什么叫磨削效率？
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一、精密磨削和超精密磨削
隨著技術(shù)創(chuàng)新與高科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，零件的加工精度和表面完整性要求愈來愈高。例如，廣泛用于液壓隨動系統(tǒng)中精密偶件的閥芯與閥套的配合精度常要求達(dá)到μm級，錄像頭、影碟機(jī)等精密零件的加工精度已提高到0.1μm，激光陀螺平面反射鏡的平面 度誤差要求小于0.05μm、Ra＜0.001μm。目前作為傳統(tǒng)精密加工方法的磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和拋光等方向發(fā)展。精密和超精密磨削的關(guān)鍵是最后一道工序，要從工件表面降去一層小于或等于工件最后精度等級的表面層。因此，要實現(xiàn)精密或超精密磨削，首先要減少磨粒單刃切除量，而使用微細(xì)或超微細(xì)微粉的磨粒是減少單刃切除量的最有效途徑。日本鏡面磨削時使用的磨具粒度為4000~8000#，其微粉的平均尺寸為1.5μm~4μm，加工后工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.003μm~0.005μm。使用粒徑為20nm的SiO2超微細(xì)微粉及錫拋光盤對藍(lán)寶石單晶進(jìn)行無損超精密研磨的拋光，可獲得Ra＜1nm的表面。目前精密量塊、光學(xué)平晶、集成電路的硅基片等精密零件都是采用上述方法來獲得高質(zhì)量的表面。為使研磨壓力均勻可控，近幾年來還開發(fā)了磁力研磨，磁流體超精研磨及彈性發(fā)射加工（EEM）等新技術(shù)。
實現(xiàn)超精密磨削是一項系統(tǒng)工程，包括研制高速高精度的磨床主軸、導(dǎo)軌與微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，精密的磨具及其平衡與修整技術(shù)，以及磨削環(huán)境的凈化與冷卻方式等。我國鄭州磨產(chǎn)磨具磨削研究所開發(fā)的噴涂陶瓷精密磨削工藝，其尺寸精度和加工表面粗糙度均與國外水平相當(dāng)，磨削效率高于國外一倍左右。該工藝在張家口石油機(jī)械廠、武漢青山熱電廠等單位使用后，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
二、開發(fā)了SG和ABN800等磨料新品種
SG磨料是美國Norton公司首先推出的。它是由亞微米級的Al2O3晶體，采用溶膠凝膠（Sol-gel）工藝合成并經(jīng)燒結(jié)制成的新型陶瓷剛玉磨料。與普通電熔剛玉磨料相比，不但硬度高，而且因磨粒是微晶結(jié)構(gòu)，它有很多晶解面，在外力作用下或在修銳和修整中僅微晶脫落，不斷產(chǎn)生鋒利的切削刃，自銳性好，且剝落較少，用其制作的磨具具有耐磨性好、磨削熱少，使用壽命長、磨削比（磨除材料體積與磨具消耗體積之比）大、切除率高和磨削質(zhì)量好等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛用于航空航天、汽車、軸承、工模具、儀器儀表等領(lǐng)域的精磨與成形磨削等方面的加工。目前常用的是SG與WA（白剛玉）或A（棕剛玉）的混合磨料，其中SG所占比例有100%、50%、30%、20%、10%等多種，分別用SG、SG5、SG3、SG2、SG1來表示。國外一些性能優(yōu)異的磨具制品，如德國Hermes磨料公司的CB寶石藍(lán)砂輪、奧地利Tyrolit公司開發(fā)的CSS砂輪、美國Cincinnati Milacron公司生產(chǎn)的MSB砂輪、日本Noritake株式會社推出的新型CX陶瓷砂輪，都是類似SG磨料的微晶燒結(jié)剛玉的產(chǎn)品。
在激烈的市場競爭中，近年來美國Norton公司又推出了SG磨料的第二代產(chǎn)品——TG（Targa）磨料。它保留了SG的優(yōu)點，在磨料形狀上作了新的突破，很有細(xì)的棒狀晶態(tài)結(jié)構(gòu)，適用于緩進(jìn)給磨削及加工鉻鎳鐵合金、高溫合金等難加工材料。據(jù)稱，TG磨料的材料切除率為剛玉的2倍，壽命為剛玉的7倍。
SG磨料的磨削性能介于剛玉與CBN（立方氮化硼）之間，價格適中，是一種很有應(yīng)用前景的磨料新品種。新型SG磨料我國亦已開發(fā)成功，第七砂輪集團(tuán)公司已在進(jìn)行該磨料的工業(yè)性應(yīng)用。
ABN800和ABN600是De Beers公司開發(fā)的CBN磨料新品種。其磨粒均是微晶結(jié)構(gòu)，具有較高的抗壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。其中ABN800有更獨特的晶體特性，磨料在受力破碎時無論大小都具有尖角，使其在使用過程中能始終保持鋒利的磨削性能，因而磨削時產(chǎn)生的磨削力小，功率消耗少，加工質(zhì)量好，使用壽命長。近幾年來在國際展覽會上，國外展出的一些CBN磨具大多是ABN800和ABN600的微晶CBN磨料制品。
三、高效率磨削
高簡編和高精度是現(xiàn)代制造技術(shù)追求的兩大目標(biāo)。大家知道，磨削雖然在達(dá)到的加工精度和表面粗糙度方面具有無可比擬的優(yōu)勢，但其材料切除率Q（單位時產(chǎn)內(nèi)磨除材料的體積，mm3/s）難以與其他切削抗衡。這是因為Q等于磨屑平均斷面積、磨屑平均長度和單位時間內(nèi)的作用磨粒數(shù)（磨屑數(shù)）三者的乘積。所以，為了提高磨削效率，必須采用增大單位時間內(nèi)作用的磨粒數(shù)（如高速磨削、超高速磨削、砂帶磨削等）、增大磨屑平均斷面積（如各種重磨削）及增大磨屑平均長度（如緩進(jìn)給深磨、立軸平磨）等許多高效率磨削技術(shù)。其中重負(fù)荷荒磨、超高速磨削、砂帶磨削和高效深磨技術(shù)的發(fā)展尤為引人注目。
重磨削的發(fā)展，使磨削不僅適用于精密加工和超精密加工，而且也適用于粗加工與荒加工。
高速磨削是指磨削速度vc為50m/s~150m/s的磨削，而vc＞150m/s的磨削稱為超高速磨削。近年來研究表明，超高速磨削不但可大幅度提高工效、延長磨具壽命用降低表面粗糙度，而且可對硬脆材料實現(xiàn)延性磨削，對高塑性材料和難磨材料也有良好的磨削效果。過去由于受磨具回轉(zhuǎn)破裂速度的限制，以及磨削溫度高和工件表面燒傷的制約，磨削速度長期停滯在80m/s左右。隨著CBN磨料的使用和高速磨削機(jī)理研究的深入，現(xiàn)在工業(yè)上實用的磨削速度已達(dá)到了150m/s~250m/s，實驗室中達(dá)到500m/s。超高速磨削需要有超高速磨削磨具、超高速磨床、磨削液及其供液過濾系統(tǒng)以及對磨削過程監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)作支撐。在IMTS98，Toyota Machinery USA展出的高速磨床，磨50HRC淬硬鋼的傳動軸，砂輪線速度達(dá)120m/s；展出的凸輪磨床，砂輪線速度為200m/s。我國在國家自然科學(xué)基金資助下，已建造了200m/s的超高速磨削試驗臺，并開展了對超高速磨削機(jī)理的系統(tǒng)研究。
砂帶磨削的加工效率比普通磨削高5~10倍以上。由于它屬于彈性磨削，有利于解決磨削燒傷和工作變形等問題。所以，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的砂帶磨削已占總磨削量的一半左右。近幾年來國外的砂帶已用Cubitron（美國3M公司）和SG磨料取代普通剛玉磨料，同時由于采用新基體、新結(jié)合劑而使砂帶壽命延長。
緩進(jìn)給深磨是一種大切深和緩進(jìn)給的高效磨削技術(shù)，它不但工效高，而且磨削精度高和加工表面質(zhì)量好。特別是近幾年來出現(xiàn)的一種集超高速（150m/s~250m/s）、大切深（0.1mm~30mm）、快進(jìn)給（0.5m/min~10m/min）于一體的高效深磨HEDG（High Efficiency Deep Grinding）新技術(shù)，它結(jié)合CBN砂輪與CNC技術(shù)，可使單位寬度砂輪上的材料磨除率高達(dá)2000mm3/mm·s~3000mm3/mm·s。用此法磨削成形表面和溝槽零件（如轉(zhuǎn)子槽、鉆頭上螺旋槽）時，可獲得遠(yuǎn)高于切削加工的材料切除率。我國東北大學(xué)已制造出了大功率超高效深磨磨床，砂輪電動機(jī)功率為55kW，磨削速度為250m/s。
四、超硬磨料磨削技術(shù)的新發(fā)展
由金剛石或CBN磨料制作的磨具稱為超硬磨料磨具。由于其優(yōu)良的磨削性能，現(xiàn)已廣泛用于磨削技術(shù)各個方面，并成為超精密磨削、高效率磨削、難加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自動化和無人化等技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)。
金剛石和CBN磨料由于它們在加工材料適應(yīng)方面的互補性，使由它們所構(gòu)成的磨具可加工范圍大為擴(kuò)展，覆蓋了包括各種高硬、高脆、高強(qiáng)韌性材料的幾乎全部被加工材料。
金剛石磨具是磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、陶瓷和形容詞石等硬脆材料的最佳磨具，但因其在700℃~800℃時容易碳化，所以它不適于磨削鋼鐵材料及超高速磨削。CBN磨料的出現(xiàn)導(dǎo)致磨削技術(shù)的革命，它能承受1300℃~1400℃的高溫，對鐵族元素化學(xué)惰性大，導(dǎo)熱性好，磨鋼料時的切除率高，磨削比大，磨具壽命長，是磨削淬硬鋼、高速鋼、高強(qiáng)度鋼、不銹鋼和耐熱合金等高硬度韌性大的金屬的最佳磨料。此外，CBN磨具還適用于超高速磨削，金屬基體CBN磨具線速度超過250m/s也會不破碎。
CBN磨具的廣泛使用主要是近幾年各種高效高性能CNC磨床問世，以及磨具制造技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)出了性能優(yōu)異的單層電鍍和高溫釬焊等新磨具，促使了磨削技術(shù)的發(fā)展，其中尤以高效點磨削新工藝更受人們的青睞。
點磨削（Quickpoint Grinding）是由德國Junker公司首先推出的。它是利用釬焊CBN薄砂輪（寬度只有幾mm）和超高砂輪線速度（120m/s~180m/s，高的可達(dá)200m/s~250m/s）來實現(xiàn)的。加工時使砂輪軸線與工件軸線在水平方向上形成一定傾斜角，以使砂輪與工件之間理論上的線接觸變成點接觸。這樣可大大減少磨削接觸區(qū)面積，而極高的磨削速度既可使磨屑變薄、磨粒負(fù)荷減輕，又可使熱量來不及傳到工件和砂輪上，幾乎都被磨屑所帶走，提高工件加工精度和表面質(zhì)量。使用表明，點磨削的磨削比大，砂輪壽命長，修整頻率低，材料切除率高，同時由于它采用和NC車床一樣的兩坐標(biāo)聯(lián)動來實現(xiàn)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的表面磨削，一次安裝能加工出外圓、錐面、曲面、螺紋、臺肩和溝槽等所有外形，比切入磨削有更大柔性，同時冷卻效果極佳，磨削溫度低，甚至可以真正實現(xiàn)干磨削，目前該工藝已在我國上海大眾汽車有限公司桑塔納轎車生產(chǎn)線上使用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
五、磨削技術(shù)發(fā)展方向
磨削當(dāng)前除向超精密、高效率和超硬磨料方向發(fā)展外，自動化也是磨削技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。目前磨削自動化在CNC技術(shù)日趨成熟和普及基礎(chǔ)上，正在進(jìn)一步向數(shù)控化和智能化方向發(fā)展，許多專用磨削NC軟件和系統(tǒng)已經(jīng)商品化。磨削是一個復(fù)雜的多變量影響過程，對其信息的智能化處理和決策，是實現(xiàn)柔性自動化和最優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。目前磨削中人工智能的主要應(yīng)用包括磨削過程建模、磨具和磨削參數(shù)合理選擇、磨削過程監(jiān)測預(yù)報和控制、自適應(yīng)控制優(yōu)化、智能化工藝設(shè)計和智能工藝庫等方面。近幾年來，磨削過程建模、模擬和仿真技術(shù)有很大發(fā)展，并已達(dá)到實用水平。
我國在磨削過程建模與模擬，聲發(fā)射過程監(jiān)測與識別，工件表面燒傷及殘余應(yīng)力預(yù)報，磨削加工誤差在線檢測、評價與補償?shù)确矫娑加性S多成果，并已開發(fā)出了新型并聯(lián)磨削機(jī)器人。
我國人造磨料生產(chǎn)雖然起步較晚，但發(fā)展很快，在世界上已有相當(dāng)?shù)姆蓊~。
必須指出，近幾年來國外磨削技術(shù)發(fā)展迅速，例如對硬脆材料磨削機(jī)理及工藝的研究，利用干磨削熱量同時進(jìn)行工件熱處理，以及不使用磨削液的無污染磨削等方面，我國均有一定差距。為此，我們一方面要積極開展引進(jìn)國外先進(jìn)磨削技術(shù)的研究工作；同時在國內(nèi)應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)，系統(tǒng)地開展和推廣各種先進(jìn)與實用的磨削技術(shù)。只有這樣，才能使我國的磨削技盡快趕上國外先進(jìn)水平，并能做到有所發(fā)展與創(chuàng)新。 |
