摘要：快速點(diǎn)磨削（qulck-pointgrinding）是一種*的超高速磨削技術(shù)，它集成了超高速磨削、cbn超硬磨料及cnc技術(shù)，在加工軸類(lèi)零件場(chǎng)合具有優(yōu)良的性能。本文介紹了快速點(diǎn)磨削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及工藝特征，分析和研究了快速，汽磨削機(jī)理和材料往除機(jī)制。結(jié)果表明：砂輪的磨損機(jī)制不同于一般外圓磨削，磨削過(guò)程具有較高的綠色加工性能；通過(guò)公道控制磨削參數(shù)和磨削條件，該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)一些難加工材料和復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面的高質(zhì)量磨削加工，由此提出了在這些領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用研究的重點(diǎn)內(nèi)容，以及推廣和開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的意義。
快速點(diǎn)磨削工藝（quick-pointgrinding）是由德國(guó)junker公司于1994年開(kāi)發(fā)的，快速點(diǎn)磨削是集cnc技術(shù)、cbn超硬磨料、超高速磨削三大*技術(shù)于一身的率、高柔性*加工工藝，主要用于軸類(lèi)零件的加工。它采用薄層cbn或人造金剛石超硬磨料砂輪，是新一代數(shù)控車(chē)削和超高速磨削的結(jié)合，是目前超高速磨削的技術(shù)形式之一[1]。目前已在國(guó)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、工具制造業(yè)中得到應(yīng)用，尤其是在汽車(chē)零件加工領(lǐng)域，如凸輪軸或齒輪軸等。我國(guó)部分汽車(chē)制造企業(yè)目前也針對(duì)特定零件引進(jìn)了這一工藝和設(shè)備，并取得了明顯的效益。但由于國(guó)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)并沒(méi)有真正把握其關(guān)鍵工藝技術(shù)，不能作到新工藝的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域很小。國(guó)內(nèi)目前還不能配套生產(chǎn)砂輪及相關(guān)附件，全部設(shè)備依靠于進(jìn)口。而國(guó)外對(duì)快速點(diǎn)磨削機(jī)理、規(guī)律、磨削質(zhì)量控制及點(diǎn)磨削工藝等深人系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究及相關(guān)技術(shù)信息也鮮見(jiàn)報(bào)道。因此該項(xiàng)新工藝的很多關(guān)鍵技術(shù)及理論、新的應(yīng)用領(lǐng)域有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。
1快速點(diǎn)磨削的技術(shù)特征
快速點(diǎn)磨削的磨削過(guò)程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術(shù)特征如下：
（1）在磨削工件外圓時(shí)，砂輪與工件軸線并不是始終處于平行狀態(tài)，而是在水平方向旋轉(zhuǎn)一定角度，以實(shí)現(xiàn)砂輪和工件在理論上的點(diǎn)接觸，如圖1所示。junker公司的數(shù)控快速點(diǎn)磨削機(jī)床，根據(jù)工作臺(tái)進(jìn)給方向及臺(tái)肩方位，在垂直方向砂輪軸線與工件軸線的點(diǎn)磨變量角α為±0.5°[2]，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)磨變量角大小以及在x、y方向的聯(lián)動(dòng)速度。
（2）快速點(diǎn)磨削砂輪采用超硬磨料cbn或人造金剛石超薄砂輪，厚度為4－6mm，安裝采用“三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)”快速完成，重復(fù)定位精度高，并可在機(jī)床上自動(dòng)完成砂輪的動(dòng)平衡。
（3）砂輪速度可達(dá)100-16om/s。為獲得高磨除率，同時(shí)不使砂輪產(chǎn)生過(guò)大的離心力，工件也以高速相對(duì)旋轉(zhuǎn)（junker公司點(diǎn)磨機(jī)床zui高可達(dá)1200or/min）。因此實(shí)際磨削速度是砂輪和工件兩者速度的疊加，可超過(guò)200m/s。
（4）與一般磨削方式不同，由于砂輪傾斜，故形成“后角”，在磨削外圓時(shí)，材料往除主要是靠砂輪側(cè)邊完成，而周邊起光磨作用。
（5）junker公司數(shù)控快速點(diǎn)磨削機(jī)床采用了多項(xiàng)技術(shù)[3]，如砂輪三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)、砂輪主軸動(dòng)平衡自動(dòng)控制系統(tǒng)、精密導(dǎo)軌系統(tǒng)及砂輪在線修整技術(shù)等，以保證機(jī)床的加工性能。
2快速點(diǎn)磨削工藝特點(diǎn)
與一般的高速和超高速磨削方法相比較，快速點(diǎn)磨削砂輪與工件處于點(diǎn)接觸狀態(tài)（接觸面積zui小），實(shí)際磨削速度更高，磨削力大大降低，比磨削能小，磨削熱少，同時(shí)切屑可帶走大部分熱量，冷卻效果好，因此磨削溫度大為降低，甚至可以實(shí)現(xiàn)“冷態(tài)”加工，進(jìn)步了加工精度和表面質(zhì)量，能夠達(dá)到高精度磨削的表面加工質(zhì)量和外形精度。由于磨削力極小，工件安裝夾緊方便，特別適合剛性較差的細(xì)長(zhǎng)軸加工，因無(wú)需使用工件夾頭，可進(jìn)行包括工件兩端在內(nèi)的整體加工。砂輪使用壽命長(zhǎng)，zui高磨削比達(dá)到60000。砂輪修整率低。采用cnc兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，一次安裝后可完成外圓、錐面、螺紋、臺(tái)肩和溝槽等所有外形的加工，實(shí)現(xiàn)車(chē)磨合并，柔性大，加工精度高。機(jī)床利用率高達(dá)88％－95%，比傳統(tǒng)的磨削方法高出3％一8%，生產(chǎn)效率比普通磨削進(jìn)步6倍。大批量生產(chǎn)時(shí)加工本錢(qián)低。數(shù)控快速點(diǎn)磨削技術(shù)也是數(shù)控車(chē)削技術(shù)發(fā)展進(jìn)化的方向。由于磨削溫度低、磨料及磨削液消耗少，該項(xiàng)技術(shù)符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。
3快速點(diǎn)磨削機(jī)理及應(yīng)用研究
超高速磨削過(guò)程中，磨粒相對(duì)工件的速度已經(jīng)接近于壓應(yīng)力在材料中的傳播速度量級(jí)，使材料變形區(qū)域明顯變小，消耗的切削能量更集中于磨屑的形成，使切除單位體積材料需要的能量更??；磨削熱量也主要集中在磨屑，傳人工件的熱量比例減小[4]。在超高速條件下，變形區(qū)材料應(yīng)變率*，相當(dāng)于在高速盡熱沖擊條件下完成切削，使材料更易于磨除，并使難磨材料的磨削性能改善。因此超高速磨削具有如下突出的特點(diǎn)：（l）當(dāng)單顆磨粒未變形磨屑尺寸大小不變時(shí)，可以使用更高的磨削工藝參數(shù)，材料磨除率大大進(jìn)步；（2）切深相同時(shí)，磨削力和比磨削能小，工件受力變形小。（3）超高速條件使單顆磨粒受力小，磨損少，能極大地延長(zhǎng)砂輪壽命。（4）磨削表面粗糙度值會(huì)隨砂輪速度進(jìn)步而降低，加之工件表面溫度低，受力受熱變質(zhì)層很薄，表面加工質(zhì)量高；（5）可以率地對(duì)硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削，對(duì)高塑性和難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。因此，使用cbn磨料磨具的超高速磨削技術(shù)是*制造的前沿技術(shù)[567]?？焖冱c(diǎn)磨削則是超高速磨削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，除了具有上述一些特點(diǎn)外，還有點(diǎn)磨削、薄砂輪、數(shù)控成型、磨削溫度及磨削力更低等特點(diǎn)。因此在某些領(lǐng)域會(huì)有更好的應(yīng)用。
3.1難加工材料的快速點(diǎn)磨削性能分析
超高速外圓磨削加工中，接觸層材料的變形速度取決于磨削速度。單個(gè)磨粒加工的特征時(shí)間（s）為
式中：z為磨削區(qū)動(dòng)態(tài)接觸弧長(zhǎng)，；為實(shí)際磨削速度，αp為磨削深度，ds和vs，分別為砂輪直徑和速度，dw和vw分別為工件直徑和速度，逆磨時(shí)取正號(hào)，順磨時(shí)取負(fù)號(hào)。上式表明磨粒在整個(gè)接觸弧長(zhǎng)上磨削過(guò)程是極瞬時(shí)的。對(duì)快速點(diǎn)磨削來(lái)說(shuō)，由于磨削深度和軸向進(jìn)給量極?。ハ魃疃纫话阍?.02－0.2mm），單顆磨粒的切削厚度及接觸弧長(zhǎng)更小，考慮速度的合成，實(shí)際磨削速度可高達(dá)200m/s，因此磨粒和切削層材料碰撞的特征時(shí)間更短，一般為10-5－10-6s。磨削區(qū)接觸層某點(diǎn)的應(yīng)變率可表示成該點(diǎn)應(yīng)變‘對(duì)時(shí)間，的導(dǎo)數(shù)，由于點(diǎn)磨削接觸弧長(zhǎng)極小，接觸層均勻應(yīng)變率即是磨削速度除以結(jié)構(gòu)的變形區(qū)域尺寸，即可用作用特征時(shí)間的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算：
根據(jù)上式，接觸區(qū)均勻應(yīng)變率可高于10-5s-1，假如忽略接觸弧的曲率效應(yīng)而僅考慮磨粒與材料碰撞點(diǎn)四周的局部變形區(qū)域，則磨粒與切削層的作用特征時(shí)間更為短瞬，應(yīng)變率可達(dá)10[7]s[-1]-10[8]s[-1]。根據(jù)表1[8]，超高速磨削過(guò)程已屬?zèng)_擊或超速?zèng)_擊載荷的力學(xué)行為。因此材料往除機(jī)制將發(fā)生很大變化。
特征時(shí)間應(yīng)變率載荷性質(zhì)蠕變準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)態(tài)沖擊超速?zèng)_擊
一些高性能硬脆材料在工程中的應(yīng)用日趨廣泛，但改善這類(lèi)材料的機(jī)械加工性能始終是一項(xiàng)技術(shù)困難。研究結(jié)果表明，脆性材料在超高速磨削條件下可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削。由于快速點(diǎn)磨削過(guò)程中材料*的應(yīng)變率，材料變形層將產(chǎn)生的高度局部化的盡熱剪切和動(dòng)態(tài)微損傷，應(yīng)變率弱化效應(yīng)對(duì)磨削過(guò)程，特別是對(duì)磨削力及材料往除機(jī)理的影響會(huì)更為明顯，脆性材料不再*以脆性斷裂的形式產(chǎn)生磨屑，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬脆性材料的“延性”加工，從而大大進(jìn)步硬脆性材料的磨削質(zhì)量和加工效率。此外，由于金屬活性高、導(dǎo)熱率低等因素影響，鎳基耐熱合金、欽合金、鋁合金等一些難磨材料在普通磨削條件下磨削加工性很差?？焖冱c(diǎn)磨削的磨屑形成時(shí)間極短，切屑變形速度以接近靜態(tài)塑性變形應(yīng)力波的傳播速度，由于塑性變形的滯后而使耕犁變形減小，材料變形區(qū)動(dòng)態(tài)微損傷密度增加，這相當(dāng)于材料塑性減小，切屑在彈性狀態(tài)下往除，從而可實(shí)現(xiàn)延性材料的“脆性”加工，并可減小加工硬化傾向，降低表面粗糙度數(shù)值和殘余應(yīng)力。根據(jù)單向應(yīng)力波的波動(dòng)方程，材料靜態(tài)塑性應(yīng)力波速度可表示為：
式中：ρ為材料密度，σ表示材料變形層應(yīng)力。根據(jù)純鋁材料在靜態(tài)條件下應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系（σ-ε）曲線，由上式可求得純鋁材料的靜態(tài)塑性應(yīng)力波速約為200m/s。
圖2和圖3為超高速磨削純鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]，當(dāng)磨削速度超過(guò)200m/s時(shí)，表面硬化程度和表面粗糙度開(kāi)始減小，工件表面完整性得到改善，由于加載速度進(jìn)步使得塑性應(yīng)變點(diǎn)后移，增加了材料在彈性小變形階段被往除的機(jī)率，從而一定程度上實(shí)現(xiàn)了塑性材料的“脆性”加工。因此塑性材料靜態(tài)應(yīng)力波速是實(shí)現(xiàn)“脆性”加工的臨界點(diǎn)?？焖冱c(diǎn)磨削可以實(shí)現(xiàn)更高的磨削速度，假如優(yōu)化選擇其它磨削工藝參數(shù)，對(duì)高韌性難磨材料也可獲得良好的磨削加工性能?；谝陨戏治觯ㄟ^(guò)優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，快速點(diǎn)磨削可實(shí)現(xiàn)對(duì)脆、韌性難磨材料的高質(zhì)量磨削加工。因此應(yīng)開(kāi)展快速點(diǎn)磨削工藝磨削這類(lèi)難加工材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)揮其技術(shù)特點(diǎn)，擴(kuò)大快速點(diǎn)磨削加工材料的范圍。
3.2復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面點(diǎn)磨削加工
快速點(diǎn)磨削目前主要用于軸類(lèi)零件圓柱表面及溝槽的磨削加工。如一汽大眾汽車(chē)有限公司采用該工藝磨削ea113五氣門(mén)系列發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸軸頸，大大進(jìn)步了生產(chǎn)率及加工質(zhì)量，效益明顯。大批量生產(chǎn)中，復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面精密加工的主要方法是砂輪成型磨削，但這對(duì)砂輪外形精度要求較高，磨削發(fā)熱量大，加工質(zhì)量不夠穩(wěn)定，砂輪修整過(guò)程復(fù)雜，工藝本錢(qián)較高。根據(jù)快速點(diǎn)磨削的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)公道控制超薄砂輪軸線相對(duì)于工件軸線在水平方向的點(diǎn)磨變量角度刀結(jié)合x(chóng)、y軸的cnc聯(lián)動(dòng)、利用超薄砂輪能夠進(jìn)人普通砂輪所不能進(jìn)人的磨削區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這類(lèi)復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面零件的點(diǎn)磨削加工（圖4），而使加工這類(lèi)外形表面的零件工藝得到簡(jiǎn)化，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在這一領(lǐng)域點(diǎn)磨削工藝，充分發(fā)揮快速點(diǎn)磨削技術(shù)性能，擴(kuò)大快速點(diǎn)磨削加工幾何形面的適用范圍。
快速點(diǎn)磨削砂輪直徑一般為350－400mm，金屬基體周邊上徑向磨料層厚度以及砂輪寬度僅有4－6mm,磨削外圓表面時(shí)，由于點(diǎn)磨變量角的存在，根據(jù)磨削幾何學(xué)關(guān)系，砂輪與工件母線理論上為點(diǎn)接觸，接觸區(qū)主要分布在靠近砂輪邊沿并與砂輪側(cè)邊相重合的近似半橢圓區(qū)域。由于形成“后角”，材料的往除主要是由砂輪的側(cè)邊完成，砂輪周邊僅起類(lèi)似車(chē)刀副切削刃的光磨作用，由于磨削區(qū)不同半徑處砂輪側(cè)邊磨削速度、接觸弧長(zhǎng)和單顆磨粒切削厚度不同，如圖5所示。因此砂輪沿橫向的磨損表現(xiàn)及砂輪修整方法與常規(guī)磨削存在一定區(qū)別。根據(jù)對(duì)我國(guó)汽車(chē)制造企業(yè)應(yīng)用快速點(diǎn)磨削工藝的調(diào)查結(jié)果，由于缺乏對(duì)超薄超硬磨料砂輪在快速點(diǎn)磨削條件下磨損機(jī)理的熟悉，砂輪的修整都是根據(jù)規(guī)定的加工工件數(shù)目、按一定的生產(chǎn)周期進(jìn)行。因此存在砂輪修整過(guò)早而使超硬磨料損耗嚴(yán)重、超薄砂輪壽命降低，或修整過(guò)晚而影響加工質(zhì)量的現(xiàn)象。這是快速點(diǎn)磨削工藝目前存在的一項(xiàng)技術(shù)困難。與普通外圓磨削不同，砂輪主要是沿側(cè)邊磨損，為減小超硬磨料消耗、保證加工精度及工件尺寸的一致性，應(yīng)進(jìn)行公道有效地砂輪修整。因此需要研究和建立相應(yīng)的砂輪磨損模型及砂輪側(cè)邊磨損量對(duì)磨削性能的影響規(guī)律；科學(xué)地評(píng)價(jià)砂輪磨損狀態(tài)與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)研究cbn點(diǎn)磨削超薄砂輪的修整理論和技術(shù)方法。
3.4面向綠色制造的快速點(diǎn)磨削技術(shù)
在機(jī)械制造領(lǐng)域，磨削是對(duì)環(huán)境影響zui大的一種加工工藝。磨料磨具本身的制造、磨削加工中的微粉污染、磨削加工所造成能源及材料消耗、以及加工中大量使用的磨削液等都對(duì)環(huán)境和資源產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。我國(guó)事世界上磨料、磨具產(chǎn)量及消耗的*大國(guó)，超硬磨料制造本錢(qián)較高，價(jià)格昂貴，因此大幅度進(jìn)步磨削加工的綠色度意義重大[10]。快速點(diǎn)磨削區(qū)域小、磨削力小、砂輪使用壽命長(zhǎng)，磨削溫度低，冷卻方式簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)少、無(wú)磨削液的干式或準(zhǔn)干式加工的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)磨削熱、比磨削能、磨削比、砂輪壽命及新型冷卻系統(tǒng)等理論和實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)展面向綠色制造的快速點(diǎn)磨削技術(shù)的基礎(chǔ)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
4結(jié)論
數(shù)控快速點(diǎn)磨削具有超高速磨削、超薄砂輪數(shù)控成型的技術(shù)特點(diǎn)，具有優(yōu)良的加工性能。其磨削機(jī)理不同于一般的高速和超高速磨削，在對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面磨削、硬脆及韌性材料高質(zhì)量磨削加工及實(shí)現(xiàn)較高綠色度的磨削加工方面應(yīng)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)加快吸收國(guó)外的*技術(shù)，加強(qiáng)這項(xiàng)新技術(shù)的加工機(jī)理和應(yīng)用研究，建立數(shù)控快速點(diǎn)磨削的技術(shù)和理論體系，促進(jìn)該項(xiàng)工藝技術(shù)及其設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展。