基于工程陶瓷的超高速磨削技術在機械加工領域中的應用研究

摘 要：工程陶瓷是一種機械加工領域比較常見的材料，在機械加工領域中的應用非常廣泛，材料本身具有許多良好的綜合性能。超高速磨削技術是一種機械加工領域慢慢流行的加工技術，可大幅度提高工件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質量，在現(xiàn)今的機械加工領域中的應用也日漸廣泛。本文結合工程陶瓷的材料特點及加工方法，對超高速磨削技術在機械加工領域中的應用進行分析，并對該技術進行了展望。

關鍵詞：陶瓷材料;超高速磨削技術;機械加工領域

一、工程陶瓷在機械加工領域中的應用

（一）工程陶瓷概述

工程陶瓷本身在物理、化學、機械方面具有許多良好的性能。機械加工領域的工程陶瓷的熔點比一般金屬都要高，有良好的熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小、質量比較輕、耐磨損等。在機械加工、汽車工業(yè)、航空航天等領域，工程陶瓷被廣泛應用[1]。

（二）工程陶瓷的加工特性

（1）車削加工。工程陶瓷材料的脆性比較大、硬度比較高，在車削過程中，去除屑的難度比較大。所以，如若要進行車削加工，對于刀具材料的要求比較高，一般需要選擇超硬材料的刀具，普通材料的刀具容易造成斷刀的危險。

目前對于工程陶瓷材料的普通車削加工的研究并不多，但對于精密和超精密車削加工的研究相對多一些。由于工程材料本身的特性，在普通車削加工環(huán)境下，很難實現(xiàn)工程陶瓷的車削加工。有研究表明，刀具材料的好壞、加工過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化，可以減小零件的表面粗糙度，提高車削加工的生產(chǎn)率。

（2）磨削加工。磨削加工是目前工程陶瓷主要的加工方法。普通磨削加工通常采用脆性去除和粉末化去除。普通磨削加工后的陶瓷材料存在表面質量較差的問題，還會存在裂紋，這樣的零件很難滿足實際生產(chǎn)要求。所以在磨削加工中，如何進行塑性去除顯得尤為關鍵。高速深磨和超聲振動輔助磨削是工程陶瓷材料的主要的磨削加工方法[2]。

高速深磨常用于對工程陶瓷的磨削加工，是近幾年應用比較廣泛的技術。高速深磨的砂輪線速度比普通磨削加工大，磨削力比普通磨削加工小。高速深磨采用對材料進行塑性去除的方法改善陶瓷的表面質量。高速深磨一方面改善磨削表面質量，同時另一方面還能提高加工效率，降低加工成本，在機械加工領域中的應用前景良好。我國高速深磨技術的發(fā)展得益于近幾年的引進了國外先進的磨床，從而在汽車的關鍵零件上進行加工應用。

超聲振動輔助磨削技術是一種復合技術，該技術是結合了超聲波加工技術和傳統(tǒng)磨削技術的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的磨削加工技術相比，該技術的磨削深度和材料去除率較大。同時，磨削加工中的切削力較小，能夠提高表面質量，可加工形狀較為復雜的零件。

激光加熱輔助磨削是通過利用高功率激光對工件進行局部加熱的加工方法。它實現(xiàn)塑性磨削的方法是讓提高陶瓷材料的局部塑性。與普通磨削加工相比，激光加熱輔助磨削能讓零件獲得更好的表面質量，在機械加工中大幅度地減小了刀具的磨損，從而達到降低加工成本的目的。

預應力磨削是在磨削加工過程中，預應力磨削加工通過將預應力施加到工件上改變工件內部的應力值，使得應力狀態(tài)發(fā)生變化，這一變化會使得表面損傷降低，從而改善磨削加工后工件的表面質量。所以該加工方法提高了磨削加工的表面質量和加工效率。

ELID磨削是電解在線砂輪修整（ELID）磨削技術的簡稱。該技術可以實現(xiàn)邊加工，邊進行砂輪的修整，很大程度地確保了砂輪表面的磨削能力，可以得到良好的加工表面質量。這一技術不但了延長砂輪的使用壽命，并和傳統(tǒng)的磨削加工比較，ELID磨削的加工穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高、精度等級高。

以上幾種加工方法各有優(yōu)缺點。在實際的機械加工領域，我們需要綜合考慮優(yōu)缺點因素，以確保零件產(chǎn)品的質量、加工成本、加工效率等。幾種磨削加工的優(yōu)缺點比較見表1。

二、超高速磨削技術在機械加工領域中的應用

近幾年來，國內的機械加工制造行業(yè)不斷壯大，為了更好地促進加工制造行業(yè)的生產(chǎn)效率和質量，超高速磨削技術成功進入加工制造行業(yè)，利用高速打磨材料的方法提高磨削效率和質量[3]。

（一）超高速磨削技術的優(yōu)勢

該技術隨著磨削速度的提升，從而達到減小磨屑厚度的目的。與傳統(tǒng)的磨削技術相比，超高速磨削技術可以采用更高的進給速度（從傳統(tǒng)的45m/s提高到了150m/s）和更大的磨削深度，從而使磨削效率大幅度提高[4]。

（1）減少材料磨損率，節(jié)省原材料。超高速磨削技術通過增加磨屑的數(shù)目，從而提升磨屑的整體質量，和傳統(tǒng)磨削技術相比，超高速磨削技術有著成本低的超強優(yōu)勢，使得磨削效率得到大大的提升。對于企業(yè)而言，運用該技術后可以解決實際產(chǎn)能小于或者等于資金投入之間的問題。雖然由于超高速磨削技術的速度提高會增加電能消耗，但是在磨削過程中的冷卻劑的使用會明顯減少，并且高速使得零件損壞的可能性降低，從而節(jié)省了原材料。

（2）提升機械設備的耐用度，提高生產(chǎn)效率。在機械加工過程中難免存在著機械生產(chǎn)設備的磨損情況，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，為了降低成本，就需要將設備的使用壽命延長，傳統(tǒng)磨削技術無法在提升壽命的同時減少耗損。超高速磨削技術通過磨削速度的提升，從而達到減小磨屑厚度的目的。在超高速磨削加工過程中，砂輪表面的顆粒之間的摩擦荷載減小，提高了砂輪的耐用度，將機械設備的損耗得到延緩，所以超高速磨削技術一方面確保了生產(chǎn)效率，同時提高了機械設備的使用壽命。

（3）降低零件的表面粗糙度。零件的表面粗糙度和形貌完整性是考量磨削技術好壞的重要標準。在傳統(tǒng)的磨削加工中，磨削的速度不夠“快”，這會導致工件表面出現(xiàn)受力不均的情況，從而導致工件的表面粗糙度比較大，磨削質量無法保證，加工效率也較低。超高速磨削技術可以通過該技術特有的“高速性”確保零件表面受力均勻，從而保證零件的表面粗糙度。并在磨削過程中，有效確保零件的變形度，從而提高最終零件的形貌完整性。

（二）超高速磨削技術的實際應用

隨著超高速磨削技術的應用越來越普及，解決了傳統(tǒng)磨削加工中無法加工硬度高、強度要求高的問題，擴大了我國機械制造磨削技術的應用范圍。

（1）高速深磨技術的應用。超高速磨削技術突出磨削速度的“快”，緩進給磨削技術突出切削深度的“大”，將兩個技術結合起來，就形成了一種新技術——高速深磨技術。該技術的主要特點是快，即砂輪運轉速度快。該技術一方面確保了超快的磨削速度，另一方面保證了磨削加工后的表面質量。

（2）超高速的精密磨削技術應用。該技術通過將砂輪的線速度大幅提高，使得工件的物理形貌更加精細，從而提高機械制造的效率和質量。超高速的精密磨削加工的關鍵是磨削加工后的磨屑狀態(tài)，此狀態(tài)應控制在亞米級的精度級別。該技術可以加工出更精密的零部件，使我國的機械加工行業(yè)得到良好發(fā)展。

（3）在耐磨材料中的應用。耐磨材料具有硬度和耐熱度高、導熱能力弱等特點。由于這些特性的存在，在磨削加工后，必定會減少磨屑數(shù)量的產(chǎn)生，材料的形狀會造成改變，降低機械加工的效率。通過應用超高速磨削技術，可以提升耐磨材料的可塑性，從而使得機械制造的效率和質量得到提高，從而降低機械制造的成本。

在機械加工的實際生產(chǎn)中，有些因素也是影響超高速磨削技術的關鍵[5]，表2中列出了三種關鍵的影響因素。

三、結語

對于工程陶瓷材料和超高速磨削技術還有很多提升的研究領域。在現(xiàn)有的磨削工藝方法的基礎上，研究如何設定磨削工藝參數(shù)和如何改善現(xiàn)有的加工方法或研究出新的復合工藝方法，在保證磨削加工的高質量的前提下，使得磨削效率和質量大大提高，并減小砂輪磨損，是后續(xù)研究的重點。

參考文獻：

[1]夏濤，鄧朝暉，劉偉，李重陽，萬林林.工程陶瓷高效精密磨削加工技術的研究進展[J].機械制造與自動化，2019，48（05）：1-3.

[2]龔琪，沈景鳳，謝建林.工程陶瓷材料的加工技術及應用進展研究[J].人工晶體學報，2016，45（07）：1898-1905.

[3]彭慧毅，羅沿進.超高速磨削技術在機械制造領域中的運用[J].科技風，2019（17）：178.

[4]孫承雙.超高速磨削技術在機械制造領域中的應用[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014（02）：72.

[5]劉亞楠，劉琦.淺析超高速磨削技術在機械加工制造中的應用[J].科技展望，2016，26（16）：46.

基金項目：2019年上海工程技術大學高等職業(yè)技術學院科技發(fā)展基金項目“基于砂輪建模的磨削加工精度研究”（GZ19-6）

作者簡介：朱曉楓（1989— ），女，漢族，江蘇啟東人，碩士研究生，教研員，助教，研究方向：先進制造技術。