超高速加工学习.pptx

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1、 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述磨削技术概述磨削技术概述按砂轮线速度按砂轮线速度VsVs的高低将磨削分为普通磨削的高低将磨削分为普通磨削(Vs(Vs45 45 m/s)m/s)、高速磨削、高速磨削 (45Vs(45Vs150 m/s)150 m/s)、超高速磨削、超高速磨削(Vs150 m/s)(Vs150 m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削(加工精度加工精度1m1m0.1m0.1m、表面粗糙度、表面粗糙度Ra0.2mRa

2、0.2m0.1m)0.1m)、超精密、超精密磨削磨削(加工精度加工精度0.1m,0.1m,表面粗糙度表面粗糙度Ra0.025m)Ra0.025m)。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨削按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削削(HEDG)(HEDG)、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。削。第1页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Techno

3、logy 一、概述一、概述磨削技术会不断地发展的主要原因磨削技术会不断地发展的主要原因加工精度高：加工精度高：由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切产生加工应力；磨具对断续切 削、工件硬度的变化不很敏感；砂轮削、工件硬度的变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高的加工精可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高的加工精 度。度。加工效率高：加工效率高：如缓进给深磨，一次磨削深度可达到如

4、缓进给深磨，一次磨削深度可达到0 025mm25mm，如将砂，如将砂轮修轮修 整成所需形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当整成所需形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当VsVs进一步进一步提高后，其加工效率则更高。提高后，其加工效率则更高。工程材料不断发展：工程材料不断发展：许多材料许多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等如陶瓷材料、玻璃材料等)在工业中在工业中的应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技的应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相适应。术及磨削工艺与之相适应。新的磨料磨具：新的磨料磨具：如人造金刚石砂轮、如人造金刚石砂轮、CBNCBN砂

5、轮的出现，扩大了磨削加砂轮的出现，扩大了磨削加工的应用范围。工的应用范围。相关技术的发展：相关技术的发展：如砂轮制造技术、控制技术、运动部件的驱动技如砂轮制造技术、控制技术、运动部件的驱动技术、支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的发展。术、支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的发展。第2页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述磨削技术的新进展磨削技术的新进展精密磨削和超精密磨削精密磨削和超精密磨削目前作为传统精密加工方法的磨削正在向超精密磨削、目前作为传统精密加工方法

6、的磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和抛光等方向发展。精密和超精密磨削的关超精密研磨和抛光等方向发展。精密和超精密磨削的关键是最后一道工序，要从工件表面降去一层小于或等于键是最后一道工序，要从工件表面降去一层小于或等于工件最后精度等级的表面层。因此，要实现精密或超精工件最后精度等级的表面层。因此，要实现精密或超精密磨削，首先要减少磨粒单刃切除量，而使用微细或超密磨削，首先要减少磨粒单刃切除量，而使用微细或超微细微粉的磨粒是减少单刃切除量的最有效途径。微细微粉的磨粒是减少单刃切除量的最有效途径。实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制高速高精度实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制高速高精度的磨床主

7、轴、导轨与微进给机构，精密的磨具及其平衡的磨床主轴、导轨与微进给机构，精密的磨具及其平衡与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。第3页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述新型磨料品种新型磨料品种SGSG磨料：磨料：由亚微米级的由亚微米级的AlAl2 2O O3 3晶体，采用溶胶凝胶（晶体，采用溶胶凝胶（Sol-gelSol-gel）工艺合）工艺合成并经烧结制成的新型陶瓷刚玉磨料。与普通电熔刚玉磨料相比，成并经烧结制成的新

8、型陶瓷刚玉磨料。与普通电熔刚玉磨料相比，不但硬度高，而且因磨粒是微晶结构，它有很多晶解面，在外力作不但硬度高，而且因磨粒是微晶结构，它有很多晶解面，在外力作用下或在修锐和修整中仅微晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐用下或在修锐和修整中仅微晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好，且剥落较少，用其制作的磨具具有耐磨性好、磨削热少，使性好，且剥落较少，用其制作的磨具具有耐磨性好、磨削热少，使用寿命长、磨削比（磨除材料体积与磨具消耗体积之比）大、切除用寿命长、磨削比（磨除材料体积与磨具消耗体积之比）大、切除率高和磨削质量好等优点。率高和磨削质量好等优点。TGTG磨料：磨料：SGSG磨料的第二代产品磨料

9、的第二代产品TGTG（TargaTarga）磨料。它保留了）磨料。它保留了SGSG的优的优点，在磨料形状上作了新的突破，很有细的棒状晶态结构，适用于点，在磨料形状上作了新的突破，很有细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工铬镍铁合金、高温合金等难加工材料。据称，缓进给磨削及加工铬镍铁合金、高温合金等难加工材料。据称，TGTG磨料的材料切除率为刚玉的磨料的材料切除率为刚玉的2 2倍，寿命为刚玉的倍，寿命为刚玉的7 7倍。倍。新型超硬磨料：新型超硬磨料：ABN800ABN800是是CBNCBN磨料新品种。其磨粒均是微晶结构，具磨料新品种。其磨粒均是微晶结构，具有较高的抗压强度和热稳定性。有独特的晶

10、体特性，磨料在受力破有较高的抗压强度和热稳定性。有独特的晶体特性，磨料在受力破碎时无论大小都具有尖角，使其在使用过程中能始终保持锋利的磨碎时无论大小都具有尖角，使其在使用过程中能始终保持锋利的磨削性能，因而磨削时产生的磨削力小，功率消耗少，加工质量好，削性能，因而磨削时产生的磨削力小，功率消耗少，加工质量好，使用寿命长。使用寿命长。第4页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述高效率磨削高效率磨削磨削虽然在达到的加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材磨削虽然在

11、达到的加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料切除率料切除率Q Q（单位时产内磨除材料的体积，（单位时产内磨除材料的体积，mmmm3 3/s/s）难以与其他切削抗衡。这）难以与其他切削抗衡。这是因为是因为Q Q等于磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内的作用磨粒数等于磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内的作用磨粒数（磨屑数）三者的乘积。所以，为了提高磨削效率，必须采用增大单位时间（磨屑数）三者的乘积。所以，为了提高磨削效率，必须采用增大单位时间内作用的磨粒数（如高速磨削、超高速磨削、砂带磨削等）、增大磨屑平均内作用的磨粒数（如高速磨削、超高速磨削、砂带磨削等）、增大磨屑平均断

12、面积（如各种重磨削）及增大磨屑平均长度（如缓进给深磨、立轴平磨）断面积（如各种重磨削）及增大磨屑平均长度（如缓进给深磨、立轴平磨）等许多高效率磨削技术。其中重负荷荒磨、超高速磨削、砂带磨削和高效深等许多高效率磨削技术。其中重负荷荒磨、超高速磨削、砂带磨削和高效深磨技术的发展尤为引人注目。磨技术的发展尤为引人注目。超高速磨削不但可大幅度提高工效、延长磨具寿命用降低表面粗糙度，而且超高速磨削不但可大幅度提高工效、延长磨具寿命用降低表面粗糙度，而且可对硬脆材料实现延性磨削，对高塑性材料和难磨材料也有良好的磨削效果。可对硬脆材料实现延性磨削，对高塑性材料和难磨材料也有良好的磨削效果。随着随着CBNCB

13、N磨料的使用和高速磨削机理研究的深入，现在工业上实用的磨削速磨料的使用和高速磨削机理研究的深入，现在工业上实用的磨削速度已达到了度已达到了150m/s-250m/s150m/s-250m/s，实验室中达到，实验室中达到500m/s500m/s。超高速磨削需要有超高。超高速磨削需要有超高速磨削磨具、超高速磨床、磨削液及其供液过滤系统以及对磨削过程监控等速磨削磨具、超高速磨床、磨削液及其供液过滤系统以及对磨削过程监控等相关技术作支撑。相关技术作支撑。缓进给深磨是一种大切深和缓进给的高效磨削技术，它不但工效高，而且磨缓进给深磨是一种大切深和缓进给的高效磨削技术，它不但工效高，而且磨削精度高和加工表面

14、质量好。特别是近几年来出现的一种集超高速削精度高和加工表面质量好。特别是近几年来出现的一种集超高速（150m/s-250m/s150m/s-250m/s）、大切深（）、大切深（0.1mm-30mm0.1mm-30mm）、快进给（）、快进给（0.5m/min-0.5m/min-10m/min10m/min）于一体的高效深磨）于一体的高效深磨HEDGHEDG（High Efficiency Deep GrindingHigh Efficiency Deep Grinding）新技）新技术，它结合术，它结合CBNCBN砂轮与砂轮与CNCCNC技术，可使单位宽度砂轮上的材料磨除率高达技术，可使单位宽度

15、砂轮上的材料磨除率高达2000mm2000mm3 3/mm/mms-3000mms-3000mm3 3/mm/mms s。第5页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述超硬磨料磨削技术的新发展超硬磨料磨削技术的新发展金刚石和金刚石和CBNCBN磨料由于它们在加工材料适应方面的互补性，使由它们所构成磨料由于它们在加工材料适应方面的互补性，使由它们所构成的磨具可加工范围大为扩展，覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧性材料的的磨具可加工范围大为扩展，覆盖了包括各种高硬、高脆、高强韧

16、性材料的几乎全部被加工材料。几乎全部被加工材料。CBNCBN磨具的广泛使用主要是近几年各种高效高性能磨具的广泛使用主要是近几年各种高效高性能CNCCNC磨床问世，以及磨具制磨床问世，以及磨具制造技术的进步，开发出了性能优异的单层电镀和高温钎焊等新磨具，促使了造技术的进步，开发出了性能优异的单层电镀和高温钎焊等新磨具，促使了磨削技术的发展，其中尤以高效点磨削新工艺更受人们的青睐。磨削技术的发展，其中尤以高效点磨削新工艺更受人们的青睐。点磨削（点磨削（Quickpoint GrindingQuickpoint Grinding）是由德国）是由德国JunkerJunker公司首先推出的。它是利公司首

17、先推出的。它是利用钎焊用钎焊CBNCBN薄砂轮（宽度只有几薄砂轮（宽度只有几mmmm）和超高砂轮线速度（）和超高砂轮线速度（120-180m/s120-180m/s，高的，高的可达可达200-250m/s200-250m/s）来实现的。加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形）来实现的。加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形成一定倾斜角，以使砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触。这样可大成一定倾斜角，以使砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触。这样可大大减少磨削接触区面积，而极高的磨削速度既可使磨屑变薄、磨粒负荷减轻，大减少磨削接触区面积，而极高的磨削速度既可使磨屑变薄、磨粒负荷减轻，又可

18、使热量来不及传到工件和砂轮上，几乎都被磨屑所带走，提高工件加工又可使热量来不及传到工件和砂轮上，几乎都被磨屑所带走，提高工件加工精度和表面质量。使用表明，点磨削的磨削比大，砂轮寿命长，修整频率低，精度和表面质量。使用表明，点磨削的磨削比大，砂轮寿命长，修整频率低，材料切除率高，同时由于它采用和材料切除率高，同时由于它采用和NCNC车床一样的两坐标联动来实现复杂回转车床一样的两坐标联动来实现复杂回转体零件的表面磨削，一次安装能加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟体零件的表面磨削，一次安装能加工出外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形，比切入磨削有更大柔性，同时冷却效果极佳，磨削温度低，槽

19、等所有外形，比切入磨削有更大柔性，同时冷却效果极佳，磨削温度低，甚至可以真正实现干磨削。甚至可以真正实现干磨削。第6页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 一、概述一、概述磨削自动化技术磨削自动化技术磨削当前除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，磨削当前除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，自动化也是磨削技术发展的重要方向之一。自动化也是磨削技术发展的重要方向之一。目前磨削自动化在目前磨削自动化在CNCCNC技术日趋成熟和普及基础上，正在技术日趋成熟和普及基础上，正在进一步向数控化

20、和智能化方向发展，许多专用磨削进一步向数控化和智能化方向发展，许多专用磨削NCNC软软件和系统已经商品化。件和系统已经商品化。磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息的智能化磨削是一个复杂的多变量影响过程，对其信息的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具和磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自具和磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等

21、方面。近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，并已达到实用水平。并已达到实用水平。第7页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术超高速磨削超高速磨削按砂轮线速度按砂轮线速度VsVs的高低可将磨削分为普通磨削的高低可将磨削分为普通磨削(Vs=30(Vs=3040m40ms)s)和高速磨削和高速磨削(Vs45m(Vs45ms)s)两类。两类。为了与为了与2020世纪世纪8080年代以前速度不超过年

22、代以前速度不超过8O-120m8O-120ms s的一般高速磨削相区别，由日本开始将速度为普的一般高速磨削相区别，由日本开始将速度为普通磨削速度通磨削速度5 5倍以上倍以上(即即VsVs150m150ms)s)的高速磨削的高速磨削称为超高速磨削。称为超高速磨削。其英文名称为：其英文名称为：Ultra-high Speed GrindingUltra-high Speed Grinding或或者者Super-high Speed GrindingSuper-high Speed Grinding第8页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced

23、 Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术超高速磨削发展情况超高速磨削发展情况高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的等一些工业发达国家发展很快，如德国的AachenAachen大学、大学、BremenBremen大学、美国的大学、美国的ConnecticutConnecticut大学等，大学等，有的在实验室完成了有的在实验室完成了VsVs为为250m/s250m/s、350m/s350m/s、400m/s400m/s的实验。的实验。据报道，德国据报道，德国Aachen

24、Aachen大学正在进行目标为大学正在进行目标为500m/s500m/s的磨削实验研究。的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有在实用磨削方面，日本已有Vs=200m/sVs=200m/s的磨床在的磨床在工业中应用。工业中应用。第9页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术超高速磨削的特点超高速磨削的特点生产效率高：生产效率高：由于单位时间内作用的磨粒数增加，使材由于单位时间内作用的磨粒数增加，使材料磨除率成倍增加，最高可达料磨除率成倍增加，最高可达2

25、000-3000mm2000-3000mm3 3/mm/mms s，比普，比普通磨削可提高通磨削可提高30%-100%30%-100%。砂轮使用寿命长：砂轮使用寿命长：由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。磨削力一定时，时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。磨削力一定时，200m/s200m/s磨削砂轮的寿命是磨削砂轮的寿命是80m/s80m/s磨削的两倍磨削的两倍;磨削效率一磨削效率一定时，定时，200m/s200m/s磨削砂轮的寿命则是磨削砂轮的寿命则是80m/s80m/s磨削的磨削的7.87.8倍。倍。这非常有利于实现磨削自动化。这

26、非常有利于实现磨削自动化。磨削表面粗糙度值低：磨削表面粗糙度值低：超高速磨削单个磨粒的切削厚度超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙度值降低度值降低;同时由于超高速磨削材料的极高应变率同时由于超高速磨削材料的极高应变率(可达可达1010-4-4-10-10-6-6s s-1-1)，磨屑在绝热剪切状态下形成，材料去除机，磨屑在绝热剪切状态下形成，材料去除机制发生转变，因此可实现对脆性和难加工材料的高性能制发生转变，因此可实现对脆性和难加工材料的高性能加工。加工。第10页/共56页 Advanced Manufa

27、cturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术磨削力和工件受力变形小磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高由于切削厚度小，法向，工件加工精度高由于切削厚度小，法向磨削力磨削力F F相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。在切相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。在切深相同时，磨削速度深相同时，磨削速度250m/s250m/s磨削时的磨削力比磨削速度磨削时的磨削力比磨削速度180m/s180m/s时磨时磨削力降低近一半。削力降低近一半。磨削温度低：磨削温度低：超高速磨削中磨削热传人工

28、件的比率减小，使工件表超高速磨削中磨削热传人工件的比率减小，使工件表面磨削温度降低，能越过容易发生热损伤的区域，受力受热变质层面磨削温度降低，能越过容易发生热损伤的区域，受力受热变质层减薄，具有更好的表面完整性。使用减薄，具有更好的表面完整性。使用CBNCBN砂轮砂轮200m/s200m/s超高速磨削钢件超高速磨削钢件的表面残余应力层深度变浅。从而极大地扩展了磨削工艺参数的应的表面残余应力层深度变浅。从而极大地扩展了磨削工艺参数的应用范围。用范围。充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能：充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能：电镀电镀 和和 钎钎 焊单层超硬磨料砂轮

29、是超高速磨削首选的磨具。特别是高温焊单层超硬磨料砂轮是超高速磨削首选的磨具。特别是高温钎焊金属结合剂砂轮，磨削力及温度更低，是目前超高速磨削新型钎焊金属结合剂砂轮，磨削力及温度更低，是目前超高速磨削新型砂轮。砂轮。具有巨大的经济效益和社会效益，及广阔的绿色特性：具有巨大的经济效益和社会效益，及广阔的绿色特性：超高速磨削超高速磨削加工能有效地缩短加工时间，提高劳动生产率，减少能源消耗和噪加工能有效地缩短加工时间，提高劳动生产率，减少能源消耗和噪声污染。在超高速磨削加工中，砂轮磨损减小，使用寿命长，使加声污染。在超高速磨削加工中，砂轮磨损减小，使用寿命长，使加工成本降低，资源得到有效利用。因超高速

30、磨削热的工成本降低，资源得到有效利用。因超高速磨削热的70%70%被磨屑所带被磨屑所带走，所以加工表面的温度相对低，所需磨削液的流量和压力可相对走，所以加工表面的温度相对低，所需磨削液的流量和压力可相对减少，使冷却液的需求量减少，能量需求减少，污染减少。减少，使冷却液的需求量减少，能量需求减少，污染减少。第11页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术超高速磨削理论基础超高速磨削理论基础最大磨粒切深理论计算：最大磨粒切深理论计算：第12页/共56页 A

31、dvanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术超高速磨削加工系统超高速磨削加工系统高速主轴高速主轴高速磨床结构高速磨床结构高速磨削砂轮高速磨削砂轮冷却润滑系统冷却润滑系统第13页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术高速主轴高速主轴与高速铣不同之处在于直径一般大于铣刀的直径。由于与高速铣不同之处在于直径一般大于铣刀的直径。由于制

32、造和调整装夹等误差，更换砂轮或者修整砂轮后甚至制造和调整装夹等误差，更换砂轮或者修整砂轮后甚至在停车后重新起动时，砂轮主轴必须进行动态平衡。所在停车后重新起动时，砂轮主轴必须进行动态平衡。所以高速磨削主轴须有连续自动动平衡系统，以便能把由以高速磨削主轴须有连续自动动平衡系统，以便能把由动不平衡引起的振动降低到最小程度、保证获得低的工动不平衡引起的振动降低到最小程度、保证获得低的工件表面粗糙度。件表面粗糙度。主要有下列两类：主要有下列两类：机电动平衡系统和电波动平衡系统。机电动平衡系统和电波动平衡系统。第14页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Adv

33、anced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术机电动平衡系统机电动平衡系统由两块内装电子驱动元件并可在轴上相对转动的平衡重由两块内装电子驱动元件并可在轴上相对转动的平衡重块，紧固法兰和信号无线传输单元组成。整个平衡系统块，紧固法兰和信号无线传输单元组成。整个平衡系统构成一个完整的部件，装在磨床主轴内。构成一个完整的部件，装在磨床主轴内。进行动平衡时，主轴的动不平衡振幅值由振动传感器测进行动平衡时，主轴的动不平衡振幅值由振动传感器测出，动不平衡的相位则通过装在转子内的电子元件测量。出，动不平衡的相位则通过装在转子内的电子元件测量。相应的电子控制

34、信号驱动两平衡块作相对转动，从而达相应的电子控制信号驱动两平衡块作相对转动，从而达到平衡的目的。到平衡的目的。精度很高，平衡后的主轴残余振动幅值可控制在精度很高，平衡后的主轴残余振动幅值可控制在0.10.1lmlm。系统的平衡块在断电时仍保持在原位置上不动，。系统的平衡块在断电时仍保持在原位置上不动，所以停机后重新起动时主轴的平衡状态不会发生变化。所以停机后重新起动时主轴的平衡状态不会发生变化。第15页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术机电动平衡

35、系统机电动平衡系统第16页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术电液平衡系统电液平衡系统 振动传感器装在主轴箱上，带振动传感器装在主轴箱上，带有喷口的法兰装在主轴端部，一个有喷口的法兰装在主轴端部，一个具有三个或四个空腔的平衡环固定具有三个或四个空腔的平衡环固定在转子上。进行平衡时，控制系统在转子上。进行平衡时，控制系统根据振动不平衡的幅值和相位向相根据振动不平衡的幅值和相位向相应的空腔喷射液体。该液体一般为应的空腔喷射液体。该液体一般为磨削用的冷却

36、润滑液，万一空腔有磨削用的冷却润滑液，万一空腔有泄漏也不会影响机床正常工作。主泄漏也不会影响机床正常工作。主轴停止转动后，喷入空腔的液体仍轴停止转动后，喷入空腔的液体仍然保留在原来的地方，主轴重新起然保留在原来的地方，主轴重新起动时，平衡状态不会发生变化。为动时，平衡状态不会发生变化。为了维持主轴和砂轮一直处于最佳平了维持主轴和砂轮一直处于最佳平衡状态，则可启动自动平衡程序，衡状态，则可启动自动平衡程序，对主轴进行连续启动平衡。对主轴进行连续启动平衡。第17页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Techn

37、ology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术高速磨削的另一个特点是主轴功率损失随转速的高速磨削的另一个特点是主轴功率损失随转速的提高呈超线性增长提高呈超线性增长 当当 切切 削削 速速 度度 由由 80m/s80m/s提提 高高 到到180m/s180m/s时时，主主轴轴的的无无功功功功率率从从不不到到2020增增至至9090以以上上。构构成成无无功功功功率率的的三三个个分分量量中中，由由冷冷却却润润滑滑液液引引起起的的损损耗耗占最大比重。占最大比重。主主要要原原因因在在于于提提高高切切削削速速度度时时，砂砂轮轮与与冷冷却却润润滑滑滚滚之之间间的的摩摩擦擦急急剧剧加加大大，另另外外把把冷冷

38、却却润润滑滑液液的的质质量量加加速速到到更高的速度也需要消耗能量。更高的速度也需要消耗能量。第18页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术 由由于于高高速速范范围围内内电电机机驱驱动动是是以以恒恒功功率率方方式式工工作作，因因而而当当主主轴轴转转速速提提高高时时。主主轴轴的的输输出出转转矩矩相相应应减减少少。同同时时主主轴轴的的无无功功功功率率急急剧剧增增加加，使使主主轴轴可可用用的的切切削削转转矩矩大大幅幅度度减减少少。因因此此，在在提提高高主主轴

39、轴转转速速时时，必必须须考考虑虑主主轴轴是是否否还还有有足足够够的的转转矩矩用用于于切切削削。换换言言之之，主主轴轴功功率率不不高高时时，即即使使提提高高主主轴轴转转速速也也不不能能提提高高材料切除率。为此必须设法降低无功功率。材料切除率。为此必须设法降低无功功率。无无功功功功率率不不但但与与转转速速有有关关，而而且且还还与与砂砂轮轮的的直直径径有有关关。图图是是用用不不同同砂砂轮轮直直径径时时，各各种种切切削削速速度度下下的的无无功功功功率率。当当切切削削速速度度为为400m400ms s时时，若若采采用用直直径径为为350mm350mm的的砂砂轮轮，无无功功功功率率损损耗耗为为17kW17

40、kW，而而用用直直径径为为275mm275mm的的砂砂轮轮，功功率率损损耗耗可可降降至至13.5kW13.5kW。也也就就是是说说，采采用用较较小小的的砂砂轮轮时时，可可以以有有更更多多份份额额的的功功率率用用于磨削过程。于磨削过程。第19页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术高速磨床结构高速磨床结构高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，还须满高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，还须满足如下的特殊要求：足如下的特殊要求：尽可能组合多种磨削功能，实现在

41、一台磨床上能尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成全部的磨削工序。完成全部的磨削工序。高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。高度自动化和可靠的磨削过程。高度自动化和可靠的磨削过程。第20页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术德国德国Schaudt公司生产的高速曲轴磨床公司生产的高速曲轴磨床主轴箱装在十字滑台上，滑台的导主轴箱装在十字滑台上，滑台的导轨为液体静压支承，以提高支承面轨为液体静压支承，以提

42、高支承面的阻尼和刚性。的阻尼和刚性。滑台由液体静压丝杠驱动，降低摩滑台由液体静压丝杠驱动，降低摩擦阻力和提高滑台动态特性。擦阻力和提高滑台动态特性。工件轴由伺服电机驱动并装有精密工件轴由伺服电机驱动并装有精密角度编码测量系统，构成了数控角度编码测量系统，构成了数控C C轴。轴。主轴为电主轴，可进行无级变速。主轴为电主轴，可进行无级变速。所用的砂轮磨料为立方氮化硼，切所用的砂轮磨料为立方氮化硼，切削速度可达削速度可达165m165ms s。在该磨床上加工曲轴时，曲轴毛坯在该磨床上加工曲轴时，曲轴毛坯不必进行车、铣等粗加工，精锻或不必进行车、铣等粗加工，精锻或精铸后的曲轴坯件可直接由磨削加精铸后的

43、曲轴坯件可直接由磨削加工到最终尺寸。工到最终尺寸。第21页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术德国德国Jung公司生产的高速平面磨床公司生产的高速平面磨床它它的的基基本本结结构构与与普普通通平平面面磨磨床床相相似似，所所不不同同的的是是切切削削速速度度可可达达125m125ms s，工工作作台台的的往往复复运运动动可可以以达达到到1000st1000stminmin。此此种种机机床床特特别别适适合合于于加加工工精精度度要要求求很很高高的的较较薄薄的

44、的工件。工件。因因为为薄薄工工件件易易变变形形，故故需需减减小小磨磨削削力力。提提高高磨磨削削速速度度是是一一种种有有效效的的方方法法，但但磨磨削削速速度度不不可可能能无无限限制制地地提提高高，它它受受功功率率损损失失和和振动的制约。振动的制约。机机床床工工作作台台由由直直线线电电机机驱驱动动，往往复复频频率率提提高高到到普普通通磨磨床床的的十十倍倍以以上上。在在切切削削余余量量相相同同时时，由由于于往往复复领领率率提提高高。每每次次往往复复的的切切入入深深度度相相应应减减少少，从从而而减减少少了了磨磨削削力力，也也有利于控制工件的尺寸精度。有利于控制工件的尺寸精度。第22页/共56页 Adv

45、anced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术机床控制机床控制SchaudtSchaudt公司高速曲轴磨床的公司高速曲轴磨床的X X、Z Z和和C C轴为数控联动，故加工连杆轴颈时，轴为数控联动，故加工连杆轴颈时，只需由只需由X X和和C C轴联动插补即可，而不轴联动插补即可，而不必像普通磨床那样，磨削连杆轴颈必像普通磨床那样，磨削连杆轴颈时需把曲轴装夹在偏心夹具上，在时需把曲轴装夹在偏心夹具上，在加工不同方位曲拐时，只需主轴箱加工不同方位曲拐时，只需主轴箱在在Z Z向作相应

46、移动，而不需重新更换向作相应移动，而不需重新更换夹具或移至其他有相应夹具的磨床夹具或移至其他有相应夹具的磨床上去加工。因此可大幅度地缩短切上去加工。因此可大幅度地缩短切削时间、并把辅助时间降低至最低削时间、并把辅助时间降低至最低程度。程度。该机床采用先进的数字伺服驱动系该机床采用先进的数字伺服驱动系统，以确保联动插补加工的形状精统，以确保联动插补加工的形状精度和位置精度，并采用在线测量系度和位置精度，并采用在线测量系统以保证各轴颈的尺寸精度。该机统以保证各轴颈的尺寸精度。该机床上加工的曲轴圆度误差，精度接床上加工的曲轴圆度误差，精度接近近lmlm，远低于一般设计要求的，远低于一般设计要求的3m

47、3m。第23页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术高速磨削砂轮高速磨削砂轮高速磨削砂轮必须满足下列要求：高速磨削砂轮必须满足下列要求：砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力。砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力。高速磨削时的安全可靠性。高速磨削时的安全可靠性。外观锋利。也就是说，磨粒突出高度要大，以便能容纳外观锋利。也就是说，磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑。大量的长切屑。结合剂必须具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损。结合

48、剂必须具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损。第24页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术高速磨削砂轮的基体设计高速磨削砂轮的基体设计考虑高转速时离心力的作用，并根考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化。为了提高砂据应用场合进行优化。为了提高砂轮的通用化程度，必须统一砂轮与轮的通用化程度，必须统一砂轮与法兰的连接部位的形状和尺寸，并法兰的连接部位的形状和尺寸，并根据强度要求进行优化。根据强度要求进行优化。图是砂轮基体的一个有限元在高速图是砂轮

49、基体的一个有限元在高速旋转时的受力状况。基体内各点的旋转时的受力状况。基体内各点的应力和应变可通过数值方法进行计应力和应变可通过数值方法进行计算。根据基体的强度要求，它在旋算。根据基体的强度要求，它在旋转时的径向和切向的应力尽可能相转时的径向和切向的应力尽可能相等，以此找出基本的最佳轮廓。等，以此找出基本的最佳轮廓。第25页/共56页 Advanced Manufacturing Technology Advanced Manufacturing Technology 二、超高速磨削技术二、超高速磨削技术德国亚琛大学的德国亚琛大学的KonigKonig教授在教授在19901990年对切削速度为

50、年对切削速度为500m/s500m/s时的砂轮时的砂轮基体最佳孔附近的应力可降低到基体最佳孔附近的应力可降低到25%25%，基体边缘的应变降低到，基体边缘的应变降低到3535。图是优化后的砂轮基体外形，优图是优化后的砂轮基体外形，优化的部位有法兰接合部，基体轮化的部位有法兰接合部，基体轮廓和螺钉孔的数量与分布。廓和螺钉孔的数量与分布。优化的基体没有单独的大的法兰优化的基体没有单独的大的法兰孔，而是用多个小的螺孔代替，孔，而是用多个小的螺孔代替，以充分降低基体在法兰孔附近的以充分降低基体在法兰孔附近的应力。应力。基体外缘的尺寸则主要根据应用基体外缘的尺寸则主要根据应用场合而定。除了机械强度外，还