向極限挑戰(zhàn)的高性能磨削技術(shù)發(fā)展及其在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景*

金 灘，何 訓(xùn)，王其榮，尚振濤

（1.湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410082；2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

從20世紀(jì)中期開(kāi)始，機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)（包括高速大功率精密主軸技術(shù)、高剛性精密傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)床電器與液壓技術(shù)）、數(shù)控技術(shù)、超硬磨料技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)、在線監(jiān)控技術(shù)、CAE仿真分析與智能控制技術(shù)得到了極大發(fā)展，磨削理論技術(shù)與數(shù)控磨削裝備的水平不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、衛(wèi)星與導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、天基和地面光學(xué)與紅外探測(cè)系統(tǒng)、激光測(cè)量與高能激光武器、大型激光核聚變裝置、先進(jìn)光學(xué)與光電子儀器、機(jī)器人、新一代半導(dǎo)體器件和集成電路芯片的高效、高精度、高可靠性生產(chǎn)制造需求，為先進(jìn)磨削工藝技術(shù)與數(shù)控裝備的持續(xù)研發(fā)注入了動(dòng)力。

與車(chē)削、銑削等切削加工工藝相比，磨削加工可實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和更低的表面粗糙度，滿(mǎn)足更高的尺寸、形狀公差和表面質(zhì)量要求。磨削在用于加工機(jī)床導(dǎo)軌、大型光學(xué)鏡面等大型零件時(shí)，加工精度一般在微米和亞微米量級(jí)。磨削也可以用于較小尺寸零件的精密加工，包括小口徑透鏡和反射鏡、隱形眼鏡模具、電子元器件、硅片和精密傳動(dòng)零件。這些小尺寸零件的加工精度從微米量級(jí)降低到亞微米，甚至可以接近納米范圍。納米磨削（Nano grinding）的精度要求是小于0.1μm，結(jié)合電解質(zhì)在線修整技術(shù)ELID，納米磨削可以取代后續(xù)的拋光工序，并獲得較高的加工效率。磨削加工還可以獲得其他切削加工方法難以達(dá)到的加工質(zhì)量，包括尺寸與形位精度和表面粗糙度，獲得良好的加工表面完整性，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表層綜合機(jī)械物理狀態(tài)包括微觀組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力分布、微裂紋與表面氧化的綜合控制，實(shí)現(xiàn)形、性綜合指標(biāo)的可靠控制，確保關(guān)鍵零部件的可靠性，提高其服役壽命。

在傳統(tǒng)的精密零件加工工藝鏈設(shè)計(jì)中，磨削加工一般是作為終加工工序，零件經(jīng)過(guò)前端車(chē)、銑加工工序去除大部分余量，最后采用磨削工藝去除少量余量，獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量。對(duì)于磨削技術(shù)的一般認(rèn)識(shí)是加工精度和質(zhì)量比較高，但加工效率明顯低于車(chē)、銑等切削加工工藝。

近幾十年磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是并行發(fā)展兩條線路。一條發(fā)展線路是向高精度和高質(zhì)量方向發(fā)展；另外一條發(fā)展線路是向高效率和高經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展，材料去除率達(dá)到甚至超過(guò)一般車(chē)削和銑削加工的水平，使磨削技術(shù)成為兼具高精度、高質(zhì)量和高效率的加工技術(shù)。綜合來(lái)說(shuō)，磨削技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展，是面向加工對(duì)象具體工藝需求，不斷向高性能磨削（High performance grinding）的方向發(fā)展。高性能磨削的基本特征是在一項(xiàng)或多項(xiàng)基本工藝性能（加工時(shí)間、加工成本、加工質(zhì)量和加工可行性）上，較傳統(tǒng)磨削工藝有顯著提升。高性能磨削最初的內(nèi)涵是注重生產(chǎn)率的提升，包括材料去除率和工藝過(guò)程柔性的提升。在后續(xù)發(fā)展中，加工表面質(zhì)量的顯著提升也是高性能磨削追求的目標(biāo)。各類(lèi)新材料和難加工材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)磨削模式、磨削機(jī)制、砂輪工具與工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提出了新的要求，是高性能磨削研究的重要內(nèi)容[1]。磨削技術(shù)不斷突破傳統(tǒng)磨削工藝的局限，在工藝設(shè)計(jì)理念上不斷向極限挑戰(zhàn)，形成了各具特色的高性能磨削工藝技術(shù)。典型的高性能磨削技術(shù)包括高速/超高速技術(shù)、高效深切磨削技術(shù)、快速點(diǎn)磨技術(shù)以及快速往復(fù)磨削技術(shù)。緩進(jìn)深切磨削作為一種相對(duì)成熟的高效磨削工藝，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其工藝設(shè)計(jì)也是基于極限化的傳熱條件，高度依賴(lài)磨削液的對(duì)流冷卻作用，對(duì)磨削區(qū)內(nèi)的對(duì)流換熱條件變化高度敏感，仍然有諸多理論和工藝技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。

鈦合金與鎳基高溫合金材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件中應(yīng)用較為廣泛，壓氣機(jī)和渦輪葉片榫齒部位、渦輪盤(pán)榫槽部位及渦輪盤(pán)圓弧端齒對(duì)各類(lèi)成形磨削技術(shù)都有相應(yīng)的需求。高速磨削技術(shù)和快速點(diǎn)磨技術(shù)用于各類(lèi)精密旋轉(zhuǎn)軸和大深徑比薄壁細(xì)長(zhǎng)軸的精密加工，有利于提高加工效率和表面質(zhì)量、減少零件加工變形。高效深切磨削技術(shù)不僅適用于高溫合金葉片榫齒的成形磨削，獲得極高的磨削效率，還可以用于航空鋁合金材料的大切深磨削，獲得與銑削技術(shù)相當(dāng)?shù)牟牧先コ?；高速與超高速磨削技術(shù)用于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工，有利于提高磨削效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面完整性的有效控制。在一些特殊場(chǎng)合，如渦輪盤(pán)葉尖的飛切磨削，高速與超高速磨削技術(shù)也有良好的應(yīng)用前景。本文結(jié)合航空制造領(lǐng)域典型零部件對(duì)各類(lèi)難加工材料的高效、高可靠性加工需求，分析幾種典型高性能磨削工藝的技術(shù)原理，介紹其工程應(yīng)用效果，并對(duì)其進(jìn)一步的應(yīng)用前景進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

1 典型高性能磨削技術(shù)

1.1 高速/超高速高效深切磨削技術(shù)

高速與超高速磨削采用極高的砂輪磨削速度，高速磨削速度一般在80m/s以上，而超高速磨削速度可以達(dá)到150～250m/s。與傳統(tǒng)磨削方式相比，高速與超高速磨削的效率可以提高幾十倍甚至上百倍，同時(shí)砂輪磨削比顯著提高，工件加工精度與表面質(zhì)量與傳統(tǒng)磨削相當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵材料、鎳鈦合金等常用難磨材料的高效磨削。近年來(lái)的研究和工程實(shí)踐表明，高速與超高速磨削還可以用于硬質(zhì)合金、工程陶瓷與光學(xué)玻璃等硬脆性材料的高效磨削，不僅可以獲得較高的磨削效率，還可以顯著降低工件亞表面損傷深度，實(shí)現(xiàn)硬脆性材料的高效低損傷加工。

1979年Bremen大學(xué)的Werner教授撰文預(yù)言了高效深磨區(qū)存在的合理性，開(kāi)創(chuàng)了高效深切磨削（High efficiency deep grinding，HEDG）的概念（圖1）。1983年Bremen大學(xué)出資由Guhring Automation公司制造了當(dāng)時(shí)世界上第一臺(tái)采用高效深切磨削技術(shù)的磨床，主軸功率60kW、轉(zhuǎn)速10000r/min，砂輪圓周速度達(dá)到209m/s[2–4]。HEDG技術(shù)采用極高的砂輪線速度、大切深、很高的進(jìn)給速度進(jìn)行磨削，可獲得極高的磨削效率。德國(guó)Aachen大學(xué)與Bremen大學(xué)在HEDG研究方面率先開(kāi)展了研究。國(guó)內(nèi)的東北大學(xué)、湖南大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等單位也開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究工作。學(xué)者們對(duì)高效深切磨削傳熱理論開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究，建立了高效深切磨削傾斜移動(dòng)熱源模型[5–6]、圓弧接觸移動(dòng)熱源模型[7]、考慮磨屑溫度和磨屑能變化的磨削熱分配模型[8–12]以及磨削區(qū)內(nèi)磨削液換熱系數(shù)模型[13–16]，形成了高效深切磨削傳熱分析的基本體系。相關(guān)研究表明，在HEDG條件下，磨削區(qū)材料去除尤其是傳熱機(jī)制發(fā)生重大變化，大部分磨削熱被磨屑帶走，而在傳統(tǒng)磨削條件下，傳入磨屑的熱量一般可以忽略。

圖1 高效深切磨削接觸區(qū)示意圖Fig.1 Schematic of grinding contact zone in HEDG

HEDG工藝的設(shè)計(jì)極大突破了傳統(tǒng)磨削參數(shù)域，力圖向磨削材料去除率的極限挑戰(zhàn)，對(duì)機(jī)床主軸和進(jìn)給系統(tǒng)的性能、砂輪性能以及磨削液供給系統(tǒng)的能力有較高要求。HEDG工藝采用非常高的砂輪速度（100～200m/s）、大切深（0.5～10mm）和較高的工作臺(tái)進(jìn)給速度，可以獲得極高的材料去除率。研究者采用超硬磨料CBN砂輪對(duì)合金鋼和鑄鐵材料進(jìn)行高效深切磨削，材料去除率達(dá)到100～1000mm3/（mm·s）水平，在極端條件下，材料去除率甚至達(dá)到2000mm3/（mm·s）水平。

HEDG工藝的特點(diǎn)是磨削接觸弧長(zhǎng)較大、比磨削能低、磨削區(qū)熱源與工件接觸時(shí)間較短、熱侵入深度淺、工件表面溫度梯度較大。磨削區(qū)的熱分配比例關(guān)系也發(fā)生顯著變化。

圖2[11]所示為采用CBN砂輪和油基磨削液磨削51CrV4合金鋼時(shí)，傳入工件、砂輪磨粒、磨削液和磨屑的熱分配比率Rw、Rs、Rf和Rch的變化趨勢(shì)。在HEDG條件下（比磨除率大于50mm3/（mm·s）），磨削區(qū)的熱分配機(jī)制發(fā)生顯著變化，大量磨削熱被切屑帶走，傳入工件的熱比率較低（10%～20%）。

圖2 磨削區(qū)熱分配比率的變化（磨削速度146m/s，磨削深度5mm）[11]Fig.2 Variation of heat partitioning ratios （wheel speed 146m/s, depth of cut 5mm）[11]

隨著材料去除率的提高，比磨削能（去除單位體積材料所消耗的能量）逐漸降低。圖3所示為采用CBN砂輪和油基磨削液磨削51CrV4合金鋼時(shí)，比磨削能隨材料去除率的變化[12]，比磨削能最低達(dá)到10J/mm3，遠(yuǎn)低于一般精密磨削和緩進(jìn)給磨削的比磨削能水平。

圖3 比磨削能隨材料去除率的變化[12]Fig.3 Variation of specific grinding energy with material rate[12]

在HEDG模式下，磨削深度較大，砂輪與工件接觸面OB與加工表面OC之間存在一個(gè)楔形材料區(qū)（圖1）。在接觸面上的溫度可能非常高，但由于楔形材料區(qū)的存在，加工表面的溫度與接觸面溫度差別較大（圖4[11]），這是高效深切磨削熱設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。

圖4 接觸面與加工面上磨削溫度變化趨勢(shì)[11]Fig.4 Variation of grinding temperature on contact and finish surfaces[11]

1.2 快速往復(fù)磨削技術(shù)

快速往復(fù)磨削（High-speed stroke grinding，HSSG）技術(shù)，可以看成是精密往復(fù)磨削、高速磨削和快速進(jìn)給技術(shù)的結(jié)合體。HSSG技術(shù)采用極高的工作臺(tái)進(jìn)給速度（圖5[17]），力求顯著減少加工時(shí)間、降低加工成本，并提升表面加工質(zhì)量[18–19]。Inasaki[19]在1988年開(kāi)展了陶瓷材料快速往復(fù)磨削試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)HSSG技術(shù)有助于降低脆性材料的磨削力，但磨后工件表面粗糙度和表層微裂紋深度有增大的趨勢(shì)，對(duì)于陶瓷材料的快速往復(fù)磨削，磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化是控制磨削表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，另外還應(yīng)考慮以粗、精磨結(jié)合的方式進(jìn)行加工，而精磨工序選擇相對(duì)較低的進(jìn)給速度和較小的切深，有助于去除表面微裂紋等磨削缺陷。T?nshoff等[18]在1997年對(duì)HSSG技術(shù)的基本概念進(jìn)行了介紹。Brussel等[20]在1998年對(duì)直線電機(jī)直驅(qū)工作臺(tái)的控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。在歐盟AGNETA項(xiàng)目支持下，Zeppenfeld等[17]與磨床制造企業(yè)和砂輪制造企業(yè)合作，于2006年開(kāi)展了γ鈦–鋁金屬間化合物的快速往復(fù)磨削試驗(yàn)和理論研究，獲得了極高的材料去除率，磨削表面完整性良好。

圖5 HSSG直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)[17]Fig.5 Linear drive worktable for HSSG[17]

HSSG工藝的特點(diǎn)是磨削深度較小，與一般淺磨（Shallow-cut grinding）相當(dāng)，一般磨削深度ae<0.05mm，砂輪速度非常高（150～200m/s），機(jī)床采用直線電機(jī)工作臺(tái)直驅(qū)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，工作臺(tái)進(jìn)給速度最高可以達(dá)到200m/min，可以獲得極高的材料去除率，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削溫度和工件表面完整性的可靠控制。HSSG開(kāi)創(chuàng)了一種嶄新的磨削工藝，可顯著提高加工效率、降低磨削成本[17–21]。

HSSG工藝的特點(diǎn)還有磨削接觸弧長(zhǎng)小，磨削區(qū)熱源移動(dòng)速度極高，與工件接觸時(shí)間很短，形成了非常獨(dú)特的傳熱條件。磨削區(qū)大部分熱量被磨屑帶離磨削區(qū)，即使在很高的材料去除率下，也可以獲得較低的磨削溫度。HSSG工藝的材料去除率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)精密磨削，而比磨除能非常低。圖6為采用HSSG模式磨削M50軸承鋼時(shí)，在固定比磨除率條件下（Q′w=30mm3/（mm·s）和Q′w=50mm3/（mm·s）），磨削溫度隨工作臺(tái)進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，采用較小的磨削深度與較大的進(jìn)給速度，一方面可以獲得很高的材料去除率，同時(shí)也有利于降低磨削溫度，有效控制磨削熱損傷。

圖6 磨削溫度隨工作臺(tái)進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)Fig.6 Trends of grinding temperature variation with feed speed of worktable

HSSG工藝對(duì)機(jī)床性能尤其是進(jìn)給系統(tǒng)的性能要求較高，對(duì)砂輪性能也有較高要求，一般多采用超硬磨料砂輪，主要適合于平面、溝槽的高效加工。

1.3 快速點(diǎn)磨技術(shù)

快速點(diǎn)磨技術(shù)（Quick-point grinding）集CNC數(shù)控技術(shù)、CBN超硬磨料技術(shù)與超高速磨削技術(shù)于一體，是一種具有高效、高柔性特點(diǎn)的磨削加工工藝，在汽車(chē)制造領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用，主要用于軸類(lèi)零件的高效精密加工?？焖冱c(diǎn)磨工藝采用薄層CBN超硬磨料砂輪，加工方式類(lèi)似于數(shù)控車(chē)削，可以看成是數(shù)控車(chē)削和超高速磨削的結(jié)合體[22–25]。

快速點(diǎn)磨技術(shù)由德國(guó)Junker公司于1994年開(kāi)發(fā)[22]，集成了計(jì)算機(jī)數(shù)控、CBN超硬磨料和超高速磨削技術(shù)，可以看成是數(shù)控車(chē)削和超高速磨削的組合，在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)工業(yè)及工具制造業(yè)中得到了應(yīng)用，主要用于軸類(lèi)零件的加工，包括凸輪軸或齒輪軸等零件。我國(guó)部分汽車(chē)制造企業(yè)針對(duì)特定零件引進(jìn)了這一工藝和設(shè)備，取得了明顯的效益。采用快速點(diǎn)磨技術(shù)磨削長(zhǎng)軸零件時(shí)，砂輪在水平面上與工件軸線設(shè)置有一個(gè)很小的回轉(zhuǎn)角度α（0.5°～0.6°），在垂直面上與工件軸線設(shè)置有一個(gè)偏角β（圖7[25]），砂輪與工件形成理論上的點(diǎn)接觸。采用金屬結(jié)合劑超硬磨料（CBN或人造金剛石）薄形砂輪（厚度4～6mm），砂輪線速度90～160m/s，工件相對(duì)砂輪高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速l000r/min以上，最高達(dá)12000r/min），砂輪線速度與工件線速度疊加，實(shí)際磨削速度接近200m/s?？焖冱c(diǎn)磨采用的徑向切深和縱向進(jìn)給速度一般很小，磨削凸輪軸時(shí)，縱向進(jìn)給速度一般在0.01～2mm/s，徑向切深0.002～0.2mm。

圖7 快速點(diǎn)磨砂輪與工件接觸情況[25]Fig.7 Schematic of wheel-work contact in quick-point grinding[25]

采用快速點(diǎn)磨剛玉磨削外圓時(shí)，材料去除主要靠砂輪側(cè)邊完成，而周邊僅起光磨作用，砂輪圓周磨損極慢，使用壽命長(zhǎng)，砂輪磨削比可達(dá)16000～60000，砂輪修整頻率低，生產(chǎn)效率比普通磨削提高6倍以上?？焖冱c(diǎn)磨加工過(guò)程中，砂輪與工件接觸面積小，磨削力大大降低；磨削熱少，砂輪薄，冷卻效果好，磨削溫度大為降低，提高了加工精度和表面質(zhì)量。由于磨削力極小，靠頂尖摩擦力即能夾緊工件。與一般高速磨削的情況類(lèi)似，采用快速點(diǎn)磨技術(shù)，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪將磨削油甩成油霧，加工必須在封閉環(huán)境中進(jìn)行，需配有吸排風(fēng)系統(tǒng)、磨屑分離與油氣分離系統(tǒng)。

圖8所示為磨削普通淬硬鋼時(shí)，在固定的比磨除率條件下（Q′w=20mm3/（mm·s）、50mm3/（mm·s）和200mm3/（mm·s）），磨削溫度隨工件轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)（工件直徑50mm）。適當(dāng)提高工件轉(zhuǎn)速，有利于降低磨削溫度，避免磨削熱損傷，同時(shí)也有利于減少工件加工變形。

圖8 磨削溫度隨工件轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)Fig.8 Trends of grinding temperature variation with the rotational speed of workpiece

1.4 緩進(jìn)深切磨削及其衍生技術(shù)

緩進(jìn)給磨削（Creep feed grinding，CFG）技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，在工藝?yán)碚摗⑸拜喓湍ハ饕汗┙o技術(shù)方面不斷完善。國(guó)內(nèi)外航空企業(yè)采用該技術(shù)對(duì)鎳基高溫合金葉片榫頭榫槽進(jìn)行成形加工，可以解決硬質(zhì)合金成形銑削和拉削工藝中刀具磨損快，工件表面質(zhì)量和輪廓精度難以保證的難題。CFG技術(shù)采用具有較大氣孔率的剛玉砂輪，以普通磨削速度（20～30m/s）、大切深和較低的工作臺(tái)進(jìn)給速度進(jìn)行磨削。在CFG模式下，傳入工件的熱比率極低（1%～3%），超過(guò)90%的磨削熱被磨削液的強(qiáng)迫對(duì)流換熱作用帶走。由于砂輪與工件之間的接觸弧長(zhǎng)非常大，為了保證磨削液有效注入磨削弧區(qū)，避免磨削燒傷，CFG技術(shù)對(duì)磨削液供給和噴嘴設(shè)計(jì)技術(shù)都有很高的要求。

在CFG基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的連續(xù)修整磨削工藝（CDCFG），通過(guò)對(duì)砂輪在線修整，可以保持砂輪表面開(kāi)放性，有助于磨削液注入磨削弧區(qū)，同時(shí)保持砂輪的鋒利度，避免因砂輪與工件摩擦作用加劇造成磨削發(fā)熱量和磨削溫度的提高。隨著CNC控制技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)床精度、砂輪技術(shù)水平的提高，當(dāng)前CDCFG在航空領(lǐng)域仍為非常重要的高效磨削工藝[26–27]。

羅·羅公司研發(fā)的VIPER（Very impressive performance extreme removal）磨削工藝，于1999年開(kāi)始應(yīng)用于葉片榫齒的加工。VIPER磨削技術(shù)基本原理與CDCFG類(lèi)似。其采用大氣孔剛玉磨料砂輪和砂輪在線連續(xù)修整裝置，配有高壓大流量冷卻系統(tǒng)。磨削Inconel718高溫合金葉片榫槽時(shí)，所采用的典型磨削參數(shù)為：砂輪線速度vs=30m/s、磨削深度ae=1mm、工作臺(tái)進(jìn)給速度vw=1m/min，單位寬度砂輪比磨除率為16.7mm3/（mm·s）[28]。葉片榫槽材料通過(guò)8個(gè)粗磨行程加1個(gè)精磨行程（余量50μm）去除。VIPER磨削技術(shù)是緩進(jìn)給磨削CFG技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，磨削效率較CFG提高3～5倍。

在緩進(jìn)深切模式下，磨削液的強(qiáng)迫對(duì)流換熱作用直接決定磨削區(qū)傳入工件的熱比率并影響磨削溫度。磨削鎳基高溫合金葉片榫齒，傳入工件的熱比率極低。圖9所示為采用剛玉砂輪以緩進(jìn)深切模式磨削DZ22B鎳基高溫合金材料時(shí)，傳入工件的熱比率和傳入磨削液的熱比率隨工作臺(tái)進(jìn)給速度的變化。在固定的磨削深度下，隨著材料去除率或進(jìn)給速度的提高，傳入工件的熱比率逐漸提高。如果工作臺(tái)進(jìn)給速度過(guò)高，一方面磨削區(qū)總的發(fā)熱量增大，同時(shí)傳入工件的熱比率也會(huì)提高，磨削區(qū)溫度如果超過(guò)磨削液的膜沸騰溫度（水基磨削液100～130℃左右），磨削液會(huì)發(fā)生燒蝕失效，傳入工件的熱流急劇增大，磨削溫度急劇上升，有可能瞬間達(dá)到1000℃以上。VIPER技術(shù)采用的工作臺(tái)速度較高，對(duì)于磨削液的對(duì)流換熱狀態(tài)高度敏感，工藝參數(shù)和工藝條件的微小波動(dòng)就有可能造成磨削燒傷，因而VIPER磨削對(duì)機(jī)床性能、砂輪性能、磨削液供給和工藝過(guò)程控制要求非常高。

圖9 傳入工件和磨削液的熱比率隨進(jìn)給速度的變化（ae=2.2mm，vs=22m/s，工件材料DZ22B）Fig.9 Variation of heat partitioning ratio to workpiece and grinding fluid with worktable feed rate （ae=2.2mm, vs=22m/s, workpiece material DZ22B）

1.5 微量潤(rùn)滑磨削技術(shù)與水霧冷卻磨削技術(shù)

微量潤(rùn)滑（Minimum quantity lubrication，MQL）采用壓縮空氣噴嘴形成油霧，在磨削區(qū)形成微量潤(rùn)滑，與傳統(tǒng)磨削液注入方式相比，可以顯著降低磨削液使用量。MQL磨削實(shí)際上也是一種條件較為極端的磨削工藝，其突破了傳統(tǒng)磨削工藝中采用大流量磨削液對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行對(duì)流冷卻的設(shè)計(jì)，而以微量油霧實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削區(qū)的潤(rùn)滑作用，在特定條件下，可以獲得較好的磨削效果。一些成功案例表明，在材料去除率較低的工況下，分別采用微量（4mL/min）酯油MQL潤(rùn)滑與大流量礦物油（11L/min）作為磨削液，用微晶體剛玉磨料砂輪磨削16MnCr5鋼時(shí)，MQL磨削的法向和切向磨削力相對(duì)較低，但缺點(diǎn)是砂輪磨損較快，磨削表面粗糙度增加[29]。一般認(rèn)為，由于冷卻和潤(rùn)滑作用有限，MQL只適用于精磨階段。

水霧冷卻（Mist cooling）是與MQL類(lèi)似的方法，在空氣噴嘴中混入少量細(xì)水霧注入磨削區(qū)。該方法具有簡(jiǎn)單、低風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)，目前處于研究階段，獲得了初步成果。但其冷卻和潤(rùn)滑作用有限，一般來(lái)說(shuō)適合在特定工況和精磨階段使用。

圖10所示為典型淺磨、緩進(jìn)給磨削和高效深切磨削條件下，磨削區(qū)內(nèi)的流體對(duì)流換熱系數(shù)變化對(duì)傳入工件的熱比率Rw影響趨勢(shì)。工件材料為M50軸承鋼。淺磨參數(shù)：磨削速度vs=30m/s，磨削深度ae=25μm，比磨除率Q′w=2mm3/（mm·s）；緩進(jìn)給磨削參數(shù)：vs=30m/s，ae=5mm，Q′w=5mm3/（mm·s）；高效深切磨削參數(shù)：vs=150m/s，ae=5mm，Q′w=500mm3/（mm·s）。

圖10 磨削區(qū)內(nèi)的流體對(duì)流換熱系數(shù)變化對(duì)傳入工件的熱比率影響趨勢(shì)Fig.10 Effect of convective heat transfer coefficient of grinding fluid on heat partition ratio of workpiece

大流量磨削液充分注入磨削區(qū)條件下，在砂輪速度為30～50m/s時(shí)，油基磨削液的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)hf可以達(dá)到15000～23000W/（m2·K）水平，水基磨削液的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)hf大致可以達(dá)到160000～300000W/（m2·K）水平。在干磨削條件下，磨削液對(duì)流換熱系數(shù)一般認(rèn)為接近于0。

MQL磨削和水霧冷卻磨削屬于淺磨模式，進(jìn)入磨削區(qū)的流體膜主要成分是空氣。按照相關(guān)理論模型計(jì)算[12–13]，對(duì)流換熱系數(shù)最高僅能達(dá)到2500～2800W/（m2·K），難以在磨削區(qū)內(nèi)形成高效對(duì)流換熱，傳入工件的熱比率比較高，接近干磨削的情況。在設(shè)計(jì)磨削工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意盡量降低磨削區(qū)的發(fā)熱量，選擇較小的磨削深度和較低的進(jìn)給速度。MQL磨削在磨削區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的潤(rùn)滑作用，在一定程度上有助于降低磨削功率和磨削區(qū)發(fā)熱量。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的高性能磨削

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫齒高效深切成形磨削

高效深切磨削工藝最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是航空發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金葉片榫齒的大切深成形磨削。國(guó)外科研結(jié)構(gòu)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)合作，采用電鍍CBN成形砂輪對(duì)鎳基葉片榫齒進(jìn)行高效深切成形磨削，磨削速度為100～130m/s，材料去除率較CFG工藝至少提高10倍以上，比磨除率最高達(dá)到130mm3/（mm·s），加工表面完整性良好，表面形成壓應(yīng)力狀態(tài)[28]。對(duì)于較大尺寸的葉片榫齒，葉片榫齒不同位置的加工余量分別為2.2～7.8mm，如果采用CFG工藝或者VIPER工藝，需要安排多道粗磨、半精磨、精磨工步，逐步去除榫齒加工余量，形成最終尺寸形狀。采用HEDG工藝磨削葉片榫齒，砂輪工具分別為一個(gè)粗粒度（B252）CBN成形砂輪和一個(gè)較細(xì)粒度（B126）精磨成形砂輪（圖11[28]），整個(gè)葉片榫齒的加工只需要2個(gè)磨削行程，一次粗磨加一次精磨，精磨余量為50μm，總磨削時(shí)間僅為10s，表面粗糙度達(dá)到Ra0.1μm。

圖11 磨削后的成形砂輪與葉片榫齒[28]Fig.11 Form-grinding wheels and ground turbine blade root[28]

國(guó)內(nèi)對(duì)鎳基高溫合金材料的高效深切磨削也開(kāi)展了諸多研究工作。在高效深切磨削工藝、新型超硬砂輪工具的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定成果[30–31]。在高速/超高速高效深切數(shù)控機(jī)床、關(guān)鍵功能部件包括高速大功率精密主軸技術(shù)、高剛度傳動(dòng)系統(tǒng)、磨削液供給及其噴嘴設(shè)計(jì)等方面的研發(fā)也取得了一定進(jìn)展?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在高效深切磨削技術(shù)的基礎(chǔ)理論、工藝方法、砂輪工具及機(jī)床等條件基本成熟，有待于磨削技術(shù)與機(jī)床研發(fā)單位與國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行深度產(chǎn)學(xué)研合作，開(kāi)展持續(xù)、系統(tǒng)的工程化研發(fā)，形成高效深切磨削技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提升國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的加工制造水平。

2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫齒緩進(jìn)深切磨削

緩進(jìn)深切磨削工藝及其衍生工藝（CDCFG和VIPER），是國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)用于葉片榫齒成形加工的主流工藝。CFG工藝高度依賴(lài)磨削液的對(duì)流冷卻作用，對(duì)磨削區(qū)內(nèi)的對(duì)流換熱條件變化高度敏感，仍然有諸多理論和工藝技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究。

采用成形砂輪對(duì)高溫合金葉片榫齒進(jìn)行大切深磨削，砂輪與工件接觸弧長(zhǎng)非常大，在典型CFG磨削條件下一般在20～35mm水平（磨削深度1～3mm），同時(shí)砂輪與工件接觸區(qū)形狀復(fù)雜（圖12），磨削區(qū)熱載荷和傳熱狀態(tài)非常復(fù)雜，局部磨削深度、材料去除率和磨削接觸弧長(zhǎng)沿砂輪橫截面方向連續(xù)變化，局部熱流密度、磨削液對(duì)流換熱系數(shù)以及熱分配比率分布呈三維變化，造成榫齒不同磨削部位復(fù)雜的溫度和溫度梯度變化，磨削燒傷和裂紋生成機(jī)制非常復(fù)雜。

圖12 葉片榫齒磨削時(shí)成形砂輪與工件接觸區(qū)形狀示意Fig.12 Schematic of contact geometry between grinding wheel and turbine blade toot

國(guó)內(nèi)外對(duì)于CFG傳熱和燒傷機(jī)理的研究主要是針對(duì)平面深切磨削的情況，砂輪寬度方向的磨削深度處處相等，磨削傳熱條件相對(duì)簡(jiǎn)單。實(shí)際的葉片榫齒磨削工藝，一般分為粗、半精和精磨等多個(gè)工步，每個(gè)工步砂輪與葉片的接觸形態(tài)和傳熱條件都不相同。有必要考慮葉片榫齒磨削的實(shí)際接觸傳熱條件，針對(duì)不同型號(hào)葉片榫齒磨削粗、半精、精磨工步接觸形態(tài)的變化，建立考慮三維磨削傳熱條件的分析模型，包括不同接觸形態(tài)的曲面移動(dòng)熱源基本模型、磨削區(qū)內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)與熱分配比率分布形態(tài)模型，形成完整的傳熱分析方法。湖南大學(xué)高效磨削團(tuán)隊(duì)在中國(guó)航發(fā)產(chǎn)學(xué)研研發(fā)項(xiàng)目的支持下開(kāi)展了初步研究工作，圖13為某高溫合金葉片榫齒深切成形磨削時(shí)（最大磨削深度3mm），磨削液局部失效形成的局部高溫分布形態(tài)。相關(guān)分析模型考慮了砂輪與工件接觸區(qū)不同位置的磨削深度與材料去除率變化、比磨削能與輸入熱流變化、接觸區(qū)內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)和熱分配比率的變化。水基磨削液的膜沸騰失效溫度取110℃。

圖13 葉片榫齒磨削燒傷局部高溫區(qū)模擬分析（磨削液局部失效）Fig.13 Analytical simulation of local high temperature distribution for grinding burn of turbine blade

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料眾多，不同材料的物理機(jī)械性能和可磨削性差異較大。采用CFG工藝加工葉片榫齒，系統(tǒng)的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)（工件材料物性、砂輪性能、磨削力和比磨削能隨磨削參數(shù)、磨削條件的變化）對(duì)保證高溫合金葉片榫齒磨削工藝設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。高溫合金材料的比磨削能與砂輪速度和材料去除率之間存在非線性的關(guān)系，比磨削能隨材料去除率的提高大致呈現(xiàn)指數(shù)性下降趨勢(shì)；比磨削能的高低直接改變磨削區(qū)的熱流密度，同時(shí)磨削區(qū)的傳熱條件也發(fā)生變化，進(jìn)而影響磨削表面溫度和溫度梯度。對(duì)于高溫合金葉片榫齒的磨削，需要從工程應(yīng)用的角度開(kāi)發(fā)覆蓋典型高溫合金材料、典型型號(hào)葉片和不同磨削參數(shù)與工藝條件的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，其中最主要的是比磨削能和磨削溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。還有必要對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立基于監(jiān)控信息的智能化磨削優(yōu)化控制方法。

磨削加工過(guò)程的工藝輸出（磨削力、磨削功率等）水平的不確定性較大。在給定的磨削工藝參數(shù)條件下，磨削溫度的變化主要與砂輪磨損狀態(tài)有關(guān)；在砂輪磨損、修整不良、磨削液供給條件變化、機(jī)床性能變化或工件材料性能變化等情況下，在宏觀上表現(xiàn)為砂輪磨削功率或比磨削能提高，磨削區(qū)產(chǎn)生的總熱流量增大，進(jìn)而造成磨削溫度升高。為有效避免磨削燒傷與裂紋的發(fā)生，有必要研發(fā)具有工程化的工藝監(jiān)控和優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)磨削功率等輸出量的監(jiān)控，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)評(píng)估當(dāng)前工序產(chǎn)生磨削燒傷的可能性，及時(shí)采取報(bào)警停機(jī)等措施；同時(shí)，當(dāng)前磨削輸出水平對(duì)后續(xù)加工工藝參數(shù)的合理制定也具有重要意義。

2.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件高速高效精密加工

大深徑比薄壁細(xì)長(zhǎng)軸零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中典型的難加工關(guān)鍵零部件。如某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金中心拉桿長(zhǎng)度接近600mm，外徑43mm左右，壁厚僅為1.8mm；某輸出軸長(zhǎng)度達(dá)到1m以上，壁厚僅3.6mm；某基準(zhǔn)軸組件總長(zhǎng)約900mm，而壁厚僅為0.5mm。薄壁細(xì)長(zhǎng)軸整體剛度非常低，磨削區(qū)接觸應(yīng)力對(duì)零件變形的影響較大，在支撐部位之間的工藝系統(tǒng)剛度連續(xù)變化，在磨削力作用下，會(huì)產(chǎn)生很大的不均勻工藝變形，加工精度難以保證。發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)現(xiàn)有磨削技術(shù)多采用普通剛玉砂輪，尺寸和形狀保持性差，需要多次修整砂輪和調(diào)整磨削參數(shù)；沿工件磨削全長(zhǎng)時(shí)砂輪易發(fā)生磨損，影響薄壁細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工精度；總體加工效率較低。薄壁軸磨削受力局部變形及局部磨削熱變形的數(shù)值分析如圖14和15所示。

圖14 薄壁軸磨削受力局部變形數(shù)值分析Fig.14 Numerical simulation of grinding deflection of thin-walled shaft

圖15 薄壁軸局部磨削熱變形數(shù)值分析Fig.15 Numerical simulation of thermally induced deflection of thin-walled shaft

近年來(lái)對(duì)于高溫合金材料的磨削實(shí)踐表明，采用CBN砂輪進(jìn)行高速磨削，在相同的材料去除率下，磨削力明顯降低，可顯著減小磨削接觸應(yīng)力，有利于減少薄壁細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工變形，同時(shí)CBN砂輪壽命和形狀保持性也顯著優(yōu)于傳統(tǒng)剛玉砂輪，其良好的導(dǎo)熱性可降低磨削溫度，有利于加工精度的提升。針對(duì)大深徑比薄壁細(xì)長(zhǎng)軸在傳統(tǒng)磨削模式下加工變形較大，砂輪磨損快、保形性差，加工精度難以可靠控制，加工效率偏低的難題，可以考慮采用快速點(diǎn)磨技術(shù)，利用其接觸面積小、磨削力低、磨削區(qū)發(fā)熱量低及冷卻效果好的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)大深徑比薄壁細(xì)長(zhǎng)軸快速點(diǎn)磨工藝技術(shù)，有效降低細(xì)長(zhǎng)軸的磨削接觸應(yīng)力和磨削溫度，減少零件工藝變形，形成對(duì)加工精度和表面完整性的可靠控制，同時(shí)提升薄壁細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工效率。

2.4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)組件高速飛切磨削

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片通過(guò)葉根部榫齒結(jié)構(gòu)與渦輪盤(pán)聯(lián)結(jié)形成組件。渦輪盤(pán)組件在整體安裝后，需要對(duì)渦輪盤(pán)葉片頂面（葉尖）圓弧形封嚴(yán)齒進(jìn)行精密磨削加工，保證各葉片頂面在渦輪工作狀態(tài)下徑向尺寸處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，確保渦輪盤(pán)組件整體旋轉(zhuǎn)精度和氣動(dòng)性能。傳統(tǒng)的葉尖磨削工藝采用專(zhuān)用工裝夾具，渦輪盤(pán)組件上的葉片通過(guò)芯軸夾具在軸向和徑向頂緊后，在外圓磨床進(jìn)行磨削加工。渦輪葉片與渦輪盤(pán)的連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片榫齒與渦輪盤(pán)之間存在間隙，渦輪盤(pán)組件上的葉片在夾具中靜態(tài)頂緊后，各葉片的位置存在偏差，磨削加工后渦輪盤(pán)組件在工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，往往難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。技術(shù)先進(jìn)國(guó)家對(duì)渦輪盤(pán)組件葉尖的磨削是利用渦輪盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)葉片形成較大的離心力，使葉片榫齒與渦輪盤(pán)榫槽形成穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，形成較高的徑向剛度（圖16）；在渦輪盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)情況下，在專(zhuān)用外圓磨床上對(duì)葉尖面進(jìn)行斷續(xù)飛切磨削，可消除各葉尖頂面相對(duì)盤(pán)軸線的制造與安裝誤差，并可提高表面質(zhì)量。

圖16 葉片高速飛切磨削示意圖Fig.16 Schematic of high speed fly-grinding of blade tips

渦輪盤(pán)組件在專(zhuān)用機(jī)床上進(jìn)行高速磨削，加工方式類(lèi)似于外圓磨床的工作方式。砂輪與渦輪盤(pán)組件同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，形成相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的磨削線速度。砂輪以較小的切深沿徑向分步進(jìn)給，磨削過(guò)程中砂輪沿渦輪盤(pán)軸向做往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于渦輪盤(pán)葉尖的高速飛切磨削，需要考慮：渦輪盤(pán)組件高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力，必須能夠抵消磨削力的作用，保證磨削加工時(shí)葉片位置不發(fā)生變動(dòng)；葉片在某一轉(zhuǎn)速下承受的離心力和氣動(dòng)彎矩，必須能夠確保葉片與渦輪盤(pán)榫槽之間保持穩(wěn)定的接觸狀態(tài)。葉片離心力和氣動(dòng)彎矩對(duì)渦輪盤(pán)/葉片結(jié)構(gòu)徑向與切向剛度都會(huì)發(fā)生影響，同時(shí)渦輪盤(pán)/葉片結(jié)構(gòu)在極大的離心力作用下的彈性膨脹變形，直接影響葉片的伸長(zhǎng)量，對(duì)磨削加工精度具有重要的影響；渦輪盤(pán)組件高速旋轉(zhuǎn)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響磨削加工質(zhì)量與安全性，同時(shí)還要考慮斷續(xù)磨削模式下產(chǎn)生的激振力和激振頻率對(duì)加工形態(tài)穩(wěn)定性的影響；葉片頂面為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，在磨削加工時(shí)，必須嚴(yán)格避免磨屑通過(guò)頂面開(kāi)口槽進(jìn)入葉片內(nèi)腔，造成葉片進(jìn)排氣小孔的堵塞，降低葉片冷卻性能，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的高壓氣動(dòng)排屑裝置，在磨削過(guò)程中，通過(guò)渦輪盤(pán)內(nèi)腔的外噴高壓氣體，避免磨屑進(jìn)入渦輪葉片內(nèi)腔；渦輪盤(pán)組件的磨削余量較大（約1mm），單件加工時(shí)間較長(zhǎng)，需要對(duì)不同磨削模式的加工效率、穩(wěn)定性與安全性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，研究在不同轉(zhuǎn)速、切深和往復(fù)進(jìn)給速度下，瞬時(shí)磨削力、磨削功率和葉尖表面磨削溫度的變化，以及其對(duì)砂輪磨損、加工穩(wěn)定性的影響。渦輪盤(pán)葉尖的高速飛切磨削的另外一個(gè)難點(diǎn)是，渦輪盤(pán)組件加工精度與加工質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估問(wèn)題，渦輪盤(pán)組件在高速旋轉(zhuǎn)條件下被加工成具有一定徑向尺寸的圓弧形，其加工精度只能在動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)條件下測(cè)量，具有相當(dāng)?shù)碾y度。

3 航空材料的高性能磨削

3.1 難磨航空鈦合金的快速往復(fù)磨削

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)WZL研究所在歐盟項(xiàng)目AGNETA資助下，聯(lián)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、機(jī)床制造商、砂輪供應(yīng)商及直線導(dǎo)軌供應(yīng)商開(kāi)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料HSSG磨削技術(shù)研究。項(xiàng)目研究的目的是針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料，采用創(chuàng)新性的磨削工藝，顯著提高加工效率并降低磨削成本[17，21]。對(duì)航空鈦合金Ti–45Al–2Mn–2Nb+0.8%TiB2磨削的典型參數(shù)為：磨削深度<0.05mm，砂輪速度150～200m/s，最大進(jìn)給速度200m/min（相關(guān)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖17和18[17]）。初步的研究表明，通過(guò)極大提高工作臺(tái)進(jìn)給速度，HSSG模式可以有效越過(guò)磨削熱峰，獲得較高的磨削效率，磨削溫度可以控制在200℃水平，磨后表面完整性良好。

圖17 磨削表面溫度與工作臺(tái)進(jìn)給速度關(guān)系[17]Fig.17 Relation between grinding temperature and worktable speed[17]

HSSG技術(shù)采用極高的往復(fù)進(jìn)給速度，對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求極高，需要采用大功率高速高精度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速度造成很大的沖擊力，對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求極高，系統(tǒng)控制難度大，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮零件的加工精度、效率及成本需求，將工藝設(shè)計(jì)、砂輪設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)與智能化監(jiān)控方法相結(jié)合，針對(duì)典型零件的特點(diǎn)開(kāi)展系統(tǒng)化的研發(fā)。

3.2 航空鋁合金大去除率高效深切磨削

在航空制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用各類(lèi)鋁合金構(gòu)件。鋁合金構(gòu)件的加工余量非常大，通常需要采用高效切削方法，以極大的材料去除率高效去除余量，典型的加工方法是采用高速銑削加工。鋁合金屬于典型的延塑性材料，如果采用磨削工藝進(jìn)行加工，易發(fā)生工件材料在砂輪表面黏附和砂輪堵塞現(xiàn)象，通常認(rèn)為鋁合金材料不適合采用磨削工藝進(jìn)行加工。學(xué)界對(duì)于鋁合金磨削方面的研究較少，已有的研究主要針對(duì)小切深、精密磨削的工況。Kim等[32]采用大氣孔陶瓷結(jié)合劑剛玉砂輪，并在砂輪表面形成開(kāi)槽結(jié)構(gòu)后，開(kāi)展了鋁、銅及其鋁合金、銅合金的精密磨削研究；對(duì)于Al6061鋁合金，采用的磨削深度很?。?.005～0.05mm），工作臺(tái)進(jìn)給速度為9m/min，砂輪速度為24m/s，最大比磨除率為27mm3/（mm·s），單位時(shí)間材料去除率為16.9mm3/s，磨后工件表面粗糙度Ra為1.0～2.5μm；但文獻(xiàn)中沒(méi)有說(shuō)明砂輪磨損和砂輪長(zhǎng)期使用的性能表現(xiàn)。

與鋁合金磨削相關(guān)的其他研究工作主要是對(duì)碳化硅陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的磨削[33]。采用傳統(tǒng)剛玉砂輪（32A36–IVS），磨削含有中低體積分?jǐn)?shù)碳化硅的鋁基復(fù)合材料（磨削深度0.05mm，工作臺(tái)進(jìn)給速度310mm/s，砂輪速度22m/s），其顯示的可磨削性?xún)?yōu)于Al7075鋁合金，磨后工件表面粗糙度較低，砂輪表面黏附現(xiàn)象有所改善；相關(guān)研究對(duì)比了不同類(lèi)型磨料砂輪（剛玉、碳化硅、CBN和金剛石）在磨削兩種碳化硅陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能表現(xiàn)[34]，采用的磨削參數(shù)為：磨削深度0.01mm，工作臺(tái)進(jìn)給速度300mm/s，砂輪速度20m/s；試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了較為明顯的砂輪黏附現(xiàn)象，砂輪失效的主要原因不是磨粒的機(jī)械磨損，而是由于鋁基體材料黏附到砂輪表面后，砂輪容屑空間不足，磨削條件明顯劣化。

英國(guó)Cranfield大學(xué)與羅·羅公司和空客公司合作，采用粗粒度超硬磨 料CBN砂 輪（B252 electroplated CBN），開(kāi)展了航空鋁合金高效深切磨削研究工作。與一般切削刀具相比，超硬磨料CBN砂輪表面的磨刃數(shù)較多，結(jié)合高效深切磨削技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以實(shí)現(xiàn)與高速銑削相當(dāng)?shù)牟牧先コ?，同時(shí)還可以獲得更高的加工精度和良好的表面完整性，砂輪工具成本整體上低于切削刀具成本。相關(guān)研究工作在高效深切磨床Edgetek SAM上進(jìn)行，工件材料為7000系列鋁合金。結(jié)合極高的砂輪磨削速度、大切深（最大切深10mm）和較高的工作臺(tái)進(jìn)給速度，材料去除率最高達(dá)到1250mm3/（mm·s）水平，大致是普通精密磨削工藝的100～400倍，與高速銑削加工效率相當(dāng)。在如此高的材料去除率下，磨削后工件表面粗糙度Ra為1.5～2μm，在工件表面和亞表面未見(jiàn)任何磨削熱損傷，磨削溫度控制低于普通精密磨削水平。

3.3 高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高速/超高速磨削

陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是以陶瓷為增強(qiáng)體，以鋁合金為基體材料的新型復(fù)合材料。陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐疲勞強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨損且抗腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。陶瓷增強(qiáng)體包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷及碳化物陶瓷等，以顆粒和晶須的形態(tài)與鋁合金基體形成復(fù)合材料。目前得到廣泛應(yīng)用的是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）和碳化硅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCw/Al）。

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，SiC增強(qiáng)體的硬度非常高，隨著SiC增強(qiáng)顆粒含量的提高，材料會(huì)變得更硬和更脆，機(jī)械加工的難度極大。鋁合金基體和碳化硅顆粒具有截然不同的物理與力學(xué)性能，其中碳化硅顆粒硬度高，刀具難以將其順利切斷，在碳化硅顆粒的去除過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各類(lèi)缺陷，比如在加工表面形成孔洞、微裂紋、基體材料撕裂及劃痕等。碳化硅顆粒的去除方式對(duì)加工表面質(zhì)量具有決定性的影響。

隨著碳化硅增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的提高，材料整體機(jī)械性能由塑性逐步向脆性過(guò)渡。對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料，采用硬質(zhì)合金刀具或PCD刀具進(jìn)行切削加工，刀具快速磨損和失效現(xiàn)象是難以避免的問(wèn)題。對(duì)于具有高硬度、高脆性材料的加工，磨削是唯一可行的加工方法。與車(chē)削、銑削等切削技術(shù)相比，磨削過(guò)程中分?jǐn)偟絾晤w磨粒的切削厚度非常?。ㄎ⒚缀蛠單⒚姿剑?，磨粒承受的載荷很低，砂輪磨損的主要機(jī)制一般是磨粒頂面的逐步磨損鈍化，過(guò)程相對(duì)平緩。對(duì)具有高硬度、高脆性的陶瓷和玻璃材料的研究和加工實(shí)踐表明，采用高速磨削有利于降低磨削力和提高砂輪壽命，并且顯著降低工件亞表面損傷深度。

國(guó)內(nèi)外對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料磨削加工的研究較少。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)體積分?jǐn)?shù)45%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了磨削試驗(yàn)研究，加工表面質(zhì)量較好，表面形貌較為光整，僅有少量因材料剝落留下的凹坑，磨后工件粗糙度為0.4～0.6μm[35]。相關(guān)研究表明，電鍍金剛石砂輪具有較高的使用壽命，主要磨損形式為金剛石顆粒的磨損和金屬結(jié)合劑的磨損，砂輪還會(huì)發(fā)生金剛石顆粒的破碎、脫落，以及鍍層金屬的開(kāi)裂和脫落等現(xiàn)象[36]。Ronald等[37]采用電鍵金剛石砂輪和樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)體積分?jǐn)?shù)為30%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了磨削加工對(duì)比試驗(yàn)研究，研究表明，綜合考慮砂輪性能對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的磨削性能要優(yōu)于電鍵砂輪。Ilio等[34]比較了樹(shù)脂基CBN砂輪、樹(shù)脂基金剛石砂輪、陶瓷基剛玉砂輪和陶瓷基SiC砂輪對(duì)體積分?jǐn)?shù)為35%的SiCp/Al復(fù)合材料的磨削性能，研究表明，砂輪堵塞主要是由于軟化的合金基體覆蓋到砂輪表面，陶瓷基砂輪的容屑空間最大，不易發(fā)生砂輪堵塞現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)外公開(kāi)報(bào)道的SiCp/Al復(fù)合材料磨削工藝研究，基本采用傳統(tǒng)精密磨削技術(shù)，其加工效率比較低。借鑒高速/超高速磨削技術(shù)在高硬度、高脆性材料和航空鋁合金高效磨削的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)砂輪工具設(shè)計(jì)，以及材料去除、損傷生成和砂輪磨損機(jī)制的深入研究，合理選擇加工參數(shù)和工藝條件，突破現(xiàn)有切削技術(shù)的局限，研發(fā)大去除率高速/超高速磨削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高速高效精密加工是完全有可能實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

高效深切HEDG磨削技術(shù)采用極高的砂輪線速度，結(jié)合大切深和高進(jìn)給速度，可獲得極高的磨削效率，加工表面完整性良好，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金葉片榫齒的高效成形磨削中顯示了良好的效果。

快速往復(fù)磨削技術(shù)采用直線電機(jī)工作臺(tái)直驅(qū)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，可以實(shí)現(xiàn)非常高的工作臺(tái)進(jìn)給速度，形成有利的傳熱條件，大部分磨削熱可以被磨屑帶離磨削區(qū)，可有效越過(guò)磨削熱峰，獲得較高的磨削效率，磨后表面完整性良好。HSSG技術(shù)為航空難加工材料的高效、精密加工提供了一條新的途徑，是未來(lái)值得進(jìn)一步深入研究的技術(shù)。

采用快速點(diǎn)磨技術(shù)，砂輪與工件接觸面積小，磨削力顯著降低；磨削發(fā)熱量減小，磨削區(qū)冷卻效果好，有助于降低工件變形和提高加工精度，獲得良好的磨削表面質(zhì)量。可以解決大深徑比薄壁細(xì)長(zhǎng)軸在傳統(tǒng)磨削模式下加工變形較大，砂輪磨損快、保形性差，加工精度難以可靠控制，加工效率偏低的難題，形成對(duì)薄壁細(xì)長(zhǎng)軸加工精度和表面完整性的可靠控制，提升薄壁細(xì)長(zhǎng)軸零件的加工效率。

緩進(jìn)深切磨削技術(shù)是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫齒成形磨削的主流技術(shù)。葉片榫齒深切成形磨削傳熱條件復(fù)雜，在復(fù)雜接觸條件下的葉片榫齒成形磨削傳熱分析方法、科學(xué)合理的工藝設(shè)計(jì)方法與工藝設(shè)計(jì)軟件、智能化磨削工藝監(jiān)控與優(yōu)化技術(shù)方面，還需要開(kāi)展進(jìn)一步深入、持續(xù)的研發(fā)。

高效深切磨削工藝在航空鋁合金的大去除率深切磨削研究中，獲得了良好的效果，可以實(shí)現(xiàn)與高速銑削技術(shù)相當(dāng)?shù)募庸ば?，同時(shí)可以獲得更高的加工精度、良好的表面完整性。高速/超高速磨削技術(shù)在高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、渦輪盤(pán)葉尖飛切磨削等不同領(lǐng)域，都有很好的應(yīng)用前景。