高速磨削难加工材料的研究进展

超高速磨削砂轮的发展及关键技术超高速磨削通常指砂轮速度大于150m/s的磨削。

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”。

国际生产工程学会(CIRP)将其确定为面向21世纪的中心研究方向，并进行了一些著名的合作研究。

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工，对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。

与普通磨削相比，超高速磨削显示出极大的优越性: 大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。

如采用电镀CBN砂轮以123m/s的高速磨削割草机曲轴，原来需要6个车削和3个磨削工序，现在只需要3个磨削工序，生产时间减少65%，每小时可以加工180件。

再如人们以125m/s的速度应用普通砂轮高效磨削淬硬低碳钢42CrMo4，切除率达167mm3/mms，比缓进给磨削大11倍。

磨削力小，零件加工精度高。

速度360m/s以下的试验表明，在一个较窄的速度范围(180-200 m/s)内，摩擦状态由固态向液态急剧变化，并伴随着磨削力的急剧下降。

笔者在单颗磨粒高速磨削45钢和20Cr钢试验中发现，摩擦系数在临界速度以下，随速度的增大而大幅度减少;超过临界速度后，摩擦系数却随速度的增大而略有增加。

降低加工工件表面粗糙度。

在其它条件相同时33m/s,100m/s和200m/s的速度磨削时，表面粗糙度值分别为Ra2.0,Ra1.4和Ra1.1μm。

砂轮寿命延长。

在金属切除率相同的条件下，砂轮速度由80m/s提高到200m/s，砂轮寿命提高8.5倍。

在200m/s的速度磨削时，以2.5倍于80m/s时的磨除率，寿命仍然提高1倍。

1 超高速磨削的发展欧洲，高速磨削技术的发展起步早。

最初高速磨削基础研究是在60年代末期，实验室磨削速度已达210-230m/s。

70年代末期，高速磨削采用CBN砂轮。

意大利的法米尔(Famir)公司在1973年9月西德汉诺威国际机床展览会上，展出了砂轮圆周速度120m/s的RFT-C120/50R型磨轴承内套圈外沟的高速适用化磨床。

高速强力磨削在机械加工中的发展与应用
高速强力磨削（High-speed strong grinding）是指通过使用更高转速及更高切削速
率的研磨工具，以达到更高的加工效率和更好的加工质量。

其发展历程起源于20世纪60
年代，随着磨削技术、设备和工具的不断进步，也不断地推动着高速强力磨削的应用领域
不断扩大，如航空、汽车、模具、压力容器、光电子等行业。

高速强力磨削的优点主要表现在以下几个方面：
1.高效率：由于使用高转速、高切削速率的工具，磨削过程可以更加迅速、高效地完成。

2.高精度：磨削工具具备更好的刚度和振动抑制能力，可以在更高的速度下保证磨削
质量。

3.高表面质量：由于磨削工具的高速磨削作用，能够对工件表面进行更充分的去毛刺、去匀层、去表面膜等处理，从而使工件表面质量得到提高。

4.高加工质量稳定性：由于磨削工具具备较高的韧性和手感，可以更好的控制加工过程，从而提高加工质量的稳定性和一致性。

应用方面，高速强力磨削在航空、汽车、模具、压力容器等行业中得到了广泛应用。

在航空领域，高速强力磨削被用于高精度航空零部件的制造，如液压阀等。

在汽车行业中，高速强力磨削在发动机气门、气缸套等高精度部件的磨削加工中得到
了广泛应用。

模具领域中，高速强力磨削被广泛应用于大型压铸模和挤铸模等模具的制造。

总之，高速强力磨削在机械加工中的应用领域不断扩大，将会为我们的生产带来更高
效率、更好质量的加工服务。

高速磨削高速磨削是国内外正在大力研究并逐步推广的一种先进的机械加工方法 , 它是近代磨削加工技术发展的一种新工艺 , 与普通磨削相比 , 其优点是能够大大提高被加工工件的精度 , 降低零件表面粗糙度。

随着科学技术的不断进步和发展 , 对零件的加工精度和生产率提出了更高的要求 , 高速磨削技术更加显示出它的重要性。

1 国外高速磨削技术的现状与发展趋势早在上世纪 50年代 , 国外就已经开始研究高速磨削 , 到 60年代 , 许多国家在高速磨削方面的研究更加得到普遍重视 , 并取得了许多成功经验 , 如日本京都大学工学部冈村健二郎教授首先提出了高效磨削理论 , 当时在日本也是盛行一时。

德国阿亨大学Optiz教授系统地发表了 60m /s高速磨削的实验结果。

在 70年代 , 高速磨削在许多工业国家迅速发展 , 60m /s以上高速磨床品种超过 50种 , 少数磨床磨削速度达到 125m /s, 到了 80年代 , 许多国家继续在提高磨削速度上进行努力 , 但是高速磨削并未按原先预料的情况发展 , 它受到许多条件的制约 , 如受到机床结构、动态特性、砂轮速度及磨料耐磨性等的限制 , 实际上在这个时期磨削速度的提高也受到了一定的限制。

近年来 , 高速磨削加工技术又有了很大发展 , 主要表现在以下几个方面 :(1)高速磨削机理方面。

在越过能产生磨削热损伤的国限带之后 , 磨削用量进一步加大不仅不会使热损伤加剧 , 反而会使其不再发生。

这一发现 , 开拓出一个广阔的高速磨削参数领域 , 为实现超高速的磨削提供了理论基础 , 加上人造金刚石和立方氮化硼在砂轮制造中的大量应用 , 高速磨削得以再度兴起 , 并实现了线速度高于普通磨削 5 - 6倍甚至更高的超高速磨削。

(2)高速磨削的有利环节。

继喷雾润滑轴承和空气润滑轴承之后 , 利用磁力承受负荷的磁悬浮轴承已进入实用阶段 , 它的转速可以在主轴强度所能承受的限度内任意提高。

高速强力磨削在机械加工中的发展与应用
高速强力磨削是一种在机械加工中相对较新的技术，它的应用领域包括航空航天、汽车、电子、半导体等领域。

高速强力磨削的发展源于对精度、表面质量和加工效率的要求。

高速强力磨削的基本原理是利用高速旋转的砂轮在磨削过程中带动工件旋转，以达到高效、精度高的加工效果。

相较于传统的磨削加工方法，高速强力磨削具有加工效率高、加工表面精度高和磨损小等优势，因此在汽车工业、模具制造和医疗器械制造等领域得到广泛应用。

在航空航天领域，高速强力磨削被广泛应用于钛合金、铝合金等难加工材料的表面加工和腔孔加工，以及零件修整和修复等工艺。

与传统的磨削加工相比，高速强力磨削在加工效率和表面质量上都有明显提高的优势。

在汽车工业上，高速强力磨削技术在轴承、传动零件、气门座等核心零件的加工中应用较广，而且随着汽车行业的快速发展，对零件加工的要求不断提高，高速强力磨削技术将会有更加广泛的应用。

在电子及半导体领域，高速强力磨削主要应用于硬盘盘片和半导体等超精密零件的制造，因其能够实现极高的加工精度和表面质量，而且磨削切进量小、残留应变小，从而提高了零件的使用寿命。

综上所述，在机械加工中，高速强力磨削技术是一种具有广泛应用前景的技术，尤其是难加工材料的加工领域和超精密零件的制造领域。

随着技术的不断发展，高速强力磨削技术在未来有望成为机械加工领域的主流加工方式之一。

国内磨削加工科技新进展一继续提高磨削效率进一步发展高速磨削，不仅在普通外圆、内圆、轴承磨床上提高速度，而且也在诸如轧辊磨床(险峰机床厂)上也由35m/s提高到45m/s以上。

在采用动压轴承主轴条件下实现了高效高速低粗糙度磨削(广西大学、湖南大学)。

在一汽早已将高速磨削定为许多工艺的必行工序。

发展缓进给强力磨削工艺及机床，例如北京机床研究所与北京第四机床厂在国内最早发展此种机床，近年又在杭州机床厂等单位发展了HZ－029型液压缓进给成型磨床，MLK7140型数控缓进深切成形强力磨床。

电机功率后者已达32kW。

在生产中的应用除了加工汽轮机及燃气轮机叶片根部外，在游标卡尺零件，三爪卡盘零件，50mm以上深沟槽磨削，均有很大进步，天津机床厂还发展了MKL7132型数控缓进给强力磨削机床。

迅速发展高效砂带磨削工艺，例如对汽油机叶片工作面加工，镍材及钛材的磨削，190发动机气缸盖磨削，合金钢线材、带材磨削，大型宽钢板表面磨削专用尤门式磨床的开发等(东北工学院、湖南大学、华中理工大学等)。

由于郑州第二砂轮厂成功地引进了宽砂带静电植砂全套设备，并且年产量达数百万平方米，因而为今后在国内更广泛应用砂带磨削创造了很好的条件。

沈阳地区的矿山机器厂，重型机器厂对砂带磨削均有不同的开拓应用。

重庆大学青年工学硕士黄云同志和重大机械厂在科研和生产相结合方面，成功地闯出了一条新路，研制成功并取得了多种型号有自己专利的砂简易磨床，现已达到年产数百台规模。

发展重负荷磨削、磨削速度已达80m/s及压力250~500kgf(2500N~5000N)以上使金属去除率大大提高。

冶金行业近年自国外引进不少高效钢坯磨床外，由冶金部组织东北工学院，苏州冶金机械厂等单位开发了YLM－1型双面立式半自动修磨生产线，填补了当时的国内空白。

重庆特殊钢厂发展的钢坯磨削技术在生产中经过多年考验证明是成功的。

在这方面第三砂轮厂已拥有大批量生产高速重负荷砂轮的技术能力及生产能力，第三砂轮厂不仅已对63m/s 250~500kgf砂轮进行了鉴定，而且也已试制了80m/s重负荷砂轮，在磨料方面已采用了粗粒度刚玉，烧结刚玉及二者混合压制烧结产品，得到了用户欢迎。

陶瓷材料磨削加工的技术讨论与进呈现状工程陶瓷具有很多优良的性能，比如较高的硬度和强度，很强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温本领和良好的化学惰性等，因此在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域的应用日益广泛。

目前各发达国家如德、日、美、英等国特别重视工程陶瓷的开发及应用。

80时代以来，各国竞相投人大量的资金及人力，在工程陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大的进展。

由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，被加工陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，这会导致陶瓷元件强度的降低，进而限制了大材料去除率的采纳。

对陶瓷高效磨削加工而言，根本目标就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除率。

目前陶瓷的加工成本己达到整个陶瓷元件成本的80%～90%，高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层限制了陶瓷元件更广泛的应用。

陶瓷材料广阔的应用前景和多而杂的加工特性，都要求对陶瓷的磨削加工过程进行全面而深入的了解。

从上世纪90时代开始，国内外学者进行了大量的讨论，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的讨论成果。

本文重要就陶瓷磨削的讨论现状及进展情形进行了归纳和总结。

1陶瓷材料磨削机理的进展1）磨削机理的讨论由于砂轮的磨粒尺寸、形状和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律的多而杂性，给磨削机理的讨论带来了很大的困难。

在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多数讨论都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来貌似处理。

20世纪80时代初，Frank和Lawn 首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析讨论模型，提出了应力强度因子公式K=aEP/C2/3，依据脆性断裂力学条件KKC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC＝CbK，他又依据材料的屈服条件ssY，导出了塑性变形模式下临界载荷PYYC=s3/g3（或PYYC=H3Y/g3）。

难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展摘要：高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在高端装备制造特别是在国防军工领域应用广泛。

砂轮磨削是难加工金属材料零件的重要加工方式。

然而，磨削过程的力-热强耦合作用对表面完整性影响显著，而表面完整性的优劣对零件服役性能具有直接影响。

本文综述了近年来难加工金属材料磨削加工表面完整性的研究进展，全面总结了表面完整性核心要素（如表面粗糙度、残余应力、显微硬度、微观结构等）的创成机理、影响因素及其作用规律以及预测与控制，并对表面完整性控制技术的发展趋势进行了展望。

关键词：磨削；表面完整性；金属材料高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在国民经济各行各业，尤其是国防军工领域具有极其广泛且重要的应用。

镍基高温合金（如变形高温合金GH4169、铸造高温合金K424 及粉末冶金高温合金FGH96 等）由于优良的抗热疲劳性能、高温强度、耐腐蚀性、抗冲击性以及抗蠕变性能被广泛应用于燃气轮机与航空发动机热端部件以及核反应堆部件等；钛材料（如钛合金TC4、TC6；钛铝金属间化合物Ti2AlNb、γ-TiAl 等）具有密度低、强度高、抗腐蚀性好等优良特性，大量应用于航空发动机叶片、叶轮、叶盘和机匣等重要部件；超高强度钢（如300M）兼顾高强度、高韧性以及优异的耐蚀性能，应用于飞机起落架、核电设施等[1-3]。

目前我国航空航天、国防军工领域正处于攻坚克难的关键时期，发动机各个部件的加工方式在一定程度上决定了我国航空发动机的性能。

然而航空发动机所用的材料多为难加工材料，这些材料由于强度和硬度高、导热系数低等，在加工过程中往往会产生较大的切削力和切削温度，造成加工过程完成后表面完整性难以保证[4-5]。

其中，磨削是难加工材料及其零件的重要加工方式，具有加工表面粗糙度低、加工精度高等优点，尤其是现代磨削技术（如高速磨削、超高速磨削等）的加工效率也大幅提高[6]，改变了粗切精磨的传统加工方式。