高速磨削機(jī)床研究綜述

戴勇

摘要：高速磨削技術(shù)相對于普通磨削具有眾多優(yōu)勢，進(jìn)而催生了高速磨削機(jī)床的需求。本文首先綜述國內(nèi)外高速磨削機(jī)床的研究現(xiàn)狀，然后對高速磨削機(jī)床核心部件：床身、主軸和磨削液系統(tǒng)在高速磨床中需要滿足的特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述;最后對高速磨床高速下的動(dòng)力學(xué)特性研究意義和方法進(jìn)行了詳細(xì)的綜合和說明，為高速磨床的發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高速磨床;動(dòng)力學(xué)特性;機(jī)床核心部件

中圖分類號(hào)：TG580? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0062-02

1? 研究背景與意義

磨削機(jī)床是高端精密部件獲得其表面和尺寸精度的主要的工具。磨削機(jī)床的設(shè)計(jì)制造水平已經(jīng)成為國家高端制造水平的重要指標(biāo)之一。根據(jù)磨削機(jī)床能承受的砂輪線速度可以將磨削機(jī)床分為普通磨削機(jī)床（線速度≤45m/s）、高速磨削機(jī)床（45m/s<線速度≤150m/s）和超高速磨削機(jī)床（線速度>150 m/s）[1]。研究表明高速磨削具有眾多的優(yōu)點(diǎn)：①減少砂輪磨損，提高壽命;②提高表面磨削質(zhì)量;③磨削力降低，工件尺寸精度提高;④降低磨削加工區(qū)的溫度;⑤提高生產(chǎn)效率;⑥良好的綠色特性[2]。高速磨削上述優(yōu)點(diǎn)使得眾多國家不屑的追求制造高速磨削機(jī)床，而高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪對整個(gè)高速磨削機(jī)床的主軸、床身、冷卻系統(tǒng)和在線檢測系統(tǒng)都提出了不同的要求，因此對高速磨削機(jī)床的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行研究和分析，是制造高速磨削機(jī)床的基礎(chǔ)。

2? 高速磨削機(jī)床國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高速磨削技術(shù)和高速磨削機(jī)床起源于歐洲，目前已經(jīng)量產(chǎn)了砂輪線速度超350m/s的磨床，砂輪線速度為500m/s的超高速磨削試驗(yàn)平臺(tái)正在德國的阿亨工科大學(xué)進(jìn)行緊張的研發(fā)。美國的高速磨床于1967年第一次投入市場，砂輪線速度達(dá)61m/s，至今美國生產(chǎn)的高速磨床的砂輪線速度已經(jīng)超過200m/s;以日本為代表的亞洲國家針對高速磨削機(jī)床方面的研發(fā)較晚，直到1990年才推出了120m/s砂輪線速度的高速磨床。到目前為止，日本已實(shí)現(xiàn)了200m/s磨削機(jī)床產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行500m/s的超高速磨削機(jī)床研發(fā)，日本學(xué)者通過開發(fā)新的磨削機(jī)床，將砂輪軸和工件軸并列在一起，并使磨削點(diǎn)切向速度相反，實(shí)現(xiàn)了砂輪線速度當(dāng)量接近1000m/s的磨削實(shí)驗(yàn)，為迄今為止公開報(bào)道的最高磨削速度磨削機(jī)床[3]。我國對高速磨削機(jī)床方面的研究20世紀(jì)末才開始發(fā)展，比較顯著的成果是東北大學(xué)在研發(fā)的砂輪線速度為200m/s的超高速外圓磨削磨床，該磨床性能已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3? 高速磨削機(jī)床關(guān)鍵部件

高速磨床相交于普通磨床最大區(qū)別是砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)砂輪架和主軸的動(dòng)力學(xué)特性有要求，同時(shí)砂輪高速旋轉(zhuǎn)形成的氣弧也會(huì)對會(huì)阻礙磨削液的進(jìn)入，對磨床的冷卻系統(tǒng)液提出了更高的要求。高速磨床對機(jī)床部件的要求主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 機(jī)床床身系統(tǒng)

機(jī)床床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)承載機(jī)床上的所有部件，包括高速砂輪電主軸、工件軸/夾頭、冷卻系統(tǒng)和工件。靜剛度、動(dòng)剛度及熱剛度良好的床身是磨削加工及加工精度的重要保障，高速及超高速加工時(shí)要求機(jī)床床身具有良好的剛度及抗振性。針對床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化目前已經(jīng)較為成熟，典型的為“T”字型。對床身的研究重點(diǎn)聚焦于先進(jìn)的材料，如蠕墨鑄鐵、人造混凝土花崗巖、陶瓷材料和復(fù)合材料等。同時(shí)為改變床身的動(dòng)態(tài)特性，常需要做隔振和增加阻尼的操作。同時(shí)也有往床身空隙和內(nèi)腔處填充沙石和阻尼材料的操作，從而提高床身的性能。

3.2 主軸系統(tǒng)

與普通磨削相比，高速與超高速磨床為實(shí)現(xiàn)較高的砂輪線速度，通常需要提高主軸自轉(zhuǎn)速度和砂輪的直徑，普通磨床采用的砂輪直徑一般在200mm以下，主軸轉(zhuǎn)速低于10000rpm，而高速磨床的砂輪直徑一般在350-400mm，主軸轉(zhuǎn)速通常到超過10000rpm，同時(shí)常規(guī)的砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受離心力的作用易出現(xiàn)破裂，易造成事故，因此高速磨削砂輪均采用金屬基體砂輪。同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)砂輪的不平衡離心力也被放大，通常需要配備動(dòng)平衡儀，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的自動(dòng)平衡，減小離心力的影響。由此高速磨床對砂輪主軸的功率和負(fù)載能力提出了更高的要求。高速旋轉(zhuǎn)對主軸的動(dòng)力學(xué)特性，如彎曲撓度、各階臨界轉(zhuǎn)速，也要求較高。主軸高速旋轉(zhuǎn)也為對主軸的軸承和冷卻提出要求，高速主軸會(huì)使主軸的溫度升高，所有相關(guān)的部件都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的熱膨脹，導(dǎo)致主軸精度喪失，因此高速磨床用電主軸普遍采用陶瓷球軸承或者全陶瓷軸承，也有采用高端的磁浮軸承和靜壓軸承，通常會(huì)對軸承和主軸并配備有單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)，以提高主軸的熱穩(wěn)定性。居林·自動(dòng)化（G6hring Automation）公司的研究表明在砂輪線速度達(dá)到140-160m/s時(shí)磁軸承和液體靜壓軸承的功率不夠，無負(fù)載時(shí)動(dòng)力損耗很大，因此主要采用陶瓷滾動(dòng)軸承較多。

3.3 磨削液及供給系統(tǒng)

磨削液的種類于常規(guī)的切削液相似，也有油基和水基磨削液（包括乳化液）兩大類。油基磨削液中由于有油脂的潤滑作用，其潤滑性優(yōu)于水基磨削液，因此得到的工件的表面粗糙度較好，適用于精磨階段，但油脂的散熱性能差，導(dǎo)致油基磨削液的冷卻效果較水基磨削液差，因此在溫度較高的粗磨和半精磨階段，采用水基磨削液更利于防止表面燒傷，并提高加工尺寸精度。

冷卻系統(tǒng)主要通過影響磨削熱進(jìn)而影響磨削表面質(zhì)量（表面變質(zhì)層、燒傷和組織變化）、工件精度（熱膨脹）和砂輪磨損（熱化學(xué)磨損）。磨削液可以較好的降低加工中的溫度，同時(shí)起到潤滑的效果。針對高速加工的特點(diǎn)人們開發(fā)了新的冷卻潤滑方法，比較有影響的有液氮冷卻、噴氣冷卻、微量潤滑等，但在實(shí)際的磨削中應(yīng)用很少。

高速與超高速磨削中磨削熱主要是由于切屑摩擦產(chǎn)生的，必須潤滑性好的非水溶性油以高壓使磨削區(qū)得到充分冷卻、用高壓油清洗砂輪表面，保持砂輪良好的切削性能防止摩擦熱產(chǎn)生。居林自動(dòng)化公司采用高壓冷卻噴嘴和高壓清洗噴嘴、油/霧分離裝置（防止高速超高速磨削加工中產(chǎn)生油霧污染）、油溫冷卻裝置（高熱易使油劑燃燒，因此對油溫要恒溫控制），對磨削區(qū)域?qū)嵤┟荛]，防止砂輪損壞和工件飛出造成事故。該方法成功應(yīng)用到德國阿亨（Aachen）工科大學(xué)開展500m/s的超高速磨削研究（目前達(dá)到400m/s）中。此外高速磨床還需要配備專門設(shè)計(jì)制造的高速砂輪和檢測監(jiān)控系統(tǒng)，以使用砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的工作需求。

4? 高速磨床動(dòng)力學(xué)研究方法

高速加工技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開為其提供操作平臺(tái)的高速加工機(jī)床。高速加工機(jī)床要實(shí)現(xiàn)高速加工技術(shù)所能帶來的優(yōu)異的加工性能，就必須對磨床各個(gè)部件的性能進(jìn)行優(yōu)化，特別是在高速才能反應(yīng)出來的動(dòng)態(tài)性能，使其滿足高速加工的所需要的要求，是實(shí)現(xiàn)高速磨床設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)。

綜上所述，穩(wěn)定磨削是保證磨削加工順利進(jìn)行和獲得高加工質(zhì)量的前提條件和關(guān)鍵技術(shù)之一。外圓磨削的動(dòng)態(tài)性能分析與優(yōu)化具有在磨削研究中占有重要地位。

針對高速磨床動(dòng)態(tài)性能特性的測量和優(yōu)化目前主要有兩種方法：一是通過實(shí)驗(yàn)測量，二是通過構(gòu)建模型進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)測量方法主要是通過在機(jī)床上布置傳感器，采用的傳感器有分為接觸式和非接觸式的，典型的接觸式傳感器有質(zhì)量阻尼加速度傳感器和壓電晶體位移傳感器，接觸式傳感器在使用的過程中接觸固定在機(jī)床上特定位置測量特定點(diǎn)的加速度和位移，由于在測量過程中傳感器放置在磨床上，相當(dāng)于給磨床增加了質(zhì)量塊，將導(dǎo)致磨床的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，理論上將影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，傳感器質(zhì)量影響大小目前暫沒有方法確定，因此普遍認(rèn)為傳感器質(zhì)量相對于磨床較小，可以忽略，其對磨床的動(dòng)態(tài)特性的影響可以忽略。針對于接觸式傳感器存在問題，許多專家學(xué)者更傾向于采用非接觸式傳感器，如激光傳感器和電感傳感器，這些傳感器通過將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的測量。為測量磨床動(dòng)態(tài)特性，通常需要給與磨床一定的激勵(lì)，從而測量磨床的激勵(lì)狀態(tài)的響應(yīng)，從而計(jì)算磨床的特性。磨床動(dòng)態(tài)特性測量過程中使用的激勵(lì)通常有特定激勵(lì)或者工作狀態(tài)激勵(lì)兩種。特定激勵(lì)主要通過人過控制激勵(lì)的過程給機(jī)床特使的激勵(lì)，如常用的錘擊法和受迫振動(dòng)法，就是通過給磨床一個(gè)瞬時(shí)激勵(lì)和特定頻率的激勵(lì)，獲得特定激勵(lì)下的響應(yīng)，從而得到磨床的特性，特定激勵(lì)法的優(yōu)點(diǎn)是理論和技術(shù)成熟，分析過程簡單，目前已經(jīng)工業(yè)化的軟件可被使用，但特定激勵(lì)法脫離了實(shí)際的工作情況，說明問題不夠全面;因此專家學(xué)者更傾向于直接測量工作狀態(tài)的磨床特性，進(jìn)而判斷磨床的動(dòng)態(tài)特性。

實(shí)際測量過程主要獲取機(jī)床的固有頻率、振幅和振型，固有頻率為磨床本身所確定，固有頻率越高，與外界振動(dòng)發(fā)生共振的概率就越低，固有頻率反應(yīng)了磨床的抗振性能，通常情況下磨床的固有頻率越高越好。振幅是指磨床部件在受到振動(dòng)的作用下偏離原來位置的位移，相同情況下振幅越小越好;振型是只振動(dòng)的形態(tài)，以電主軸的軸為例，在振動(dòng)過程中會(huì)變現(xiàn)出上下振動(dòng)、圓周跳動(dòng)、扭動(dòng)等多種振型，振型越復(fù)雜，相應(yīng)的抑制振動(dòng)的措施就越難。在振型的空間節(jié)線上會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)振幅為0的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。也就是說無論整個(gè)磨床系統(tǒng)中振動(dòng)與否，節(jié)點(diǎn)位置所在的點(diǎn)均不會(huì)振動(dòng)，因此實(shí)際中經(jīng)常將砂輪安裝于節(jié)點(diǎn)位置，使整個(gè)砂輪的位置精度不受磨床振動(dòng)的影響，這樣能使加工工件的精度最高。

磨床動(dòng)態(tài)特性測量試驗(yàn)還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況考慮如下幾個(gè)因素對測量結(jié)果的影響：①傳感器位置的布置。傳感器的位置決定的測量點(diǎn)的位置和可以測量到信息，一般需要將測量布置在機(jī)床的特定位置，如振動(dòng)節(jié)點(diǎn)等，以便能獲得更多的信息。②模態(tài)分析的線性系統(tǒng)假設(shè)是否成立。在對測量結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，為了簡化分析的過程，通常將系統(tǒng)假定為線性了，所以在測試分析前需要先對系統(tǒng)的非線性強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，看看是否滿足線性系統(tǒng)的假設(shè)。③機(jī)床溫度的影響。機(jī)床部件的熱脹冷縮也會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，因此進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試時(shí)需要先將機(jī)床開機(jī)運(yùn)行數(shù)十分鐘，確保整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)達(dá)到熱平衡再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，消除溫度的影響，對于超精密磨床，動(dòng)態(tài)測試過程還需要在恒溫室中進(jìn)行，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。④測點(diǎn)位置布置盡可能多，測量的頻率盡可能寬。以便能獲得較高精度的頻響函數(shù)和模態(tài)向量，減少截?cái)嗄B(tài)的影響。

高速磨床性能的理論分析也是研究磨床性能的重要手段和方法。通過有限元法，構(gòu)建磨床上主要部件的動(dòng)力學(xué)模型并對其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，優(yōu)化各個(gè)主要部件的結(jié)構(gòu);隨后將零部件進(jìn)行裝配，構(gòu)建整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化各個(gè)零部件的裝備位置;最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果校準(zhǔn)理論模型，從理論上清楚的認(rèn)識(shí)整個(gè)磨床的動(dòng)力學(xué)特性。

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