1、高速高效加工理论与技术 摘要： 高速高效加工近年来发展迅速，它是集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术，是机械加工技术的重要发展方向。在航空、航天、汽车、模具、高速机车等行业中应用已取得重大经济利益，对 提高加工技术水平，推动机械制造技术的 进步具有深远意义。高 速高效加工的研发主要包括加工机理、加工机床、刀具磨具和加工工艺等方面。 本文主要针对 高速切削磨削技术 ，讨论了他们的机理、特点、关键技术以及实际应用。 关键词： 高速加工 高效加工 刀具 磨具 关键技术 Abstract： High-speed and efficient processing is developing rap
2、idly these years，which leads to high-efficiency， high-quality and low energy consumption. It is also an important direction of mechanical processing technology. It has made great economic benefits in aviation, aerospace, automotive, mold, high-speed locomotives and other areas. Therefore, far-reachi
3、ng significance will be achieved in improving the level of processing technology and promoting the progress of mechanical manufacturing technology. The research and development of high-speed and efficient processing include processing mechanism, machine tools, tool grinding, machining process and ot
4、her aspects. This article discussed high-speed cutting and grindings mechanism, characters, key-technology and practical application. Key words: High-speed machining; High-efficient machining; cutting tools; grinding tools; key-technology 高速高效加工理论与技术 1 0 前言 在高科技飞速发展的当今社 会，高精高速高效的加工需求在国内外 制造 行业非常 突出。
5、 新型高速高效加工技术的出现，使加工速度得到更进一步的提高，同时应用最新切削刀具及优化技术，机床精度提高，动态性能优异，使得零件的加工质量和加工效率大大改善。尤其面对航空领域的特殊要求，高速高效加工得到更广泛的应用。 采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量。 高速高效加工的主要目的就是提高生产效率、加工质量和降低成本，它包括高速切削加工、 高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨 削和缓进给深切磨削等。 高速高效加工技术的研究范围包括：高速高效切削磨削机理、高速高性能主轴单元及进给系统设计制造控制技术、高速高
6、效加工用刀具磨具、加工过程检测与监控技术、高速加工控制系统、高速高效加工装备设计制造技术、高速高效加工工艺等 1-3。 高速高效加工对于机床的制造以及其加工性能都提出了 极 高的要求。 日本大力推动高速高效加工技术的应用，其汽车行业的加工效率平均每 5 年提高 28%，这直接推动了其国际市场竞争力的提高。我国制造业拥有近 300 万台设备，而日本只有不到 90 万台设备，但创造的产值却是我国的 89 倍，其中加工效率的差距是一个重要原因。所以，研发高质量的机床是实现高速高效加工的一个必需条件。此外，对刀具磨具的要求也进一步提高，具有卓越性能的刀具磨具一旦被开发出来，就会出现能将其性能充分发挥出
7、来的机床，而刀具磨具又向性能更优越的新材料开发进军。目前，我国的高速刀具 90%以上依赖进口。而且，刀具是消耗品，昂贵的成本使一些用户往往为了降低运行成本，使高速机床运行在低速段，造成设备能力的巨大浪费。 针对以上提出的问题，为了提高我国机床功能部件的制造水平，必须对高速机床涉及的基础理论、设计技术和工艺基础的深入 系统研究，进而提高我国机床工业和机械制造业的整体水平。 高速高效加工理论与技术 2 1 高速切削加工 高速切削技术是当前机械制造行业中使用比较广泛的一种加工技术， 现已广泛用于航空航天、汽车和摩托车、模具、机床等工业中的钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合
8、金材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。 德国达姆施达特工业大学主要研究 铣削铁系和非铁系材料的基础理论研究及高速切削刀具和机床技术、高速切削工艺和高速加工技术的实际应用探索，获得了许多有价值的重要成果 4，为高速切削加工技术的发展和应用奠定了重要基 础。 1.1 高速切削 的概念 高速切削概念的起源可以追溯到 20 世纪 20 年代末，德国切削物理学家Carl.J.Salomon 博士 1929 年进行的超高速切削模拟试验，并于 1931 年 4 月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设想。其核心内容是：当切削速度达到一定的数值时，切削刃处的切屑温度和切削力开始下降，这个
9、速度 范围 与材料的种类有关。 高速高效加工必须考虑材料等因素 5，被加工材料不同，高效加工的指标也不相同。 如图 1 所示。 图 1 切削速度变化与切削温度之间的关系 高速加工以刀具所能达到的切削速度进行定 义，对应不同的加工材料有着不同的指标值，随着加工技术的不断发展其速度范畴发生着变化。从切削速度方面看，一般以高于 510 倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。从切削机理上讲，高速切削加工可以定义为：切削加工过程通过能量转换，高硬刀具高速高效加工理论与技术 3 （切削部分）对于工件材料的作用，导致其表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为，形成的热、
10、力耦合不均匀强应力场制造工艺。 1.2 高速切削的 机理 高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热 、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导 6。 传统 速度和进给率的切削机理在很多年前就已经被掌握。刀具切削材料时涉及 2 个界面：切屑与刀具界面和工件与刀具界面； 3 个剪切区：基本剪切区、第二剪切区和第三剪切区。主要过程是塑性变形使切屑在基本剪切区内从母体材料上被剪切。高速切屑变形机理在很大程度上与热量有关。 P.Mathew 认为，随着切削速度的增加，切削流受到的阻力减小，从而使切削变薄、切削力减
11、小。 如图2 所示 7。 高 速 度 高 应 变 率 温 度 升 高 材 料 软 化切 削 力 减 小剪 切 角 减 小高 速 薄 切 削图 2 高速加工机理 在高速切削过程中，约 75%以上的切削热是被切屑迅速带走的，所以工件和刀具基本保持冷态。 连续形切屑形成的原因是：高热扩散率，体心立方（ bcc） /面心立方（ fcc）晶体结构，低硬度。锯齿形切屑的形成原因是：剪切的不稳定性，低热扩散率，紧密排列的六边形晶体结构，高硬度。在达到高速加工的临界速度时，切屑会从连续向锯齿形过渡。这说明高速加工切屑流是一种非线性材料流。 也有研究人员提出用流体力学等理论研究高速切削过程中的材料变形行为 8-
12、9。 在高速加工中，扩散磨损占主导地位。 在这方面， 国内高 校在切屑形成机理、切削力与切削温度规律、切削方程式、刀具磨损机理等方面开展了大量的研究。研究了切屑弯曲、金属材料的动态力学高速高效加工理论与技术 4 性能与热塑剪切失稳机理，探讨了切削条件对金属变形、变形速度和材料的物理力学性能等的影响，提出金属切削最小能量耗散原理和非自由切削力学理论体系。山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，研究了 A12O3 基陶瓷刀具高速硬切削 (车削和端铣 )的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等；研究了模具高速
13、切削加工 技术与策略以及高速切削数据库技术等；研究了多场耦合的高速切削变形行为，创建了融合切削学和陶瓷材料学于一体的基于切削可靠性的陶瓷刀具材料设计新理论；在国家自然科学基金重点项目“大型航空整体结构件加工变形机理及精度保障技术”的资助下，从塑性力学、位错理论的角度研究高速切削加工的切屑形成机理、剪切区变形，从微观角度对高速切削变形区进行精确描述；建立了高速切削已加工表面位错硬化动力学模型，通过已加工表面形成能理论和位错 能量模型，研究了高速切削加工的不均匀热 力耦合场对表面变质层不同的影响，探索了高速切削加工表面变 质层形成的微观特征。 1.3 高速切削的 特点 （ 1） 提高生产效率。 随
14、着切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。 （ 2） 降低切削力。 在高速切削加工范围内，随着切削速度提高，切削力随之减小，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少 30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。 （ 3）高速切削加工时，切屑以很高的速度排除，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量越多，大致在 90%以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加 工精度。 （ 4）可加工难加工材料。高速切削时，切削力小，刀具磨损小，有利于加工难加工材料。可加工硬度 4565HRC 的淬硬钢铁件。 （ 5
15、） 简化加工流程。高速切削加工，系统振动小，可实现高精度、低粗糙度，高速切削加工获得的表面质量达到磨削水平。因此常可省去铣削后的精加工工序。 高速高效加工理论与技术 5 1.4 高速切削的 关键技术 实现高速切削加工的核心研究内容主要有：高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等，其中高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。性能良好的机床是实现高速切削的基础。现 在工业发达的国家都把生产高速机床作为其重要的发展目标，高速机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造技术水平的重要标志 10。 1.4.1 高速主轴系统 高速主轴系统 是高速切削技术最
16、重要的关键技术之一，目前主轴转速在 1.5万 3 万 r/min 的加工中心越来越普及，已经有转速高达 10 万 15 万 r/min 的加工中心。 高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热量，会引起热变形和高温， 将直接影响机床的最终加工性能。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴 、水动主轴。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速，不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪音，而且增加了转动惯量，机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式。集成化主轴有两
17、种形式：一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接，另一种是把电机转子和主轴做成一体。 对高速主轴提出以下性能要求： （ 1）结构紧凑，总质量小，惯性小，可避免振动和噪音，具有良好的启停性能； （ 2）足够的刚性和高的回转精度； （ 3）良好的热稳定性； （ 4）功率大； （ 5）先进的润滑和冷却系统； （ 6）可靠的主轴检测系统。 轴承是决定主轴寿命和负荷大小的关键部件。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。 目前高速主高速高效加工理论与技术 6 轴主要采用陶瓷轴承。磁悬浮轴承、空气轴承和液体动静压轴承等。 1.4.2 高速进给系统 高速机床必须同时
18、具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给 速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；另一方面，由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。 为了实现高速进给，除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副之外，最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式。直线电机可达到很高的速度和加速度，可获得 200m/min
19、进给速度和 10gm/s2 加速度，且推力大、刚度高、动态响应快、定位精度高。并联机构新型高速进给方式的基本工作原理是建立在 1964 年 由英国人 Steward 设计并获得专利的六杆结构的基础上，一般成为 Steward 平台。具有这种进给机构的机床也被称为并联运动机床，具有刚度高、响应速度快、适应能力强等特点。 1.4.3 高速 CNC 控制系统 高速切削加工要求 CNC 控制系统具有快速数据处理能力、精度和高的功能性特性，采用快速响应的伺服控制，以保证在高速切削时，特别在 45 轴坐标联动加工复杂曲面，仍具有良好的加工性能。 在高速机床中使用的主轴数字控制系统和数字伺服驱动系统，应具有
20、高速响应特性，主轴支承系统也应该有很好的动态响应特性。采用液压或磁悬浮 主轴时，要能够根据不同的材料、不同的刀具材料，以及加工过程的动态变化自动调整相关参数。加工精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的而检测组件。 高速切削加工 CNC 系统的功能特性包括加减预插补、前馈控制、精确矢量补偿、最佳拐角速度。 高速高效加工理论与技术 7 1.4.4 高速切削刀具技术 高速切削刀具技术包括高速切削刀具材料和刀具结构以及高速切削刀柄系统两个部分。 高效加工采用的高效刀具应具有优化的几何形状和刀具结构 11。 目前以发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等。高
21、速切削刀具结构主要 有整体和镶齿两类，镶齿刀具主要采用机夹结构，高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体总质量要尽量小，以减少离心力 。 当主轴转速超过 10000r/min 时，一方面由于离心力的作用，使主轴传统的 7：24 锥度产生扩张，刀具的定位精度和连接刚性下降，甚至发生连接部分的咬合现象；另一方面常用的刀片夹紧机构的可靠性下降，刀具整体不平衡的而影响加强，为了满足高速机床的加工要求，德国开发出 HSK 连接方式，对刀具进 行高等级平衡以及主轴自动平衡的系统技术。 HSK 连
22、接方式能够保证在高旋转的情况下具有很高的接触刚度，夹紧可靠且重复定位精度高。主轴自动平衡系统能把刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低 90%以上。 1.4.5 机床支撑技术 机床支撑技术主要指机床的支撑构件的设计及制造技术。高速机床设计的而关键是如何在降低运动部件惯量的同时，保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计，特别是应用有限元分析及优化设计理论，能获得质量轻、刚度高的机床床身、立柱和工作台结构。 采用封闭式床身设计，整体铸造床身，对称 床身结构 12并配有密布的加强筋，使机床在静态和动态方面获得更大限度的稳定性。 对精密高速机床，国内外有的采用聚合物混凝土来制造床
23、身和立柱，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有的采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高抗振性，均取得了很好的效果。 高速高效加工理论与技术 8 1.4.6 辅助单元技术 辅助单元技术包括快速工件装夹、安全装置、高效冷却润滑液过滤、切屑处理和工件清洁等技术。高速切削会产生大量的切屑，这需要高效的切屑处理和清除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且还是一种行之有效的清除切屑的方法， 但它会对环境造成严重污染。 防护装置必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区情况下的操作安全。 1.5 高速切削加工的应用 在工业发达的国家，高速切削加工技术已成为切削加工的
24、主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等领域，并已取得了巨大的经济效益。模具制造工业中，德国、日本、美国等大约有 30%50%的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（ EDM）电极、淬硬模具型腔、塑料和铝合金模型等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。 在航空与高速机车企业，飞机的骨架与 机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至到达 90%，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一 13。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。此外，高速切削加工
25、技术还应用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表等加工领域。 2 高速磨削加工 随着现代工业技术和高性能科技产品对机械零件的加工精度，表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求越来越高。在全世界范围内更加强了磨削理论基础和应用研究，新 的磨粒加工方法和先进磨粒加工技术、工具与装备不断涌现，将磨粒加工这一古老的加工工艺技术迅速推向新高度，并成为先进制造工艺与装备的重要组成部分。 高效率磨削加工技术主要包括：高速 /超高速磨削、缓进给深磨、高效深切磨削、强力磨削和强力珩磨、高速重负荷荒磨、砂带磨削、硬脆 /难加工材料高效率磨削、高效率研磨和抛光等 14。 高速高效加工理论与技术 9 2.
26、1 高速 /超高速磨削 机理 通常将砂轮线速度大于 45m/s 的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s 的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。 20 世纪 90 年 代以后，人们逐渐认识到高速和超高速磨削所带来的效益，开始重视发展高速和超高速磨削加工技术，并在实验和研究的基础上，使其得到了迅速的发展。 关于高速磨削机理的研究，研究者一般是用最大切屑（磨屑）厚度 maxd 来解释高速磨削中诸多磨削现象：在保持其他参数不变，仅增大磨削速度 sv 情况下，maxd 减小，每个磨削刃上的作用切削力减小， maxd 减小也能改善表面粗糙度 aR 和减缓切削力对
27、砂轮磨损的影响，另外，总磨削力随 sv 增大而减小；在保持 maxd 不变，即增大 sv 同时成比例地提高工件进给速度 wv ，每个磨削刃上的作用切削力及磨削力并没有改变，但随 wv 提高而成比例地提高材料磨除率。 2.2 高速 /超高速磨削加工技术的特点 15 （ 1）磨削效率高 ： 磨削时工件的进给速度应与砂轮线速度的 1.13 次方成正比。而超高速磨削时磨削速度 smVs /150 ，所以它必然和快速进给相联系，因而可以使磨削效率显著提高。实验表明，采用 CBN 砂轮进行超高速磨削，砂轮线速度由 sm/80 提高至 sm/300 时 ， 比 金 属 切 除 率 由 smmmm /50 3
28、 提 高 至smmmm /1000 3 。 （ 2）加工质量高 ：首先，加工精度高。采用 CBN 砂轮时，圆度误差仅 m1 。其次，大大降低磨削表面粗糙度。超高速磨削时磨屑厚度小，且磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快， 残留在工件表面上的应力减小，因而能明显降低磨削表面粗糙度。 最后，加工表面完整性好。 由于传入工件的磨削热比例远低于普通磨削，因而可以不发生磨削表面热损伤，并减小工件表面的残余应力，因而有利于获得良好的表面物理性能和机械性能。 （ 3）砂轮使用寿命长：超高速磨削时单个磨粒上所承受的磨削力大幅度减小，高速高效加工理论与技术 10 因而可以减小砂轮的磨损，提高砂轮的
29、使用寿命 。 （ 4）冷却液消耗减少：在高速磨削区，随着砂轮线速度和工件进给速度的提高，工件表面温度迅速降低 16，使冷却液的需求量减少，降低了冷却液的污染。 （ 5）应用范围扩大：实现了硬脆材料的延性域磨削和对高塑性和难磨材料获得良好的磨削效果。 2.3 高速 /超高速磨削加工关键技术 15-17 2.3.1 超高速磨削机 床 高速高效加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序。此外还要求机床有高动态精度、 高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。 磨床支承构件是
30、砂轮架、头架 、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝土来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的效果。进给系统是评价高速超高速磨床性能的重要指标之一，而随着高速超高速加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。如德国西门 子公司的直线电机最大进给速度可达200 sm/ ，其最大推力可达 6600N，最大位移距离为 504mm。 2.3.2 超高速 磨床 主轴 及其轴承 技术
31、高效率磨床主轴单元的性能在很大程度上决定了高效率磨削加工的极限，因而，为实现高效率磨削加工，对砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求主轴有足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等很重要的。主轴轴承可用陶瓷动轴承、磁浮轴承 、空气静压轴承或液体静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐温高、高高速高效加工理论与技术 11 温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达 200 sm/ ，
32、可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动 静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。 2.3.3 超高速磨削砂轮 超高速 磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。这种砂轮还应达到如下要求：磨粒突出高度大，能容纳大量长磨屑；磨粒的耐磨耗能力极高；动平衡精度极高；超高速回转时不会因周围强力气流的扰
33、动而发生振动；在巨大离心力和气流摩擦温升作用下变形小等。 超高速磨削砂轮基体的常用材料是合金钢。目前人们还在寻求弹性模量 /密度比更高、热膨胀系数更低的理想材料 ，如金属铍、高强度铝合金等。为了保证基体的强度要求，其轮廓设计必须考虑超高速回转时巨大离心力的作用，一般采用有限元方法进行分析和优化。砂轮回转时所承受的径向和切向的应力应尽可能相等，据此可找出最佳的基体轮廓。目前超高速砂轮的磨粒主要有 CBN 和人造金刚石，正在发展的有单层高温钎焊金刚石和钎焊 CBN 砂轮，以获得更大的磨粒结合强度、磨粒突出高度以及更为理想的锋利地貌。 2.3.4 磨削液及供液系统 超高速磨削冷却液通常采用水溶性透明
34、乳化液或水溶性透明乳化油的稀释液。其中乳化液的乳滴粒径要小得多，浸润效果更好，因而 使用效果也较好。超高速磨削时应采用高供液压力和大流量，以冲破超高速旋转砂轮周围存在的强力气流层。磨削液通过特殊喷嘴垂直地喷向砂轮外周面，喷嘴前方设有遮蔽导流板以切断气流层并将其引离砂轮表面。砂轮的另一侧还设有冲洗喷嘴，用于提供能穿透强力气流层的高压小流量液流，以冲洗砂轮表面的堵塞磨屑。磨削效率极高高速高效加工理论与技术 12 的超高速磨床一分钟会产生几公斤磨屑，目前所使用离心机或硅藻土过滤系统集中处理磨削液，以及时干净地将其中的大量磨屑过滤出来。 2.3.5 砂轮、工件安装定位及安全防护技术 高速及超高速磨削砂
35、轮动能大，必须设置高强度半 封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内最好敷设缓冲材料，以吸收或减少砂轮碎块的二次弹射 18。 2.4 高速 /超高速磨削加工的应用 2.4.1 高效深磨 19 对于 提高磨削生产率方面，最典型的应用是高效深磨技术。高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度、高进给速度和大切深 为一体的高效率磨削技术。高效深磨可以获得与普通磨削技术相近的表面粗糙度，同时使材料磨除率比普通磨削高得多。高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。高效深磨与普通磨削不同，可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的 粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属磨除率，表面质
36、量也可以达到普通磨削的水平。 高效深磨的磨削速度范围一般在 60250m/s 之间，采用陶瓷结合剂砂轮，以120m/s 的磨削速度，磨除率可达 5001000mm3/(mm s)，比普通磨削高 1001000倍，比车削和铣削高 520 倍。如果采用 CBN 砂轮，以 120m/s 的磨削速度磨削，则可过得更高的磨除率。 英国、德国 、美国、日本 在这方面都进行了比较深入的研究。 英国用盘形CBN 砂轮对低合金钢 51CrV4 进行了 146m/s 的高效深磨试验研究，材料去除率超过 400 mm3/(mm s)20。 Jin 等人还进行了高效深磨温度的研究 21。 德国的Guhring Aut
37、omation 公司是目前生产高速和超高速高效深磨机床的著名厂家。德国 Bremen 大学的超高速高效磨床磨削速度为 100180m/s。美国 Edgetrk Machine公司也生产高效深磨机床，可实现对淬硬钢的高效深磨，表面质量可与普通磨床媲美。日本的丰田工机、三菱重工等公司均能生产 CBN 超高速磨床，其中 GP-33型砂轮以 120m/s 的磨削速度，可实现对工件不同部位的自动磨削。 高速高效加工理论与技术 13 2.4.2 超高速精密 磨削 试验表明，提高砂轮速度可减小工件表面残留凸峰及塑性变形的程度，从而有助于减小磨削表面粗糙度。超高速精密磨削在日本应用最为广泛，可以说日本研究和使
38、用超高速的目的不是为了提高磨削效率，而是为追求磨削精度和表面质量。日本的丰田工机在 GZ0 型 CNC 超高速外圆磨床上装备了 其最新研制的Toyoda State Bearings 轴承，采用周速 200m/s 的薄片 CBN 砂轮对回转体零件沿其形状进行一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工。 超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级以下的切深 和洁净的加工环境来获得亚微米级以下的尺寸精度。使用微细磨料磨具是精密磨削的主要形式。用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒的平均粒径可小至 4 mmDm 300 硅片的集成制造系统采用单晶金刚石砂轮使延性磨削
39、和光整加工在同一个装置上进行，使硅片表面粗糙度达)65(1 nmRnmR ya 、平面度 0.2 mmDm 300/ 22。超精密研磨通常选用粒度只有几纳米的研磨微粉，达到极高表面质量。 2.4.3 难磨材料的超高速磨削 难磨材料 的磨削特性是：导热系数低，高温强度高、硬度高、韧性大、 切屑易粘附，加工硬化趋势强。超高速磨削的磨削厚度极小 ，当磨屑厚度接近最小磨屑厚度时，磨削区的被磨材料处于流动状态，所以使陶瓷、玻璃等硬脆性材料以塑性形式生成磨屑。难磨材料如钛合金、高温合金和淬硬钢、高强合金等采用超高速磨削工艺，都能获得良好的加工效果，所以超高速磨削是解决难磨材料加工的一种有效方法。 3 总结
40、 目前，对于 高速高效加工从涉及的基础理 论、设计技术、工艺基础到应用都产生了相关的研究成果。然而通过对 国内 和国 外研究现状 的 分析比较 可以发现，高速高效加工理论与技术 14 我国在很多 方面都还有待提高。首先， 工件材料在高速高效加工条件下的加工过程本质，研究开发高转速大功率主轴，高速进给速度和高加速度进给系统等功能部件和高速高效加工工具，实现高速高效机床结构的精确创新设计。 其次是 磨削工艺智能应用系统技术。将磨削工艺智能应用系统同多功能磨床、多轴联动加工技术等结合起来，针对高性能复杂曲面零件的多轴联动磨削加工技术的迫切需求，提供多轴联动磨削加工编程平台及加工编程数据库，开发出相应
41、的应用型软件系统。 最后 应重视与加强如高速切削磨削机理及工艺、多轴复合高效切削加工技术及其装备、难加工材料高效深磨技 术及有序化超硬微刃刀具及其加工机理等关键技术的研究。 高速高效加工理论与技术 15 参考文献 1 盛晓敏，邓朝晖 .先进制造技术 M. 北京：机械工业出版社， 2007. 2 左敦稳 . 现代加工技术 M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2005. 3 李长河，修世超，蔡光起 . 高速超高速磨削技术发展与关键技术 J. 精密制造与自动化， 2006， 168（ 4）： 16-21. 4 ASTAKHOV V P， SHVETS S. The assessment of pl
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