（机械制造及其自动化专业论文）快速点磨削机理的研究.pdf

j1 1 ， 、， 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 t u d y o nm e c h a n i s mo f q u i c k - p o i n tg r i n d i n g b yy e x u e l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry u a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：叶曾衲 e l 期：枷2 、 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 1 快速点磨削机理的研究 摘要 快速点磨削技术( q u i c k p o i n tg r i n d i n g ) 是集c b n 超硬磨料，c n c 技术和超高速外 圆磨削等先进技术于一身的高效率、高柔性磨削加工工艺。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。其核心部件是配有三个磨削轴的数控回转砂 轮架，采用三个磨削轴，实现在一次装夹中完成一个复杂轴类工件的综合加工。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。 快速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轴向精 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 的存在影响磨削力、磨削热及砂轮磨损特性等。 本文对快速点磨削工艺特性及相关技术进行了理论和实验研究分析。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。分析了陶瓷结合剂c b n 砂轮磨削性能。根据工艺特性， 建立了磨削区温度和磨削力计算模型，同时对所建立的数学模型进行了仿真研究，并对 其影响参数进行了分析。 关键词：超高速磨削；点磨削：c b n 砂轮；磨削温度；磨削力 s t u d yo nm e c h a n i s mo fq u i c k p o i n t g r i n d i n g a b s t r a c t q u i c k 。p o i n tg r i n d i n gi san e wt y p eo fg r i n d i n gt e c h n o l o g yt h a th a si n t e g r a t e d h i g ha n ds u p e r - h i g hs p e e dg r i n d i n g ，s u p e ra b r a s i v ew h e e la n dc n c t e c h n o l o g i e s a n d i ti s m a i n l yu s e di ng r i n d i n gs h a f t sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n df l e x i b i l i t y i t sm a i n g 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 sa 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 d i ng r i n d i n gs h a f t s i t sk e yp a r ti sag y r a t i o ng r i n d i n gs h e l fw i t ht h r e eg r i n d i n ga x i s ， w h i c hi sc o n t r o l l e d b yc o m p u t e r , a n dt h ew o r k p i e c ei sc l a m p e do n et i m e t h r e e g r i n d i n ga x i sf i n i s ht h ea l lm a n u f a c t u r i n go fac o m p l e xa x i se l e m e n t s s o m ev e h i c l e s m a n u f a c t u r i n gg r o u p si nc h i n ah a v ei n t r o d u c e dt h i sn e w t e c h n i q u et om a c h i n es i n g l e p a r tw i t hb e t t e rb e n e f i t s t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fq u i c k p o i n tg r i n d i n gi s ：t h e r ea r ea n g l e sb e t w e e n t 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 eh o f i z o n t a l p 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 ft h ew h e e l a n dt h ew o r k p i e c eb e i n go n l ya p o i n t a n dt h eg r i n d i n gw h e e lc a nb ec o n t r o l l e db y c n c s 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 et 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 t c o n t a c tb e t w e e nt h ew h e e la n dt h ew o r k 。p i e c e b e c a u s eo fp o i n t g r i n d i n g a n g l e s ， t h e r ea r ee f f e c t so ng r i n d i n gf o r c ea n d h e a t ，w e a rp e r f o r m a n c ea n ds oo n i nt h i s p a p e r , t h ep r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c sa n d c o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e so f q u i c k 。p o i n tg r i n d i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e d 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 e a b r a s i v eg e o m e t r ya n a l y s i so nt 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 s p a p e rh a se d u c e de q u i v a l e n tw 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 d c h i pt h i c k n e s s a n a l y s i sg r i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m0 f c u b i cb o r o nn i t r i d e ( c b n ) b a s e do nt h i sp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，b u i l dt h ec a l c u l a t e m o d e l sa b o u tt h et e m p e r a t u r e sa n dt h eg r i n d i n gf o r c e ，a n ds i m u l a t et h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n a l y s i st h ee f f e c t so ft h eg r i n d i n gp a r a m e t e r so nt h e m 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 , q u i c k - p o i n tg r i n d i n g , c b n ，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 gf o r c e 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 超高速磨削技术1 1 1 1 超高速磨削技术的特点1 1 1 2 超高速磨削的典型技术形式3 1 2 点磨削技术介绍5 1 2 1 点磨削工作原理6 1 2 2 点磨削技术特点7 1 2 3 采用了快速点磨技术的高速磨床。1 0 1 3 课题的研究背景及意义1 1 1 4 本课题的主要研究内容1 2 第2 章快速点磨削砂轮的研究1 4 2 1 陶瓷结合剂c b n 砂轮1 4 2 1 1c b n 砂轮的分类1 5 2 1 2c b n 砂轮的特点1 5 2 1 3 超高速陶瓷结合剂c b n 砂轮的特点1 6 2 2 快速点磨削c b n 砂轮应用技术1 7 2 2 1 采用超薄c b n 砂轮1 7 2 2 2 砂轮自动动平衡技术1 8 2 2 3 带三个砂轮轴的回转式砂轮架技术1 9 2 2 4 快速点磨削砂轮修整技术2 0 2 3 点磨削砂轮磨损特性2 2 2 3 1 普通外圆磨削砂轮磨损机制2 2 2 3 2 快速点磨削砂轮磨损特性2 2 2 4 本章小结2 4 一i v 3 2 2 动态接触弧长3 1 3 3 接触区未变形切屑厚度3 2 3 4 本章小结3 4 第4 章快速点磨削磨削力的研究3 5 4 1 磨削力的测量方法3 6 4 1 1 测力顶尖测量外圆磨削力3 6 4 1 2 压电晶体平面磨削测力仪3 7 4 2 快速点磨削磨削力计算公式的推导3 8 4 2 1 磨削力经验公式3 8 4 2 2 快速点磨削磨削力理论公式的推导3 9 4 3 点磨削磨削力的m a t l a b 仿真。4 3 4 3 1m a t l a b 仿真4 3 4 3 2 磨削力的影响因素。4 6 4 4 本章小结4 7 第5 章快速点磨削温度的研究4 8 5 1 磨削温度的计算方法和测量方法4 9 5 1 1 磨削温度的计算方法4 9 5 1 2 磨削温度的测量方法4 9 5 2 快速点磨磨削区温度数学模型5 2 5 2 1 磨削区温度计算模型5 2 5 2 2 各参数对磨削温度的影响。5 5 5 3 磨削温度的m a t l a b 仿真5 6 v r 户 5 3 1m a tl a b 仿真5 6 5 3 2 快速点磨削磨削温度的影响因素5 8 5 4 本章小结5 9 第6 章结论与建议6 0 6 1 结论6 0 6 2 建议6 0 参考文献6 1 致谢6 3 v i 1 1 超高速磨削技术 第1 章绪论 超高速磨削( 砂轮线速度大于1 5 0 m j s ) 是近年迅猛发展的一项先进制造技术，被誉 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【。 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，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。高速及超高速磨 削机理的研究最早可追溯到德国切削物理学家萨洛蒙( c a r l j s a l o m o n ) 于1 9 3 1 年提出的 著名的超高速切削理论。萨洛蒙认为，与普通切削速度范围内切削温度随切削速度增大 而升高不同，当切削速度增大至与工件材料的种类有关的某一速度后，随着切削速度的 增大，切削温度反而降低。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。对高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接 的推动作用。 1 1 1 超高速磨削技术的特点 ( 1 ) 大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数 超高速磨削时，单位时间内通过磨削区的磨粒数增加，若平均每颗磨粒磨去的磨屑 厚度与普通磨削相同，则可以大幅度提高进给量，使单位时间内磨除的磨屑体积增加， 能大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。 实验表明，2 0 0 n 吖s 超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比8 0 m s 磨削提 高1 5 0 ，而3 4 0 n 1 s 时l g l 8 0 n 吖s 时提高2 0 0 。采用c b n 砂轮进行超高速磨削，砂轮线 速度8 0 m s 提高至3 0 0 n 1 s 时，比金属切除率由5 0 m m 3 m m s 提高至1 0 0 0m m 3 m m s ，因 而可使磨削效率显著提高。 ( 2 ) 磨削力小，零件加工精度高 在其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的提高，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，总磨削力大大降 低。当磨削速度在1 8 0 2 2 0 m s 范围内，根据冲击成屑理论，磨削区摩擦状态发生由固态 1 向液态瞬时变化，也可以解释超高速磨削磨削力急剧下降的原因。 ( 3 ) 加工质量好，表面粗糙度低 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数值。实验表明，在其它条件一定 时，将磨削速度i ：i d 3 3 m s 提高至2 0 0 m s 磨削表面的粗糙度值r a 2 0 所降低至r a l 1l u m ； 由于在高速区域进行磨削加工，超高速磨肖0 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 和机械性能，加工表面完整性好。 ( 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，则每颗磨粒工作寿命延长，可提高砂轮的使 用寿命，实验表明：在磨削力不变条件下，2 0 0 m s 磨削砂轮寿命8 0 m s 提高1 倍，而在金 属切除率相同的情况下提高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。 ( 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。 东北大学( 1 9 9 3 年前的东北工学院) 很早就对高速磨削工艺进行了大量的理论与试 验研究。1 9 7 6 年，东北工学院与阜新第一机床厂合作，研制成功f l l 0 1 型6 0 m s 高速半自 动活塞专用外圆磨床，同时又进行了高速控制力磨削试验，对磨削机理进行了一些研究。 n a 十年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究，包括高速强力外圆磨削的磨 削区温度场的研究、高速重负荷钢坯修磨的试验研究等。以东北大学为主开发的y l m 1 型双面立式半自动修磨生产线，其磨削速度达到了8 0 m s ，磨削压力在2 5 0 0 5 0 0 0 n 以上， 填补了当时的国内空白。在高速重负荷荒磨领域，东北大学在大量试验的基础上建立了 完整的高速重负荷荒磨理论体系，受到了m c s h a w 等国际磨削界权威人士的高度评价。 1 9 9 6 年，在蔡光起教授的领导下，成功研制了我国第一台用于高速及超高速磨削的大功 率磨削试验台，砂轮磨削速度可达2 5 0 m s ，独立研制开发了液体动静压混合轴承及超高 速大功率磨削主轴系统，开展了超高速磨削的电镀c b n 砂轮的研制工作。对高速及超高 速下高效深磨技术、超高速磨削机理和磨削液有效供给等方面进行了理论和试验研究工 2 盔a 垦盘生墅茔焦迨盘笙! 童缱途 作，并取得阶段性成果，填补了国内空白，从而推动了我国超高速磨削技术的发展【。 1 1 2 超高速磨削的典型技术形式 由于超高速磨削具有诸多特点和优越的表现，使它受到人们的广泛重视，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、快速点磨削掣引。 ( 1 ) 高效深切磨削( h e d g ) 高效深切磨削( 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( 0 5 1 0 m m i n ) 和大切深( o 1 3 0 r a 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 1 0 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。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。 ( 2 ) 超高速磨削与超高速精密磨削 超高速磨削是使用1 5 0 - 2 0 0 m s 及以上的砂轮周速和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。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。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。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 d g r i n d i n g ) - - 是基于这一理论形成的。图1 1 为超高速磨削凸轮轴和齿轮轴的情况。 ( 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 r a 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 3 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。 4 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。 ( 5 ) 数控快速点磨削 数控快速点磨削( q u i c k p o i n tg r i n d i n g ) 技术是德国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，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。快速点磨削工艺采用 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高速超高速磨削的极佳结合。 1 2 点磨削技术介绍 快速点磨肖l j ( o u i c k - p o i n tg r i n d i n g ) 工艺是一种集c n c 、c b n 超硬磨料、超高速磨 削三大先进技术于一体的高效率、高柔性先进加工工艺，主要用于轴类零件的加工。它 采用薄层c b n 或人造会刚石超硬磨料砂轮，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结 合，是目前超高速磨削最先进的技术形式之一【5 】。 图1 2 点磨削加上主轴 图1 3 点磨削加：l i 凸轮轴 f i g 1 2g r i n , l i n g aa x i so nq u i c k - p o i n tm a c h i n e f i g 1 3g r i n d i n gac a m s h a f to nq u i c k - p o i n tm a c h i n e 目前德国在这项新技术的研究开发上处于领先地位，并独家技术垄断，现已在国外汽 车工业、工具制造业中得到应用。尤其是在汽车零件加工领域，如齿轮轴或凸轮轴，这 5 些零件大都包括切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次 装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。在齿轮加工、机床制造、纺 织与印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也有广阔应用前景。就目前发展状况看，该 技术仍处于起步和发展阶段，主要应用于常规材料轴类零件圆柱表面、沟槽及偏心的加 工，应用领域并不广泛。日本和美国等工业国家也已开始关注此项技术，并开展相应的 研究和开发工作。 一汽一大众汽车有限公司发动机传动器厂生产的2 0 世纪9 0 年代世界先进水平的 e a l l 3 五气门系列发动机，其上的凸轮轴轴颈的磨削就是采用数控快速点磨磨削工艺。 使用的机床就是德国j u n k e r 公司生产的数控点磨机床。由于没有真正掌握其核心技术和 工艺理论，不能进行工艺开发，应用范围有限。目前东北大学已开展对快速点磨削技术 的研究，并取得了阶段性的研究成果。 1 2 1 点磨削工作原理 快速点磨削集成了c n c 数控车削、c b n 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工。其工作原理是：在磨削工件外圆时，砂轮与工件是 以点接触进行磨削。砂轮对工件的磨削加工类似于一个微小的刀尖对工件的车削加工， 磨削力和磨削热都非常小，并且砂轮总是保持同一吃进状态【6 1 。而传统的磨削方法，砂 轮与工件是线接触磨削，砂轮与工件的接触时间长，磨削力和磨削热都非常大，并且不 能做到砂轮的进给和磨削速度在磨削轴颈时保持不变。 快速点磨削的加工过程不同于一般意义上的高速磨削，其技术特征如下1 6 , 7 , 8 l ： ( 1 ) 点磨削加工时，砂轮与工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，以使砂轮和工件接触面积减小，实 现“点磨削 。j u n k e r 公司的快速点磨削机床加工圆柱表面时，根据工作台进给方向， 在垂直方向砂轮轴线与工件轴线的点磨变量角口为0 5 。一6 。，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工件轴线的变量角1 3 则根据 工件母线特征和曲率大小在o 。一3 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快速点磨削加工。 6 图1 4 快速点磨削原理图 f i g 1 4p r i n c i p l eo fq u i c k p o i n tg r i n d i n g ( 2 ) 快速点磨削一般采用超硬磨料( c b n 或人造金刚石) 超薄砂轮，直径一般为 3 0 0 - 4 0 0 r a 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专 利技术“砂轮三点定位安装系统 快速完成砂轮安装，重复定位精度高。 ( 3 ) 砂轮速度可达9 0 1 6 0 m s 为获得高磨除率，同时不使砂轮产生过大的离心力而 发生破坏，工件也高速旋转，并与砂轮转向相同，通常在1 0 0 0 r m i n 以上，最高可达 1 2 0 0 0 f r a i n 。因此接触点处的实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加，接近 2 0 0 m s ，以实现更高应变率下材料的去除。由于车磨工序合并，为保证工件的表面质量， 径向切深和沿x 轴的纵向进给速度一般很小，如点磨削凸轮轴时，纵向进给速度一般在 o 0 1 2 m m s 。径向切深o 0 0 2 - 4 ) 2 m m 。 ( 4 ) 与一般磨削方式不同，在磨削外圆时，材料去除主要是靠砂轮侧切削边完成， 而周边仅起类似车刀副切削刃的光磨作用。因此砂轮磨损主要是在端面沿横向发生，周 边则磨损非常微小。 1 2 2 点磨削技术特点 快速点磨削砂轮与工件处于点接触状态( 接触面积最小) ，属于一种新的磨削几 何学模型，变形区域更小，实际应变率更高。此外，材料去除机理还有自身特点：砂轮 磨损规律不同于一般的超高速磨削，磨削力和比磨削能更小，发热量更小，点热源的热 传导方向主要沿轴向指向加工表面，大部分热量很快被后续磨屑带走，冷却散热效果好， 磨削温度更低，因此工件热损伤更小，冷却简便。另外，在超高速和温度低的条件下， 可以大大提高超硬磨料的耐磨损性能，充分发挥其优势。x y 两坐标c n c 联动，易实现 多种形状表面的高质量磨削加工。 快速点磨削工艺的典型加工零件是：发动机凸轮轴、发动机阀杆、驱动轴、传动轴 7 等，几乎可以对所有材料及复合材料进行加工，如钢、铝、硬质合金、工业陶瓷、烧结 材料、工程塑料和玻璃等。并有如下加工特点n ( 1 ) 磨削效率高。点磨削属于高速超高速磨削，随着磨削速度的提高，大大提高 了磨削效率：点磨削砂轮的磨削比很高，最高可达6 0 0 0 0 ；砂轮磨损少、修整率低、寿 命提高，减少了砂轮更换、修整的时间，也提高了磨削效率；一次装央就能完成多道工 序加工的特点使得更换工序、机床、装夹的时间压缩到最短，应用数控快速点磨削可提 高工效6 0 0 。 j u n k e r 公司3 0 0 0 系列数控点磨削机床，成功地开发出配有3 个磨削轴的数控回转砂轮 架，加上最小量油润滑技术，使机床可灵活，经济地在一次装夹中完成动力输入轴的全 部磨削工序。因此快速点磨削工艺能有效节省加工时间和能源动力的消耗，也大幅降低 了超硬磨料的消耗。 ( 2 ) 磨削力极小。快速点磨削砂轮与工件处于点接触状态，接触面积最小，实际 磨削速度高，磨削过程中产生的磨削力大大减小。磨削力小，工件变形小，加工精度高。 由于磨削力极小，工件安装夹紧方便，对于长轴类工件，可以不用夹力钳钳住工件，只 需用两顶尖顶住工件，通过顶尖与工件的摩擦力即可保证工件不打滑，使磨削正常进行。 因此特别适合刚性较差的细长轴加工，还可进行包括工件两端在内的整体加工。数控快 速点磨削也被称为“顶尖磨削 或“削皮磨削 。由于超高速加工，磨削过程的激振频 率已远离“机床砂轮一工件 系统的固有频率，从而减少了振动和噪声及其对环境的 污染，改善了加工条件。 ( 3 ) 磨削温度低。磨削发热量少，同时切屑可带走绝大部分热量；点磨削变量角 的存在使得散热条件改善，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现冷态干式磨削。能够 达到高精度磨削的表面质量和加工精度。由于磨削温度低、易冷却、磨料及能源消耗少， 甚至可实现少、无磨削液加工，因此快速点磨削技术符合绿色制造的发展趋势。 勇克公司的磨床润滑冷却液的供给，代替了2 0 b a r 的压力和2 0 0 l m i n 流量的供给， 现在只需要很少压力和每分钟仅几升的用量，实现了减小冷却液箱的体积和节省能源的 目的。 ( 4 ) 扩大了加工型面范围。由于采用c n c 联动实现复杂回转体零件表面磨削，一 次安装可完成外圆、锥面曲面、螺纹、台肩和沟槽等外形加工，具有更大的柔性和更高 的加工精度。机床利用率可高达8 8 9 5 ，比传统的磨削方法高出3 一8 。此外点磨 削超薄砂轮可加工普通外圆磨削砂轮所不能加工的狭窄型面，扩大了加工型面范围。 ( 5 ) 磨削精度高。点磨削磨削力小、磨削温度低，大大减小了因力和温度引起的 8 壅! 垦盘鲎亟鲎焦迨查蔓! 主绻途 工件的变形，提高了加工精度和表面质量；c n c 控制联动进给，一次装央后完成多道 工序的加工，实现车磨合并，柔性大，加工精度高；机床系统刚性好，振动小，亦大大 提高了加工精度。因此，应用数控快速点磨削加工完的表面光滑，无进刀痕迹，能够得 到高精度的表面加工质量，并获得高的形状精度。 ( 6 ) 砂轮耐用度高。由于砂轮与工件接触面积最小，磨削速度高，磨削力小，磨 削热少，砂轮耐用度大幅度提高，砂轮寿命大大增长( 最长可达1 年) 。快速点磨法的 砂轮可连续生产2 0 0 2 5 0 小时无需修整。对0 3 m m 磨削量进行加工的情况下，砂轮在 修整时，需修整掉0 1 5 m m ，由于砂轮的c b n 或金刚石层高度为5 m m ，而可使用层高度 为4 5 m m ，所以一个砂轮可修整3 0 次，这样就保证砂轮使用时间为6 0 0 0 7 5 0 0 小时。 一个c b n 砂轮价值5 0 0 0 马克的情况下，加工某一工件如需一分钟，消耗砂轮费用仅为 0 0 1 马克。所以这是非常经济的。由于砂轮耐用度高，因此快速点磨机床的使用率可达 高达8 8 9 5 ，甚至可达9 7 ，比传统的磨削方法高出3 一1 0 。 由于砂轮主要是侧边磨损，周边磨损极其微小，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。 ( 7 ) 减少加工成本。由于磨削力极小，工件只需顶尖安装，不需要其他夹紧装置， 降低了成本。砂轮使用寿命长，修整率低，安装定位迅速，有效降低了加工时间，进而 降低了加工成本。由于采用c n c 两坐标联动实现复杂回转体零件表面磨削，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，有更大的柔性。点 磨削还可以对淬硬钢加工，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。由于加工工序的简化，减少了人力、物力及能源和资源的消耗，减 少了加工成本。如磨主轴，装夹一次，完成4 个部位的磨削工序：外圆、轴肩、沟槽、 紧固螺纹。磨凸轮轴时，装夹一次，完成3 个部位的全部磨削工序：轴颈、止推面肩部、 端部外径，周期时间1 5 0 s ，有效节约了成本。 可以对淬硬钢加工，使热处理后的工件车磨工序合并实现在一次装夹中完成所有磨 削任务，这样被磨工件同心度好，并可改善圆度、圆柱度和角度。更进一步提高了加工 效率和零件位置精度，由于加工工序的简化，减少了人力、物力及能源和资源的消耗， 减少了加工成本。 从上面的分析可以得出，数控快速点磨削在加工制造过程中，由于磨削温度低、磨 料及磨削液消耗少，对环境负面影响最小，资源利用率最高。基于这一观点，快速点磨 削与一般磨削方法相比较，具有优良的绿色特性。 快速点磨削工艺是一种先进的高效外圆磨削新工艺，办是精益生产原则的新工艺。 9 该工艺已引起汽车工业的极大兴趣，如发动机的曲轴，凸轮轴，中间轴，变速箱上的齿 轮轴及传动轴均可采用该工艺。现在该工艺已进入汽车大量生产领域。欧洲汽车厂，德 国b m w ，v w ，b e n zo p e l ，f o r d 和法国f e n a u l t 等厂均在采用该工艺。例如德 国大众汽车公司萨尔茨吉脱发动机厂磨削凸轮轴颈，其产量为2 8 0 0 件天，过去采用传 统工艺，先磨中间主轴颈，再用多砂轮磨削其它主轴颈，最后再磨前端轴颈及端面共用 1 1 台磨床，1 9 9 2 年采用快速点磨，只用7 台j u n k e r 单砂轮快速点磨机床。 1 2 3 采用了快速点磨技术的高速磨床 德国勇克公司推出多种采用快速点磨工艺技术的高速磨床，如q u i c k - p o i n t l o o o ( 如图1 6 所示) ，q u i c k - p o i n t 3 0 0 0 ( 如图1 5 所示) ，q u i c k p o i n t 5 0 0 0 ( 如图 1 7 所示) 等多种型号，以此来满足不同种类、不同尺寸、各种形状复杂工件磨削加工 的需要。 在2 0 0 7 年第十届中国国际机床展览会上勇克公司呈献了q u i c k - p o 玳t 3 0 0 0 型磨 床。该磨床可以通过一次装夹完成传动轴的高速整体磨削【l o l 。 q u i c k - p o i n t3 0 0 0 采用一个c n c 旋转磨削主轴头，它带有三个磨削轴颈和数个 砂轮。借此可以通过下述操作完成自动的整体磨削：磨外圆、磨轴肩、磨锥体、磨倒角 和切槽。 从位小工件设计的小巧的q u i c k - p o i n t l 到q u i c k - p o 矾t 4( 即q u i c k - p o i n t 3 0 0 0 ) 再到为大工件设计的q u i c k p o i n t6 s 和6 l 。q u i c k p o i n t 系列机床带有三 个工作平台和五个主轴头，为各种实际应用提供外圆磨削解决方案。q u i c k - p o i n t 完 全覆盖了各种经济型的磨削，如针对多样化的工件，灵活的小批量工件和大批量生产。 使用q u i c k - p o m 进行磨削，可以确保优化生产过程中的成本。其典型加工零件传动 轴、驱动轴、凸轮轴、发动机阀杆以及泵轴等。 用q u l c k - p o i n t 几乎可以对所有材料及复合材料进行加工，如钢、铝、硬质合 金、工业陶瓷、烧结材料、塑料和玻璃。根据每个客户的特殊要求，q u i c k - p o i n t 系 列每个型号的机床都可以预制手动、半自动或全自动的进料系统。 q u i c k - p o i n t3 0 0 0 的工件数据： 中心高度：最多1 5 0 m m ；夹紧长度：最多5 0 0 m m ：磨削长度：最多5 0 0 m m ； 工件质量：最多1 0 k g ；砂轮直径：3 5 0 m m 。 1 0 ”7 懒一 确岫确豫； 图1 5q u l c k - p o 帅0 0 0 型高速外圆磨床 f i g 1 5m a c h i n et o o lo fq u i k - p o i n t 3 0 0 0 图1 60 u l c k - p o i n t l 0 0 0 型高速外圆磨床 f i g 1 6m a c h i n et o o lo fq u i k - p o i n t l 0 0 0 1 3 课题的研究背景及意义 图1 7q u l c k - p l o n t5 0 0 0 型快速点磨削机床 f i g 1 7m a c h i n et o o lo fq u i k - p o i n t 5 0 0 0 高速馏高速精密磨削加工就是近年发展起来的一种集高效，优质和低耗于一身的先 进制造工艺技术。超高速磨削加工技术是指采用超硬磨料砂轮和能可靠地实现高速运动 的高精度、高自动化、高柔性的机床设备，在磨削过程中以极高的磨削速度来达到提高 材料切除率、加工精度和质量的现代制造加工技术。随着砂轮速度的提高，通过磨削所 达到的去除率完全可以与车、铣、刨等切削加工相媲美，而且实现了对难磨材料的超高 速磨削加工。 数控快速点磨削集中了数控车削技术，超硬磨料，超高速磨削等先进技术，具有高 墨 圈晕 霞一 基一渲 荸麟 壅些盘鲎亟鲎垡迨塞笠! 童缝途 效率，高柔性，高精度，磨削温度低，砂轮寿命长和工序集中的特点，主要用于轴类零 件的加工。它采用超薄c b n 或人造金刚石超硬磨料砂轮，以超高速磨削，是新一代数 控车削和超高速磨削的极佳组合，目前已在国外汽车工业，工具制造业中得到应用。德 国j u n k e r 公司在数控快速点磨削技术工艺方面居世界领先地位，自1 9 8 5 年以来，j u n k e r 公司一直在开发快速点磨系列的数控外圆磨床，它是一种以点磨削接