1. 高速主軸

高速磨削時對砂輪主軸的根本要求與高速銑削時相似，種種主軸的類別、布局及其長處缺點可拜見“高速切削的技能要害”的“高速主軸”。

與高速銑差別之處在于直徑平常大于銑刀的直徑。由于制造和調解裝夾等偏差，調換砂輪大概修剪砂輪后乃至在停車后重新起動時，砂輪主軸務必舉舉動態均衡。以是高速磨削主軸須有連續主動動均衡體系，以便能把由動不均衡引起的振動低落到最小程度、包管得到低的工件外貌粗糙度。

如今市場上有許多差別的動均衡體系產品，重要有下列兩類：機電動均衡體系和電顛簸均衡體系。

（1）機電動均衡體系如圖1所示，它由兩塊內裝電子驅動元件并可在軸上相對轉動的均衡重塊3，緊固法蘭2和信號無線傳輸單位1構成。整個均衡體系構成一個完好的部件，裝在磨床主軸4內，如圖2所示。舉舉動均衡時，主軸的動不均衡振幅值由振動傳感器測出，動不均衡的相位則議決裝在轉子內的電子元件丈量。相應的電子控制信號驅動兩均衡塊1作相對轉動，從而到達均衡的目標。這種均衡裝置的精度很高，均衡后的主軸渣滓振動幅值可控制在0.1～lμm。該體系的均衡塊在斷電時仍保留在原位置上不動，以是停機后重新起動時主軸的均衡狀態不會產生變化。

 

電液均衡體系的原理如圖3所示，振動傳感器裝在主軸箱上，帶有噴口的法蘭裝在主軸端部，一個具有三個或四個空腔的均衡環穩固在轉子上。舉行均衡時，控制體系根據振動不均衡的幅值和相位向相應的空腔噴射液體。該液體平常為磨削用的冷卻潤滑液，萬一空腔有走漏也不會影響機床平常勞動。主軸中斷轉動后，噴進空腔的液體仍然留存在原來的地方，主軸重新起動時，均衡狀態不會產生變化。為了維持主軸和砂輪一貫處于最佳均衡狀態，則可啟動主動均衡步驟，對主軸舉行連續啟動均衡。

 

高速磨制的另一個特點是主軸功率虧損隨轉速的進步呈超線性增長，如圖4所示。當切削速率由80m/s進步到180m/s時，主軸的無功功率從不到20％增至90％以上。構成無功功率的三個分量中，由冷卻潤滑液引起的損耗占最大比重。重要因為在于進步切削速率時，砂輪與冷卻潤滑滾之間的摩擦快速加大，別的把冷卻潤滑液的質量加快到更高的速率也必要損耗能量。由于高速范疇內電機驅動因此恒功率方法勞動，因而當主軸轉速進步時。主軸的輸出轉矩相應裁減。同時主軸的無功功率快速增長，使主軸可用的切削轉矩大幅度裁減。因此，在進步主軸轉速時，務必思考主軸是否另有充足的轉矩用于切削。換言之，主軸功率不高時，縱然進步主軸轉速也不克進步質料切除率。為此務必想法低落無功功率。實行證實，無功功率不但與轉速相關，并且還與砂輪的直徑相關。圖5是用差別砂輪直徑時，種種切削速率下的無功功率。當切削速率為400m／s時，若采取直徑為350mm的砂輪，無功功率損耗為17kW，而用直徑為275mm的砂輪，功率損耗可降至13.5kW。也便是說，采取較小的砂輪時，可以有更多份額的功率用于磨削進程。

 

2．高速磨床布局

高速磨床除具有平凡磨床的平常作用外，還須饜足如下的特別要求：

l）盡大概配合多種磨削作用，實如今一臺磨床上能完玉成部的磨削工序。
2）高動態精度、高阻尼、高抗振性和熱穩固性。
3）高度主動化和可靠的磨削進程。

進步生產率平常有兩種途徑：一是低落切削進程的時間；二是收縮幫助時間。在工件外形比較大略且加工步驟較少時，進步切削速率，裁減切削時間是一種非常有效的辦法。但當工件外形紛亂，加工步驟許多時，除了裁減切削時間外，還須收縮幫助時間才華到達進步生產率的目標。

圖6是德國Schaudt公司生產的高速曲軸磨床（型號CR41CBN）。主軸箱裝在十字滑臺上，滑臺的導軌為液體靜壓支承，以進步支承面的阻尼和剛性。滑臺由液體靜壓絲杠驅動，以低落摩擦阻力和進步滑臺的動態特性。工件軸由伺服電機驅動并裝有精密角度編碼丈量體系，構成了cnc的C軸。磨床主軸為電主軸，可舉行無級變速。所用的砂輪磨料為立方氮化硼，切削速率可達165m／s。在該磨床上加工曲軸時，曲軸毛坯不消舉行車、銑等粗加工，精鍛或精鑄后的曲軸坯件可直接由磨削加工到終極尺寸。

 

由于該磨床的X、Z和C軸為cnc聯動，故加工連桿軸頸時，只需由X和C軸聯動插補即可，而不消像平凡磨床那樣，磨削連桿軸頸時需把曲軸裝夾在偏愛夾具上，在加工差別方位曲拐時，只需主軸箱在Z向作相應移動，而不需重新調換夾具或移至其他有相應夾具的磨床上往加工。因此采取高性能的曲軸磨床可大幅度地收縮切削時間、并把幫助時間低落至最低程度。該機床采取進步的數字伺服驅動體系，以確保聯動插補加工的外形精度和位置精度，并采取在線丈量體系以包管各軸頸的尺寸精度。圖7為在該機床上加工的曲軸圓度偏差，精度靠近lμm，遠低于平常計劃要求的3μm。

 

圖8是德國Jung公司生產的高速平面磨床，它的根本布局與平凡平面磨床相似，所差別的是切削速率可達125m／s，勞動臺的往復活動可以到達1000st／min。此種機床特別得當于加工精度要求很高的較薄的工件。由于薄工件易變形，故需減小磨削力。進步磨削速率是一種有效的要領，但磨削速率不大概無限定地進步，它受功率虧損和振動的制約。圖中的機床勞動臺由直線電機驅動，其往復頻率進步到平凡磨床的十倍以上。在切削余量雷同時，由于往復領率進步。每次往復的切進深度相應裁減，從面裁減了磨削力，也有利于控制工件的尺寸精度。

 

3. 高速磨削砂輪

高速磨削砂輪務必饜足下列要求：

l）砂輪基體的機器強度務必能遭受高速磨削時的切削力。
2）高速磨削時的安定可靠性。
3）表面鋒利。也便是說，磨粒突出高度要大，以便能包容大量的長切屑。
4）聯合劑務必具有很高的耐磨性，以裁減砂輪的磨損。

高速磨削砂輪的基體計劃務必思考高轉速時離心力的作用，并根據應用場地舉行優化。為了進步砂輪的通用化程度，務必統一砂輪與法蘭的相連部位的外形和尺寸，并根據強度要求舉行優化。

圖9是砂輪基體的一個有限元在高速旋轉時的受力狀態。基體內各點的應力和應變可議決數值要領舉行謀劃。根據基體的強度要求，它在旋轉時的徑向和切向的應力盡大概相稱，以此找出根本的最佳形狀。德國亞琛大學的Konig老師在1990年對切削速率為500m/s時的砂輪基體最佳孔周圍的應力可低落到25%，基體邊沿的應變低落到35％。

 

圖10是優化后的砂輪基體外形，優化的部位有法蘭接合部，基體形狀和螺釘孔的數量與散布。優化的基體沒有單獨的大的法蘭孔，而是用多個小的螺孔代替，以富裕低落基體在法蘭孔周圍的應力。基體外緣的尺寸則重要根據應用場地而定。除了機器強度外，還務必思考砂輪曲軸向剛度。

 

高速磨削砂輪的磨粒重要是立方氮化硼和金剛石，所用的聯合劑有多孔陶瓷和電鍍鎳。隨著高速磨削的進一步推廣和科研的深進，新式的磨粒和聯合劑也在連續地出現。

平凡的立方氮化硼砂輪的磨粒多為健壯的八面體，磨削進程中，磨粒的外形保留穩固。由于磨粒磨損導致磨粒與工件的打仗面增大，從而使磨削力連續增長，最終導致務必舉行修剪。瑞士的Winterthur公司近來研制出一種新的立方氮化硼磨粒，它的根本外形是四面體，在磨削力增大到肯定程度常會產生***，從而形成新的鋒利的切削刃。這種磨粒呈法則的多少外形，在制造時特地計劃了許多與肇始切削刃平行的***面。由于這種磨粒的外形有顯然的負前角，以是切削進程中非常鋒利。磨削合金東西鋼對可有效地低落切削力和切削溫度，在保留砂輪壽命穩固時，可以進步質料的切除率和工件的精度。

電鍍聯合砂輪是高速磨削時最為廣泛采取的一種砂輪。砂輪外貌只有一層磨粒，其厚度靠近磨粒的勻稱粒度，制造時議決電鍍的方法將磨粒粘在基體上，以是這種砂輪非常有利于高速磨削。別的，電鍍聯合的砂輪磨粒的突出高度很大，可以或許包容大量切屑，并且不易形成鈍刃切削，對高速切削非常有利。別的，單層磨粒的電鍍砂輪的生產資本較低。由于砂輪的形狀只取決于基體的外形，以是可制成外形紛亂的砂輪，與平凡砂輪相比，電鍍砂輪不需燒結時所用的模具，單件小量生產時也不會增長制造資本。

在利用進程中，電鍍聯合砂輪的長處是只有一層磨粒，因而不需舉行修剪，從而可節減騰貴的修剪裝置和難以控制的修剪工時。它的缺點在于利用時務必舉行細致調解，以裁減砂輪與主軸間的差別軸度。其次電鍍聯合砂輪在利用的初期其切削特性在連續變化，工件的外貌質量不很穩固，為了辦理這一標題，新砂輪在裝上機床上務必最終舉行詳細的人工磨礪，使砂輪的切削面在利用時立刻進進穩態切削，并可改進砂輪的反轉展轉精度以低落工件的粗糙度。

除電鍍聯合砂輪外，高速磨削也有效多孔陶瓷聯合劑砂輪。這種聯合劑為純粹的人工質料，它的重要因素是再結晶玻璃。由于它具有很高的強度，以是制造砂輪時聯合劑的用量很少，從而裁減了聯合劑在砂輪中所占的容積比例。表面上講，聯合劑不產生切削作用，以是它的比例越小越好。采取如許的新式合成聯合劑制造立方氮化硼砂輪時，所需爐溫比老例砂輪低，可以包管不影響CBN的強度和硬度。

為了包管砂輪在整個利用壽擲中保留鋒利，砂輪的布局須有利于磨粒***，維持自礪進程，要到達砂輪自鋒利的目標，除了只管即便低落聯合劑的比例外，還要優化磨粒的空間散布。圖11是帶天然孔的平凡砂輪與帶人工孔的新式砂輪布局的比擬，后者磨粒間的氣孔由發孔劑天生，在雷同的面積內，可以顯然地裁減磨粒的數量。當切削力穩固時，分攤在每一磨粒上的力相應增長，利于促進磨粒***和砂輪自礪的形成。議決謀劃機步驟可算出種種磨粒***時作用在單個磨粒上的力，從而可精確地確定聯合劑的比例。

 

4．冷卻潤滑體系

在推廣采取高速磨削進程中，每每對冷卻潤滑體系未賜與充足的珍視，但它的優劣，通常可以或許決定整個磨削進程的成敗。

冷卻潤滑體系由冷卻潤滑液、泵、過濾器等構成，對高精度磨削還需有溫度控制體系以確保冷卻潤滑液的溫度恒定。

冷卻潤滑液的作用是進步磨削的質料切除率，延伸砂輪的利用籌命，低落工件外貌粗糙度。它在磨削進程中務必完成四大職責，即潤滑、冷卻、洗濯砂輪和傳送切屑。故它務必饜足以下的技能要求：

1）較高的熱容量和導熱率，以進步冷卻效果。
2）能遭受較高的壓力。
3）精良的過濾性能，防腐化性和附著力。
4）較高的穩固性，不起泡，穩固色。
5）對康健無害，易于洗濯。
6）有利于環境保衛，易于處理。

高速磨削時的冷卻得是來提供體系（泵、管路和水箱）務必同樣舉行優化。圖12是砂輪在周向洗濯冷卻時的受力環境。當砂輪圓周速率靠近冷卻液的出口速率時（圖12c），液流束帖附在砂輪約1/12的圓周上，就冷卻與潤滑而言，這種條件下結果最佳。但此時洗濯砂輪的結果很小，由于液流束與砂輪的相對速率靠近于零。為了可以或許沖走殘留在聯合劑空穴中的切屑，冷卻潤滑的出口速率ω1務必大于砂輪的圓周速率υs，故就沖洗結果而言，圖a最佳，圖b次之，圖c則較差。冷卻潤滑液對砂輪的制動力G的謀劃式列于圖中，在雷同的噴射角α1下，圖c引起的制動力最大，圖a則大概出現助推力。

 

冷卻潤滑液的在噴嘴出口的速率與噴嘴的多少尺寸無關，只取決于泵的壓力。在肯定的泵壓力下、根據體積守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速率ω1。圖13示出在差別泵壓力下冷卻潤滑液能到達的出口速率，為了有精良的洗濯砂輪作用，應使液流出口速率高于砂輪圓周速率，比方切削速率為120m/s時，泵的壓力就應大于70×105Pa。不然，不但洗濯作用減弱，并且由于冷卻潤滑液與砂輪打仗時，要靠砂輪發動液流加快，產生了對砂輪的制舉動用。從圖4也可看到，由于砂輪速率進步，由洗濯砂輪液流產生的制動力及摩擦力引起的功率損耗隨之加大，進一步闡明應對冷卻潤滑體系珍視。

 

回首迄今所舉行的高速磨削的探索，當實行的磨削速率超出150m/s時，都未能取得全部預期的結果。究其因為冷卻潤滑體系是一個重要因素。大多數實行中雖然利用了大流量冷卻潤滑液，但是所用的泵壓力廣泛偏低，多數不超出20×105Pa，以是離沖洗砂輪所需的壓力相差甚遠。由于砂輪的容屑空間得不到洗濯，在磨削進程中極易淤塞、引起磨粒發熱磨損和切削力增長。由此可見，高速磨削時，進步冷卻潤滑體系泵壓力的緊張性。