高效深切磨削概述及發(fā)展

高效深磨技術(shù)的研究張宇霖學(xué)號(hào)20155576班級(jí)：15機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化04班摘要高效深磨(HEDG-HighEfficiencyDeepGrinding術(shù)是由德國Bremen大學(xué)Werner教授于1980年創(chuàng)立的一種集砂輪高速度、高進(jìn)給速度( )和大切深( )為一體的高效磨削技術(shù)。本文通過對(duì)高效深磨技術(shù)的研究，主要完成以下創(chuàng)造性工作：分析磨削過程的傳熱機(jī)制，得出高效深磨技術(shù)的基本原理：提高工件進(jìn)給速度和砂輪速度，可以有效減少工件表面溫度，使高效大磨除率的磨削成為可能。針對(duì)高效深磨的特點(diǎn)，研究了實(shí)現(xiàn)高效深磨的設(shè)備，其中包括砂輪、磨床和磨削液的選擇。分析認(rèn)為高效深磨目前存在的瓶頸是磨削弧區(qū)高溫和工件表面燒傷，并針對(duì)性地提出一些可能的解決方案。關(guān)鍵詞：高效深磨;基本原理;設(shè)備選擇;瓶頸;解決方案AbstractHighEfficiencyDeepGrinding(HEDG)technologyisahighwheelspeed,highfeedrate(0.5~10m/min)andlargecuttingdepth(0.1~30mm),whichwasfoundedin1980byProfessorWernerofBremenUniversityinGermany.BasedonthestudyofHEDGtechnology,followingcreativeworkinthispaperarecarriedout.Throughanalyzingtheheattransfermechanismofthegrindingprocess,thefollowingbasicprincipleofHEDGtechnologyisobtained:Improvingtheworkpiecefeedrateandwheelspeedcaneffectivelyreducetheworkpiecesurfacetemperature,sothattheefficientgrindingbecomespossible.InviewofthecharacteristicsofHEDG,theequipmentswhichcanapplyforHEDGisstudied,includingtheselectionsofgrindingwheel,grindingmachineandgrindingfluid.ItisconcludedthatthebottlenecksofHEDGisthehightemperatureofgrindingareaandtheburningofworkpiecesurface,sothatputingforwardsomepossiblesolutions.KeyWords:HighEfficiencyDeepGrinding(HEDG);basicprinciple;equipmentselections;bottlenecks;possiblesolutions目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1引言 1\o"CurrentDocument"2高效深磨的原理 2\o"CurrentDocument"2.1工件進(jìn)給速度對(duì)工件表面溫度的影響 2\o"CurrentDocument"2.2砂輪速度對(duì)工件表面溫度的影響 3\o"CurrentDocument"3高效深磨的設(shè)備選擇 4\o"CurrentDocument"3.1砂輪的選擇 4\o"CurrentDocument"3.2磨床的選擇 5\o"CurrentDocument"3.3磨削液的選擇 6\o"CurrentDocument"4高效深磨的瓶頸和對(duì)策 7\o"CurrentDocument"4.1高效深磨目前的瓶頸 7\o"CurrentDocument"4.2解決高效深磨瓶頸可能對(duì)策 8\o"CurrentDocument"5結(jié)語 8\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 101引言磨削是一種精密加工方法，往往作為機(jī)械加工的最后一道工序，從而最終保證零件所要求的尺寸和形狀精度以及零件的表面完整性。一般來講，磨削的加工余量是很小的、低效率的，這主要是由于磨削工藝本身是近幾年才迅速崛起的一項(xiàng)高新技術(shù)。早在本世紀(jì)30年代和40年代，人們就開始對(duì)如何提高磨削效率進(jìn)行研究，并取得了積極的成果［1］。高效深磨（HEDG-HighEfficiencyDeepGrinds術(shù)是由德國Bremen大學(xué)Werner教授于1980年創(chuàng)立的一種集砂輪高速度、高進(jìn)給速度（ ）和大切深（ ）為一體的高效磨削技術(shù)［2,3］。它打破了傳統(tǒng)的磨削觀念，使磨削不再局限于傳統(tǒng)上的精密加工范疇，可以通過一個(gè)磨削行程，完成過去由車、銑、磨等若干工序組成的粗、精加工過程。從操作方法和最大可能達(dá)到的材料磨除率的不同，平面磨削可以細(xì)分為三種性質(zhì)不同的技術(shù):傳統(tǒng)（往復(fù)）磨削、緩進(jìn)磨削和高效深磨?，F(xiàn)將這三種不同的磨削技術(shù)的主要特性對(duì)比如下，見表d。表1三種不同磨削技術(shù)的主要特性傳統(tǒng)磨削緩進(jìn)磨削高效深磨磨削深度（）0.001?0.050.1?300.1?30工件進(jìn)給速度（)1?300.05?0.50.5?10砂輪速度（)20?6020?6080?200單位金屬磨除率（)0.1?100.1?1050?2000由表1可見，高效深磨是使用較高的砂輪速度和較大材料切除率的一種緩進(jìn)磨削的形式。它是緩進(jìn)磨削和高速磨削的結(jié)合，因而可

以獲得遠(yuǎn)高于一般切削加工的金屬磨除率，磨后表面質(zhì)量也可達(dá)到與傳統(tǒng)磨削方式相當(dāng)?shù)乃舰伞?高效深磨的原理1=-在普通的緩進(jìn)磨削中，以較低的工件速度進(jìn)行加工，磨削效率較低，如要提高金屬磨除率而其它的條件都保持不變，就要提高工件速度和切削深度，這樣很難散發(fā)因磨削而產(chǎn)生的熱量和不能得到持續(xù)散發(fā)熱量的時(shí)間，其結(jié)果是對(duì)工件產(chǎn)生熱損傷。這就是在普通緩進(jìn)磨削中不能獲得更高金屬磨削率的主要原因⑹。高效深磨與緩進(jìn)磨削相反，其加工中的能量在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量而被傳散，且同時(shí)為降低熱能量傳給加工零件，工作臺(tái)快速進(jìn)給（即工件進(jìn)給速度快）。砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，工件快速進(jìn)給，砂輪很快與磨削區(qū)脫離，熱量主要傳散到切屑與磨削液。因此，提高工件進(jìn)給速度和砂輪速度，可以有效減少工件表面溫度，使高效大磨除率的磨削成為可能。2.1工件進(jìn)給速度對(duì)工件表面溫度的影響圖1是高效深磨的單位金屬磨除率、工件進(jìn)給速度與工件表面溫度t的關(guān)系。

Oj-Vwb0-^3000W：=3rrrrOj-Vwb0-^3000;耳:=由口「平-涌nrnQ K> ICC O 3K CT 3W aa ?■ TO單位金■磨漆窣8（irini習(xí)mm，&）圖1單位金屬磨除率、工件進(jìn)給速度與工件表面溫度的關(guān)系在三種磨削深度、、 情況下，隨著單位金屬磨除率增加，即工件進(jìn)給速度增加，工件表面溫度下降。隨著磨削深度增加，工件表面溫度有一定的上升傾向。但總的趨勢(shì)是隨單位金屬磨除率和工件進(jìn)給速度是增加，磨削工件表面溫度t下降。2.2砂輪速度對(duì)工件表面溫度的影響圖2所示即為高效深磨中砂輪速度與工件表面溫度t的關(guān)系［7,8］，該圖用Al2O3和CBN（立方氮化硼）兩種砂輪在不同砂輪速度下研究工件表層溫度變化情況。在臨界磨削速度（ ）以下，工件表面溫度隨砂輪速度的提高而增大，這與普通磨削和緩進(jìn)磨削的情況是一致的；但當(dāng)砂輪速度在高于臨界速度后繼續(xù)提高時(shí)，表面溫度則隨之下降，在臨界磨削速度處，表面磨削溫度達(dá)到最大值。tT--CBN舔耗60【g18fiK/rin-s'j（Z/"LOftw3^J,tv*5.袖鏈磨自睡）圖2砂輪速度與工件表面溫度的關(guān)系砂輪速度增大而引起工件表面溫度的上升，是因?yàn)槟Σ亮υ黾拥慕Y(jié)果。當(dāng)砂輪速度增大時(shí)，由每個(gè)與工件接觸的切削刃切去的材料減小，即切削厚度減?。挥钟捎谇邢魅信c工件接觸的頻率較高，故摩擦增加。這種傾向一直延續(xù)到砂輪速度達(dá)到某一定值為止。當(dāng)砂輪速度超過某一定值后，摩擦才開始減小，之后隨著砂輪速度的提高而工件表面溫度隨之而降低。3高效深磨的設(shè)備選擇3?1砂輪的選擇這里主要討論的是在高效深磨中如何正確地選擇砂輪的磨料、濃度和粒度。CBN磨料由于具有高的硬度，極大的抗磨損能力，高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，故它是高效深磨最理想的磨料。較大濃度的砂輪是用于大的單位材料磨除率的基本條件，因?yàn)檩^大的濃度意味著有較多的動(dòng)態(tài)切削刃和較薄的切屑，這就使得在大的材料磨除率時(shí)磨削力減小。電鍍砂輪既具有大的濃度又具有最大的容屑空間,故在高效深磨中，電鍍立方氮化硼砂輪是最優(yōu)的選擇。砂輪粒度的粗細(xì)對(duì)磨削結(jié)果有直接影響。立方氮化硼砂輪的粒度和磨削力之間的關(guān)系曲線如圖3所示。n 1Ki 333 TO 6D0 KOG；S\fr：I.?'：!圖3CBN砂輪的粒度與磨削力關(guān)系曲線圖中清楚的見到：較粗和較細(xì)粒度的砂輪都會(huì)產(chǎn)生較大的磨削力。從理論上來說，大的磨削力會(huì)使砂輪產(chǎn)生較大的磨損，產(chǎn)生更明顯的形狀誤差以及較高的切削溫度。因此，用中等粒度砂輪能達(dá)到所要求的表面粗糙度的話，就不必用較粗或較細(xì)粒度的CBN砂輪。3.2磨床的選擇高效深磨所用的磨床除應(yīng)具有高的砂輪速度、大的工作臺(tái)速度和磨削深度外，還必須具有下列一些特殊的要求：首先最重要的是要有性能良好的主軸系統(tǒng)。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)下的砂輪主軸系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下要求［9：①低摩擦、低溫升、低功耗；②高壽命；③高的徑向、軸向剛度；④高的回轉(zhuǎn)精度；對(duì)于滾動(dòng)軸承，為減小球的速度，在高速軸上一般要求選擇小軸承。高功率主軸則要求大軸承以增強(qiáng)剛度,但一般在低速下回轉(zhuǎn)。高效深磨主軸系統(tǒng)則要求兩者結(jié)合起來。陶瓷球具有重量輕、熱膨脹小、硬度高、耐高溫、彈性模量高等特點(diǎn)，選用陶瓷球和鋼制軸承內(nèi)外圈的混合軸承可使其壽命提高倍，極限轉(zhuǎn)速增，而溫升降低[10]o此外，磨床還需具備下述條件：有良好的機(jī)床控制系統(tǒng)；有高的剛度及堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)；有合理的磨削液供給系統(tǒng)；有砂輪的綜合平衡系統(tǒng)；附有良好的調(diào)整和微量修整砂輪的裝置。滿足上述要求的磨床，就可以實(shí)施高效深磨工藝。一般要求的機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力大于緩進(jìn)給磨削的倍，如用直徑的砂輪，至少需要用功率。3.3磨削液的選擇在高效深磨中，磨削液通常采用高壓噴嘴進(jìn)行供液。磨削區(qū)內(nèi)充分的磨削液的供應(yīng)，既可以提供散熱冷卻作用，將磨削熱從磨削區(qū)內(nèi)帶走；也可以提供潤滑功能，減少砂輪和工件間的摩擦力，并降低比磨削能[11]。為了減少磨削液對(duì)砂輪的制動(dòng)功率損失，目前壓力在幾至幾十兆帕的清洗液、壓力為的冷卻液已在不少場(chǎng)合下應(yīng)用成功。在歐洲主要使用純油，而在日本則以水基磨削液較多，同時(shí)更多地使用直角噴嘴設(shè)計(jì)，有效地隔斷了砂輪外周的空氣流，其效果非常明顯。4高效深磨的瓶頸和對(duì)策4.1高效深磨目前的瓶頸高效深磨技術(shù)實(shí)用化的成功以及已經(jīng)達(dá)到的水平,無疑是令人鼓舞的。不過在充分肯定成績(jī)的同時(shí)，仍應(yīng)清醒地看到，到目前為止國內(nèi)外為發(fā)展高效深磨所做的工作事實(shí)上仍存在很大的局限性，在推廣應(yīng)用中也還存在許多問題,最為突出的關(guān)鍵問題（瓶頸）是磨削弧區(qū)高溫和工件表面燒傷[12]高效深磨時(shí)砂輪線速度的提高，雖然可以增加砂輪的動(dòng)態(tài)鋒利度并可以收到諸如增加單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)，降低單顆磨粒臨界切厚等效果。但無可否認(rèn)，它同時(shí)也帶來了空載功耗急劇增加（可達(dá)磨削有效功率的4倍以上）、磨削弧區(qū)高溫、工件特別是難加工材料工件燒傷等一系列難于解決的問題。眾所周知，傳統(tǒng)的砂輪并不是一種適于高效去除金屬的工具，磨削一般總要消耗比切削高得多的能量,以去除單位體積碳鋼計(jì)算，磨削比能常高達(dá) 以上，而切削比能僅在 以下。磨削時(shí)額外消耗的大量能量最終幾乎都轉(zhuǎn)化成了熱量,正是磨削的這種極其顯著的熱效應(yīng)嚴(yán)重危及到被磨零件的表面完整性從而直接制約了高效深磨所可能達(dá)到的極限金屬磨除率。4.2解決高效深磨瓶頸可能對(duì)策解決高效深磨的瓶頸，大幅度提高不發(fā)生燒傷的材料極限磨除率,總不外乎兩種基本對(duì)策。一是盡可能提高砂輪的鋒利度以大幅度降低磨削比能，減少產(chǎn)生的磨削熱。為使產(chǎn)生的磨削熱最少就應(yīng)該力求確保磨削比能最少。因?yàn)槭聦?shí)上除了速度以外,諸如砂輪結(jié)構(gòu)、工作面地貌、磨粒的排布及裸露高度等都可以對(duì)磨削比能產(chǎn)生顯著影響。因此，確保砂輪表面磨料相對(duì)有序合理排布至關(guān)重要。因?yàn)槟チ系南鄬?duì)有序排布可提高砂輪的動(dòng)靜態(tài)鋒利度,增大容屑空間，降低磨削比能,使設(shè)計(jì)制造的砂輪更能夠適應(yīng)高效磨削工藝的要求。二是盡可能強(qiáng)化弧區(qū)換熱效果以最大限度地疏導(dǎo)已經(jīng)產(chǎn)生的積聚在弧區(qū)的磨削熱。在砂輪與用量組合條件已定，磨削比能不可能再有大的改善的情況下，弧區(qū)換熱效率便是決定材料磨除率的第一要素。因此弧區(qū)強(qiáng)化傳熱技術(shù)上的任何突破都足以改變高效深磨工藝的現(xiàn)狀，使材料磨除率躍登上更高的臺(tái)階。為了實(shí)現(xiàn)弧區(qū)的強(qiáng)化換熱，若能構(gòu)思出一項(xiàng)可望從根本上強(qiáng)化弧區(qū)換熱過程的獨(dú)創(chuàng)構(gòu)想，就有條件可以將弧區(qū)換熱提高到一個(gè)全新的水平上,并有效地避免和抑制燒傷。5結(jié)語高效深磨技術(shù)是先進(jìn)的制造技術(shù)，徹底解決了傳統(tǒng)磨削加工高精度、低效率的加工局限，在獲得高效率、高精度的同時(shí)，又能對(duì)各種材料和形狀進(jìn)行高表面完整性加工并降低成本。在我國現(xiàn)有條件下，大力加強(qiáng)高效深磨技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對(duì)提高我國機(jī)械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開發(fā)具有十分重要的意義。如今超硬材料的應(yīng)用日益廣泛，實(shí)施高效深磨是加工超硬材料和難切材料的優(yōu)選加工工藝。由于超硬磨料磨具的應(yīng)用，高速、大功率精密機(jī)床及數(shù)控技術(shù)發(fā)展、新型磨削液和砂輪修整等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和磨削自動(dòng)化和智能化等技術(shù)的發(fā)展，使高效深磨在機(jī)械制造領(lǐng)域具有更加重要的地位，具有很好的發(fā)展前景。研究透徹高效深磨的原理，合理選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，發(fā)現(xiàn)高效深磨的瓶頸并思考相應(yīng)的對(duì)策，就能使用和發(fā)展這一技術(shù)造福人類。參考文獻(xiàn)[1宋貴亮，劉文志，蔡光起.高效深磨的最新發(fā)展與技術(shù)分析[J].機(jī)械制造,1996(9).6-8WernerPG.Thenew