钛合金超高速磨削技术

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近年来，钛合金材料以其优良的物理及机械性能，在航空航天、航海、国防、石油、化工等行业得到了广泛的应用。钛制机械设备和零件的种类也日益增多，人们对其加工精度以及加工效率的要求也愈来愈高。由于钛

合金材料本身具有粘、韧、化学活性高等特点，在磨削加工中非常容易产生以下几个方面的问题：

①磨削比小，易堵塞和粘附砂轮，加速砂轮的磨损；

②磨削温度高，磨削表面易产生烧伤和裂纹，表面品质难以控制；

③磨削加工性差，加工成本高，生产效率低。

超高速磨削技术的发展，为解决上述问题提供了一条有效途径。随着砂轮线速度和进给速度的大幅提高，单位时间内通过磨削区域的磨粒数增加，最大未变形切削厚度减小，单颗磨粒负荷减小，因此，可降低磨削过程中的磨削力和磨削温度，提高砂轮使用寿命，实现对难加工材料的磨削。高速磨削是相对于以前的普通磨削而言，凡砂轮线速度Vs>45m/s的磨削都可称为高速磨削。早在20世纪60年代，Vs已提高至60m/s，70年代又提高到80m/s，但其后十来年由於受到当时砂轮回转破裂速度的制约和工件烧伤问题的困扰，砂轮线速度没有大的提高。直到80年代后期，随着立方氮化硼(CBN)砂轮的广泛应用，并对磨削机理进行了更深入的研究，发现在高磨除率条件下，随着砂轮线速度Vs的增大，磨削力在

Vs=100m/s前后的某个区间出现陡降，这一趋势随着材料磨除率的进一步增大还将继续，工件表面粗糙度和表面硬度也随之出现回落。这也就是说，在越过产生热损伤的磨削用量区之后，磨削用量的进一步增大，不仅不会使热损伤加剧，反而使热损伤不再发生，从而为发展超高速磨削和高效深磨奠定了理论基础。如图1及图2所示，表面粗糙度在砂轮线速度约220m/s时达到最佳临界点，而表面硬度在180m/s时，达到最佳状态。

1 超高速磨削加工原理

超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。目前，工业生产中广泛采用以CBN，即立方氮化硼为原料，分别用金属粉、树脂粉、陶瓷和电镀金属作结合剂，制成各

种形状的制品，用于磨削、抛光、研磨等功用，使用最高速度可达200m/s以上。CBN磨具结构一般由工作层、基体和过渡层三部分组成。工作层又称CBN层，由磨料、结合剂和填料组成，是磨具的工作部分。过渡层又称非CBN层，由结合剂、金属粉和填料组成，是将CBN层牢固地连接在基体上的部分。基体是由铝、钢或电木加工而成，起支承工作层和装卡磨具的作用。CBN砂轮，如图3所示，具有以下几个优点：

(1) 高硬度、高韧性立方氮化硼（CBN）是人工合成的硬度仅次于金刚石 的超硬材料，远远高于普通刚玉与碳化硅磨料，因而具有更佳的切削能力。

(2) 耐高温、热稳定性好。立方氮化硼可以承受1250～1350˚C的高温， 比金刚石的耐热性800˚C还要高；在研磨和切削铁质材料时，不会出     现粘屑现象，在磨削淬火钢、高钒高速钢、铝高速钢等对磨削温度     较为敏感的金属材料是最理想的砂轮。

(3) 化学惰性强。立方氮化硼不易和铁族元素产生化学反应，所以对于 各种高速钢、工具钢、模具钢、高合金淬硬钢、铬钢、镍合金、粉     末冶金钢和高温合金等温度高、硬度高、热传导率低的材料的磨削     非常适宜。

(4) 导热性好。CBN热导率可达刚玉砂轮的几十倍到百倍，因而能将磨削 热迅速导出，减少工件热变形。对热传导率低的材料磨削非常适宜。

(5) 磨削性能好、加工表面质量好。由于立方氮化硼磨具能够长期保持 磨粒微刃的锋利性，会使工件加工精度和表面粗糙度值都达到较为理想的效果，因此可使工件的耐用度提高10%～30%。所以即使批量 加工的工件，也会始终获得较高的形状、精度及一致性。CBN砂轮磨削能获得高的尺寸精度和低的表面粗糙度，加工表面不易产生裂纹和烧伤，残余应力小。加工表面质量得到提高，一般无裂纹，不易烧伤，并可获得残余压应力，显著提高工件疲劳强度，通常，被磨工件的耐用度能提高30%～50%。件的耐用度能提高30%～50%。

(6) 耐磨性强、寿命长。CBN砂轮磨削比可达3500～5500，比普通刚玉砂轮高百倍，比金刚石砂轮高3～5倍。

(7) 环保无污染、节能降耗。无太多的粉末灰尘。

(8) 工作效率高、综合经济效益好。磨削锋利、磨削力小、CBN砂轮修整周期长、修整量较少、更换时间长；使用周期长，磨削比高，可获得较佳的经济性，使用中形状保持性好，无需经常更换砂轮和修整砂轮，节约工时，改善劳动条件，有利于加工操作。

普通的磨削是靠磨粒切削韧对材料的剪切作用而达到去除材料的目的，而正是基于上述的优点，超高速磨削是靠磨粒对工件材料的高速冲击，在磨粒前下方形成一椭圆形的高温高压流动体，该流动体内的流动物质在磨粒的高速挤压下从磨粒的前端溢出来并随磨粒的运动而被带出磨削区，形成磨屑。因此，对加工以钛合金为代表的高粘度、高韧性的工件，都能获得良好的加工效果，所以超高速磨削是解决难加工材料的一种有效方法。

2 超高速磨削加工设备

2.1 加工设备

上海机床厂生产的MGKS1332/H超高速精密外圆磨床，如图4及图5所示，其最大磨削直径为Ø320mm。最大磨削长度为1 000mm。砂轮最高线速度可达150m/s，工件的磨削尺寸精度可达0.005 mm，圆度为0.001 mm，表面粗糙度为Ra 0.2μm。提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，因而，为实现高速切削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度、回转精度高、热稳定性好、可靠、功耗低、寿命长等。为减少由于切削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行精确，且振动极小。

直线电机取消了中间传动环节，实现了零传动。进给速度可达60～200m/min以上，加速度可达10～100m/s2以上，定位精度高达0.5～0.05μm，甚至更高，并且推力大、刚度高、动态响应快、行程长度不受限制。主要问题是发热较严重，对其磁场周围的灰尘和切屑有吸附作用，价格较高。

超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。如图6及图7所示，目前该机床采用的是陶瓷滚动轴承。陶瓷滚动轴承采用性能优越的热压Si3N4陶瓷球和钢套圈，润滑多用油气润滑，具有dmn值高（≥2.7×106），标准化程度高，便于维护的优点。用其组装的超高速主轴能兼有速度高、刚度和功率大、寿命长等优点。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。其安装方式是定位端四个轴承面对面安装，后侧定位端两个轴承面对面安装。此种安装方式对轴承承载有较大的好处，可以承受较大的径向力。

对砂轮主轴进行有限元分析，结果如图8所示，从中可以得到，在砂轮转速达到7 200r/min，径向承载达到250N时，主轴的最大热膨胀量为31μm。正弦瞬态载荷在轴向拉力达到250N时，法向最大振幅为0.31μm，如图9所示。可以说，这样的状态可以满足对工件加工精度的要求。

2.2 辅助机构

2.2.1 砂轮动平衡装置

超高速回转的砂轮动不平衡引起的振动会严重影响主轴系统的工作性能和磨削质量。除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外，还应当在磨削过程中实施在线自动平衡。如图10所示，砂轮自动平衡系统

一般由电子传感及控制系统和平衡头组成。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式、气体式及机械式三种。其工作目的是为了防止精密机械加工时砂轮的震动造成的偏差。在校正过程中，它会随时监测目前磨床的振动状态，并告知平衡块调整角度，从而达到对砂轮进行平衡的作用。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上的重要组成部分。美国、日本和德国等工业国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。

2.2.2 砂轮修整装置

超硬磨料砂轮的修整特别是在线修整迄今仍是研究的热点。电解修整(ELlD)法适合金属结合剂超硬磨料砂轮的在线修整，激光修整法不仅便于修整树脂或金属结合剂超硬磨料砂轮，而且热影响区小、砂轮修整损耗小和易于实现自动化，修整效率也高，有很好的发展前景。

目前对CBN 砂轮的修整广泛采用接触在线修整法，借助传感系统控制砂轮和修整工具(一般为修整滚轮)的接触，然后通过进给系统进行微米级进给，得到理想的砂轮形貌，从而保证了精密及超精密加工的要求。而这台磨床采用金刚滚轮并加之再为修整的方法。一般CBN砂轮的硬度极高，普通的金刚笔和金刚刀片无法将其修整锋利，这样就影响到磨削的表面质量。如果采用金刚滚轮，用反向旋转的成型方法进行修整，效果就会好得多，但是要严格控制金刚滚轮和砂轮之间的转速。一般将该速度控制在1.1:1，即金刚滚轮的转速是CBN砂轮转速的1.1倍。再加上砂轮在位修整和在线修锐的平台，图11可以更加完好地修锐砂轮。这种方法的好处是，可以实时监控砂轮的不平衡量，一方面通过动平衡仪来补偿，另一方面可以实时在线修整，起到双保险的作用。

2.2.3 磨削液供给系统

超高速磨削中，由于砂轮极高转速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，使接触区高温得不到有效的抑制，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面完整性和机械物理性能。因此，磨削液供给系统对提高和改善工件质量、减少砂轮磨损至关重要。如图12所示，除了主喷嘴外，在砂轮的对应方向还加装清洗用的高压喷嘴。该装置的目的就防止钛合金等难加工材料的废屑镶嵌在砂轮中，且两喷嘴的横截面都为网状排布的大小相同的喷射口，对压力的调整有着重要的意义。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率吸排风单元。

2.2.4 超高速磨削进给系统

目前数控机床进给系统主要采用滚珠丝杠传动。随着高速超高速加工技术的发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、摩擦磨损和刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。

2.2.5 砂轮安全防护机构

超高速磨削砂轮动能很大，必须设置高强度半封闭的砂轮防护罩，罩内最好设置缓冲材料，以起到吸收或减少砂轮碎块的二次弹射作用。

3 超高速磨削状态分析

超高速磨削加工中，对砂轮破碎及磨损状态的监测非常重要，砂轮与工件和修整轮的对刀精度直接影响尺寸精度和修整质量。因此，在线智能监测是保证超高速磨削加工质量和生产率的重要因素。利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、接合剂破裂、磨粒与工件摩擦、砂轮破碎和磨损、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别和监测，已取很好效果。此外，工件精度和加工表面质量的在线监控技术也是高效率磨削的关键技术。

通过磨削指示仪（图13所示）等在线监控设备对加工过程进行实时监控，并以钛合金等为对象，开展了典型难加工材料的机械物理性能测定及其高速磨削特性基础和仿真研究。基于非接触式同轴共焦激光测位

仪的砂轮磨损量(回缩量)、回转精度及砂轮工作面地貌特征的在位测量能更好地监控砂轮在磨削过程中的实时状态以及调整到最为合适的磨削速度（图14）。

整个加工过程中发现，钛合金在加工过程中，表面会产生振纹与烧伤的情况。经过不断提速的试验之后，产生了如下的正交报告，如图15所示。砂轮线速度在120m/s时，工件的温度达到第一个峰值即1 500˚C左右。

当砂轮的线速度继续上升，在达到180m/s时，却使钛合金的表面温度陡降，仅在600˚C左右。如果继续提高线速度，工件表面温度则会继续上升至1 500˚C左右，然后达到较平稳的温度值。但是这个温度会灼伤钛合金的工件表面。这时，如果以提高钛合金的表面质量为目的，那么砂轮线速度控制在180m/s时，对工件的加工效果更为理想。最后，砂轮线速度定为180m/s。经过对工件的测量，尺寸精度稳定在0.005mm，圆度可以严格控制在0.001mm，表面粗糙度为Ra0.2 μm（见图15）。

4 超高速磨削的应用

对于提高磨削生产率方面，典型的应用是高效深磨技术。高效深磨技术是近年发展起来的一种集砂轮高速度、高进给速度（0.5～10m/min）和大切深（0.1～30mm）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。与普通磨削不同之处在于，它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，或者远高于普通磨削加工的金属磨除率，表面质量也可达到普通磨削的水平。高效深磨的磨削速度范围一般在60～250m/s之间。采用CBN砂轮，以180m/s或者更高的速度，加工以钛合金为代表的难加工材料，磨除率可到500～1 000mm3，比普通磨削高100～1 000倍，比车削和铣削高5～20倍。

5 结 语

超高速磨削是先进制造的前沿技术，在获得高效率、高精度的同时，又能对各种材料和形状进行高表面完整性和低成本加工，因此也正为工业国家所重视，并已开始进入实用化阶段。随着超硬磨料磨具的应用和发展，高速大功率精密机床及数控系统、新型磨削液和砂轮修整以及磨削自动化和智能化等技术的发展，使超高速磨削和高效率磨削技术在机械制造领域具有更加重要的地位。超高速磨削的实验研究需要耗费大量人力物力因而随着计算机技术的发展，利用计算机进行磨削过程的仿真是一个重要的研究课题。CIRP磨削科技委员会已把“虚拟实验室”作为一个重要的合作项目，虚拟磨床可以建立一个逼真的虚拟磨削环境，可用于评估、预测磨削加工过程和产品质量以及培训等，利用计算机仿真可模拟磨削过程，对磨削区温度场、磨削力变化等进行仿真，分析预测不同条件下磨削精度和磨削表面质量。

磨削过程是一个多变量的复杂过程，随着人工智能技术和传感器技术的发展，智能磨削也成为一个重要的研究方向。智能加工的基本目的就是要解决加工过程中众多的不确定性的，要有人干预才能解决的问题。由计算机取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动，实现加工过程中的决策、监测与控制的自动化，其中关键是决策自动化。我国应在现有条件下，大力加强各种新型超高速磨削技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平具有十分重要的历史意义。