超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用探析

朱鈺

摘要：文章通過對(duì)超高速磨削技術(shù)的發(fā)展以及其應(yīng)用的優(yōu)勢進(jìn)行分析，闡述了超高速磨削機(jī)理及工藝，最后討論了高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，希望為我國超高速磨削技術(shù)的研究提供豐富的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：磨削技術(shù);機(jī)械制造;超高速

0? 引言

超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造的過程中對(duì)于粗加工和精細(xì)加工都有著很高的適用性，是現(xiàn)代磨削技術(shù)中非常常用的技術(shù)。在一些發(fā)達(dá)國家超高速磨削技術(shù)也被非常廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造領(lǐng)域，用來加工難磨材料、高精度材料等。但現(xiàn)階段我國的超高速磨削技術(shù)由于起步較晚，各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還有很大的進(jìn)步空間。因此，有必要對(duì)我國超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用和其存在的問題進(jìn)行深入研究和探索，使我國的超高速磨削技術(shù)更加完善，水平進(jìn)一步提升，將其更好地應(yīng)用于機(jī)械制造領(lǐng)域。

1? 超高速磨削技術(shù)的發(fā)展

在20世紀(jì)之前，傳統(tǒng)的制造業(yè)當(dāng)中應(yīng)用的都是較為古老的低速磨削技術(shù)，這種技術(shù)只可以應(yīng)用于普通的零件加工，且工作效率較低。進(jìn)入20世紀(jì)之后，隨著工業(yè)革命中各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸開始通過對(duì)磨削砂輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行提高，而嘗試應(yīng)用高速磨削技術(shù)。然而這一時(shí)期的高速磨削技術(shù)存在許多問題，一方面過高的速度會(huì)使砂輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大量熱度，加劇砂輪的磨損。另一方面，過高的溫度也會(huì)對(duì)加工的零件帶來損傷，這些問題都對(duì)超高速磨削技術(shù)的發(fā)展帶來了阻礙。[1]我國接觸超高速磨削技術(shù)較晚，在20世紀(jì)70年代才進(jìn)行了第一次高速磨削實(shí)驗(yàn)。而后在2000年，湖南大學(xué)在中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上，向業(yè)界展示了120m/s的輪軸磨床，標(biāo)志著我國超高速磨削技術(shù)有了新突破。此后隨著各項(xiàng)信息技術(shù)和智能手段的應(yīng)用，我國的超高速磨削技術(shù)在近20年進(jìn)入了飛速發(fā)展期。

2? 超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 部件精度的提高

由于超高速磨削技術(shù)中磨削區(qū)域的磨削狀態(tài)在達(dá)到高轉(zhuǎn)速的過程中，會(huì)由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這種沖擊呈現(xiàn)的原理可以在零件加工過程中，使接觸到零件的磨削力度降低，不對(duì)精細(xì)化零件造成損傷。因此，在機(jī)械制造中對(duì)零件進(jìn)行加工的過程中，通過運(yùn)用超高速磨削技術(shù)，可以很好的控制磨削的力度和需要磨削的厚度，非常適合用于精細(xì)化程度很高的零件的加工，可以在很大程度上提高所制造的零件的精度。

2.2 部件光潔度的增加

在進(jìn)行制造部件加工的過程中，超高速磨削技術(shù)不但耗時(shí)較短，能為加工過程創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定良好的作業(yè)環(huán)境。且由于超高速磨削技術(shù)在磨削過程中磨削速度非?？?，在高溫中的液態(tài)磨削對(duì)精密部件的表面磨損程度很小，極大的降低了表面的粗糙程度，使加工出來的精細(xì)化部件表面光潔，降低表面摩擦力。

2.3 砂輪耐用程度的提高

隨著超高速磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，在對(duì)其的應(yīng)用過程中，工程師們通過對(duì)磨削期中砂輪材質(zhì)不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和挑選，對(duì)整個(gè)機(jī)器速度和性能不斷提升。超高速磨削技術(shù)借助飛快磨削的性能，使砂輪的磨粒在單位時(shí)間內(nèi)承擔(dān)的負(fù)荷大幅減小，打破了磨削砂輪在磨削工作中的時(shí)間限制。不會(huì)再出現(xiàn)初期的由于轉(zhuǎn)速較高而產(chǎn)生砂輪過熱的現(xiàn)象，在一定程度上提高了砂輪的耐用程度。

2.4 加工制造效率獲得提升

超高速磨削技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是它的應(yīng)用使傳統(tǒng)的磨削技術(shù)在速度上有了極大的提升。隨著速度的提升，磨削機(jī)器在同一時(shí)間內(nèi)可操作的零件數(shù)量也就相應(yīng)增多，且隨著智能數(shù)控化技術(shù)的發(fā)展，超高速磨削可以進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，一方面極大的節(jié)省了人力資源，節(jié)省了生產(chǎn)成本。另一方面，短時(shí)高效的磨削方式有效的縮短了工作時(shí)間，使得機(jī)械制造的效率大幅上升。

3? 超高速磨削機(jī)理及工藝

3.1 超高速磨削砂輪技術(shù)

超高速磨削技術(shù)當(dāng)中，最主要的部分就是磨削砂輪，好的磨削砂輪具有極強(qiáng)的耐磨性和抗裂性，砂輪本身的剛度和導(dǎo)熱性良好，在磨削過程中平衡度和精度較高，能承受住超高的轉(zhuǎn)速和作業(yè)過程中的切削力，不會(huì)在高速磨削時(shí)由于巨大的離心力造成砂輪自身碎裂。首先在超高速磨削技術(shù)當(dāng)中，對(duì)砂輪材質(zhì)的選擇方面，要選擇剛玉、金剛石、碳化硅等本身材質(zhì)堅(jiān)硬耐磨的材料。[2]在后期制作粘合的過程中，對(duì)剛玉碳化硅等材料的粘合，可以使用金屬粘合劑、樹脂等。在電鍍方式上一般采用單層電鍍，以此來確保砂輪的粘合強(qiáng)度高，且可以塑造出復(fù)雜精細(xì)的砂輪形狀，做成的砂輪使用壽命也比較高。其次，在砂輪與磨削主軸連接方面，也要充分考慮連接方式，要進(jìn)一步開發(fā)精度更高，高度更高，平衡性更好的連接方式，才能確保磨削砂輪在使用過程中的耐用性。砂輪磨粒的分布空間設(shè)置也是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，要確保砂輪磨粒的分布科學(xué)合理，才能在一些高效率高質(zhì)量的零件磨削中保持砂輪的鋒利程度。

3.2 超高速磨床主軸及其軸承技術(shù)

超高速磨削技術(shù)的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是主軸單元的性能，要實(shí)現(xiàn)超高速的磨削技術(shù)，就要采用功耗較低、穩(wěn)定性好且回轉(zhuǎn)精度高的主軸，在主軸材料的選擇上也要?jiǎng)偠茸銐?，熱穩(wěn)定性能好，這樣主軸的使用壽命才能更長?，F(xiàn)階段超高速磨削技術(shù)主軸一般為磁浮軸承，這種軸承在磨削過程中高度和所承受的負(fù)荷有限，磨削過程不能達(dá)到最佳狀態(tài)。主軸的軸承部分的材料選擇最好為陶瓷材質(zhì)，陶瓷材質(zhì)的軸承重量較輕、在作業(yè)過程中耐高溫、耐腐蝕、不宜膨脹，是超高速磨削技術(shù)軸承的最佳選擇。

3.3 磨削液及其供給技術(shù)

在對(duì)零件進(jìn)行磨削的過程中，磨削砂輪和零件之間需要磨削液作為潤滑介質(zhì)，減少高速磨削產(chǎn)生大量熱量帶來的影響?，F(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的磨削液有以潤滑效果較好的油基為主的磨削液，和以冷卻效果較好的水基為主的磨削液。首先，在應(yīng)用磨削液時(shí)要采取適當(dāng)?shù)淖⑷敕椒?，緩解由于高速磨削過程中氣流屏障阻礙磨削液有效應(yīng)用而產(chǎn)生的薄膜沸騰的情況。對(duì)磨削液的注入方式有很多種，可以進(jìn)行手工澆注，也可以進(jìn)行高壓噴射等方法，但在應(yīng)用過程中都要確保磨削液的噴注壓力夠強(qiáng)，能有效進(jìn)入到所需要的磨削區(qū)。只有這樣才能達(dá)到很好的冷卻與潤滑效果，保護(hù)磨削砂輪，提高磨削質(zhì)量。另外由于超高速的磨削作業(yè)中，對(duì)磨削液進(jìn)行多次利用后，會(huì)產(chǎn)生大量殘留，這會(huì)給機(jī)器的質(zhì)量和機(jī)床系統(tǒng)帶來不良影響。因此對(duì)磨削液的過濾系統(tǒng)的建設(shè)也是十分重要的，要在磨削過程中把磨削區(qū)完全封閉起來，利用離心力、靜電吸附的方式及時(shí)對(duì)殘留的磨削液進(jìn)行清理。

3.4 磨削狀態(tài)檢測及數(shù)控技術(shù)

在超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用中，由于砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的高溫和強(qiáng)壓容易造成砂輪的破損，如果不及時(shí)處理會(huì)引發(fā)更大的事故。因此在超高速磨削作業(yè)當(dāng)中，對(duì)沙輪狀態(tài)的監(jiān)測也是非常重要的。目前，最常用到的是聲發(fā)射技術(shù)，這種技術(shù)通過監(jiān)測磨削過程中，砂輪產(chǎn)生的各種聲發(fā)射源，例如砂輪與零件表面彈性接觸產(chǎn)生的聲音、砂輪連接即破裂的聲音等各種聲發(fā)射信號(hào)的探測。[3]可以對(duì)超高速磨削過程中，砂輪表面是否破裂和燒傷以及砂輪的磨損程度進(jìn)行判斷，并且在實(shí)踐過程中取得了良好的效果。

4? 超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

4.1 超高速磨削的深磨技術(shù)應(yīng)用

目前在機(jī)械制造中，對(duì)超高速磨削技術(shù)當(dāng)中的深磨技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，深膜技術(shù)對(duì)磨削砂輪的轉(zhuǎn)速和材質(zhì)要求非常高。首先深磨技術(shù)的砂輪材料必須為成本較為昂貴的陶瓷。其次，在速度的控制方面，砂輪的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到120m/s，這比普通的磨削技術(shù)速度要快幾百倍甚至上千倍。它通過對(duì)零件超高速的磨削，可以對(duì)零件的尺寸精度、形狀精度等進(jìn)行非常精準(zhǔn)的塑造。且在此過程中不會(huì)給精密零件帶來任何損壞，也能更好的保證零件經(jīng)過磨削之后表面更加光滑，對(duì)提高機(jī)械制造中零件磨削的效率和質(zhì)量是非常有效的。

4.2 超高速磨削的精密磨削技術(shù)的應(yīng)用

通過在機(jī)械制造中運(yùn)用超高速磨削技術(shù)的精密磨削技術(shù)，可以對(duì)所加工的零件質(zhì)量進(jìn)行很好的控制。在一些零件精度要求較高的機(jī)械制造行業(yè)中，精密磨削技術(shù)通過提高磨削砂輪的運(yùn)行速度，達(dá)到對(duì)零件進(jìn)行精密塑造的目的。超高速精密磨削技術(shù)采用的磨削砂輪材質(zhì)一般為硬度較高的金剛石，金剛石材質(zhì)的砂輪在進(jìn)行一些較細(xì)磨料的磨削過程中。通過將金剛石硅片的平面度控制在0.2-0.3納米之間，對(duì)較細(xì)磨料進(jìn)行表面粗糙度磨平，這種精細(xì)磨削可以有效的保證被加工的零件有精準(zhǔn)的尺寸和很高的質(zhì)量。[4]

4.3 超高速磨削對(duì)難磨材料的應(yīng)用

難磨材料是由于材料本身硬度較高，導(dǎo)熱系數(shù)低，會(huì)對(duì)磨削技術(shù)當(dāng)中的砂輪產(chǎn)生破壞，導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致無法產(chǎn)生大量熱量進(jìn)行零件的磨削。由于在機(jī)械制造中對(duì)一些比較難磨的材料進(jìn)行高速磨削技術(shù)的應(yīng)用時(shí)，非常高的轉(zhuǎn)速，會(huì)產(chǎn)生極高的溫度。而如果通過多次添加磨削液來降低磨削過程中產(chǎn)生的溫度，又會(huì)使磨削過程的黏度和韌性增加，導(dǎo)致零件加工過程變得更加困難，進(jìn)而造成零件變形的情況。因此將超高速磨削技術(shù)應(yīng)用到這些難磨材料當(dāng)中，由于超高速磨削技術(shù)可以在飛速的磨削過程中形成流動(dòng)磨削，對(duì)一些鈦合金、高溫合金等的加工能產(chǎn)生很好的效果。

4.4 超高速磨削的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)階段隨著各種科學(xué)技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展，超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造中也引進(jìn)了許多高科技技術(shù)，以此來有效的將生產(chǎn)成本降到最低。首先，現(xiàn)階段的磨削技術(shù)的發(fā)展更加注重環(huán)?；囊庾R(shí)，無論是在磨屑的處理上，還是在磨削技術(shù)應(yīng)用的耗能問題上，都從綠色發(fā)展出發(fā)，引進(jìn)新能源技術(shù)，降低能源消耗。其次，在機(jī)械制造中，超高速磨削技術(shù)通過與數(shù)控機(jī)床技術(shù)的有效結(jié)合，著力開發(fā)智能化全自動(dòng)的作業(yè)體系，并且利用智能化監(jiān)測系統(tǒng)整個(gè)作業(yè)過程進(jìn)行安全監(jiān)測，極大的提高了高速磨削技術(shù)的生產(chǎn)安全系數(shù)。保障了操作人員的人身安全，大幅降低了材料和人力等方面的消耗，進(jìn)一步促進(jìn)了超高速磨削技術(shù)的完善和機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展。

5? 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段超高速磨削技術(shù)在我國機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用是非常廣泛的，對(duì)它的應(yīng)用可以極大的提升制造業(yè)的工作效率和所生產(chǎn)的零件的精度和質(zhì)量。然而雖然我國對(duì)超高速磨削技術(shù)越來越重視，但我國與國外發(fā)展相比，還有一定的差距。因此，在對(duì)超高速磨削技術(shù)進(jìn)行發(fā)展的過程中，我們要著重創(chuàng)新新技術(shù)、更多的引進(jìn)國外先進(jìn)理念、大力培養(yǎng)研發(fā)人員，不斷推進(jìn)我國超高速磨削技術(shù)的研究與應(yīng)用，使超高速磨削技術(shù)在我國機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

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