摘要：快速點磨削（Qulck-Point Grinding ）是一種先進的超高速磨削技術，它集成了超高速磨削、CBN 超硬磨料及CNC 技術，在加工軸類零件場合具有優(yōu)良的性能。本文介紹了快速點磨削技術的發(fā)展現(xiàn)狀及工藝特征，分析和研究了快速，汽磨削機理和材料去除機制。結果表明：砂輪的磨損機制不同于一般外圓磨削，磨削過程具有較高的綠色加工性能；通過合理控制磨削參數(shù)和磨削條件，該項技術可應用于對一些難加工材料和復雜回轉表面的高質量磨削加工，由此提出了在這些領域開展應用研究的重點內容，以及推廣和開發(fā)此項技術的意義。
　　關鍵詞：快速點磨削；超高速磨削；難加工材料；CBN
　　Abstract : Quick - point grinding is a new type of ultra-high speed grinding technology that has integrated ultra-high speed grinding,thin super abrasive wheel and CNC turning technologies,and has many excellent performances in grinding shafts process.The technical characteristic and the machining mechanism of the technique were analyzed deeply.It is shown that the point grinding zone and wear mechanism of the grinding wheel are different from conventional cylindrical grinding . Based on the study on the ultra-high strain rate in the contact layer,the process can be used to machine some difficult-to-grinding materials with high machining quality.Some kinds of complex round surfaces can be machined by controlling the point -grinding angle in CNC quick-point grinding.In addition,the green manufacturing property of the process was discussed.Furthermore,the key research issues on quick -point grinding and its importance were presented.
　　Key words:quick-point grinding ; ultra-high speed grinding:difficult-to-grinding materials ; CBN
　　
　　快速點磨削工藝（Quick-Point Grinding ）是由德國Junker 公司于1994 年開發(fā)的，快速點磨削是集CNC 技術、CBN 超硬磨料、超高速磨削三大先進技術于一身的高效率、高柔性先進加工工藝，主要用于軸類零件的加工。它采用薄層CBN 或人造金剛石超硬磨料砂輪，是新一代數(shù)控車削和超高速磨削的極佳結合，是目前超高速磨削最先進的技術形式之一。目前已在國外汽車工業(yè)、工具制造業(yè)中得到應用，尤其是在汽車零件加工領域，如凸輪軸或齒輪軸等。我國部分汽車制造企業(yè)目前也針對特定零件引進了這一工藝和設備，并取得了明顯的效益。但由于國外對此項技術的壟斷，國內企業(yè)并沒有真正掌握其關鍵工藝技術，不能作到新工藝的開發(fā)，應用領域很小。國內目前還不能配套生產砂輪及相關附件，全部設備依賴于進口。而國外對快速點磨削機理、規(guī)律、磨削質量控制及點磨削工藝等深人系統(tǒng)的理論與實驗研究及相關技術信息也鮮見報道。因此該項新工藝的許多關鍵技術及理論、新的應用領域有待于進一步開發(fā)和研究。
　　
　　1 快速點磨削的技術特征
　　
　　快速點磨削的磨削過程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術特征如下：
　　（1）在磨削工件外圓時，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一定角度，以實現(xiàn)砂輪和工件在理論上的點接觸。Junker公司的數(shù)控快速點磨削機床，根據(jù)工作臺進給方向及臺肩方位，在垂直方向砂輪軸線與工件軸線的點磨變量角α為±0.5°，通過數(shù)控系統(tǒng)控制點磨變量角大小以及在X、Y方向的聯(lián)動速度。
　　（2）快速點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“三點定位安裝系統(tǒng)”快速完成，重復定位精度高，并可在機床上自動完成砂輪的動平衡。
　　（3）砂輪速度可達100-16Om/s。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產生過大的離心力，工件也以高速相對旋轉（Junker公司點磨機床最高可達1200Or/min）。因此實際磨削速度是砂輪和工件兩者速度的疊加，可超過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，材料去除主要是靠砂輪側邊完成，而周邊起光磨作用。
　　（5）Junker公司數(shù)控快速點磨削機床采用了多項專利技術[3]，如砂輪三點定位安裝系統(tǒng)、砂輪主軸動平衡自動控制系統(tǒng)、精密導軌系統(tǒng)及砂輪在線修整技術等，以保證機床的加工性能。
　　
　　2 快速點磨削工藝特點
　　
　　與一般的高速和超高速磨削方法相比較，快速點磨削砂輪與工件處于點接觸狀態(tài)（接觸面積最小），實際磨削速度更高，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，甚至可以實現(xiàn)“冷態(tài)”加工，提高了加工精度和表面質量，能夠達到高精度磨削的表面加工質量和形狀精度。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長軸加工，因無需使用工件夾頭，可進行包括工件兩端在內的整體加工。砂輪使用壽命長，最高磨削比達到60000。砂輪修整率低。采用CNC兩坐標聯(lián)動進給，一次安裝后可完成外圓、錐面、螺紋、臺肩和溝槽等所有外形的加工，實現(xiàn)車磨合并，柔性大，加工精度高。機床利用率高達88％－95%，比傳統(tǒng)的磨削方法高出3％一8%，生產效率比普通磨削提高6倍。大批量生產時加工成本低。數(shù)控快速點磨削技術也是數(shù)控車削技術發(fā)展進化的方向。由于磨削溫度低、磨料及磨削液消耗少，該項技術符合綠色制造的發(fā)展趨勢。
　　
　　3 快速點磨削機理及應用研究
　　
　　超高速磨削過程中，磨粒相對工件的速度已經接近于壓應力在材料中的傳播速度量級，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小；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)材料應變率極高，相當于在高速絕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：(l）當單顆磨粒未變形磨屑尺寸大小不變時，可以使用更高的磨削工藝參數(shù)，材料磨除率大大提高；(2）切深相同時，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，能極大地延長砂輪壽命。（4）磨削表面粗糙度值會隨砂輪速度提高而降低，加之工件表面溫度低，受力受熱變質層很薄，表面加工質量高；(5）可以高效率地對硬脆材料實現(xiàn)延性域磨削，對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是先進制造的前沿技術[567]。快速點磨削則是超高速磨削技術的進一步發(fā)展，除了具有上述一些特點外，還有點磨削、薄砂輪、數(shù)控成型、磨削溫度及磨削力更低等特點。因此在某些領域會有更好的應用。
　　3.1 難加工材料的快速點磨削性能分析
　　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。單個磨粒加工的特征時間（S)為
　　
　　式中：Z為磨削區(qū)動態(tài)接觸弧長，；為實際磨削速度，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，逆磨時取正號，順磨時取負號。上式表明磨粒在整個接觸弧長上磨削過程是極瞬時的。對快速點磨削來說，由于磨削深度和軸向進給量極小（磨削深度一般在0.02－0.2mm)，單顆磨粒的切削厚度及接觸弧長更小，考慮速度的合成，實際磨削速度可高達200m/s，因此磨粒和切削層材料碰撞的特征時間更短，一般為10-5－10-6s。磨削區(qū)接觸層某點的應變率可表示成該點應變‘對時間，的導數(shù)，由于點磨削接觸弧長極小，接觸層平均應變率等于磨削速度除以結構的變形區(qū)域尺寸，即可用作用特征時間的倒數(shù)進行計算：
　　
　　根據(jù)上式，接觸區(qū)平均應變率可高于10-5s-1，如果忽略接觸弧的曲率效應而僅考慮磨粒與材料碰撞點附近的局部變形區(qū)域，則磨粒與切削層的作用特征時間更為短瞬，應變率可達10[7]s[-1]-10[8]s[-1]。根據(jù)表1[8]，超高速磨削過程已屬沖擊或超速沖擊載荷的力學行為。因此材料去除機制將發(fā)生很大變化。
　　特征時間應變率載荷性質蠕變準靜態(tài)動態(tài)沖擊超速沖擊
　　一些高性能硬脆材料在工程中的應用日趨廣泛，但改善這類材料的機械加工性能始終是一項技術難題。研究結果表明，脆性材料在超高速磨削條件下可以實現(xiàn)延性域磨削。由于快速點磨削過程中材料極高的應變率，材料變形層將產生的高度局部化的絕熱剪切和動態(tài)微損傷，應變率弱化效應對磨削過程，特別是對磨削力及材料去除機理的影響會更為顯著，脆性材料不再完全以脆性斷裂的形式產生磨屑，因此可實現(xiàn)對硬脆性材料的“延性”加工，從而大大提高硬脆性材料的磨削質量和加工效率。此外，由于金屬活性高、導熱率低等因素影響，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。快速點磨削的磨屑形成時間極短，切屑變形速度以接近靜態(tài)塑性變形應力波的傳播速度，由于塑性變形的滯后而使耕犁變形減小，材料變形區(qū)動態(tài)微損傷密度增加，這相當于材料塑性減小，切屑在彈性狀態(tài)下去除，從而可實現(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)值和殘余應力。根據(jù)單向應力波的波動方程，材料靜態(tài)塑性應力波速度可表示為：
　　
　　式中：ρ為材料密度，σ表示材料變形層應力。根據(jù)純鋁材料在靜態(tài)條件下應力和應變關系(σ-ε)曲線，由上式可求得純鋁材料的靜態(tài)塑性應力波速約為200m/s。
　　當磨削速度超過200m/s時，表面硬化程度和表面粗糙度開始減小，工件表面完整性得到改善，因為加載速度提高使得塑性應變點后移，增加了材料在彈性小變形階段被去除的機率，從而一定程度上實現(xiàn)了塑性材料的“脆性”加工。因此塑性材料靜態(tài)應力波速是實現(xiàn)“脆性”加工的臨界點。快速點磨削可以實現(xiàn)更高的磨削速度，如果優(yōu)化選擇其它磨削工藝參數(shù)，對高韌性難磨材料也可獲得良好的磨削加工性能。基于以上分析，通過優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，快速點磨削可實現(xiàn)對脆、韌性難磨材料的高質量磨削加工。因此應開展快速點磨削工藝磨削這類難加工材料的理論和實驗研究，發(fā)揮其技術特點，擴大快速點磨削加工材料的范圍。
　　
　　3.2 復雜回轉表面點磨削加工
　　快速點磨削目前主要用于軸類零件圓柱表面及溝槽的磨削加工。如一汽大眾汽車有限公司采用該工藝磨削EA113五氣門系列發(fā)動機凸輪軸軸頸，大大提高了生產率及加工質量，效益顯著。大批量生產中，復雜回轉曲面精密加工的主要方法是砂輪成型磨削，但這對砂輪形狀精度要求較高，磨削發(fā)熱量大，加工質量不夠穩(wěn)定，砂輪修整過程復雜，工藝成本較高。根據(jù)快速點磨削的技術特點，通過合理控制超薄砂輪軸線相對于工件軸線在水平方向的點磨變量角度刀結合X、Y軸的CNC聯(lián)動、利用超薄砂輪能夠進人普通砂輪所不能進人的磨削區(qū)域，可以實現(xiàn)對這類復雜回轉曲面零件的點磨削加工，而使加工這類形狀表面的零件工藝得到簡化，取得良好的經濟效益。因此需要進一步開發(fā)在這一領域點磨削工藝，充分發(fā)揮快速點磨削技術性能，擴大快速點磨削加工幾何形面的適用范圍。
　　快速點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，由于點磨變量角的存在，根據(jù)磨削幾何學關系，砂輪與工件母線理論上為點接觸，接觸區(qū)主要分布在靠近砂輪邊緣并與砂輪側邊相重合的近似半橢圓區(qū)域。由于形成“后角”，材料的去除主要是由砂輪的側邊完成，砂輪周邊僅起類似車刀副切削刃的光磨作用，由于磨削區(qū)不同半徑處砂輪側邊磨削速度、接觸弧長和單顆磨粒切削厚度不同。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)對我國汽車制造企業(yè)應用快速點磨削工藝的調查結果，由于缺乏對超薄超硬磨料砂輪在快速點磨削條件下磨損機理的認識，砂輪的修整都是根據(jù)規(guī)定的加工工件數(shù)量、按一定的生產周期進行。因此存在砂輪修整過早而使超硬磨料損耗嚴重、超薄砂輪壽命降低，或修整過晚而影響加工質量的現(xiàn)象。這是快速點磨削工藝目前存在的一項技術難題。與普通外圓磨削不同，砂輪主要是沿側邊磨損，為減小超硬磨料消耗、保證加工精度及工件尺寸的一致性，應進行合理有效地砂輪修整。因此需要研究和建立相應的砂輪磨損模型及砂輪側邊磨損量對磨削性能的影響規(guī)律；科學地評價砂輪磨損狀態(tài)與磨鈍標準，并以此為基礎研究CBN點磨削超薄砂輪的修整理論和技術方法。
　　3.4 面向綠色制造的快速點磨削技術
　　在機械制造領域，磨削是對環(huán)境影響最大的一種加工工藝。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環(huán)境和資源產生了嚴重影響。我國是世界上磨料、磨具產量及消耗的第一大國，超硬磨料制造成本較高，價格昂貴，因此大幅度提高磨削加工的綠色度意義重大[10]。快速點磨削區(qū)域小、磨削力小、砂輪使用壽命長，磨削溫度低，冷卻方式簡便，可實現(xiàn)少、無磨削液的干式或準干式加工的特點，通過對點磨削熱、比磨削能、磨削比、砂輪壽命及新型冷卻系統(tǒng)等理論和實驗研究，開展面向綠色制造的快速點磨削技術的基礎研究具有重要現(xiàn)實意義。
　　
　　4 結論
　　
　　數(shù)控快速點磨削具有超高速磨削、超薄砂輪數(shù)控成型的技術特點，具有優(yōu)良的加工性能。其磨削機理不同于一般的高速和超高速磨削，在對復雜回轉表面磨削、硬脆及韌性材料高質量磨削加工及實現(xiàn)較高綠色度的磨削加工方面應具有廣泛的應用領域。根據(jù)此項技術的發(fā)展現(xiàn)狀，應加快吸收國外的先進技術，加強這項新技術的加工機理和應用研究，建立數(shù)控快速點磨削的技術和理論體系，促進該項工藝技術及其設備在我國的應用和發(fā)展。