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1、前言部分高速磨削概述：通常我们将砂轮线速度大于45mS 的磨削定义为高速磨削，而将砂轮线速度大于 150 mS 的磨削定义为超高速磨削。从上世纪90 年代以后，人们开始认识到高速和超高速磨削所带来的效益，并开始重视和研究高速和超高速磨削加工技术，并在实验的基础上，得到了迅速的发展。高速磨削的起源和发展：20 世纪中后期，为了提高加工效率，世界发达国家开始尝试提高磨削速度，但是实践发现当磨削速度提高到一定程度时，磨削温度会急剧上升，从而导致砂轮失效和工件表面磨削烧伤，因此使磨削速度的提高遇到了很大的障碍。1929 年，德国的Carl .J . Salomon 博士提出了关于切削速度与切削温度之间
2、关系的假设：在高速切削区，存在一个“热沟”，在“热沟”区，切削温度随切削速度的提高而急剧上升，直到切削温度达到最高点，之后温度随速度的提高而下降。当切削速度越过“热沟”后，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降。上图表示了磨削速度与磨削温度的关系曲线。Salomon 博士的“热沟”假设被后来的实验和实践所证实。这一创造性的科学论断为日后的磨削加工向着高速和超高速磨削发展指明了方向，为超高速磨削技术研究开辟了广阔空间。现状介绍：1.1欧洲的情况欧洲超高速磨削技术的发展起步较早，最初超高速磨削的基础研究是在20 世纪60 年代末期，实验室磨削速度已达210-230 mS。20 世纪70 年代末期，
3、超高速磨削采用 CBN 砂轮。意大利的法米尔（Famir ）公司在1973 年9 月西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120 mS 的磨轴承内环外沟槽的高速磨床。1980 年德国 Bremen 大学的 Werner 教授开创了高效深磨的概念，是 Bremen大学出资由德国 Guhring Automation 公司于 1983年制造了世界上第一台高效深磨的磨床，功率60k W，转速10 krmin ，砂轮直径400 mm，砂轮线速度209 mS。Bremen 大学较早地开展了高效深磨技术研究，该方法是用高线速度、深切入、快进给进行磨削，可得到高效率、高质 量 的 磨 削 效 果。瑞
4、 士Studer 公司也曾用改装的S45 型外圆磨床进行280mS 的磨削试验。1989 年，德国纳霍斯公司推出了80mS 的 CNC 磨床。居林自动化公司于1992 年制造成功140-160mS 的 CBN 磨床。到1990 年，英国 W.B. Rowe 等人进行了200 mS 的超高速磨削试验研究。20世纪 90 年代初，已经实现了最高砂轮线速度350 mS 的磨削实验。到目前为止，德国阿亨工科大学正在进行砂轮线速度为500 mS 的超高速磨削试验研究。目前，实际应用的砂轮线速度在200250 mS 之间。1.2 美国的情况美国1967 年61 ms 的磨床投入市场，1969 年生产出80
5、ms 的高速无心磨床，1970 年本迪克斯公司研制成功91 mS 切入式高速磨床。1971 年，美国 Carnegie- Mellon 大学研制成功工作速度125 mS的外圆磨床。1993 年，美国的 Edgetek Machine 公司首次推出的超高速磨床，采用单层 CBN 砂轮，圆周速度达到了203 mS。美国 Connecticut 大学磨削研究与发展中心1996 年研制成功的无心外圆磨床，最高磨削速度250 mS。2000 年美国马萨诸塞州立大学的 S. Malkin 等人，以149 mS 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。至2000 年，T. W.
6、 Hwang 等人一直在进行超高速磨削研究。目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用 CBN 砂轮。可实现以160m/s的速度、75mm3/(mms)的切除率，对高温合金Inconel 718 进行高效磨削，加工后 Ra 1 2m，尺寸公差 13 m。另外采用直径400 mm 的陶瓷CBN 砂轮，以150 200 mS 的速度磨削，可达到Ra 0. 8 m尺寸公差 （2. 5 5 ）m。1.3 日本的情况日本 1985 年前后磨削速度达到了 80 mS。1990 年10 月底在第五届“日本国际机床展览会”上，日本推出了 120 mS 的高速磨床。1996 年日本推出了125 mS CBN 砂轮
7、平面磨床。之后，又开始开发160 mS 以上的超高速磨床。1993 年前后，使用单颗粒金刚石进行了250 mS 的超高速磨削试验研究。1994 年使用铍（Be ）芯金刚石砂轮进行了超高速磨削研究。目前，实用的磨削速度已达到了200 mS。400 mS 的超高速平面磨床也已经研制成功，该磨床主轴最大转速 30krmi n ，最大功率22k W，采用直径 250 mm 的砂轮，最高周速达 395 mS。日本的丰田工机、三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用 CBN砂轮的超高速磨床。日本广泛使用 CBN 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2000 年，日本已进行500
8、 mS 的超高速磨削试验。Shi nizu 等人，为了获得超高磨削速度，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 vs +vw 的结果。因此，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1 000 mS。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。1.4 中国的情况中国高速磨削起步较晚，1974年第一汽车厂、第一砂轮厂、华中工学院、郑州磨料磨具与磨削研究所等先后进行了50 60 mS 的磨削试验；湖南大学进行了60 80 mS 高速磨削试验。1975年10 月，南阳机床厂试制成功了 MS132 型80 ms 高速外圆磨床。1976
9、 年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具与磨削研究所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所等组成高速磨削试验小组，对80 ，100 ms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MBSA1332 型80 ms 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。1977 年，湖南大学在实验室成功地进行了100，120 m 高速磨削试 验。在 2000 年 中 国 数 控 机 床 展 览 会（CCMT 2000 ）上，湖南大学推出了最高线速度达120 mS 的数控凸轮轴磨床。20 世纪80 年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究，磨削速度达到
10、80 mS。至1995 年，汉江机床厂使用陶瓷CBN 砂轮，进行了200 mS 的超高速磨削试验。广西大学于1997 年前后开展了80 mS 的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。湖南大学一直在开展高速磨削研究工作。2001 年，广西大学开展了高速磨削表面微观形貌的研究。20 世纪 90年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度200 mS 的超高速试验磨床。以蔡光起教授为首的研究人员，先后进行了超高速磨削热传递机制研究，高速钢的高速深磨研究，超高速单颗粒 CBN 磨削试验研究，高速单颗粒磨削机理研究，超高速磨削温度场研究，磨削摩擦系数的研究等，取得
11、了可喜的研究成果。主题部分高速超高速磨削加工关键技术由于超高速磨削砂轮转速极高，对机床功率及性能、砂轮强度、振动、平衡、气流扰动、安全防护和冷却液注入等工艺措施提出了特殊要求。1.1超高速磨削砂轮技术超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受超高速磨削时的切削力等。超局速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨人离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。为了满足超高速砂轮的性能要求，人们还在寻找具有高比模量、比强度，以及低热膨胀系数的更理想的材料。日木Noritake公
12、司推出一种CFRR （Carbon Fiber Reinforced Plastic)的碳纤维复合树脂基体材料，其比强度是钢的2.1倍，密度和热膨胀系数分别是钢的1/5和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮己较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果很好。此外，还要充分考虑砂轮与主轴连接的可靠性。主轴超高速旋转时，由于离心力的作用，砂轮与主轴的锥连接处产生不均匀的膨胀，连接刚度下降。在超高速磨削试验中，曾出现过由于夹紧力不足，而导致在启动过程中产生振动。德国开发出HSK（短锥空心柄)连接方式和对刀具进行等级平衡及
13、主轴自动平衡的技术。因此，开发高精度、高刚度和良好的动平衡性能的砂轮与主轴的连接方式很有必要。1.2超高速磨床主轴及其轴承技术超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定了超高速磨床所能达到的最高磨削速度极限，因而，为实现超高速磨削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑(轴承)，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的。为减少由于磨削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小。超高速磨削的砂轮主轴转速一般在10000r/min以上，所传递的磨
14、削功率通常为几十千瓦，因此要求主轴轴承的转速特征值非常高，还必须具有很高的回转精度和刚度，以保证砂轮圆周上的磨粒能均匀地参加切削，并能抵御超高速回转时不平衡质量造成的振动。主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。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。磁浮轴承的最高表面速度可达200m/s,可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转精度高，没有振
15、动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。超高速磨削的另一个特点是其主轴的无功功率损失随转速的增大而呈非线性增长。例如，将磨削速度由80m/s增大至180m/s时，主轴的无功功率会由不足20%升高至90%以上。高速范围内电机以恒功率方式工作，主轴转速增大时其输出转矩减小，无功功率的升高将导致磨削转矩减小。因此，在增人主轴转速时必须考虑降低无功功率损失，一般在主轴系统允许的情况下尽量减小砂轮直径来降低无功功率的损失。1.3超高速磨床对于超高速磨床，主要是大功率超高速主轴系统和机床的高抗振性。超高速加工不
16、但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度，还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序，高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝上(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提局其抗震性，这些都收到了很好的效果。进给系统是评价超高速磨床性能的重要指标之一，而随着超高速加工的发展，国内外都普遍
17、采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。如德国西门子公司就在CIMP97做了直线电机120 m/min 高速进给的表演，而该公司的直线电机最大进给速度可达200 m/min.其最大推力可达6600N,最大位移距离为504mm。又如日木三井精机公司生产的高速工具磨床，主轴上下移动(行程25mm)采用直线电机后，可达400次/min,是原来的2倍，加工效率提高 34倍。我国国产数控进给系统(特别是高速超高速、高精度进给系统)与国外相比还有很人的差距，其快速进给的速度一般为24m/min 。 1.4超高速磨削液及其供给技术磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很人程度上受
18、磨削热的影响。尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却、微量润滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质。磨削液分为两大类:油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。具有极高磨削效率的超高速磨床，一分钟会产生几公斤的磨屑。能够及时干净地把这些大量地磨屑从磨削液中过滤出来也是一个很重要的问题。目前，多用离心机或硅藻土过滤系统对磨削液进行集中处理。1.5超高速磨削状态检测技术超高速磨削加工中，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证加工质量和零件表面完整性的关键;
19、在超高速加工中，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。目前，声发射技术己成功用于超高速磨削的无损检测，利用磨削过程中产生的各种声发射源，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、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。因此利用声发射技术可监
20、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、砂轮与修整轮接触，并取得了令人满意的效果。此外，工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术，高精度、高可靠性、实用性强的测试技术与仪器都是超高速磨削所必小可少的关键技术。1.6超高速砂轮的修整技术为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构需有利于磨粒分裂。要达到砂轮自锋利的目的，除了应尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的空间分布。对于某些超高速磨削，不但要有高的磨削效率，而且还要有高的磨削质量(如高的加工精度及低的表面粗糙度)，为此对砂轮应有一套完善的修整技术。砂轮修整是决定磨削质量的关键因素之一，不同的修整方
21、法具有不同的特点，因而应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料等因素，以选择最佳修整方案。1.6.1超高速砂轮整形超高速砂轮整形的方法较多，常用的有车削整形法、滚压整形法、磨削整形法等。1.6.2超高速砂轮修锐超高速砂轮修锐常用的有气体喷砂修锐法、超声振动修锐法、弹性修锐法、游离磨粒挤压修锐法、液压喷砂修锐法、固结修锐工具修锐法等，此外，还有修锐棒、修锐膏、金属丝刷、硬质合金块、低碳钢磨削修锐、磁性磨料修锐等方法。毕业设计方案（初步） 超高速磨床结构包括整机基础及超高速电主轴转子系统。各个部件之间通过形式各异的结合部连接，形成了十分复杂的动力学系统。单纯地分析各个部件无法全面正确地描述整机的动态特性，只有综合分析整机结构才能揭示出机床的动态特性，从而为改进设计提出正确的指导意见。 利用有限元法并结合试验模态分析法，针对超高速平面磨床整机系统进行研究。通过建立有限元理论模型，并进行模态分析及其不平衡响应分析，初步判别了机床的薄弱环节及共振区域。为下一步结构的改进设计及共振的避免提供了依据。
