第一篇：高速磨削加工工藝及應(yīng)用

高速磨削加工工藝及應(yīng)用

班級：測控技術(shù)與儀器 1122240 姓名：葉成權(quán)

指導(dǎo)教室：趙世萍

摘要

高速磨削加工屬于先進制造方法。與普通磨削比，它有很多優(yōu)點，且集粗精加工于一身，能達到與車、銑、刨等切削加工相媲美的金屬磨除率，能實現(xiàn)對難磨材料的高性能加工。闡述了高速磨削加工工藝的確定，高速磨削加工在工業(yè)中的具體應(yīng)用，以及進一步提高磨削速度的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：高速磨削；加工工藝；應(yīng)用 高速磨削概述

高速磨削是通過提高砂輪線速度來達到提高磨削效率和磨削質(zhì)量的工藝方法。它與普通磨削的區(qū)別在于很高的磨削速度和進給速度，而高速磨削的定義隨時間的不同在不斷推進。20 世紀60年代以前，磨削速度在50 m/ s 時。即被稱為高速磨削；而20世紀90 年代磨削速度最高已達500 m/s。在實際應(yīng)用中，磨削速度在100 m/ s 以上即被稱為高速磨削。高速磨削可大幅度提高磨削生產(chǎn)效率、延長砂輪使用壽命、降低磨削表面粗糙度值、減小磨削力和工件受力變形、提高工件加工精度、降低磨削溫度，能實現(xiàn)對難磨材料的高性能加工。隨著砂輪速度的提高，目前比磨削去除率已猛增到了3 000 mm3/mm·s 以上，可達到與車、銑、刨等切削加工相媲美的金屬磨除率。近年來各種新興硬脆材料（如陶瓷、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、單晶硅等）的廣泛應(yīng)用，更推動了高速磨削技術(shù)的迅猛發(fā)展。高速磨削技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來的一項新興綜合技術(shù)，集現(xiàn)代機械、電子、光學(xué)、計算機、液壓、計量及材料等先進技術(shù)于一體。日本先進技術(shù)研究會把高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將高速磨削技術(shù)確定為面向21 世紀的中心研究技術(shù)之一。高速磨削加工工藝

高速磨削的加工工藝涉及磨削用量、磨削液及砂輪修整等方面，下面將分別進行闡述。

2.1 磨削用量選擇

在應(yīng)用高速磨削工藝時，磨削用量的選擇對磨削效率、工件表面質(zhì)量以及避免磨削燒傷和裂紋十分重要。表1 給出了磨削用量與砂輪速度的關(guān)系。除了砂輪速度以外，決定磨削用量的因素還有很多，因此應(yīng)用中需綜合考慮加工條件、工件材料、砂輪材料、冷卻方式等因素，以選擇最優(yōu)的磨削用量。

2.2 磨削液

在高速磨削過程中，所采用的冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣常常能決定整個磨削過程的成敗。冷卻潤滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延長砂輪的使用壽命，降低工件表面粗糙度值。它在磨削過程中必須完成潤滑、冷卻、清洗砂輪和傳送切削屑四大任務(wù)，與普通磨削液要求類似。

2.3 砂輪的修整

目前應(yīng)用較為成熟的砂輪修整技術(shù)有：（1）ELID在線電解修整技術(shù)在線電解修整（electrolytic in—process dressing，簡稱ELID）是專門應(yīng)用于金屬結(jié)合劑砂輪的修整方法，與普通的電解修整方法相比，具有修整效率高、工藝過程簡單、修整質(zhì)量好等特點，同時它采用普通磨削液作為電解修整液，很好地解決了機床腐蝕問題。經(jīng)ELID修整的4000 號鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪成功地實現(xiàn)了工程陶瓷、硬質(zhì)合金、單晶硅、光學(xué)玻璃等多種材料的精密鏡面磨削，表面粗糙度Ra 可達2～4 nm。（2）電火花砂輪修整技術(shù)

利用電火花修整可對任何以導(dǎo)電材料為結(jié)合劑的砂輪進行在線、在位修整，易于保證磨削精度，不會腐蝕設(shè)備，修整力小，對小直徑及極薄砂輪的修整較為方便，同時整形效率高、修銳質(zhì)量好；磨料周圍不殘留結(jié)合劑，修銳強度易于控制。（3）杯形砂輪修整技術(shù)

采用杯形砂輪修整器修整超硬磨料成形砂輪，其修整效率及修整精度都比傳統(tǒng)的成形砂輪修整方法要高，可達到零誤差的砂輪表面。砂輪修整后的磨削性能實驗表明磨削力明顯減小，磨削性能良好，且砂輪使用壽命長。

（4）電解—機械復(fù)合整形技術(shù)

運用此法可在短時間內(nèi)將砂輪修整到較高的表面質(zhì)量及形狀精度，為砂輪的精密修整提供了良好的條件。高速磨削的應(yīng)用

高速磨削的應(yīng)用技術(shù)有高速深切磨削、高速精密磨削、難磨材料及硬脆材料的高速磨削。

3.1 高速深切磨削

以砂輪高速、高進給速度和大切深為主要特點的高效深磨（high efficiencydeep grinding，簡稱HEDG）技術(shù)是高速磨削在高效加工方面的應(yīng)用之一。高效深磨技術(shù)起源于德國。1979年德國P.G.Werner博士預(yù)言了高效深磨區(qū)的存在合理性，開創(chuàng)了高效深磨的概念，并在1983 年由德國Guhring Automation公司創(chuàng)造了當時世界上最具威力的60 kW強力磨床，轉(zhuǎn)速397 0 0 1 為10000 r/min，砂輪直徑為400 mm，砂輪圓周速度達到100～180 m/s，標志著磨削技術(shù)進入了一個新紀元。1996 年由德國Schaudt 公司生產(chǎn)的高速數(shù)控曲軸磨床，是具有 高效深磨特性的典型產(chǎn)品，它能把曲軸坯件直接由磨削加工到最終尺寸。德國Aachen工業(yè)大學(xué)宣稱，該校已采用了圓周速度達到500 m/s的超高速砂輪，此速度已突破了當前機床與砂輪的工作極限。高速深切磨削可直觀地看成是緩進給磨削和高速磨削的結(jié)合。與普通磨削不同的是高效深磨可通過一個磨削行程，完成過去由車、銑、磨等多個工序組成的粗精加工過程，獲得遠高于普通磨削加工的金屬去除率（磨除率比普通磨削高100～1 000 倍），表面質(zhì)量也可達到普通磨削水平。例如，采用陶瓷結(jié)合劑砂輪以120m/s 的速度磨削，比磨削率可達500～1000 mm3/mm·s，比車削和銑削高5倍以上。英國用盤形CBN砂輪對低合金鋼51CrV4進行了146 m/s 的高效深磨試驗研究，材料去除率超過400 mm3/mm·s。高效成形磨削作為高效深磨的一種也得到廣泛應(yīng)用，并可借助CNC系統(tǒng)完成更復(fù)雜型面的加工。此項技術(shù)已成功地用于絲杠、螺桿、齒輪、轉(zhuǎn)子槽、工具溝槽等以磨代銑加工。日本豐田工機、三菱重工等公司均能生產(chǎn)CBN高速磨床。GP-33 型高速磨床采用CBN砂輪以120 m/s 磨削速度實現(xiàn)對工件不同部位的自動磨削。美國Edgetrk Machine公司也生產(chǎn)高效深磨 機床，該公司主要發(fā)展小型3 軸、4軸和5 軸CNC成型砂輪，可實現(xiàn)對淬硬鋼的高效深磨，表面質(zhì)量可與普通磨削媲美。高速深切磨削具有加工時間短（一般為0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特點，除了應(yīng)具備高速磨削的技術(shù)要求外，還要求機床具有高的剛度。

3.2 高速精密磨削

高速精密磨削（precision high speed grinding）是采用高速精密磨床，并通過精密修整微細磨料磨具，采用亞微米級切深和潔凈加工環(huán)境獲得亞微米級以下的尺寸精度。高速精密磨削主要是高速外圓磨削。即使用150～200 m/s的砂輪周速和CBN 砂輪，配以高性能CNC 系統(tǒng)和高精度微進給機構(gòu)，對凸輪軸、曲軸等零件外圓回轉(zhuǎn)面進行高速精密磨削加工的方法。它既能保證高的加工精度，又可獲得高的加工效率。這一技術(shù)在日本應(yīng)用最為廣泛。例如，使用豐田工機株式會社GCH63B型CNC高速外圓磨床來磨削加工余量達5 mm的球墨鑄鐵凸輪軸，比磨削率可達174 mm3/mm·s，砂輪磨削比可達33500。以表面粗糙度Rz3 μm為上限，砂輪經(jīng)過一次修整可連續(xù)磨削60 個工件，磨后表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并可從毛坯直接磨為成品，省去了車工序及工序間的周轉(zhuǎn)。豐田工機GZ50 型CNC高速外圓磨床上裝備了其最新研制的Toyoda State Bearing 軸承，使用轉(zhuǎn)速在200 m/s 的薄片陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼砂輪對軸類零件進行一次性縱磨來完成整個工件的柔性加工過程，并首先在曲軸銷加工中應(yīng)用成功。在M104CNS/CBN 高速外圓磨床上安裝了帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習功能的數(shù)控系統(tǒng)，使得磨床的加工性能更加完善。德國Guhring Automation 公司RB625高速外圓磨床上，使用CBN 砂輪可將毛坯一次磨成主軸，每分鐘可磨除2 kg金屬。高速磨削技術(shù)的研究

高速磨削技術(shù)正為世界工業(yè)發(fā)達國家所重視，并已開始進入實用化階段。我國在高速磨削技術(shù)研究利用方面和國外相比有較大差距，大力加強高速磨削技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用，對提高我國機械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開發(fā)具有十分重要的意義。

高速磨削技術(shù)的研究，主要從制約切削速度的各個方面進行研究。（1）發(fā)展高功率高速主軸。

（2）研制適應(yīng)高速磨削的新穎砂輪，這樣才能提高磨削速度。（3）磨床結(jié)構(gòu)的改進。

為了盡可能降低機床在高速時由于砂輪不平衡引起的振動，應(yīng)配置在線自動平衡系統(tǒng)，以使機床在不同轉(zhuǎn)速時，始終處于最佳的運行狀態(tài)。為了提高生產(chǎn)效率和工件的加工精度，則應(yīng)采用高速、高效和高精度進給驅(qū)動系統(tǒng)。比如在平面磨床上采用直線電機替代絲杠螺母傳動；在進行偏心磨削時，外圓磨床除了須具備高速滑臺系統(tǒng)外，還要配備高速數(shù)控系統(tǒng)，以保證工件的精度及較高的生產(chǎn)率。（4）優(yōu)化冷卻潤滑系統(tǒng)。除了要注意冷卻潤滑液本身的化學(xué)構(gòu)成外，其供給系統(tǒng)也十分重要。因此，在研制高速磨床時，必須配置高壓的冷卻潤滑供給系統(tǒng)。（5）磨削速度向超音速邁進。

高速磨削應(yīng)用研究的下一個目標將是沖破音速大關(guān)，把磨削速度提高到350 m/s 以上，進而使500 m/s 的磨削速度在工業(yè)應(yīng)用上成為可能。當然，單就磨削速度一個參數(shù)并不能全面評價磨削過程的優(yōu)劣，最佳的磨削速度應(yīng)是磨削過程經(jīng)濟效益最好時的速度。這一最佳速度，必須經(jīng)過改進機床設(shè)計，優(yōu)化切削條件和配套系統(tǒng)等深入研究才能達到。

第二篇：磨削加工的發(fā)展趨勢論文

磨削加工的發(fā)展趨勢

王 哲

（北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，機G111班）

摘 要 多年以來隨著我國制造業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展進步，機械制造業(yè)有了長足的發(fā)展，磨削加工作為機械制造業(yè)金屬切削加工方法中的一種，有著不可替代的位置及十分重要的作用，相對于早期的磨削加工技術(shù)，今天的金屬磨削加工技術(shù)有了很大的變化，無論是從材料性質(zhì)，刀具材料以及磨削加工技術(shù)等都有了很大的發(fā)展變化，本文主要就磨床磨削加工及發(fā)展趨勢做簡單的介紹。關(guān)鍵詞 超高速磨削相關(guān)技術(shù)；數(shù)控磨床；精密磨削；刀具材料

1引言

對于目前機械加工領(lǐng)域磨削加工技術(shù)發(fā)生的變化，磨削加工技術(shù)的發(fā)展變化，本文作了簡要的論述，磨削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向是自動化、集成化、高速化、精密化等方向發(fā)展，分別對應(yīng)的數(shù)控磨床、超高速磨削技術(shù)、精密磨削技術(shù)，此外刀具材料也發(fā)生了很大的變化，向能夠耐高溫、可用于高速加工等。本文主要引用近幾年發(fā)表的文獻，對于研究磨削加工技術(shù)發(fā)展有一定的幫助，本文就幾個磨削加工的主要發(fā)展方向作簡要的論述。

在機械制造中，有許多金屬加工方法，例如切削加工、電加工、冷沖壓、鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金、化學(xué)加工和特種加工等。金屬切削加工時利用切削刀具在工件上切除多余的金屬層，從而獲得具有一定的尺寸、形狀、位置和表面質(zhì)量的機器零件的一種加工方法。他已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。金屬切削機床是用切削方法將金屬毛坯加工成機器零件的機床。在各類機械制造部門所擁有的裝備中，機床占百分之五十以上，所負擔的工作量占總加工量的一半以上，機床的技術(shù)水平高低直接影響機械產(chǎn)品的質(zhì)量和零件制造的經(jīng)濟性。

我們對于磨削技術(shù)發(fā)展應(yīng)該有一個簡單的了解，一般來講，按砂輪線速度的高低將磨削分為普通磨削和高速磨削以及超高速磨削。按磨削精度將磨削分為普通磨削、精密磨削、超精密磨削。按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、緩進給磨削、高效深切磨削、砂帶磨削、快速短行程磨削、高速重負荷磨削。

高速高效磨、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展很快，如德國的 Aachen大學(xué)、美國Connecticut大學(xué)等，有的在實驗室完成了V為250m/s、350m/s、400m/s的實驗。據(jù)報道，德國Aachen大學(xué)正在進行目標為500m/s的磨削實驗研究。在實用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工業(yè)中應(yīng)用。在我國對高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史，如湖南大學(xué)在70年代末期便進行了80m/s、120m/s的磨削工藝實驗，前幾年某大學(xué)也計劃開展250m/s的磨削研究。在實際應(yīng)用中，砂輪線速度，一般還是45m/s-60m/s。

對于磨削加工是一種常用的半精加工和精加工方法，砂輪是磨削的切削工具，磨削是由砂輪表面大量隨機分布的磨粒在工件表面進行滑擦、刻劃和切削三種作用的綜合結(jié)果。磨削的基本特點如下：

[2][2]（1）磨削的切削速度高，導(dǎo)致磨削溫度高。普通外圓磨削時V=35m/s，高速磨削V＞50m/s。磨削產(chǎn)生的切削熱80%～90%傳入工件(10%～15%傳入砂輪，1%～10%由磨屑帶走)，加上砂輪的導(dǎo)熱性很差，易造成工件表面燒傷和微裂紋。因此，磨削時應(yīng)采用大量的切削液以降低磨削溫度。

（2）能獲得高的加工精度和小的表面粗糙度值。加工精度可達IT6-IT4，表面粗糙度值可達Ra0.8-0.02μm。磨削不但可以精加工，還可以粗磨、荒磨、重載荷磨削。

（3）磨削的背向磨削力大。因磨粒負前角很大，且切削刃鈍圓半徑較大，導(dǎo)致背向磨削力大于切向磨削力，造成砂輪與工件的接觸寬度較大。會引起工件、夾具及機床產(chǎn)生彈性變形，影響加工精度。因此，在加工剛性較差的工件時(如磨削細長軸)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，防止因工件變形而影響加工精度。

（4）砂輪有自銳作用。在磨削過程中，磨粒有破碎產(chǎn)生較鋒利的新棱角，及磨粒的脫落而露出一層新的鋒利磨粒，能夠部分地恢復(fù)砂輪的切削能力，這種現(xiàn)象叫做砂輪的自銳作用，有利于磨削加工。

（5）能加工高硬度材料。磨削除可以加工鑄鐵、碳鋼、合金鋼等一般結(jié)構(gòu)材料外，還能加工一般刀具難以切削的高硬度材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性較大的有色金屬工件。

磨削加工與其他切削加工方式相比，還具有以下特點：

（1）磨削速度很高，每秒可達30m～50m磨削溫度較高，可達1000～1500度。磨削過程歷時很短，只有萬分之一秒左右。

（2）磨削加工可以獲得較高的加工精度和很小的表面粗糙度值。

（3）磨削不但可以加工軟材料，如未淬火鋼、鑄鐵和有色金屬等，而且還可以加工淬火鋼及其他刀具不能加工的硬質(zhì)材料，如瓷件、硬質(zhì)合金等。

（4）磨削時的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金屬層很薄。

（5）當磨削加工時，從砂輪上飛出大量細的磨屑，而從工件上飛濺出大量的金屬屑。磨屑和金屬屑都會使操作者的眼部遭受危害，塵未吸入肺部也會對身體有害。

（6）由于砂輪質(zhì)量不良、保管不善、規(guī)格型號選擇不當、安裝出現(xiàn)偏心，或給進速度過大等原因，磨削時可能造成砂輪的碎裂，從而導(dǎo)致工人遭受嚴重的傷害。

（7）在靠近轉(zhuǎn)動的砂輪進行手工操作時，如磨工具、清潔工件或砂輪修正方法不正確時，工人的手可能碰到砂輪或磨床的其他運動部件而受到傷害。

（8）磨削加工時產(chǎn)生的噪音最高可達110dB以上，如不采取降低噪聲措施，也會影響健康。

[1]2超高速磨削

超高速加工的概念是由德國切削物理學(xué)家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他發(fā)表了著名的Salomon曲線，創(chuàng)造性地預(yù)言了超越Talor切削方程式的非切削工作區(qū)域的存在，提出如能夠大幅度提高切削速度，就可以越過切削過程產(chǎn)生的高溫死谷而使刀具在超高速區(qū)進行高速切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機床生產(chǎn)率。他的預(yù)言對后來的高速甚至超高速磨削的發(fā)展指明了方向，為高速超高速磨削技術(shù)研究開辟了廣闊的空間，對于高速超高速磨削技術(shù)的實用化也起到了直接的推動作用。將砂輪線速度大于150m/s的磨削稱為超高速磨削，超高速磨削既能獲得高效率，又能達到高精度，能對各種材料和形狀進行高效率精密加工。因此，使用超硬磨料磨具的超高速磨削技術(shù)是最新的高效率磨削技術(shù)，是先進制造學(xué)科的前沿技術(shù)。

[1]2.1超高速磨削砂輪技術(shù)

高速超高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導(dǎo)熱性，而且其機械強度必須能承受高速超高速磨削時的切削力等。高速超高速磨削時砂輪主軸高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力會導(dǎo)致普通砂輪迅速破碎，因此必須采用基體本身的機械強度、基體和磨粒之間的結(jié)合強度均極高的砂輪。

超高速砂輪中間是一個高強度材料的基體圓盤，大部分實用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。在基體周圍僅僅粘覆一薄層磨料。粘覆磨料使用的結(jié)合劑有樹脂、金屬和電鍍?nèi)N，其中以單層電鍍用的最多。這是因為它的粘結(jié)強度高，易于做出復(fù)雜的形狀，使用中不需要修整，而且基體可以重復(fù)使用。近幾年，美國諾頓（Norton）公司還使用銅焊接法替代電鍍研制出砂輪的磨粒突出比已達到70～80%，結(jié)合劑抗拉強度超過了1533N/mm2，獲得更大的結(jié)合劑強度和容屑空間。

日本Noritake公司推出一種被稱為CFRP的碳纖維復(fù)合樹脂基體材料，其比彈性是鋼的2.1倍，密度和熱膨脹系數(shù)分別是鋼的1/5 和1/12。使用這種材料基體所做的超高速砂輪的磨料層厚5mm，使用樹脂結(jié)合劑，它與基體之間用一層氧化鋁陶瓷過渡。這種砂輪已較多地應(yīng)用于日本生產(chǎn)的超高速磨床，使用效果也很好。

高速超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪，使用速度可達125m/s。單層電鍍 CBN砂輪的使用速度可達250m/s，試驗中已達340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達200m/s。同其他類型的砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪易于修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比，陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率。陶瓷結(jié)合劑砂輪結(jié)構(gòu)特點，使得修整后容屑空間大，修銳簡單，甚至在許多應(yīng)用情況可以不修銳。美國Norton公司研究出一種借助化學(xué)粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脫落，其結(jié)合劑抗拉強度超過1553N/mm2（電鍍鎳基結(jié)合劑為345～449N/mm2）。我國的南京航空航天大學(xué)已成功地研制高溫釬焊單層超硬磨料砂輪以減少磨削熱，增加磨削比，取得了較好的效果。阿亨工業(yè)大學(xué)在其砂輪的鋁基盤上使用溶射技術(shù)實現(xiàn)了磨料層與基體的可靠粘接。

[3]

[1][1]

[1]2.2快速點磨削技術(shù) 快速點磨削是由德國Junker公司Erwin Junker先生于1994年開發(fā)并取得專利的一種先進的超高速磨削技術(shù)。它集成了超高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先進技術(shù)，具有優(yōu)良的加工性能，是超高速磨削技術(shù)在高效率、高柔性和大批量生產(chǎn)高質(zhì)量穩(wěn)定性方面的又一新發(fā)展。該工藝主要用于軸、盤類零件加工。其CBN或人造金剛石超硬磨料砂輪軸線在水平和垂直方向與工件軸線形成一定傾角，使用薄砂輪與工件形成小面積點接觸，綜合利用連續(xù)軌跡數(shù)控技術(shù)，以超高速度磨削，可以合并車磨工序。它既有數(shù)控車削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂輪壽命長，質(zhì)量非常穩(wěn)定，是新一代數(shù)控車削和超高速磨削的極佳結(jié)合，成為超高速磨削的主要技術(shù)形式之一。

德國目前在這項新技術(shù)的研究開發(fā)上處于領(lǐng)先地位。目前已在國外汽車工業(yè)、工具制造業(yè)中得到應(yīng)用, 尤其是在汽車零件加工領(lǐng)域，即齒輪軸或凸輪軸等。這些零件大都包括切入、軸頸、軸肩、偏心及螺紋磨削過程，應(yīng)用此項工藝可以通過一次裝夾而實現(xiàn)全部加工，大大提高了零件加工精度及生產(chǎn)率。

快速點磨削的磨削過程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術(shù)特征如下：

（1）快速點磨削通過數(shù)控系統(tǒng)控制砂輪軸線在垂直方向與工件軸線的偏角為±0.5°(圖 1）在水平方向根據(jù)工件母線特征在0～30°范圍內(nèi)變化，最大限度減小砂輪/工件接觸面積和避免砂輪端面與工件臺肩干涉。砂輪動平衡可在機自動完成，徑向跳動精度在0.002mm內(nèi)。

（2）快速點磨削采用厚度為4～6mm的超硬磨料薄砂輪，并采用 “三點定位安裝系統(tǒng)”專利技術(shù)快速安裝，重復(fù)定位精度高，并可解決離心力造成的漲孔問題。

（3）為獲得高磨除率和不使砂輪產(chǎn)生過大離心力，工件也作高速相對旋轉(zhuǎn)（最高可達12000r/min），實際磨削速度是砂輪和工件兩者速度的疊加，達到200m/s-250m/s。

（4）磨削外圓時材料去除主要靠砂輪側(cè)邊完成，而周邊僅起光磨作用。因此，砂輪圓周磨損極慢，使用壽命長（最長可達1年），磨削比可達16000～60000，一片“快速點磨”砂輪可磨去數(shù)噸鋼，砂輪修整率低（每次修整可加工2×105個零件），生產(chǎn)效率比普通磨削提高6倍。

（5）裝有兩坐標數(shù)控金剛石滾輪修整器，在砂輪寬度方向磨損達10%以上時自動精確修整，避免過早修整以控制成本。

（6）砂輪與工件接觸面積小，磨削力大大降低、磨削熱少，同時砂輪薄、冷卻效果好，因此磨削溫度大為降低，甚至可以實現(xiàn)“冷態(tài)”加工，提高了加工精度和表面質(zhì)量。

（7）由于磨削力極小，靠頂尖摩擦力即能使方便夾緊工件，被稱為“頂尖磨削”和“削皮磨削”。

（8）由于采用 CNC 實現(xiàn)復(fù)雜表面磨削，一次安裝后可完成外圓、錐面、曲面、螺紋、臺肩和溝槽等所有外形加工。它還可以使車磨工序合并，進一步提高加工效率。

（9）使用高速磨削油噴注進行冷卻。由于高速旋轉(zhuǎn)砂輪將磨削油甩成油霧，加工必須

[4]

[4]在封閉環(huán)境中自動進行，并需配有吸排風系統(tǒng)和高效率磨屑分離與油氣分離單元。用快速點磨削方法磨削主軸，裝夾一次可完成外圓、軸肩、溝槽和緊固螺紋4個部位的磨削；磨凸輪軸，裝夾一次可完成軸頸、止推面肩部和端部外徑3個部位的全部磨削，尺寸精度達到IT6，Ra≤0.8μm，周期時間150s，與傳統(tǒng)工藝比較，大大節(jié)約了成本。

[9]

圖1 快速點磨削接觸區(qū)

2.3高速超高速磨床

對于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主軸系統(tǒng)和機床的高抗振性。高速超高速加工不但要求機床有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率，而且同時要求機床工作臺有很高的進給速度和運動加速度，還需盡可能組合多種磨削功能，實現(xiàn)在一臺磨床上能完成所有的磨削工序，高動態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性，高度自動化和可靠的磨削過程。

[10]

磨床支承構(gòu)件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺等部件的支撐基礎(chǔ)件。要求它有良好的靜剛度、動剛度及熱剛度。對于高速超高速磨床，國內(nèi)外都有采用聚合物混凝土(人造花崗巖)來制造床身和立柱的，也有的將立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成，還有采用鋼板焊接件，并將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高其抗震性，這些都收到了很好的效果。

[11]

進給系統(tǒng)是評價高速超高速磨床性能的重要指標之一，而隨著高速高超高速加工的發(fā)展，國內(nèi)外都普遍采用了直線伺服電機直接驅(qū)動技術(shù)，高動態(tài)性能的直線電機結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)。[11]

3數(shù)控磨床

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，中、小批量零件的生產(chǎn)占產(chǎn)品數(shù)量的比例越來越高，零件的復(fù)雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通機床已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機床具有高精度、高效率、一機多用，可以完成復(fù)雜型面加工的特點，特別是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的主要功能幾乎全由軟件來實現(xiàn)，硬件幾乎能通用，從而使其更具加工柔性，功能更加強大。

[14]

數(shù)控平面磨床相對于車床，銑床等采用數(shù)控系統(tǒng)較晚，因為他對數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求。近十幾年來，借助CNC技術(shù)，磨床上砂輪的連續(xù)修整，自動補償，自動交換砂輪，多工作臺，自動傳送和裝夾工件等操作工能得以實現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)在平面磨床上逐步普及。CNC磨床在整個磨床類產(chǎn)品中已占大多數(shù)。

[14]

4精密磨削

磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分為普通磨削、精密磨削、超精密磨削加工，它們能達到的磨削精度在生產(chǎn)發(fā)展的不同時期有不同的精度范圍。

目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度為精度Rａ在0.16-1.25μｍ，加工精度大于１μｍ的磨削方法。精密磨削當前可以達到的精度一般為表面粗糙度Rａ在0.04-1.25μｍ，加工精度為1-0.5μｍ。超精密磨削是當代能達到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法，表面粗糙度可達到Rａ≤0.01μｍ，精度≤0.01μｍ，甚至進入納米級。精密與超精密磨削的機理與普通磨削有一些不同之處：

（1）超微量切除。應(yīng)用較小的修整導(dǎo)程和修整深度精細修整砂輪，使磨粒細微破碎而產(chǎn)生微刃。一顆磨粒變成多顆磨粒，相當于砂輪粒度變細，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。

（2）微刃的等高切削作用。微刃是砂輪精細修整而成的，分布在砂輪表層同一深度上的微刃數(shù)量多，等高性好，從而加工表面的殘留高度極小。

（3）單顆粒磨削加工過程。磨粒是一顆具有彈性支承和大負前角切削刃的彈性體，單顆磨粒磨削時在與工件接觸過程中，開始是彈性區(qū)，繼而是塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū)，最后是彈性區(qū)，這與切屑形成形狀相符合。超精密磨削時有微切削作用、塑性流動和彈性破壞作用，同時還有滑擦作用。當?shù)度袖h利，有一定磨削深度時，微切削作用較強；如果刀刃不夠鋒利，或磨削深度太淺，磨粒切削刃不能切入工件，則產(chǎn)生塑性流動、彈性破壞以及滑擦。

（4）連續(xù)磨削加工過程。工件連續(xù)轉(zhuǎn)動，砂輪持續(xù)切入，開始磨削系統(tǒng)整個部分都產(chǎn)生彈性變形，磨削切入量（磨削深度）和實際工件尺寸的減少量之間產(chǎn)生差值即彈性讓刀量。此后，磨削切入量逐漸變得與實際工件尺寸減少量相等，磨削系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。最后，磨削切入量到達給定值，但磨削系統(tǒng)彈性變形逐漸恢復(fù)為無切深磨削狀態(tài)。

[18]

[18]

5刀具材料

切削加工是工業(yè)生產(chǎn)中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效率、成本和能源消耗。提高加工效率將會帶來巨大的社會、經(jīng)濟效益。前北美機械工程師協(xié)會主席Hom曾說“每節(jié)省加工工時一分鐘，美國就可節(jié)省一億美元”可見提高加工效率對國民經(jīng)濟具有十分重要的意義。陶瓷刀具由于高溫性能好，其切削速度可比傳統(tǒng)刀具提高3-10 倍，因而可以在現(xiàn)有的廠房、設(shè)備、動力條件下，使產(chǎn)品產(chǎn)量成倍增長，大幅度提高社會生產(chǎn)力。其次，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，越來越多地采用超硬難加工工件，以提高機器設(shè)備的使用壽命和工作性能。有資料介紹，難加工材料己超過43%。這些難加工材料的采用，給制造技術(shù)帶來很大的困難，傳統(tǒng)刀具是難以對付的，往往要采用費時費電的退火加工和磨加工等方法。新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93-95)，因而可以加工硬度高達HRC65的各類難加工材料，免除退火加工所消耗的電力和時間;可以提高工件的硬度，延長機器設(shè)備的使用壽命。第三，硬質(zhì)合金刀具大量消耗著W、Co等戰(zhàn)略性貴重金屬，節(jié)約這些資源是各國的基本政策，而廣泛采用陶瓷刀具則是有效措施。陶瓷刀具的主要原料二氧化硅和三氧化二鋁是地殼中最豐富的成分，是取之不盡，用之不竭的資源。

[20]

6結(jié)論

伴隨著我國機械制造業(yè)不斷發(fā)展進步，我國的磨削加工制造技術(shù)也在不斷地向前發(fā)展，本文中介紹了超高速磨削相關(guān)技術(shù)、精密磨削技術(shù)、數(shù)控磨床在實際中的應(yīng)用和磨削用刀具材料的發(fā)展，文章主要借鑒近幾年發(fā)表的文章對目前磨削加工技術(shù)發(fā)展作了簡要的介紹。對于生產(chǎn)實際也有一定的借鑒意義。

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第三篇：淺談磨削發(fā)展與應(yīng)用

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摘要：高速及強力磨削是在現(xiàn)代機械制造中發(fā)展起來的一項先進加工工藝。在保證零件加工質(zhì)量的前提下，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，是國內(nèi)外現(xiàn)代機械加工工藝的主要發(fā)展方面方向之一。

關(guān)鍵詞:高速磨削；強力磨削；磨削效率

高效率是國內(nèi)外機械加工的主要發(fā)展方向之一。提高效率的重要方法，是提高切削，磨削速度及增大進給量。目前高速磨削已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，普遍認為50~80m/s的高速磨削是經(jīng)濟可行的。最高磨削速度已達到120m/s，試驗室的速度已達到210~250m/s。現(xiàn)在有的工件的實際磨削速度可以提高到300m/s。目前正朝著高速度磨削、強力磨削，高速強力磨削力一向發(fā)展。

1高速磨削

高速磨削是指砂輪線速度在45米/秒以上的磨削力一法。高速磨削是提高磨削效率的重要途經(jīng)之一。

1.1 高速磨削的特點

它與普通磨削相比，可以提高生效率1~3倍;由于磨削速度的提高，工件表面在磨粒犁耕后所形成的隆起高度減小，因而使磨削的表面粗糙度減小;砂輪的壽命提高1倍左右;磨削力下降40%左右，加工的精度相應(yīng)也提高。

1.2 高速磨削必須采取的措施

使用高速砂輪;使用高速磨床;采用自動上料、自動檢測裝置以減小輔助時間。

1.3 高速磨削的發(fā)展與應(yīng)用

近年來，國內(nèi)外高速磨床品種已有外圓磨床、曲軸磨床、凸輪磨床，軸承磨床、平面磨床，內(nèi)圓磨床等。工業(yè)發(fā)達的國家在推廣采用45~60m/s的高速磨削，80~150m/s的高速磨削已在一些國家開始應(yīng)用。我國已生產(chǎn)磨削速度為50~80m/s的外圓磨床、凹輪磨床和軸承磨床等。

目前國外高速磨削采用較多的是軸承行業(yè)磨削軸承環(huán)內(nèi)外溝，在發(fā)動機行業(yè)高速磨削也得到廣泛應(yīng)用，如，美國AIM公司磨削V8發(fā)動機曲軸連桿頸用高速磨削，英國的Newall公司高速磨削鍛鋼4拐汽車曲軸。不少國家磨削曲軸還采用多砂輪高速磨削(用三、四個，甚至七、八個砂輪同時磨)，大大提高了磨削效率。

高速磨削對于多數(shù)牌號的鋼材是適用的，但對磨削時易產(chǎn)生裂紋的材料，如欽合金，耐熱合金則不適用。對于某些材料，如，不銹鋼，當砂輪線速度高于45m/s時，磨削效率反而下降。

由于高速磨削對機床、砂輪、冷卻和安全技術(shù)力一面都有特殊要求，這將增加機床成本。因此，目前高速磨削還只是在少數(shù)工件上使用。

2強力磨削

強力磨削是指大進給量或大磨削深度，以提高金屬去除率的力一法。

2.1主要特點

它可以代替一部分車削、銑削和刨削等;強力磨削應(yīng)用適當時，可以直接從毛坯磨成成品，粗精加工一次完成;加工效率可提高4~5倍;可以減少加工設(shè)備，節(jié)省由于不同加工工序所需要的裝卸調(diào)整等輔助時間;它不受工件表面條件(如銹、硬點、斷續(xù)表面等)以及材料硬度，韌性的限制;加工精度和表面粗糙度小。

2.2 強力磨削的應(yīng)用

目前國內(nèi)外強力磨削已應(yīng)用到平面磨、外圓磨等磨床上。強力磨削采用較多的是主軸圓臺平面磨床。切入式外用圓磨床及端面外圓磨床。磨床功率73.5~110.3kW；主軸平面磨床最大功率為220.5kW，可能出現(xiàn)730kW的機床，生產(chǎn)率達到500~600cm /min,每小進金屬切除率（270~320）kg，一次切深最大可達37mm。

強力磨削在兵器工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。美國的M60A1中型坦克車體兩側(cè)安裝12個扭力軸的傾斜基面是與車體底部澆濤在一起的，用一般切削力一法難以加工，采用強力磨削解決了加工困難，是用兩合Merairg強力磨床同時在兩側(cè)加工，去除余量為6.35mm，每臺磨床功率為110.25kW，采用直徑為762mm，厚度為203mm的多級砂輪。

美國華特弗里特兵工廠加工105mm坦克加農(nóng)炮的炮門握柄采用強力磨削，毛坯是4340炮鋼(即40GNiMoA)，硬度HKC42，以前采用普通車削、切檀和磨削加工，需要分五次加工，時間為75min，現(xiàn)在用強力磨削一次加工完成，時間只需7~l0min；175mm野戰(zhàn)炮的緊塞軸用力磨削加工，毛坯為4340鋼鍛體，一般加工力一法需車直徑、車檀和倒角，時間為3小時巧分鐘，改用強力磨削只需40min，磨削時所采用的砂輪線速度為38m/s.3高速強力磨削

這是具有上述兩種磨削特點的方法

3.1高速強力磨削的應(yīng)用

可用于磨削外圓及平面，主要是用切入式磨削法磨削圓柱形零件外圓型面、溝槽、多直徑臺階?？蓪⒁话丬囅骷澳ハ鞴ば蚝喜橐坏拦ば?。工件的余量一般在1.3~2.5mm，表面粗糙度Ra為超過6.3微分，精度不超過±0.076mm。目前高速強力磨削已在生產(chǎn)中得到一些應(yīng)用。例如:磨削汽車齒輪軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)及耐熱合金透平葉片根部榫齒輪等。

上述高速磨削及強力磨削多在精密鑄造，鍛件的大批量生產(chǎn)或中小批類似零件生產(chǎn)和自動化程度較高的機床上推廣使用。

3.2高速強力磨削的不是及其解決的措施

由于磨削速提高，功能增大，出現(xiàn)了振動加劇，熱量增加等問題，?？刹捎孟铝写胧﹣斫鉀Q。

砂輪力一面主要是提高強度。①采用細粒度磨料;②采用結(jié)合性能強的結(jié)合劑，如，加硼陶瓷結(jié)合劑，硼玻璃結(jié)合劑等;③采用中心孔局部增強砂輪或改變砂輪結(jié)構(gòu)，如，無中心孔砂輪和砂瓦組合砂輪。立力一氮化硼砂輪已有應(yīng)用。砂輪修整多采用金剛石滾輪。

機床力一面主要是加強剛性。采用靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌、改進主軸和床身剛性，采用砂輪平衡和自動平衡裝置。

冷卻力一面。為了粉碎氣流采用特殊冷卻噴咀，使氣流產(chǎn)生偏析;采用高壓冷卻，增加冷卻液流量和容量。研究新成份油劑冷卻或在水劑中加入添加劑以提高冷卻效果。

3.3 安全防護力一面普遍是加厚砂輪罩殼厚度，采用半封閉或全封閉罩殼，罩殼內(nèi)填充塑料，橡膠襯墊，采用自動關(guān)閉砂輪罩殼等。結(jié)束語

總之，高速及強力磨削作為一項新興的加工工藝，其發(fā)展歷史還很短暫，涉及到的相關(guān)技術(shù)還較多，存在的難題也較多。但相信在廣大科技人員的不斷探討、研究之下，高速及強力磨削高效率的新興。

第四篇：五金模具高速加工技術(shù)應(yīng)用范圍介紹

五金模具高速加工技術(shù)應(yīng)用范圍介紹

[日期：2005-5-17] 來源：中國模具資源網(wǎng)作者：admin [字體：大 中 小]粗加工模具粗加工的主要目標是追求單位時間內(nèi)的材料去除率，并為半精加工準備工件的幾何輪廓。

在切削過程中因切削層金屬面積發(fā)生變化，導(dǎo)致刀具承受的載荷發(fā)生變化，使切削過程不穩(wěn)定，刀具磨損速度不均勻，加工表面質(zhì)量下降。目前開發(fā)的許多CAM軟件可通過以下措施保持切削條件恒定，從而獲得良好的加工質(zhì)量。恒定的切削載荷。通過計算獲得恒定的切削層面積和材料去除率，使切削載荷與刀具磨損速率保持均衡，以提高刀具壽命和加工質(zhì)量。避免突然改變刀具進給方向。

避免將刀具埋入工件。如加工模具型腔時，應(yīng)避免刀具垂直插入工件，而應(yīng)采用傾斜下刀方式(常用傾斜角為20°～30°)，最好采用螺旋式下刀以降低刀具載荷；加工模具型芯時，應(yīng)盡量先從工件外部下刀然后水平切入工件。刀具切入、切出工件時應(yīng)盡可能采用傾斜式(或圓弧式)切入、切出，避免垂直切入、切出。采用攀爬式切削(Climb cutting)可降低切削熱，減小刀具受力和加工硬化程度，提高加工質(zhì)量。

半精加工模具半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整，表面精加工余量均勻，這對于工具鋼模具尤為重要，因為它將影響精加工時刀具切削層面積的變化及刀具載荷的變化，從而影響切削過程的穩(wěn)定性及精加工表面質(zhì)量。粗加工是基于體積模型(Volume model)，精加工則是基于面模型(Surface model)。

而以前開發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)對零件的幾何描述是不連續(xù)的，由于沒有描述粗加工后、精加工前加工模型的中間信息，故粗加工表面的剩余加工余量分布及最大剩余加工余量均是未知的。因此應(yīng)對半精加工策略進行優(yōu)化以保證半精加工后工件表面具有均勻的剩余加工余量。

優(yōu)化過程包括：粗加工后輪廓的計算、最大剩余加工余量的計算、最大允許加工余量的確定、對剩余加工余量大于最大允許加工余量的型面分區(qū)(如凹槽、拐角等過渡半徑小于粗加工刀具半徑的區(qū)域)以及半精加工時刀心軌跡的計算等?，F(xiàn)有的模具高速加工CAD/CAM軟件大都具備剩余加工余量分析功能，并能根據(jù)剩余加工余量的大小及分布情況采用合理的半精加工策略。如Open Mind公司的Hyper Mill和Hyper Form軟件提供了束狀銑削(Pencil milling)和剩余銑削(Rest milling)等方法來清除粗加工后剩余加工余量較大的角落以保證后續(xù)工序均勻的加工余量。Pro/Engineer軟件的局部銑削(Local milling)具有相似的功能，如局部銑削工序的剩余加工余量取值與粗加工相等，該工序只用一把小直徑銑刀來清除粗加工未切到的角落，然后再進行半精加工；如果取局部銑削工序的剩余加工余量值作為半精加工的剩余加工余量，則該工序不僅可清除粗加工未切到的角落，還可完成半精加工。

精加工模具的高速精加工策略取決于刀具與工件的接觸點，而刀具與工件的接觸點隨著加工表面的曲面斜率和刀具有效半徑的變化而變化。對于由多個曲面組合而成的復(fù)雜曲面加工，應(yīng)盡可能在一個工序中進行連續(xù)加工，而不是對各個曲面分別進行加工，以減少抬刀、下刀的次數(shù)。然而由于加工中表面斜率的變化，如果只定義加工的側(cè)吃刀量(Step over)，就可能造成在斜率不同的表面上實際步距不均勻，從而影響加工質(zhì)量。

Pro/Engineer解決上述問題的方法是在定義側(cè)吃刀量的同時，再定義加工表面殘留面積高度(Scallop machine)；Hyper Mill則提供了等步距加工(Equidistant machine)方式，可保證走刀路徑間均勻的側(cè)吃刀量，而不受表面斜率及曲率的限制，保證刀具在切削過程中始終承受均勻的載荷。一般情況下，精加工曲面的曲率半徑應(yīng)大于刀具半徑的1.5倍，以避免進給方向的突然轉(zhuǎn)變。在模具的高速精加工中，在每次切入、切出工件時，進給方向的改變應(yīng)盡量采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接，避免采用直線轉(zhuǎn)接，以保持切削過程的平穩(wěn)性。

進給速度的優(yōu)化目前很多CAM軟件都具有進給速度的優(yōu)化調(diào)整功能：在半精加工過程中，當切削層面積大時降低進給速度，而切削層面積小時增大進給速度。應(yīng)用進給速度的優(yōu)化調(diào)整可使切削過程平穩(wěn)，提高加工表面質(zhì)量。切削層面積的大小完全由CAM軟件自動計算，進給速度的調(diào)整可由用戶根據(jù)加工要求來設(shè)置。

結(jié)語：模具高速加工技術(shù)是多種先進加工技術(shù)的集成，不僅涉及到高速加工工藝，而且還包括高速加工機床、數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具及CAD/CAM技術(shù)等。模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達國家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高，大力發(fā)展和推廣應(yīng)用模具高速加工技術(shù)對促進我國模具制造業(yè)整體技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的提高具有重要意義。

第五篇：液氮冷卻在切磨削加工中的應(yīng)用

液氮冷卻在切磨削加工中的應(yīng)用

在機械加工中普遍使用的切削液具有潤滑、冷卻、清洗及防銹等作用，對提高切磨削加工質(zhì)量和效率、減少刀具磨損等有著顯著效果，取得了巨大的經(jīng)濟效益。

隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，人們開始大力發(fā)展先進制造技術(shù)，使機床切削速度更快，切削負荷更大、切削溫度更高，同時不斷有新工藝出現(xiàn)來適應(yīng)新材料的加工，這都需要新型的高性能切削液滿足加工要求；但更重要的是，環(huán)境保護和人類自身健康越來越為人們注意的焦點，清潔生產(chǎn)、綠色制造已成為發(fā)展先進制造技術(shù)的主題之一。實踐表明，普通的切削液對生態(tài)環(huán)境和人類自身會造成諸多不良影響，已難以適應(yīng)清潔生產(chǎn)和綠色制造的要求。

因此，現(xiàn)代切削液技術(shù)出現(xiàn)了一些新的發(fā)展特點，首先是在研究開發(fā)新的切削液時，強調(diào)了長壽命、低毒和低污染，并朝著環(huán)保型切削液發(fā)展，其廢液經(jīng)處理后可完全降解，不會對自然界產(chǎn)生危害；其次是大力干切削(切削時不用切削液)的研究，擴大其使用范圍；還有就是努力尋找傳統(tǒng)切削液的替代品。用液氮作為冷卻液進行低溫加工，就是一項引起廣泛重視的研究成果。

一、液氮冷卻低溫切磨削加工的特點

利用液氮進行低溫(超低溫)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進行切削加工的方法。它可分為兩種形式應(yīng)用：一是直接應(yīng)用，即把液氮象切削液一樣直接噴射到切削區(qū)；二是間接應(yīng)用，在切削加工中用液氮冷卻刀具或工件。

機械材料的切削加工與其機械性能密切相關(guān)，而后者往往隨溫度的變化而不同。例如溫度升高時，材料的硬度下降，強度降低；溫度降低時，材料則變脆，塑性減小，有些金屬材料存在明顯的冷脆現(xiàn)象，即當溫度降低到某一臨界值時，材料無明顯的塑性變形而產(chǎn)生脆性斷裂的特性。材料發(fā)生冷脆現(xiàn)象時，其韌性大大降低，致使塑性急劇減小，當然變形所需之功也會減少。正是利用材料的低溫脆性和低溫介質(zhì)，低溫切削技術(shù)主要有三大特點，一是可改善難加工材料的切削加工性；二是能提高工件的加工精度和表面質(zhì)量；三是能延長刀具壽命。這主要因為工作溫度低，改善了材料的切削加工性，切削力降低，切削熱又被迅速帶走，刀具則始終在較低溫度下工作。

二、液氮冷卻的應(yīng)用

近年來，國外在這方面的研究已取得迅速的發(fā)展，并開始用于生產(chǎn)。國內(nèi)在開發(fā)這方面的試驗研究，并取得了一些進展。主要應(yīng)用在以下幾方面：一是具有 低溫脆性的鋼鐵等材料的切削加工；二是對一些難加工及很難加工的不銹鋼、鈦三是解決了一些非金屬材料及復(fù)合材料難加工問題。1.液氮冷卻的直接應(yīng)用

即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。氮氣是大氣中含量最多的成分，液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品來源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，沒有任何污染物，從環(huán)保方面看，是一種很好的切削液替代品。

美國懷特州立大學(xué)S.Y.Hong博士為首的課題組，在解決了液氮從貯存罐到切削區(qū)流動過程中的液氮揮發(fā)問題后，在液氮冷卻超低溫狀態(tài)下，對車削加工方法進行了廣泛的研究。他對某些刀具材料的超低溫下切削性能實驗研究結(jié)果表明，在液氮冷卻加工狀態(tài)下，硬質(zhì)合金材料能保持其抗彎強度、斷裂韌性和耐沖擊強度，其硬度隨溫度的降低而增大，因此硬質(zhì)合金刀具材料在液氮冷卻中能夠保持其優(yōu)良的切削性能，并且和在常溫下一樣，其性能決定于粘結(jié)相的數(shù)量。對于高速鋼，隨溫度的降低，其硬度增大而抗沖擊強度降低，但總體上能保持較好的切削性能。他對一些材料在低溫下提高其切削加工性進行了研究，選用了低碳鋼AISI 1010、高碳鋼AISI 070、軸承鋼AISI E52100、鈦合金Ti-6Al-4V、鑄造鋁合金A390五種材料，實驗研究表明：由于低碳鋼表現(xiàn)出良好的低溫脆性，低溫切削可獲得理想的加工效果；對于高碳鋼和軸承鋼，應(yīng)用液氮冷卻可抑制切削區(qū)溫升和刀具磨損速度；在切削鑄造鋁合金時，應(yīng)用低溫冷卻可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨損能力，在加工鈦合金時，同時低溫冷卻刀具和工件，可有效地降低切削溫度和減少鈦和刀具材料之間的化學(xué)親和力?？傊?，都獲得較好的加工效果。

一般來說，由于刀具磨損極其嚴重，金剛石刀具不能用來加工黑色金屬。美國一學(xué)者采用液氮冷卻加工系統(tǒng)對不銹鋼用金剛石刀具進行車削加工，由于低溫抑制了碳原子的擴散和石墨化，大大減少了刀具磨損，并取得了極好的加工質(zhì)量，其表面粗糙度達到Ra25nm。

磨削加工時會因磨削區(qū)高溫常常對工件表面造成熱損傷，如燒傷、微裂紋等。為有效解決這些問題，印度工學(xué)院S.Paul對液氮超低溫磨削五種常用鋼材進行了研究，結(jié)果表明：正確合理地使用液氮冷卻，可有效控制磨削區(qū)溫度，使磨削溫度保持在材料發(fā)生相變溫度之下而不發(fā)生磨削燒傷；并且在材料塑性增大和就較大進給量情況下，這種效果更加顯著。

對于非金屬材料和復(fù)合材料的液氮冷卻切削加工，國外也開展了廣泛研究。如KFRP(Kevlararamind fiber reinforced plastics)一種高強度/重量比、耐疲 合金、高強度鋼、高強度耐熱合金等材料低溫切削，可顯示其獨特的優(yōu)越性； 勞的復(fù)合材料，用傳統(tǒng)切削方法加工非常困難，限制了這種材料的使用。新西蘭學(xué)者對其進行超低溫冷卻加工，使用液氮不間斷冷卻(0.4～0.5l/min)，極大的改善了這種材料的切削加工性，不但獲得了滿意的加工表面質(zhì)量，還在很大程度上延長了刀具壽命。采用低溫切削熱固性塑料、合成樹脂、石墨、橡膠和玻璃纖維等材料時也均顯示出良好的切削性能。

由此可見，在有關(guān)法規(guī)越來越嚴格，切削液使用和處理費用日益升高的情況下，液氮確實是一種未來切削加工中比較有效和經(jīng)濟的切削液替代品。

2.液氮冷卻的間接利用

主要是刀具冷卻法，即在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速從刀具上、特別是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在低溫狀態(tài)下工作。美國林肯大學(xué)的學(xué)者，利用山特維克公司生產(chǎn)的一種配備新型冷卻系統(tǒng)的CBN(PCBN)刀具進行試驗研究，這種刀具是在車刀上部的方盒內(nèi)儲存液氮，由進口輸入，從出口流出。試驗表明，液氮冷卻時，車刀切削壽命延長10倍，磨損降低1/4，并可獲得較小的表面粗糙度。

還有一種特殊的間接利用方法為噴氣冷卻。日本一些學(xué)者研制出噴氣冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)使用的冷卻氣體是由液氮在熱交換器中冷卻過的，其溫度低于-50℃。冷卻氣體直接噴射于磨削點。實驗發(fā)現(xiàn)磨削后工件材料的殘余壓應(yīng)力比使用磨削液磨削要大，而且殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)域也變寬了。而殘余壓應(yīng)力可提高零件的抗疲勞壽命，對一些零件，如飛機零件等十分重要。采用固體潤滑劑處理過的CBN砂輪，或加工中添加極少量(10l/h)的超精植物油，可在加工中起到較好的潤滑作用。

三、結(jié)論

利用一些鋼鐵材料的低溫脆性，進行液氮低溫切磨削加工，可提高其切削加工性，提高加工質(zhì)量。

把液氮作為切削液直接應(yīng)用，可顯著降低切削溫度，提高加工精度和表面質(zhì)量，延長刀具(砂輪)使用壽命，液氮是一種未來切磨削加工中比較有效和經(jīng)濟的切削液替代品。

使用液氮冷卻低溫(超低溫)加工，解決了一些難加工金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料的難加工問題。

利用液氮冷卻切磨削加工時，需使用一些潤滑劑解決切屑形成過程中潤滑性差的問題；同時工件上新生的金屬表面具有極強的化學(xué)活性，暴露在空氣中均會很快生銹，因此，還需使用一些防銹劑來防止工件、機床生銹。