高效深磨技術的研究張宇霖學號20155576班級：15機械設計制造及其自動化04班摘要高效深磨(HEDG-HighEfficiencyDeepGrinding術是由德國Bremen大學Werner教授于1980年創立的一種集砂輪高速度、高進給速度( )和大切深( )為一體的高效磨削技術。本文通過對高效深磨技術的研究，主要完成以下創造性工作：分析磨削過程的傳熱機制，得出高效深磨技術的基本原理：提高工件進給速度和砂輪速度，可以有效減少工件表面溫度，使高效大磨除率的磨削成為可能。針對高效深磨的特點，研究了實現高效深磨的設備，其中包括砂輪、磨床和磨削液的選擇。分析認為高效深磨目前存在的瓶頸是磨削弧區高溫和工件表面燒傷，并針對性地提出一些可能的解決方案。關鍵詞：高效深磨;基本原理;設備選擇;瓶頸;解決方案AbstractHighEfficiencyDeepGrinding(HEDG)technologyisahighwheelspeed,highfeedrate(0.5~10m/min)andlargecuttingdepth(0.1~30mm),whichwasfoundedin1980byProfessorWernerofBremenUniversityinGermany.BasedonthestudyofHEDGtechnology,followingcreativeworkinthispaperarecarriedout.Throughanalyzingtheheattransfermechanismofthegrindingprocess,thefollowingbasicprincipleofHEDGtechnologyisobtained:Improvingtheworkpiecefeedrateandwheelspeedcaneffectivelyreducetheworkpiecesurfacetemperature,sothattheefficientgrindingbecomespossible.InviewofthecharacteristicsofHEDG,theequipmentswhichcanapplyforHEDGisstudied,includingtheselectionsofgrindingwheel,grindingmachineandgrindingfluid.ItisconcludedthatthebottlenecksofHEDGisthehightemperatureofgrindingareaandtheburningofworkpiecesurface,sothatputingforwardsomepossiblesolutions.KeyWords:HighEfficiencyDeepGrinding(HEDG);basicprinciple;equipmentselections;bottlenecks;possiblesolutions目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1引言 1\o"CurrentDocument"2高效深磨的原理 2\o"CurrentDocument"2.1工件進給速度對工件表面溫度的影響 2\o"CurrentDocument"2.2砂輪速度對工件表面溫度的影響 3\o"CurrentDocument"3高效深磨的設備選擇 4\o"CurrentDocument"3.1砂輪的選擇 4\o"CurrentDocument"3.2磨床的選擇 5\o"CurrentDocument"3.3磨削液的選擇 6\o"CurrentDocument"4高效深磨的瓶頸和對策 7\o"CurrentDocument"4.1高效深磨目前的瓶頸 7\o"CurrentDocument"4.2解決高效深磨瓶頸可能對策 8\o"CurrentDocument"5結語 8\o"CurrentDocument"參考文獻 101引言磨削是一種精密加工方法，往往作為機械加工的最后一道工序，從而最終保證零件所要求的尺寸和形狀精度以及零件的表面完整性。一般來講，磨削的加工余量是很小的、低效率的，這主要是由于磨削工藝本身是近幾年才迅速崛起的一項高新技術。早在本世紀30年代和40年代，人們就開始對如何提高磨削效率進行研究，并取得了積極的成果［1］。高效深磨（HEDG-HighEfficiencyDeepGrinds術是由德國Bremen大學Werner教授于1980年創立的一種集砂輪高速度、高進給速度（ ）和大切深（ ）為一體的高效磨削技術［2,3］。它打破了傳統的磨削觀念，使磨削不再局限于傳統上的精密加工范疇，可以通過一個磨削行程，完成過去由車、銑、磨等若干工序組成的粗、精加工過程。從操作方法和最大可能達到的材料磨除率的不同，平面磨削可以細分為三種性質不同的技術:傳統（往復）磨削、緩進磨削和高效深磨。現將這三種不同的磨削技術的主要特性對比如下，見表d。表1三種不同磨削技術的主要特性傳統磨削緩進磨削高效深磨磨削深度（）0.001?0.050.1?300.1?30工件進給速度（)1?300.05?0.50.5?10砂輪速度（)20?6020?6080?200單位金屬磨除率（)0.1?100.1?1050?2000由表1可見，高效深磨是使用較高的砂輪速度和較大材料切除率的一種緩進磨削的形式。它是緩進磨削和高速磨削的結合，因而可

以獲得遠高于一般切削加工的金屬磨除率，磨后表面質量也可達到與傳統磨削方式相當的水平⑸。2高效深磨的原理1=-在普通的緩進磨削中，以較低的工件速度進行加工，磨削效率較低，如要提高金屬磨除率而其它的條件都保持不變，就要提高工件速度和切削深度，這樣很難散發因磨削而產生的熱量和不能得到持續散發熱量的時間，其結果是對工件產生熱損傷。這就是在普通緩進磨削中不能獲得更高金屬磨削率的主要原因⑹。高效深磨與緩進磨削相反，其加工中的能量在短時間內轉化為熱量而被傳散，且同時為降低熱能量傳給加工零件，工作臺快速進給（即工件進給速度快）。砂輪高速轉動，工件快速進給，砂輪很快與磨削區脫離，熱量主要傳散到切屑與磨削液。因此，提高工件進給速度和砂輪速度，可以有效減少工件表面溫度，使高效大磨除率的磨削成為可能。2.1工件進給速度對工件表面溫度的影響圖1是高效深磨的單位金屬磨除率、工件進給速度與工件表面溫度t的關系。

Oj-Vwb0-^3000W：=3rrrrOj-Vwb0-^3000;耳:=由口「平-涌nrnQ K> ICC O 3K CT 3W aa ?■ TO單位金■磨漆窣8（irini習mm，&）圖1單位金屬磨除率、工件進給速度與工件表面溫度的關系在三種磨削深度、、 情況下，隨著單位金屬磨除率增加，即工件進給速度增加，工件表面溫度下降。隨著磨削深度增加，工件表面溫度有一定的上升傾向。但總的趨勢是隨單位金屬磨除率和工件進給速度是增加，磨削工件表面溫度t下降。2.2砂輪速度對工件表面溫度的影響圖2所示即為高效深磨中砂輪速度與工件表面溫度t的關系［7,8］，該圖用Al2O3和CBN（立方氮化硼）兩種砂輪在不同砂輪速度下研究工件表層溫度變化情況。在臨界磨削速度（ ）以下，工件表面溫度隨砂輪速度的提高而增大，這與普通磨削和緩進磨削的情況是一致的；但當砂輪速度在高于臨界速度后繼續提高時，表面溫度則隨之下降，在臨界磨削速度處，表面磨削溫度達到最大值。tT--CBN舔耗60【g18fiK/rin-s'j（Z/"LOftw3^J,tv*5.袖鏈磨自睡）圖2砂輪速度與工件表面溫度的關系砂輪速度增大而引起工件表面溫度的上升，是因為摩擦力增加的結果。當砂輪速度增大時，由每個與工件接觸的切削刃切去的材料減小，即切削厚度減小；又由于切削刃與工件接觸的頻率較高，故摩擦增加。這種傾向一直延續到砂輪速度達到某一定值為止。當砂輪速度超過某一定值后，摩擦才開始減小，之后隨著砂輪速度的提高而工件表面溫度隨之而降低。3高效深磨的設備選擇3?1砂輪的選擇這里主要討論的是在高效深磨中如何正確地選擇砂輪的磨料、濃度和粒度。CBN磨料由于具有高的硬度，極大的抗磨損能力，高的熱和化學穩定性，故它是高效深磨最理想的磨料。較大濃度的砂輪是用于大的單位材料磨除率的基本條件，因為較大的濃度意味著有較多的動態切削刃和較薄的切屑，這就使得在大的材料磨除率時磨削力減小。電鍍砂輪既具有大的濃度又具有最大的容屑空間,故在高效深磨中，電鍍立方氮化硼砂輪是最優的選擇。砂輪粒度的粗細對磨削結果有直接影響。立方氮化硼砂輪的粒度和磨削力之間的關系曲線如圖3所示。n 1Ki 333 TO 6D0 KOG；S\fr：I.?'：!圖3CBN砂輪的粒度與磨削力關系曲線圖中清楚的見到：較粗和較細粒度的砂輪都會產生較大的磨削力。從理論上來說，大的磨削力會使砂輪產生較大的磨損，產生更明顯的形狀誤差以及較高的切削溫度。因此，用中等粒度砂輪能達到所要求的表面粗糙度的話，就不必用較粗或較細粒度的CBN砂輪。3.2磨床的選擇高效深磨所用的磨床除應具有高的砂輪速度、大的工作臺速度和磨削深度外，還必須具有下列一些特殊的要求：首先最重要的是要有性能良好的主軸系統。對于高速旋轉下的砂輪主軸系統，應滿足以下要求［9：①低摩擦、低溫升、低功耗；②高壽命；③高的徑向、軸向剛度；④高的回轉精度；對于滾動軸承，為減小球的速度，在高速軸上一般要求選擇小軸承。高功率主軸則要求大軸承以增強剛度,但一般在低速下回轉。高效深磨主軸系統則要求兩者結合起來。陶瓷球具有重量輕、熱膨脹小、硬度高、耐高溫、彈性模量高等特點，選用陶瓷球和鋼制軸承內外圈的混合軸承可使其壽命提高倍，極限轉速增，而溫升降低[10]o此外，磨床還需具備下述條件：有良好的機床控制系統；有高的剛度及堅固的結構；有合理的磨削液供給系統；有砂輪的綜合平衡系統；附有良好的調整和微量修整砂輪的裝置。滿足上述要求的磨床，就可以實施高效深磨工藝。一般要求的機床主軸驅動動力大于緩進給磨削的倍，如用直徑的砂輪，至少需要用功率。3.3磨削液的選擇在高效深磨中，磨削液通常采用高壓噴嘴進行供液。磨削區內充分的磨削液的供應，既可以提供散熱冷卻作用，將磨削熱從磨削區內帶走；也可以提供潤滑功能，減少砂輪和工件間的摩擦力，并降低比磨削能[11]。為了減少磨削液對砂輪的制動功率損失，目前壓力在幾至幾十兆帕的清洗液、壓力為的冷卻液已在不少場合下應用成功。在歐洲主要使用純油，而在日本則以水基磨削液較多，同時更多地使用直角噴嘴設計，有效地隔斷了砂輪外周的空氣流，其效果非常明顯。4高效深磨的瓶頸和對策4.1高效深磨目前的瓶頸高效深磨技術實用化的成功以及已經達到的水平,無疑是令人鼓舞的。不過在充分肯定成績的同時，仍應清醒地看到，到目前為止國內外為發展高效深磨所做的工作事實上仍存在很大的局限性，在推廣應用中也還存在許多問題,最為突出的關鍵問題（瓶頸）是磨削弧區高溫和工件表面燒傷[12]高效深磨時砂輪線速度的提高，雖然可以增加砂輪的動態鋒利度并可以收到諸如增加單位時間內參與切削的磨粒數，降低單顆磨粒臨界切厚等效果。但無可否認，它同時也帶來了空載功耗急劇增加（可達磨削有效功率的4倍以上）、磨削弧區高溫、工件特別是難加工材料工件燒傷等一系列難于解決的問題。眾所周知，傳統的砂輪并不是一種適于高效去除金屬的工具，磨削一般總要消耗比切削高得多的能量,以去除單位體積碳鋼計算，磨削比能常高達 以上，而切削比能僅在 以下。磨削時額外消耗的大量能量最終幾乎都轉化成了熱量,正是磨削的這種極其顯著的熱效應嚴重危及到被磨零件的表面完整性從而直接制約了高效深磨所可能達到的極限金屬磨除率。4.2解決高效深磨瓶頸可能對策解決高效深磨的瓶頸，大幅度提高不發生燒傷的材料極限磨除率,總不外乎兩種基本對策。一是盡可能提高砂輪的鋒利度以大幅度降低磨削比能，減少產生的磨削熱。為使產生的磨削熱最少就應該力求確保磨削比能最少。因為事實上除了速度以外,諸如砂輪結構、工作面地貌、磨粒的排布及裸露高度等都可以對磨削比能產生顯著影響。因此，確保砂輪表面磨料相對有序合理排布至關重要。因為磨料的相對有序排布可提高砂輪的動靜態鋒利度,增大容屑空間，降低磨削比能,使設計制造的砂輪更能夠適應高效磨削工藝的要求。二是盡可能強化弧區換熱效果以最大限度地疏導已經產生的積聚在弧區的磨削熱。在砂輪與用量組合條件已定，磨削比能不可能再有大的改善的情況下，弧區換熱效率便是決定材料磨除率的第一要素。因此弧區強化傳熱技術上的任何突破都足以改變高效深磨工藝的現狀，使材料磨除率躍登上更高的臺階。為了實現弧區的強化換熱，若能構思出一項可望從根本上強化弧區換熱過程的獨創構想，就有條件可以將弧區換熱提高到一個全新的水平上,并有效地避免和抑制燒傷。5結語高效深磨技術是先進的制造技術，徹底解決了傳統磨削加工高精度、低效率的加工局限，在獲得高效率、高精度的同時，又能對各種材料和形狀進行高表面完整性加工并降低成本。在我國現有條件下，大力加強高效深磨技術的研究、推廣和應用，對提高我國機械制造業的加工水平和加快新產品開發具有十分重要的意義。如今超硬材料的應用日益廣泛，實施高效深磨是加工超硬材料和難切材料的優選加工工藝。由于超硬磨料磨具的應用，高速、大功率精密機床及數控技術發展、新型磨削液和砂輪修整等相關技術的發展和磨削自動化和智能化等技術的發展，使高效深磨在機械制造領域具有更加重要的地位，具有很好的發展前景。研究透徹高效深磨的原理，合理選擇適當的設備，發現高效深磨的瓶頸并思考相應的對策，就能使用和發展這一技術造福人類。參考文獻[1宋貴亮，劉文志，蔡光起.高效深磨的最新發展與技術分析[J].機械制造,1996(9).6-8WernerPG.Thenew