技术

1. 高速主轴

高速磨削时对砂轮主轴的根本要求与高速铣削时相似，种种主轴的类别、布局及其长处缺点可拜见“高速切削的技能要害”的“高速主轴”。

与高速铣差别之处在于直径平常大于铣刀的直径。由于制造和调解装夹等偏差，调换砂轮大概修剪砂轮后乃至在停车后重新起动时，砂轮主轴务必举举动态均衡。以是高速磨削主轴须有连续主动动均衡体系，以便能把由动不均衡引起的振动低落到最小程度、包管得到低的工件外貌粗糙度。

如今市场上有许多差别的动均衡体系产品，重要有下列两类：机电动均衡体系和电颠簸均衡体系。

（1）机电动均衡体系如图1所示，它由两块内装电子驱动元件并可在轴上相对转动的均衡重块3，紧固法兰2和信号无线传输单位1构成。整个均衡体系构成一个完好的部件，装在磨床主轴4内，如图2所示。举举动均衡时，主轴的动不均衡振幅值由振动传感器测出，动不均衡的相位则议决装在转子内的电子元件丈量。相应的电子控制信号驱动两均衡块1作相对转动，从而到达均衡的目标。这种均衡装置的精度很高，均衡后的主轴渣滓振动幅值可控制在0.1～lμm。该体系的均衡块在断电时仍保留在原位置上不动，以是停机后重新起动时主轴的均衡状态不会产生变化。

 

电液均衡体系的原理如图3所示，振动传感器装在主轴箱上，带有喷口的法兰装在主轴端部，一个具有三个或四个空腔的均衡环稳固在转子上。举行均衡时，控制体系根据振动不均衡的幅值和相位向相应的空腔喷射液体。该液体平常为磨削用的冷却润滑液，万一空腔有走漏也不会影响机床平常劳动。主轴中断转动后，喷进空腔的液体仍然留存在原来的地方，主轴重新起动时，均衡状态不会产生变化。为了维持主轴和砂轮一贯处于最佳均衡状态，则可启动主动均衡步骤，对主轴举行连续启动均衡。

 

高速磨制的另一个特点是主轴功率亏损随转速的进步呈超线性增长，如图4所示。当切削速率由80m/s进步到180m/s时，主轴的无功功率从不到20％增至90％以上。构成无功功率的三个分量中，由冷却润滑液引起的损耗占最大比重。重要因为在于进步切削速率时，砂轮与冷却润滑滚之间的摩擦快速加大，别的把冷却润滑液的质量加快到更高的速率也必要损耗能量。由于高速范畴内电机驱动因此恒功率方法劳动，因而当主轴转速进步时。主轴的输出转矩相应裁减。同时主轴的无功功率快速增长，使主轴可用的切削转矩大幅度裁减。因此，在进步主轴转速时，务必思考主轴是否另有充足的转矩用于切削。换言之，主轴功率不高时，纵然进步主轴转速也不克进步质料切除率。为此务必想法低落无功功率。实行证实，无功功率不但与转速相关，并且还与砂轮的直径相关。图5是用差别砂轮直径时，种种切削速率下的无功功率。当切削速率为400m／s时，若采取直径为350mm的砂轮，无功功率损耗为17kW，而用直径为275mm的砂轮，功率损耗可降至13.5kW。也便是说，采取较小的砂轮时，可以有更多份额的功率用于磨削进程。

 

2．高速磨床布局

高速磨床除具有平凡磨床的平常作用外，还须餍足如下的特别要求：

l）尽大概配合多种磨削作用，实如今一台磨床上能完玉成部的磨削工序。
2）高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳固性。
3）高度主动化和可靠的磨削进程。

进步生产率平常有两种途径：一是低落切削进程的时间；二是收缩帮助时间。在工件外形比较大略且加工步骤较少时，进步切削速率，裁减切削时间是一种非常有效的办法。但当工件外形纷乱，加工步骤许多时，除了裁减切削时间外，还须收缩帮助时间才华到达进步生产率的目标。

图6是德国Schaudt公司生产的高速曲轴磨床（型号CR41CBN）。主轴箱装在十字滑台上，滑台的导轨为液体静压支承，以进步支承面的阻尼和刚性。滑台由液体静压丝杠驱动，以低落摩擦阻力和进步滑台的动态特性。工件轴由伺服电机驱动并装有精密角度编码丈量体系，构成了cnc的C轴。磨床主轴为电主轴，可举行无级变速。所用的砂轮磨料为立方氮化硼，切削速率可达165m／s。在该磨床上加工曲轴时，曲轴毛坯不消举行车、铣等粗加工，精锻或精铸后的曲轴坯件可直接由磨削加工到终极尺寸。

 

由于该磨床的X、Z和C轴为cnc联动，故加工连杆轴颈时，只需由X和C轴联动插补即可，而不消像平凡磨床那样，磨削连杆轴颈时需把曲轴装夹在偏爱夹具上，在加工差别方位曲拐时，只需主轴箱在Z向作相应移动，而不需重新调换夹具或移至其他有相应夹具的磨床上往加工。因此采取高性能的曲轴磨床可大幅度地收缩切削时间、并把帮助时间低落至最低程度。该机床采取进步的数字伺服驱动体系，以确保联动插补加工的外形精度和位置精度，并采取在线丈量体系以包管各轴颈的尺寸精度。图7为在该机床上加工的曲轴圆度偏差，精度靠近lμm，远低于平常计划要求的3μm。

 

图8是德国Jung公司生产的高速平面磨床，它的根本布局与平凡平面磨床相似，所差别的是切削速率可达125m／s，劳动台的往复活动可以到达1000st／min。此种机床特别得当于加工精度要求很高的较薄的工件。由于薄工件易变形，故需减小磨削力。进步磨削速率是一种有效的要领，但磨削速率不大概无限定地进步，它受功率亏损和振动的制约。图中的机床劳动台由直线电机驱动，其往复频率进步到平凡磨床的十倍以上。在切削余量雷同时，由于往复领率进步。每次往复的切进深度相应裁减，从面裁减了磨削力，也有利于控制工件的尺寸精度。

 

3. 高速磨削砂轮

高速磨削砂轮务必餍足下列要求：

l）砂轮基体的机器强度务必能遭受高速磨削时的切削力。
2）高速磨削时的安定可靠性。
3）表面锋利。也便是说，磨粒突出高度要大，以便能包容大量的长切屑。
4）联合剂务必具有很高的耐磨性，以裁减砂轮的磨损。

高速磨削砂轮的基体计划务必思考高转速时离心力的作用，并根据应用场地举行优化。为了进步砂轮的通用化程度，务必统一砂轮与法兰的相连部位的外形和尺寸，并根据强度要求举行优化。

图9是砂轮基体的一个有限元在高速旋转时的受力状态。基体内各点的应力和应变可议决数值要领举行谋划。根据基体的强度要求，它在旋转时的径向和切向的应力尽大概相称，以此找出根本的最佳形状。德国亚琛大学的Konig老师在1990年对切削速率为500m/s时的砂轮基体最佳孔周围的应力可低落到25%，基体边沿的应变低落到35％。

 

图10是优化后的砂轮基体外形，优化的部位有法兰接合部，基体形状和螺钉孔的数量与散布。优化的基体没有单独的大的法兰孔，而是用多个小的螺孔代替，以富裕低落基体在法兰孔周围的应力。基体外缘的尺寸则重要根据应用场地而定。除了机器强度外，还务必思考砂轮曲轴向刚度。

 

高速磨削砂轮的磨粒重要是立方氮化硼和金刚石，所用的联合剂有多孔陶瓷和电镀镍。随着高速磨削的进一步推广和科研的深进，新式的磨粒和联合剂也在连续地出现。

平凡的立方氮化硼砂轮的磨粒多为健壮的八面体，磨削进程中，磨粒的外形保留稳固。由于磨粒磨损导致磨粒与工件的打仗面增大，从而使磨削力连续增长，最终导致务必举行修剪。瑞士的Winterthur公司近来研制出一种新的立方氮化硼磨粒，它的根本外形是四面体，在磨削力增大到肯定程度常会产生***，从而形成新的锋利的切削刃。这种磨粒呈法则的多少外形，在制造时特地计划了许多与肇始切削刃平行的***面。由于这种磨粒的外形有显然的负前角，以是切削进程中非常锋利。磨削合金东西钢对可有效地低落切削力和切削温度，在保留砂轮寿命稳固时，可以进步质料的切除率和工件的精度。

电镀联合砂轮是高速磨削时最为广泛采取的一种砂轮。砂轮外貌只有一层磨粒，其厚度靠近磨粒的匀称粒度，制造时议决电镀的方法将磨粒粘在基体上，以是这种砂轮非常有利于高速磨削。别的，电镀联合的砂轮磨粒的突出高度很大，可以或许包容大量切屑，并且不易形成钝刃切削，对高速切削非常有利。别的，单层磨粒的电镀砂轮的生产资本较低。由于砂轮的形状只取决于基体的外形，以是可制成外形纷乱的砂轮，与平凡砂轮相比，电镀砂轮不需烧结时所用的模具，单件小量生产时也不会增长制造资本。

在利用进程中，电镀联合砂轮的长处是只有一层磨粒，因而不需举行修剪，从而可节减腾贵的修剪装置和难以控制的修剪工时。它的缺点在于利用时务必举行细致调解，以裁减砂轮与主轴间的差别轴度。其次电镀联合砂轮在利用的初期其切削特性在连续变化，工件的外貌质量不很稳固，为了办理这一标题，新砂轮在装上机床上务必最终举行详细的人工磨砺，使砂轮的切削面在利用时立刻进进稳态切削，并可改进砂轮的反转展转精度以低落工件的粗糙度。

除电镀联合砂轮外，高速磨削也有效多孔陶瓷联合剂砂轮。这种联合剂为纯粹的人工质料，它的重要因素是再结晶玻璃。由于它具有很高的强度，以是制造砂轮时联合剂的用量很少，从而裁减了联合剂在砂轮中所占的容积比例。表面上讲，联合剂不产生切削作用，以是它的比例越小越好。采取如许的新式合成联合剂制造立方氮化硼砂轮时，所需炉温比老例砂轮低，可以包管不影响CBN的强度和硬度。

为了包管砂轮在整个利用寿掷中保留锋利，砂轮的布局须有利于磨粒***，维持自砺进程，要到达砂轮自锋利的目标，除了只管即便低落联合剂的比例外，还要优化磨粒的空间散布。图11是带天然孔的平凡砂轮与带人工孔的新式砂轮布局的比拟，后者磨粒间的气孔由发孔剂天生，在雷同的面积内，可以显然地裁减磨粒的数量。当切削力稳固时，分摊在每一磨粒上的力相应增长，利于促进磨粒***和砂轮自砺的形成。议决谋划机步骤可算出种种磨粒***时作用在单个磨粒上的力，从而可精确地确定联合剂的比例。

 

4．冷却润滑体系

在推广采取高速磨削进程中，每每对冷却润滑体系未赐与充足的珍视，但它的优劣，通常可以或许决定整个磨削进程的成败。

冷却润滑体系由冷却润滑液、泵、过滤器等构成，对高精度磨削还需有温度控制体系以确保冷却润滑液的温度恒定。

冷却润滑液的作用是进步磨削的质料切除率，延伸砂轮的利用筹命，低落工件外貌粗糙度。它在磨削进程中务必完成四大职责，即润滑、冷却、洗濯砂轮和传送切屑。故它务必餍足以下的技能要求：

1）较高的热容量和导热率，以进步冷却效果。
2）能遭受较高的压力。
3）精良的过滤性能，防腐化性和附着力。
4）较高的稳固性，不起泡，稳固色。
5）对康健无害，易于洗濯。
6）有利于环境保卫，易于处理。

高速磨削时的冷却得是来提供体系（泵、管路和水箱）务必同样举行优化。图12是砂轮在周向洗濯冷却时的受力环境。当砂轮圆周速率靠近冷却液的出口速率时（图12c），液流束帖附在砂轮约1/12的圆周上，就冷却与润滑而言，这种条件下结果最佳。但此时洗濯砂轮的结果很小，由于液流束与砂轮的相对速率靠近于零。为了可以或许冲走残留在联合剂空穴中的切屑，冷却润滑的出口速率ω1务必大于砂轮的圆周速率υs，故就冲洗结果而言，图a最佳，图b次之，图c则较差。冷却润滑液对砂轮的制动力G的谋划式列于图中，在雷同的喷射角α1下，图c引起的制动力最大，图a则大概出现助推力。

 

冷却润滑液的在喷嘴出口的速率与喷嘴的多少尺寸无关，只取决于泵的压力。在肯定的泵压力下、根据体积守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速率ω1。图13示出在差别泵压力下冷却润滑液能到达的出口速率，为了有精良的洗濯砂轮作用，应使液流出口速率高于砂轮圆周速率，比方切削速率为120m/s时，泵的压力就应大于70×105Pa。不然，不但洗濯作用减弱，并且由于冷却润滑液与砂轮打仗时，要靠砂轮发动液流加快，产生了对砂轮的制举动用。从图4也可看到，由于砂轮速率进步，由洗濯砂轮液流产生的制动力及摩擦力引起的功率损耗随之加大，进一步阐明应对冷却润滑体系珍视。

 

回首迄今所举行的高速磨削的探索，当实行的磨削速率超出150m/s时，都未能取得全部预期的结果。究其因为冷却润滑体系是一个重要因素。大多数实行中虽然利用了大流量冷却润滑液，但是所用的泵压力广泛偏低，多数不超出20×105Pa，以是离冲洗砂轮所需的压力相差甚远。由于砂轮的容屑空间得不到洗濯，在磨削进程中极易淤塞、引起磨粒发热磨损和切削力增长。由此可见，高速磨削时，进步冷却润滑体系泵压力的紧张性。