磨削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域，是現(xiàn)代機(jī)械制造中實(shí)現(xiàn)高速加工、精密加工、超精密加工最有效、應(yīng)用最廣泛的基本工藝技術(shù)。磨削加工量占機(jī)械加工總量的30%~40%.

　　高速磨削技術(shù)是磨削工藝本身的革命性躍變，是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來的一項新興綜合技術(shù)，它集現(xiàn)代機(jī)械、電子、光學(xué)、計算機(jī)、液壓、材料及計量等先進(jìn)科技成就于一體。隨著砂輪強(qiáng)度和機(jī)床制造等關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，砂輪速度大大提高，目前磨削去除率已猛增到了3 000mm³/mm·s,甚至更多，可與車、銑、刨等切削加工相媲美，尤其近年來各種新興硬脆材料，如光學(xué)晶體、光學(xué)玻璃、陶瓷、單晶硅等的廣泛應(yīng)用，推動了高速磨削技術(shù)的迅猛發(fā)展。國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）已將高速磨削技術(shù)確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向之一。

　　砂輪速度高于45m/s的磨削稱為高速磨削?，F(xiàn)在高速磨削砂輪速度達(dá)60~250m/s,工件進(jìn)給速度為1 000~10 000m/min.在砂輪速度為60~120m/s內(nèi)，使用普通砂輪，磨削去除率可達(dá)500~1 000mm³/mm·s,在砂輪速度為120~250m/s內(nèi)，使用CBN（立方氮化硼）砂輪，磨削去除率可達(dá)2 000mm³/mm·s.德國阿亨（Aachen）工業(yè)大學(xué)，進(jìn)行砂輪速度500m/s為目標(biāo)的超高速磨削試驗(yàn)，對砂輪與磨削工藝技術(shù)進(jìn)行綜合研究。過去認(rèn)為高速磨削工藝不適合于加工大平面或圓柱形表面精加工，主要用于溝槽及缺口件磨削及切入磨削，但日本、德國的研究表明，提高磨削速度可明顯地改善工件磨削質(zhì)量，降低磨削力，獲得較小尺寸誤差及形狀誤差，提高加工精度。日本研發(fā)的超高速（砂輪速度為160~260m/s）外圓磨床，使用CBN砂輪，可獲得圓度誤差為1μm,表面粗糙度值R z=1.2μm的磨削效果。

　　一、超高速磨削的特點(diǎn)

      超高速磨削與普通磨削相比具有以下突出優(yōu)勢：

　?。?）磨削力小，零件加工精度高。當(dāng)磨削效率相同時，磨削速度達(dá)200m/s時的磨削力僅為磨削速度為80m/s的50%.但在相同的單顆磨粒切除條件下，磨削速度對磨削力影響極小，從而提高加工精度。

　　（2）可以得到高質(zhì)量、低粗糙度值的工件表面。

　　在材料磨除率不變條件下，提高磨削速度可以降低單顆磨粒的磨削深度，從而減小磨削力。降低工件表面粗糙度值且在加工低剛度工件時，易于保證加工精度。如果在高速磨削時仍保持原有的磨削力，則可提高進(jìn)給速度，降低加工時間，提高生產(chǎn)效率。

　?。?）可以大幅度提高磨削效率，減小設(shè)備使用臺數(shù)。以往磨削僅適用于精加工，加工精度雖高但加工余量很小。磨削前需安排許多粗加工工序，需配合不同類型的機(jī)床，構(gòu)成了一個冗長的工藝鏈。當(dāng)前高速磨削的材料磨除率已可與車削、銑削相比，為此磨削加工既可作精加工又可作粗加工，這樣可大大減少機(jī)床種類，簡化工藝流程。對于某些以磨削為最終加工工序的產(chǎn)品來說，高速磨削可以大幅度地降低生產(chǎn)成本及提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　?。?）可以大幅度延長砂輪壽命，有利于實(shí)現(xiàn)磨削加工的自動化。在磨削力不變的條件下，以磨削速度200m/s磨削時，砂輪壽命比以80m/s磨削時提高一倍，而在磨削效率不變條件下，砂輪壽命可提高7.8倍。砂輪壽命與磨削速度成對數(shù)關(guān)系增長，使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時，磨削速度由30m/s提高到160m/s,砂輪磨削比由900提高到5 100,有利于實(shí)現(xiàn)自動化磨削。

　?。?）成功地越過了磨削熱溝道的影響，工件表面層可得到殘余壓變力（對工件穩(wěn)定性有利）。

　　二、超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)

      下圖列出了超高速磨削技術(shù)所需的各項相關(guān)技術(shù)，其中高速軸承和高速砂輪的設(shè)計與制造是影響超高速磨削技術(shù)應(yīng)用的最重要因素。

      1.超高速磨削砂輪

     （1）超高速砂輪的結(jié)構(gòu)和制造 超高速磨削砂輪必須滿足下列要求：砂輪基體的機(jī)械強(qiáng)度必須能承受高度磨削時的切削力；外觀鋒利，即磨粒突出高度要大，以便能容納大量的長切屑；結(jié)合劑必須具有很高的耐磨性，以減少砂輪的磨損。

　　從超高速磨削的發(fā)展趨勢看，金剛石和CBN砂輪在超高速磨削中所占的比重越來越大，所用的結(jié)合劑可以是樹脂、陶瓷和金屬。隨著超高速磨削的進(jìn)一步推廣和科研的深入，新型的磨粒和結(jié)合劑也在不斷的出現(xiàn)。

　　電鍍結(jié)合砂輪在超高速磨削時廣泛采用，其磨粒的突出高度很大，能夠容納大量的切屑，不易形成鈍刃切削，對超高速切削十分有利。由于電鍍結(jié)合砂輪只有一層磨粒，所以在使用過程中，不需進(jìn)行修整，從而可節(jié)省昂貴的修整裝置和修整工時。

　　最近瑞士Winterthur公司研制出一種新的CBN砂輪，磨粒的基本形狀是四面體，在磨削力增大到一定程度時會產(chǎn)生分裂，從而形成新的鋒利切削刃。磨削合金工具鋼時，可有效降低切削力及切削溫度；保持砂輪壽命不變時，可以提高材料的磨除率及工件的精度。近年來，由于減少了磨粒層厚度并改善了相應(yīng)的制造工藝措施，日本的陶瓷結(jié)合劑砂輪已在300m/s下安全運(yùn)轉(zhuǎn)，單層電鍍CBN砂輪的使用速度可選250m/s. 歐洲主要使用單層電鍍CBN砂輪進(jìn)行高速高效成形磨削和開槽磨削。美國Norton公司利用銅焊技術(shù)研究出的金屬單層砂輪，其磨粒突出比已達(dá)到70%~80%,容屑空間大大增加，結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過1 500N/mm²,在相同磨削條件下可使磨削力降低50%,進(jìn)一步提高了磨削效率極限。

　　為了保證砂輪在整個使用壽命中保持鋒利，砂輪的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于磨粒分裂，維持自勵過程。要達(dá)到砂輪自鋒利的目的，除了盡量降低結(jié)合劑的比例外，還要優(yōu)化磨粒的空間分布。為此，可以通過計算機(jī)算出各種磨粒分裂時作用在單個磨粒上的力，從而可確定結(jié)合劑的比例。

　　我國至今還無超高速專用砂輪，圍繞超高速磨削砂輪的設(shè)計理論及制造安裝等方面的研究剛剛開始。

　?。?）超高速砂輪的修整 超高速單層電鍍砂輪一般不需要修整。特殊情況下利用粗磨粒、低濃度電鍍杯形金剛石修整工具只對個別高點(diǎn)進(jìn)行微米級修整。試驗(yàn)表明，當(dāng)修整器進(jìn)給量在3~5μm時，不但能保證工件質(zhì)量，而且可以延長砂輪壽命。

　　對于某些高速磨削，不僅要有高的磨削效率，而且還要有高的磨削質(zhì)量（高加工精度及低的表面粗糙度值），為此，對砂輪應(yīng)有一套完善的修整技術(shù)。

　　超高速金屬結(jié)合劑砂輪一般采用電解修整，超高速陶瓷結(jié)合劑砂輪的修整粒度對磨削質(zhì)量有重要影響。

　　日本豐田工機(jī)在GZ50超高速外圓磨床的主軸后部裝有全自動修整裝置，金剛石滾輪以25 000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，采用聲發(fā)射傳感器對CBN砂輪表面進(jìn)行檢測，以0.1μm的進(jìn)給精度對超高速砂輪進(jìn)行修整。

　　鑒于傳統(tǒng)修整法的局限，人們開發(fā)了多種超硬磨粒砂輪修整法，有在線電解修整法（ELID）、雙電極在線修整法、彈性修整法、超聲波振動修整法和激光修整法等，其中激光修整法是解決超硬磨粒砂輪修整的一種理想方法。它具有修整速度快、工效高、節(jié)省砂輪材料、易實(shí)現(xiàn)自動化執(zhí)行在線修整等優(yōu)點(diǎn)。特別是與普通砂輪磨削法修整超硬砂輪相比，激光修整的超硬磨粒砂輪具有良好的磨削性能，在相同磨削條件下，磨削陶瓷時的磨削力降低10%~15%.試驗(yàn)已表明，金剛石修整過的砂輪產(chǎn)生的磨削力、表面粗糙度值與功率密度為6.0×1010W/m²激光修整的砂輪基本接近。但隨著磨削過程的延續(xù)，若干磨削行程后，激光修整過的砂輪呈現(xiàn)更好的變化趨勢：磨削力保持長時間內(nèi)穩(wěn)定，表面粗糙度值較低。

　?。?）超高速砂輪的動平衡技術(shù) 超高速磨削所使用的砂輪由于制造和調(diào)整裝夾等誤差，在更換砂輪或修整砂輪后甚至在停車后重新起動時，砂輪主軸必須進(jìn)行動平衡。為此，高度磨削主軸必須有連續(xù)自動動平衡系統(tǒng)，以使在磨削時將振動降低到最小程度，從而獲得較高的加工精度和較低的工件表面粗糙度值。

　　按照自動動平衡裝置的平衡原理和不同的結(jié)構(gòu)形式，砂輪自動動平衡技術(shù)可分以下幾種形式：

　　機(jī)電式動平衡技術(shù)：20世紀(jì)80年代末，美國Schmitt Industries 公司生產(chǎn)出了一種被譽(yù)為：世界最先進(jìn)的在線磨床砂輪動平衡系統(tǒng)--SBS電腦化磨床砂輪平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由微機(jī)控制微電動機(jī)來移動平衡裝置內(nèi)部的微小重塊，從而修整砂輪的平衡量。日本研制出一種光控平衡器，通過微機(jī)控制平衡裝置內(nèi)部的傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動原件來移動平衡塊修整砂輪的平衡量。

　　液體注入式動平衡技術(shù)：德國Hofmann公司（專門研制動平衡技術(shù)及裝置）提出了砂輪液體自動動平衡裝置，這種裝置在砂輪的法蘭盤上安裝容量一定的4個儲水腔，均勻分布于不同象限，每個進(jìn)水槽與一個與電磁閥控制的噴水嘴相對應(yīng)，通過不同的噴水嘴就可向不同的儲水腔注入一定量的液體，從而改變砂輪不同象限的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)砂輪的自動動平衡。

　　液汽式動平衡技術(shù)：美國Balance Dynamics Corporation 研制成功一種采用氟里昂作為平衡介質(zhì)的液汽式砂輪平衡裝置。該裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，沒有開口、噴嘴、閥門及齒輪等運(yùn)動零件，性能可靠，不需維修，使用方便。汽態(tài)氟里昂冷卻后還原為液態(tài)，保留在腔內(nèi)，即使砂輪停轉(zhuǎn)，仍能保持平衡狀態(tài)。

　　2.超高速磨削的冷卻潤滑系統(tǒng)

     在超高速磨削過程中，冷卻潤滑系統(tǒng)的優(yōu)勢常常能夠決定整個磨削過程的成敗。冷卻潤滑的功能是提高磨削的材料切除率，延長砂輪的使用壽命，降低工件表面粗糙度值。冷卻潤滑系統(tǒng)在超高速磨削過程中必須完成潤滑、冷卻、清洗砂輪及傳送切屑四大任務(wù)。對于高精度、高速磨削還需有溫度控制系統(tǒng)以確保冷卻潤滑液的溫度恒定。

　　對于超高速磨削，需要使用7×106Pa以上的供液壓力及大的流量，并選擇合適的超高速磨削液供液方法，這樣可使砂輪的容屑空間得到充分清洗，避免砂輪堵塞，引起磨粒發(fā)熱磨損及磨削力增加。

　　在超高速磨削中，以實(shí)現(xiàn)無磨削液為目標(biāo)，可實(shí)施干式（綠色）磨削方法。如風(fēng)冷卻磨削、液氮冷卻磨削等。

　　3.超高速主軸和超高速軸承技術(shù)

     （1）超高速電主軸技術(shù) 當(dāng)前超高速磨削主要采用大功率超高速電主軸，優(yōu)點(diǎn)是主軸慣性轉(zhuǎn)矩小、振動噪聲小，高速性能好，可縮短加減速時間。但從精度方面看，如何減弱電動機(jī)發(fā)熱以及散熱等將成為今后研發(fā)的課題。目前，德國Hofmann公司正在進(jìn)行超高速磨削試驗(yàn)，采用最大功率為25kW的高頻主軸，來實(shí)現(xiàn)500m/s的砂輪速度，并能在30 000r/min和40 000r/min轉(zhuǎn)速下正常工作。日本一家軸承廠采用內(nèi)裝配伺服電動機(jī)研制了一種超高速磨頭，在25×104r/min高速下能穩(wěn)定工作。

　?。?）超高速軸承技術(shù) 高速精密軸承是超高速磨削主軸系統(tǒng)的核心部件。它分滾珠軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承和磁浮軸承四大類。由于滾動軸承有很多優(yōu)點(diǎn)，故目前國外多數(shù)超高速磨床采用滾動軸承、但不可采用鋼球軸承。為了提高其極限轉(zhuǎn)速，常采用下列措施：①提高制造精度等級。②合理選擇材料。為選用陶瓷球和鋼制軸承內(nèi)外圓的混合球軸承，可使其壽命提高3~6倍，極限轉(zhuǎn)速增加60%,而溫升降低30%~60%,其DN值達(dá)到300萬以上。③改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)。德國FAG軸承公司開發(fā)的新型超高速主軸軸承，將球直徑縮小至70%,增加了球數(shù)，從而提高了軸承的剛度，若潤滑充分合理，其連續(xù)工作時的DN值可達(dá)到250萬。采用空心滾動體可減少滾動質(zhì)量，從而減少離心力和陀螺力矩。

      日本東北大學(xué)開發(fā)的CNC超高速平面磨床，使用陶瓷球軸承，主軸轉(zhuǎn)速為3×104r/min.豐田工機(jī)在其開發(fā)的G250型CNC超高速外圓磨床上裝備了最新研制的Toyoda state bearing軸承，使用速度為200m/s的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，對回轉(zhuǎn)形零件進(jìn)行了高效、高精度和高柔性加工。日本東芝機(jī)械公司在ASN40加工中心上，采用了改進(jìn)的空氣軸承在大功率下實(shí)現(xiàn)了3×104r/min主軸轉(zhuǎn)速。日本光洋精工株式會社、德國Kapp公司曾成功地在其高速磨床上使用了磁浮軸承。磁浮軸承傳動功耗小，維護(hù)成本低，不需要復(fù)雜、昂貴的密封器件，但軸承本身成本太高，控制系統(tǒng)復(fù)雜。德國Kapp公司采用的磁浮軸承砂輪主軸，轉(zhuǎn)速可達(dá)到6×104r/min.德國GMN公司的磁浮軸承主軸的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到104r/min以上。另外，液體靜動壓軸承也已逐漸應(yīng)用于高速、高效磨床。

      4.高速進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)

      超高速磨削機(jī)床的滑臺驅(qū)動系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代初大多采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動和增加伺服進(jìn)給電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，一般進(jìn)給速度可達(dá)60m/min.為了能達(dá)到更高的進(jìn)給速度，近幾年出現(xiàn)了直線電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，由于它無間隙、慣性小、剛度大、速度范圍寬、重復(fù)精度高和無磨損，通過控制電路可實(shí)現(xiàn)高速度和高驅(qū)動，在1997年進(jìn)給速度已達(dá)120m/min。

　　美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電動機(jī)生產(chǎn)商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動機(jī)，并獲得美國專利。公司主要生產(chǎn)無刷直流直線電動機(jī)（永磁同步直線電動機(jī)），最新的無鐵芯LZ系列直線電動機(jī)有48種型號，作用力為350~4 000N,形成了不同結(jié)構(gòu)、不同功率的一系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。目前，國外比較著名的直線電動機(jī)生產(chǎn)和供應(yīng)商除了Anorad公司外，還有美國的工業(yè)巨人Parker--Hannifin、Aerotech、Kollmorgen公司，德國的Siemens、Indramat公司，日本三菱、FANUC公司和瑞士的ETEL公司。

　　德國的Indramat公司既生產(chǎn)感應(yīng)式直線電動機(jī)，又生產(chǎn)永磁式直線電動機(jī)，共50多種型號。永磁式具有高效率（最高1.72N/W）及高推力密度等特點(diǎn)。據(jù)報道，其產(chǎn)品速度能達(dá)到600 m/min,推力達(dá)22kN。

　　瑞士ETEL公司的永磁式直線電動機(jī)很適合做高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)為：有很高的電動機(jī)常數(shù)K m,將水冷卻系統(tǒng)整合于電動機(jī)繞組中，消除了從電動機(jī)到機(jī)床的熱氣流，力密度很高，可達(dá)到4.9~7.8N/cm²,加速度可達(dá)300m/s²,甚至更高，有很高的伺服剛度，在30~60Hz內(nèi)為300N/μm。

      三、超高速磨削技術(shù)的發(fā)展動向

      （1）發(fā)展大功率的高速主軸 要大力發(fā)展大功率高速主軸，只有主軸在高轉(zhuǎn)速時能輸出較大的功率，高速磨削的經(jīng)濟(jì)效益才能充分發(fā)揮。

　?。?）開發(fā)適應(yīng)高度磨削的新型砂輪及加工智能化技術(shù) 除研發(fā)新型的磨粒外，還必須對適用于高速磨削的結(jié)合劑及結(jié)合劑與磨粒系統(tǒng)的溝槽進(jìn)行充分的研究。此外，對于價格昂貴的超硬磨粒砂輪，要充分發(fā)揮其生產(chǎn)效率高、使用壽命長的優(yōu)勢，應(yīng)盡可能減小其消耗并提高修整效率和精度。為此，要開發(fā)磨削數(shù)據(jù)庫和知識庫為基礎(chǔ)的檢測系統(tǒng)磨削加工智能化技術(shù)。

　　（3） 改進(jìn)現(xiàn)有磨床結(jié)構(gòu)及開發(fā)第三代高速機(jī)床 為了盡可能降低在高速時由于砂輪不平衡引起的振動，應(yīng)配置在線自動動平衡系統(tǒng)，以使機(jī)床在不同轉(zhuǎn)速時，始終處于最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了提高生產(chǎn)效率及加工精度，則應(yīng)采用高速、高效和高精度的直線進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。

　　并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)床的出現(xiàn)，是20世紀(jì)90年代機(jī)床設(shè)計和制造技術(shù)的一次革命性的變革，由于其有許多普通機(jī)床所不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，故引起了廣泛的重視。并聯(lián)機(jī)床作為第三代機(jī)床，要積極開發(fā)，使其逐步進(jìn)入應(yīng)用階段。

　?。?）積極開發(fā)干式（綠色）冷卻潤滑技術(shù) 在超高速磨削中，要繼續(xù)優(yōu)化冷卻潤滑系統(tǒng)。此外，由于環(huán)保的需要，要大力開發(fā)干式（綠色）冷卻潤滑技術(shù)，即風(fēng)冷卻高速磨削、液氮冷卻高速磨削等技術(shù)。

　?。?）高速磨削向超高速邁進(jìn) 超高速磨削應(yīng)用研究的下一個目標(biāo)是沖破音速大關(guān)，把磨削速度提高到350m/s以上，進(jìn)而使500m/s的磨削速度在工業(yè)應(yīng)用上成為可能。