一、高速陶瓷砂轮
概要一直以来，磨削都在朝着"超精密、高效率"的方向发展。近年来，高速磨削一直是磨削领域的一个热点。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展很快，被誉为"现代磨削技术的最高峰".随着中国航空航天、汽车工业、风电工业，轴承工业的发展，各大厂商对磨削效率、精度以及加工成本提出了更高的要求。近年来，普通固结磨具产品的磨削速度在不断攀升，目前在一些蜗杆齿轮、内圆磨削等领域，63m/s的磨削速度已经逐渐被引入到批量生产，80m/s的更高磨削速度的固结产品也暂露头角，高速磨具产品将为这些领域的磨削带来新的革命。
有人问CBN能否短期内全部替代陶瓷砂轮，如果可以代替还有没有必要做高速的研究？可以说目前在曲轴、凸轮轴磨削，磨具产品正快速的从普通固结磨具向超硬磨具方向发展。但由于超硬磨具存在一些局限：
1）、超硬磨具对于机床的主轴转速和刚性有严格的要求，并非所有磨床都能转换
2）、CBN砂轮的冷却液不能用普通的冷却液
3）、CBN砂轮的修整需要特制的金刚滚轮来完成
4）、CBN砂轮价格昂贵等。
所以普通砂轮在当今的金属加工领域的位置仍然不可全部替代，因而对普通固结磨具产品的高速研究也一直吸引着业界的注意。
相反陶瓷砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺来获得大范围的气孔率，特殊结构拥有40%的气孔率。由于陶瓷结合剂砂轮的结构特点，使得修整后的容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况下可以不修锐。
二、高速磨削的研究进程及市场分析
高速磨削的历史较长，早在上个世纪四十年代，国外就开始试验高速磨削工艺，到五十年代初已将50m/s的高速磨削应用于生产。据文献介绍，1958年砂轮线速度已能达到60m/s.高速磨削从上世纪60年代以来得到较快的发展，各工业发达国家都积极采用高速磨削来提高磨削效率，美国诺顿砂轮制造公司60年代就制造出砂轮线速度超60m/s的高速砂轮，到70年代逐步提高到90m/s,80年代末已制造出最高线速度为120m/s的高速磨床。日本在上世纪60年代末首先在汽车和轴承行业采用高速磨床，到70年代中期已生产和应用线速度达80m/s的高速磨床。80年代以后，随着CBN砂轮的广泛应用，砂轮线速度更是达到150m/s.
目前，发达国家磨床砂轮的线速度普遍采用60m/s以上的高速，最高的甚至达到250m/s.谈到了高速磨削不得不提下高速磨床，目前德国的高速磨床发展迅速，该国的ELB、BLOHM公司等厂家均大力发展高速磨床，产品已比较成熟。德国阿亨大学对高速磨削有系统、深入的研究，最高的线速度达到500m/s的超高水平。总体说来，这些工业发达国家通用磨床上都普遍采用了60m/s的高速砂轮，并积极研究和推广线速度超高的高速磨削。中国的高速磨削起步不算太晚，上世纪70年代初已开始研制高速磨床，但成果较小。1974年磨床行业召开了一次全国高速磨削会议，会议决定在全国逐步推广高速磨床并由磨床生产厂联合设计高速磨床。 1976年，磨床行业有关厂家在杭州机床厂集中进行联合设计，设计出好几款产品，线速度达到60m/s.
此后，全国国民经济进入调整时期，高速平磨在10余年间停步不前。直到90年代，高速平磨的研发才进入新一轮的发展期。1992年，贵州遵义长征第八电器厂因需要加工一种高初磁导率玻莫合金（IJ 50）的材料，要求杭机提供一台高速磨床。于是，在MM7132A精密平磨的基础上为该单位改装了1台高速平磨，砂轮线速度达到60m/s以上，使用情况较好，获得了较好的经济效益。
2005年，高速磨床的生产逐步由改装的专机产品转为正规产品，定型号为MMS7132.
2002年左右曾设计并试验成功HZ-74/1和MKS7130两台超高速平磨，这两台机床是杭机与湖南大学合作的性质开发的，砂轮最高线速度前者为120m/s,后者更高达314m/s.湖南大学做超高速磨削的试验时，达到了比较理想的磨削效果。这是中国在超高速磨削领域取得的最好成绩，说明我们在此领域也是可以有所作为的。
2012年国家重大专项课题之一高速微晶陶瓷磨料蜗杆砂轮由郑州磨料磨具磨削研究所有限公司、白鸽磨料磨具有限公司、秦川机床工具集团股份公司联合研发。国内高速磨床的产量很少，应用不普及，但是市场需求在逐步提高。国内高速机床是在MM7132A精密平磨基础上改制，加大磨头电机的功率，采用变频装置提高转速。加厚了砂轮防护罩壳，并提高了工作台的往复速度（35m/min），加大了冷却液流量。砂轮选用高速砂轮。
但国外进口高速磨床却非常多，甚至出现了刮齿机。这部分配套砂轮全部依靠进口。高速齿轮磨床进口已超过300多台。进口磨床厂家市场见到的有：瑞士莱斯豪尔公司（Reishauer）、瑞士Reishauer、公司瑞士Oerlilion-Maag公司、意大利Samputensili公司、德国Kapp公司、日本唐津公司、德国Niles公司；进口砂轮厂家不断增加，高端砂轮生产厂家无一例外进入中国市场，并新建了多家工厂。国内秦川机床厂、重庆机床厂、上海机床厂等正在加紧研发和推广高速磨床。
国内高端、高速砂轮需求量急剧上升，且大量依靠进口或外资公司生产。
三、磨削的分类分类方法很多，但是本次主要研究的是高速磨削，所以根据砂轮线速度磨削可以分为：普通磨削（V≤45米/秒）；高速磨削（45米/秒≤V≤150米/秒）；超高速磨削（V≥150米/秒）。
四、高速陶瓷砂轮优势分析
1）、可以提高生产效率1-3倍；
可以大大提高磨削效率。由于高速磨削的切屑厚度减小，切削力降低，如果保持与普通磨削同样的切屑厚度和切削力，则可极大地提高机床的进给量，从而提高磨削效率。据有关数据统计，磨削效率一般可以提高1~3倍。
2）、工件的表面粗糙度参数值降低30-50%;
提高加工工件的表面质量：由于磨粒的切屑厚度减小，磨粒留在工件表面上的切痕深度减小，从而提高了工件表面的光洁度（降低了表面的粗糙度），一般可以提高1~3级。此外，切削力的降低有利于提高工件的尺寸精度。
3）、砂轮的寿命提高1倍左右；
提高砂轮的耐用度。理论上由于切屑厚度减小，导致切削力大幅度降低，磨粒承受的负荷减小，因此，提高了磨粒的切削能力，也就提高了砂轮的耐用度。一般，砂轮寿命可以提高1倍左右。
4）、磨削力下降40%左右，加工的精度相应也提高。
进行高速磨削的必要性材料去除率即Q'w反映的是砂轮的磨削效率，Q'w = π*Dw*Vp [mm3/s/mm]其中：Dw [mm]-工件直径， Vp [mm/s]-磨削进给速度材料去除率与砂轮的磨削进给速度成正比，即通过加大进给速度来提高磨削效率。但是，加大进给速度会导致切屑厚度增大、粗糙度变差、磨削负载和磨削温度上升，以及工件变形等不良后果。
磨屑厚度与砂轮的线速度成反比，与进给速度（切深）成正比。提高砂轮的磨削线速度，单位时间内参与磨削的磨粒数量显着增加，磨屑厚度变小，由此产生的磨削力也必将大大降低，工件变形减少，精度提高，工件的表面粗糙度得到改善。由此可见，进行超高速磨削，可以：
a）大幅度提高磨削效率，减少设备数量；
b）减少工件变形，提高零件加工精度；
c）改善加工工件表面质量；d）砂轮的使用寿命延长。
五、使用高速砂轮磨削的关键技术
主要的关键是在磨床技术方面的突破，要求必须有更高的磨头转速、更大的电机功率、更高的磨床刚性、更强的磨削冷却系统、更好的轴承冷却方案、更高的砂轮强度（核心问题）、是否有砂轮安装自动找平衡系统（对砂轮精度提出更高要求，如果达不到会自动防抱死）等。
高速主轴1）、高速磨削由于回转速度极高，要求砂轮主轴及1主轴电机系统运行极其精确，回转精度高；2）、无论是工件夹持系统还是砂轮主轴系统，整个磨削系统都需要很好的刚性；3）、高速磨削时，砂轮启动、加速、减速、停止等速度的改变对电机主轴影响巨大，因此，主轴需要足够大功率和扭矩。冷却系统高速磨削会产生很高的磨削热，工件的表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削产生的热量影响。因此冷却液的流量需要足够大，同时流速尽可能与砂轮的速度和方向保持一致，以保证充分的冷却；冷却系统同时还需要很高的压力，通常需要配置高压冲洗喷嘴，以防止砂轮表面被切屑堵塞，造成砂轮负载过大。
六、制作高速固结磨具的关键技术
高速固结磨具要考虑砂轮的回转速度和爆裂速度，以及适合高速磨削的陶瓷结合剂系统，该结合剂系统必须能够提供优异的散热性和必要的形状保持性。砂轮回转速度和爆裂速度a）最高工作速度Vmax（MOS）：由生产厂商提供，并约定使用方在使用砂轮时不能超过最高工作速度。b）最高回转速度Vpr:砂轮出厂之前，以高于砂轮的最高工作速度进行回转测试，确保砂轮在回转速度下不会爆裂。（Vpr = 1.3*Vmax）c）爆裂速度Vbr:砂轮的极限速度。（Vbr = 1.73*Vmax）。
适合高速磨削的陶瓷结合剂可以保证砂轮的优势。磨削过程中需要砂轮提供优异的散热性，从而有效提高工件表面质量更有效地降低烧伤更有效地降低残余应力拥有更高的磨削效率更有效地提高冷却液的流动性，从而达到散热和减少砂轮表面堵塞的目的更有效地提高去除金属屑的能力磨削过程中砂轮需要具有很高的形状保持能力更有效地提高尺寸精度更有效地提高砂轮寿命更有效地提高生产力更有效地降低砂轮的修整频率更有效地降低磨削周期制约高速磨削最关键的应该是砂轮的强度。砂轮的强度决定了磨削速度，这对砂轮技术提出了很大的挑战。
七、制作高速砂轮的研发途径
1）。磨料处理。可以对磨料表面进行处理，以提高与结合剂的联接强度，同时必须提高磨料表面洁净度。磨料形状的改变。 新型磨料的推广和使用。
2）。结合剂。这是开发高速砂轮核心中的核心。具体包括提高结合剂的粘结强度，提高结合剂的包覆性。结合剂除了传统的粘土、长石、硼玻璃外，增加了多种陶瓷材料。 新材料的利用，特别是陶瓷行业的新材料，跨界嫁接实践证明Li2O、CaO、等都对结合剂强度有提高作用，但其制备的砂轮易变形，工艺不稳定。在常用的粘土一钾长石一硼玻璃系统中引入钠长石，当钾长石/钠长石达到适当比例时，所制备的结合剂生产的陶瓷砂轮强度出现最高值，且与陶瓷磨具现行工艺相匹配，工艺稳定，有望成为改进陶瓷结合剂的一种新途径
3）。结构设计。不同产品采取不同的结构设计方式。1）、设计内厚外薄的砂轮（超高速砂轮）；（2）、采用高强度的内圈材料在国外已经采用这种设计制造普通磨具；（3）、加强内圈的砂轮设计，这点在重负荷砂轮设计上尤为突出，砂轮内部和外部配方不一样，内部和外部在磨削时起着不同的作用可有效提高砂轮磨削性能，但同样对陶瓷砂轮有重大借鉴意义。
4）。砂轮工艺技术的变革。高速砂轮平衡问题： 砂轮的不平衡主要是由砂轮的制造和安装不准确，使砂轮重心与回转轴不重合而引起的。不平衡造成的危害主要表现在两个方面，一方面在砂轮高速旋转时，引起振动，易造成工件表面产生多角形振痕；另一方面，不平衡加速了主轴的振动和轴承的磨损，严重时会造成砂轮的破裂，甚至造成事故。因此，要求直径大于或等于200mm的砂轮装上卡盘后应先进行静平衡，砂轮在经过整形修整后或在工作中发现不平衡时，应重复进行静平衡。双立磨具目前的工艺技术可以让平衡严于国标80% .5）。跨行业嫁接。陶瓷行业材料和工艺等。陶瓷行业造粒成型、低温快烧、毛胚增强剂等都有很大的借鉴意义。
发表于 2015-11-20 12:00:03
