当磨屑厚度接近最小磨屑厚度时，磨削区的被磨材料处于 流动状态。容易实现硬脆材料延性磨削，以塑性变形的方式产生磨屑，去除材料。 这会大大提高磨削表面质量和效率【7j 。 在材料科学发展的推动下，镍基耐热合金、钛合金、高温合金、高强度合金 钢等难磨材料应用越来越广泛，对难加工金属及其合金的磨削需求也更加迫切。 国外研究结果表明，难加工材料难磨的原因是工件材料本身的化学亲和性强，致 使砂轮急剧堵塞所造成的。磨削温度越高，化学亲和性越强。然而，在超高速磨 削条件下，由于磨屑形成过程极其短暂，材料应变速度已经接近静态塑性变形应 力波传播的速度，材料变形应变率极高，塑性变形滞后，相当于材料塑性减小了， 降低了加工硬化倾向、表面粗糙度数值和残余应力，可实现延性材料的“脆性 加工。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技术的重要应用领 域【4 3 1 。 1 2 2 5 快速点磨削 快速点磨肖l j ( q u i c k p o i n tg r i n d i n g ) 技术是德国勇克( j u n k e r ) 公司于上世纪八十 年代起开始研制的，1 9 8 5 年之后才逐步在生产上得到推广和应用。e r w i nj u n k e r 先生开发并取得专利的快速点磨削是高速超高速磨削技术的一种新的发展形式， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 是当今先进制造领域最为引人关注的高效磨粒加工技术之一，具有优良的加工性 能。点磨削工艺采用c n c 控制系统和超硬磨料( c b n ) 薄砂轮，具有超高速磨削的 特点，并可以克服超高速磨削中的部分不足，是一种高效率、高柔性、高质量稳 定性的先进加工工艺，主要用于轴类零件的加工。该工艺既有数控车削的通用性 和高柔性，又有更高的效率和加工精度，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳 结合。 1 3 快速点磨削工艺的概述 1 3 1 快速点磨削工艺的发展状况 图1 2 东北大学的c b n 点磨削砂轮 f i g 1 2t h i nc b ng r i n d i n gw h e e l f o rq u i c k - p o i n tg r i n d i n g 快速点磨削技术由德国勇克公司开发，且德国一直在研究开发与应用方面处 于领先地位，这也使得德国处于点磨削技术的垄断地位。该技术在国外的汽车工 业、工具制造业中得到广泛应用，尤其是在汽车零件加工领域，如动力轴、传动 轴、齿轮轴或凸轮轴等，这些零件大都包括沟槽、轴肩、偏心及螺纹等，应用该 工艺可以通过一次装夹而实现全部磨削加工工序，大大提高了零件加工精度及生 产率。德国的b m w 、v w 、b e n z 、o p e l 、f o r d 、法国的f e n a u l t 、我国的一 汽大众、上海大众等厂均采用了该工艺。该工艺在齿轮加工、机床制造、纺织与 印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也将有广阔的应用前景。然而，由于德国 对该项技术的垄断，使得其他国家均不能掌握该工艺的核心技术与理论，工艺与 设备均需要依赖进口1 1 3 】。因此，美国和日本等工业大国开展了相应的研究和开发 工作；我国也对该技术给予了极大的关注。东北大学已经开展相应研究，并取得 阶段性进展，图1 2 为东北大学自行研制和开发的c b n 超薄点磨削砂轮。但总体说 来，快速点磨削技术仍处于起步和发展阶段，仍有大量工作需要完成。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 快速点磨削的特点概述 快速点磨削工艺之所以可以加工复杂的回转体轴类零件，并可以用于多种材 料的加工，是因为其具有如下特点【1 3 , 1 4 , 1 5 】： ( 1 ) 由于磨削发热量低，冷却散热性能好，点磨削的磨削温度大为降低， 甚 至可以实现“冷态 加工。 ( 2 ) 由于磨削力极小，工件安装夹紧方便，用两项尖的摩擦力即可带动工件 旋转，不需要特制卡具，被称为“顶尖磨削 、“削皮磨削 ，并特别适合刚性较差 的细长轴加工。 ( 3 ) 点磨削外圆时相当于以高速旋转砂轮替代车刀的数控车削，砂轮在旋转 过程中有足够的冷却时间，且具有相当长的使用寿命( 最长可达1 年) ，最高磨削比 为6 0 0 0 0 。 ( 4 ) 由于砂轮磨损极其微小，实际应用中可直接在机床上完成在线修整，因 此砂轮的形状精度长时间保持性极好，保证了大批量生产中极高的质量稳定性。 ( 5 ) 由于采用c n c 数控联动实现复杂回转体表面磨削，一次安装后可完成外 圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形的加工，具有更大的柔性和更高 的加工精度。 ( 6 ) 可以对淬硬钢加工，使热处理后的工件车磨工序合并，更进一步提高了 加工效率和零件位置精度，减少了人力、物力、能源和资源的消耗，减少了加工 成本。 ( 7 ) 生产效率比普通磨削提高6 倍。快速点磨削技术也是数控车削技术发展进 化的方向。 综上所述，快速点磨削技术具有其他磨削技术无法替代的优点，符合先进制 造技术的发展趋势，因此该技术极具发展潜力。 1 3 3 快速点磨削相关技术与机床特点 快速点磨削集成了c b n 数控车削、超硬磨料、超高速磨削技术，可实现对多 种形状表面及多种材料的高性能加上，图1 4 为点磨削加工汽车齿轮轴。点磨削的 加上过程不同于一般意义上的高速磨削，其技术特征如下【3 ，9 ，2 2 , 5 5 1 。 ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 4 点磨削齿轮轴 f i g 1 4q u i c k - p o i n tg r i n d i n gg e a rs h a f t ( 1 ) 点磨削加工时，砂轮与上件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平 和垂直两个方向旋转一定角度，即存在点磨削变量角度，以使砂轮和上件接触面 积减小，实现“点磨削”。j u n k e r 公司的快速点磨削机床加上圆柱表面时，根据工 作台迸给方向，在垂直方向砂轮轴线与工件轴线的点磨变量角a 为o 5 。6 。， 使砂轮周边与工件外圆柱面的线接触变成理论上的点接触；在水平方向砂轮轴线 与上件轴线的变量角口则根据上件母线特征和曲率大小在0 。 - 3 0 。范围内变化， 以最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩发生干涉。点磨 削以单向磨削为主，通过数控系统来控制这两个方向的变量角数值，以及在x 、y 方向采用与c n c 车削相类似的两轴联动数控进给，以实现对不同形状表面的点磨 加工。 图i 5 高精度静压圆柱导轨 图1 6 砂轮及磨削液注入系统 f i g 1 5c y l i n d r i c a ls t a t i cp r e s s u r et r a c kf i g 1 6w h e e la n dc o o l a n tj e ts y s t e m ( 2 ) 快速点磨削一般采用金属结合剂超硬磨料( c b n 或人造金刚石) 超薄砂 轮，直径一般为3 0 0 - - 4 0 0 m m ，宽度为4 - - 6 m m ，径向磨料层厚度为5 m m 。j u n k e r 公司快速点磨削机床采用了多项专利技术，如砂轮三点定位安装系统和在线修整 系统、砂轮主轴电子平衡自动控制系统等。x 方向采用高精度静压圆柱导轨技术 ( 图1 5 ) ，以增加阻尼和稳定地实现微米级精确切入进给。z 方向( 纵向) 进给采用 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 带有预负载的滚珠丝杠和平面v 形涂层导轨。机床配有高压磨削液双喷嘴供给系 统等，以保证机床的加上性能和加上精度。图1 6 为点磨削砂轮及磨削液双喷嘴供 给装置。 砂轮在主轴上的安装采用j u n k e r 公司专利技术“三点定位安装系统”快速完 成，重复定位精度高，并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大，如图1 7 所示。 当砂轮主轴相对于砂轮逆时针转动时，主轴星形体上三段均布的摆线轮廓斜面与 砂轮内孔均布的三个圆柱紧密接触，实现砂轮对中定位，然后山螺栓将砂轮与主 轴法兰端面锁紧。当需要更换砂轮时，只需将砂轮逆时针旋转3 0 。，即可使砂轮 与主轴分离，从而快速更换砂轮，使更换顶尖时间小于2 分钟，换砂轮时间小于2 0 分钟。为控制由于砂轮高速旋转产生的振动，保证获得高的表面质量，在砂轮的 每次修整和更换后都要进行动平衡，j u n k e r 公司的快速点磨削机床通过安装在主 轴端部的电子自动平衡系统自动完成砂轮在线动平衡，砂轮径向跳动精度可控制 在0 0 0 2 m m 以内。由于砂轮极薄，降低了砂轮重量和不平衡度，也使裹附在高速 砂轮周边的气流压力大为降低，减少了高速砂轮的旋转阻力，并且能磨削普通砂 轮不能磨削的狭窄型面与断面尺寸变化较大的型面。 荔蒸 毯； 矽栳 图1 7 砂轮三点定位系统 f i g 1 7t h r e ep o i n tf i x i n gs y s t e mf o rw h e e l 图1 8q u i k p o i n t 5 0 0 0 快速点磨削机床 f i g 1 8m a c h i n et o o lo fq u i k p o i n t 5 0 0 0 ( 3 ) j u n k e r 公司q u i k p o i n t 5