高速磨削的发展及其相关应用技术

XXXXX高速磨削的发展及其相关应用技术XXX高速磨削的优势2高速磨削的概念31高速磨削的技术4高速磨削的发展33内容提纲21高速磨削的概念330~40m/s80~120m/s150m/s常规磨削高速磨削超高速磨削高速加工(High-speedMachining)和超高速加工(Super-HighspeedMachining)的概念源于德国著名学者Salomon，他于1931年预言了材料的切削加工在高速、超高速领域有可能会变得更加轻松和容易。这为后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。高速磨削的概念1高速磨削的概念（1）高速磨削的机理特点划擦（弹性变形）耕犁（塑性变形）切削（形成切屑）砂轮速度越大，弹塑性区域就越小41高速磨削的概念单颗磨粒切厚变薄磨粒切入工件干涉切入角小参与切削磨粒增多单颗磨粒磨削力变小切屑形成时间短，工件表面塑性变形层变浅应变率响应温度滞后，致使工件磨削温度降低（2）高速磨削的机理特点提高磨削速度aqpswcudaCkh152高速磨削的优势(a)增加磨削速度，单颗磨粒切厚减少。砂轮磨损降低，粗糙度和磨削力也就小了。（HighQualityGrinding）(b)通过优化用量参数，使磨削厚度保持不变，那么增加磨削速度，磨削效率将会大幅提高。（HighPerformanceGrinding）62高速磨削的优势①磨削力小②可以大幅度提高磨削效率③砂轮磨损小，使用寿命长④能获得更低粗糙度的磨削表面⑤减少磨削表面的热损伤，具有好的表面完整性高速磨削的优点：72高速磨削的发展在越过产生磨削热损伤的区域后，增大磨削用量，能有效遏制热损伤。这就开拓出一个广阔的高速磨削参数领域,为实现超高速的磨削提供了理论基础。但在机理深入和磨削工艺方面，针对不同的工程材料所开展的研究，还很不全面，尚未形成完整的理论体系，还需进行广泛的研究，找出内在规律。（1）高速磨削的机理方面82高速磨削的发展单颗金刚石磨粒高速磨削GH4169成屑去除机理研究试验（1）高速磨削的机理探索案例试验装置和磨削轨迹示意图92高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例试验中砂轮转速20-165m/s,最大切厚保持在8μm，倾角θ为4゜P为磨粒每旋转一周时，在工件上行走的螺旋间距。即：其中Vf为工件进给速度，Vs为砂轮旋转速度。显而易见，磨粒在向X轴行进过程中，切屑厚度逐渐增大。sfvdvP/102高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例砂轮转速为20m/s时的工件表面形态2高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例砂轮转速为100m/s时的工件表面形态砂轮转速为165m/s时的工件表面形态上式中O’B为x，那么成屑临界切厚可以由上得出。12切削区域耕犁和切削交界划擦区域切屑划擦区域切削区域耕犁区域2高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例从图可以看出，砂轮转速100m/s是个拐点，表明材料去除机理在此时发生了转变。当速度低于100m/s时，随速度增加，材料应变率比温度增加的快，所以致使塑性降低，材料成屑较容易，而当速度高与100m/s时，材料热软化效应在成屑中起到了主导作用。132高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例14左图显示了磨屑的形态，可以看出一面比较光滑；一面褶皱明显。高速磨削条件下，这主要是由于工件GH4169高应变率和低热导率引起的近似绝缘剪切，进而导致形成碎片切屑。依据切削原理，得出速度对单颗磨粒切削GH4169剪切频率的影响规律。速度与剪切频率近似成线性增加，因而成屑过程中绝缘切削变得容易，切屑碎片面积变小。2高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例15左图为示意图，定义隆起区域面积与沟槽总面积之比为隆起比。当速度低于60m/s时，隆起比迅速下降，该阶段主要受材料加工硬化影响。随后，隆起比随速度增加是由单颗磨粒磨削温度上升较快而导致的材料热软化效应引起。2高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例I阶段是材料加工硬化主导阶段，II阶段是材料热软化主导阶段。因而，湿磨情况下拐点是100m/s，干磨拐点变为20m/s162高速磨削的发展（1）高速磨削的机理探索案例因此，在单颗金刚石磨粒高速磨削GH4169试验中，材料成屑过程中的划擦、耕犁和切削过程可由成屑临界切厚曲线和塑性变形临界切厚两条曲线划分，而引起该划分的关键因素是砂轮速度。从成屑临界厚度和隆起比随速度变化情况，可知其存在拐点，本次试验为100m/s，同时这也是材料应加工硬化和热软化在成屑过程中谁起主导作用的划分关键。17金属材料塑性和变形速率之间也存在拐点。3高速磨削的发展（2）高性能磨具的出现a超硬磨粒材料：金刚石、CBN磨粒微晶氧化铝磨粒b高强度砂轮基体钢、铝，CFRP等复合材料c高性能结合剂和制作工艺：树脂、金属、陶瓷、电镀、钎焊183高速磨削的发展南京航空航天大学机电学院（3）高性能磨床的开发a超高速磨床主轴及其轴承技术高速电主轴：高转速、高精度、响应快、重量轻特点陶瓷滚子轴承重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、寿命高加工难，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感磁悬浮轴承转速可达200m/s刚度与负荷容量低，尺寸大，价格昂贵空气静压轴承回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，主要用于高速、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193高速磨削的发展（3）高性能磨床的开发b磨床支撑构件，床身和立柱砂轮架、头架、尾架、工作台等，有更加良好的静刚度、动刚度和热刚度床身和立柱采用混凝土、整体铸铁和钢板焊接件等c进给系统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d磨削液及其供给技术液氮冷却、喷气冷却、微量润滑、干切削等主要还是磨削液：油基磨削液和水基磨削液常用的磨削液注入方法有：浇注法、高压喷射法、砂轮内冷却法等磨削液的高压喷射及其过滤等203高速磨削的发展（3）高性能磨床的开发e砂轮、工件安装定位及安全防护技术砂轮架，自动上下料系统防弹玻璃门、连锁装置、泄压装置等f磨削状态监测及数控技术砂轮和修整轮的对刀精度，在线测量等声发射技术，幅值、频谱等变化g砂轮在线修整技术激光修整、电解修整等213高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例高速磨削下的传统钢基体缺陷：质量重、安装不方便、影响主轴寿命、高速下易变形、振动等用CFRP制作砂轮基体优点：密度低、强度高、易设计、易成形。223高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例基体截面设计模型：简单环形、锥形和曲线形233高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例基体选材：CFRP的应力和全变形水平均比铝和钢的低。尤其在400m/s的速度时，CFRP的应力值只有192.5MPa，近似于钢基体的19%。243高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例基体材料动态特性对比：钢基体和CFRP在对比前5组振动频率时，缓慢增大的趋势是相似。但CFRP振动频率均比钢基体高出约85%。可从下面公式做出解释，即CFRP的D*与ρ比值比钢的大。这就减弱了砂轮基体因共振而引起的恶化倾向。而钢基体最大振幅达3.86μm，CFRP的只有2.3μm，并且，钢基体需要较长时间回复到平衡位置，CFRP阻尼能力较好。3高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例基体材料热应力对比（Φ240mm×15mm×Φ40mm）：CFRP由于较低的热传导率，热由边缘传到中心需要较长时间。也因此其热应力和径向变形较低。263高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例CFRP砂轮（Φ240mm×15mm×Φ40mm）：CFRP砂轮由CFRP基体、CBN磨粒节块和粘合剂组成。273高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例CFRP磨粒节块：CFRP砂轮由CFRP基体、CBN磨粒节块和粘合剂组成。(a)节块数量节块数量对砂轮总变形影响不大，节块数量增加会导致径向应力和周向应力出现下降，而砂轮整体的弹性模量因其总质量近似而保持不变。结合实际加工过程和已有分析，选择节块数量为40.283高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例CFRP磨粒节块：(b)节块厚度应力和形变随节块厚度增大均出现明显增加。而单个节块厚度的增大会导致CBN磨粒节块重量增加，进而致使砂轮总形变出现增大现象。考虑到砂轮总形变对高速磨削现场安全和工件质量影响重大，因此一般其越小越好。故选择节块厚度为5mm。293高速磨削的发展（4）CFRP碳纤维增强复合材料高速砂轮结构设计案例综上，砂轮基体尺寸为Φ240mm×15mm×Φ40mm，其中CBN磨粒节块有40个，厚度为5mm，结合剂选择树脂，即可得砂轮线速度400m/s的砂轮。实物如下图所示。当然，具体情况有待实际试验验证。304高速磨削的技术（1）高效深切磨削HEDP(HighEfficiencyandDeepGrinding)高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100-250m/s)、高进给速度(0.5-10m/min)和大切深(0.1-30mm)为一体的高效率磨削技术。由德国Bremen大学Werner教授于1980年创立。他不仅在理论上确认了高效深磨区的存在，而且还在试验研究的基础上，提出了可以将缓进给磨削弧区传热机理扩展至高速、超高速磨削领域，只是需要选择适当的磨削条件。高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率(磨除率比普通磨削高10~1000倍)，表面质量也可达到普通磨削水平。314高速磨削的应用技术（1）高效深切磨削HEDP(HighEfficiencyandDeepGrinding)HEDG使用比缓进给磨削得多的进给速度，生产效率大幅度提高。由于具有缓磨和高速磨削的综合工艺优势，新开发的HEDG工艺在进行45钢、GCr15轴承钢之类易加工材料零件的大切深重负荷磨削加工时，单位砂轮宽度上材料去除率Zw能够高达50～2000mm3/mm·s。后来又进一步在CBN砂轮基础上开发出200-300m/s的超高速深磨磨床，见表1.324高速磨削的应用技术（1）高效深切磨削HEDP(HighEfficiencyandDeepGrinding)高效深切磨削工艺因此也被视为了代表目前磨削加工技术发展的最高水平。334高速磨削的应用技术（2）超高速外圆磨削提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度，可实现高效率超高速精密磨削。超高速外圆磨削是使用150-200m/s及以上的砂轮周速和CBN砂轮，配以高性能CNC系统和高精度微进给机构，对主轴、曲轴等零件外圆回转表面进行超高速精密磨削加工的方法。它既能够保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。344高速磨削的应用技术（2）超高速外圆磨削目前已成功应用于汽车工业部门：例如，使用丰田工机株式会社GCH36B型CNC超高速外圆磨床来磨削加工余量达5mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达174mm3/（s·mm)，砂轮磨削比可达33500。以表面粗糙度3μm为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转。丰田工机GZ0型CNC超高速外圆磨床装备了ToyodastateBearing轴承，用200m/s的薄片CBN砂轮对回转体零件进行一次性纵向轨迹磨削完成整个工件的柔性加工。这些对生产管理和降低成本均具有重要意义。德国GuhringAutomation公司RB625超高速外圆磨床上，使用CBN砂轮，也可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2kg金属。354高速磨削的应用技术（3）快速点