窄深槽加工技術的研究綜述與展望*

(①太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；②太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

窄深槽是指槽的深寬比大于2，且槽寬小于4 mm的一種特殊結構，常出現在航空、汽車、電子封裝等領域的重要零部件上，如變量泵的轉子槽(圖1)、陶瓷基片上窄槽(圖2)、航空發動機渦輪盤榫槽(圖3)等，是機械加工領域中的難題。多年來，研究者們圍繞著窄深槽加工這個難題進行了不懈的探索，并針對不同的加工工況給出了適當的加工對策，如窄深槽的銑削加工、拉削成形加工、電加工或磨削加工等。本文對窄深槽的各種加工技術做了詳細的分析研究，重點論述了高效高速磨削在窄深槽加工中的應用并對其做了研究展望。

1 窄深槽加工技術現狀

1.1 窄深槽的傳統機械加工

窄深槽是機械零件上的一種特殊結構，可以采用傳統機械加工方法如銑削、拉削、成形刀挖槽等方法來加工。

1.1.1 窄深槽的銑削加工[1]

盡管窄深槽結構比較特殊，但它具有槽的普遍特征，故窄深槽可以采用銑削法加工。20世紀80年代，曾建明等通過改造中心鉆制作小直徑銑刀的方法在加工中心上解決了槽寬在1 mm左右的封閉形及非直線形窄槽的加工問題[1]。孫文健等針對難切削材料GH3922深窄密封槽的加工，進行了3次硬質合金槽銑刀刀具的改進設計，加工出了各項尺寸均滿足圖紙要求的密封槽[2]。劉忠新等選用X53T型立式銑床,采取一次性全槽深粗銑和一次性全槽深精銑加工出了轉子上的8個均布槽，加工精度和表面粗糙度均達到了要求；在精銑時采用的刀具是自制的所謂“單刀飛”的硬質合金刀具[3]。2008年，濟南鋼鐵集團總公司機械設備制造廠的技術人員研制出了深窄槽加工銑床，依靠三維空間進給裝置自動控制操作系統給定加工路徑和速度，達到對深窄漕加工的目的[4]。但是，跟常規槽銑削不同的是，加工窄深槽所用銑刀需專門設計，而且刀具易折斷、壽命短。

1.1.2 窄深槽的成形加工

根據槽的特點，窄深槽可以采用常規的挖槽工具加工，刀具的尺寸和槽形一致，但是摩擦力大，切屑不易排出，而且生產效率低，刀具磨損嚴重。為此，施引祁等根據分步切削的思路,研制出了加工不銹鋼零件端面窄深槽的新型挖槽工具,并獲國家專利[5]。馬志舉等針對本廠的端面深槽零件，設計了刀體上帶螺旋形容屑槽和切削液流入孔的圓筒形狀結構的專用切槽刀具，大大提高了生產效率[6]。

實際中普遍使用的窄深槽成形加工的方法是拉削加工，廣泛應用于飛機、火車、輪船上的渦輪發動機渦輪盤榫槽(圖3)一般都是通過拉削成形加工的[7-8]。但是，拉刀是專用刀具，根據被加工零件的形狀和材料性能，不同的拉刀具有不同的各部分齒距、齒升量及容屑槽形狀，制造工藝復雜，成本昂貴，僅適合于大批量生產。當被加工工件硬度較大時還會使拉刀磨鈍，嚴重時能造成拉刀斷裂，影響加工效率。

1.2 窄深槽的電加工

除了傳統的機械加工方法，實際生產中也可采用以電能為主的電火花加工和電解加工等工藝方法加工窄深槽。

1.2.1 窄深槽的電火花加工

電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工。瞿德明等人采用短電極分層、多次組合加工、電極異地返修的方法進行了剖面底部為圓弧形的窄槽的實驗研究，獲得了很好的加工效果[9]；張勇等人開發出了4軸3聯動的微細電火花加工裝置，并在其上成功進行了微細軸、微細孔和復雜微三維曲面的加工[10]，為窄深槽的電火花加工方法了提供了新的思路。

1.2.2 窄深槽的電解加工

電解加工是基于電解過程中的陽極溶解原理，并借助于成型的陰極，將工件按一定形狀和尺寸加工成型的一種工藝方法。洛陽一拖的韓立群等通過電解加工的工藝方法,以NaCl做電解液，對陰極連接部分采用特殊的絕緣措施，加工了柴油機曲軸校正模頂出桿槽,結果表明零件的表面粗糙度和尺寸公差均達到了圖紙要求[11]。西安工業大學的趙志等使用自制的玻璃噴嘴，以NaCO3為電解液，用射流電解法進行了窄槽的加工，并通過正交試驗的方法研究了加工過程中電壓、占空比、頻率、靶距等加工參數對槽形的影響[12]。

電解加工和電火花加工兩種加工方式在加工窄深槽零件時均無切削應力，但是加工精度都不是很高。

1.3 窄深槽的高速高效磨削

近年來，隨著大量新材料的出現和應用以及科學技術的發展對零件加工精度、加工質量、加工效率的新要求，高速高效磨削技術在窄深槽加工中也得到了一定應用。

1.3.1 高速高效磨削理論及技術特點

高速超高速磨削技術是以高效率、高質量為目標，以提高砂輪線速度為主要手段，實現材料高效去除加工的先進加工技術[13]。其加工理念來源于德國Salomon博士的專利。1931年，德國切削專家Carl.J.Salomon博士提出了關于切削速度與切削溫度之間關系的假設，他斷言在高速切削區存在一個“熱溝”，在“熱溝”區，切削溫度隨切削速度的提高而急劇上升，工件表面嚴重燒傷，刀具磨損加劇，切削加工無法進行，直到切削溫度達到最高點，之后溫度隨速度的提高而下降；當切削速度越過“熱溝”后，繼續提高切削速度將會使切削溫度明顯下降。根據這個假設，如果能夠大幅度提高切削速度，就可以越過切削過程產生的高溫死谷而使刀具在高速甚至超高速區切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機床生產率，同時刀具壽命得以延長，工件表面質量明顯改善。不同材料的高速加工區域亦有所不同，圖4為Salomon高速切削加工理論的示意圖[14]。

目前國內外的高速高效磨削加工主要包括高速與超高速磨削、緩進給磨削、高效深切磨削、快速點磨削、高速重負荷荒磨、砂帶磨削、硬脆/難加工材料高效率磨削及高效研磨拋光技術等[15-16]。表1列出了幾種磨削方式的工藝參數對比[17-18]。

表1 幾種磨削技術的主要特性

1.3.2 窄深槽的緩進給磨削加工

緩進給磨削是繼高速磨削之后發展起來的一種高效磨削工藝，其特點是采用大的切削深度(1～30 mm)和很小的工件進給速度(3～300 mm/min,是普通磨削的1/100～1/1 000)。它通過增大砂輪切深來增加磨屑長度,以獲得高磨除率(高出普通磨削5倍以上)[18]，也稱作深切緩進給強力磨削,可以從鑄鍛件毛坯直接磨出零件所要求的尺寸和形狀,即可將銑、刨、車和磨等幾道工序合并成一道工序，擴大了磨削的工藝范圍，又稱銑磨法。

20世紀80年代，大連機床廠的高淑英等在改裝的M7130平面磨床上采用緩進給磨削技術加工轉子槽，不僅將喇叭口穩定在0.01 mm以內、表面粗糙度達到要求，而且發現加工一個轉子槽的效率跟普通方法相比提高了18.5倍[19]。20世紀90年代，Westfield Gage公司用電鍍CBN砂輪進行成形磨削，發現比采用硬質合金刀具銑削效率提高2.5倍，同時還避免了銑削過程中產生的殘余應力[20]。1999年，楊成貞等人在加工中心上用電鍍CBN砂輪磨削轉子槽，取得了很好的表面完整性，并且發現CBN砂輪的磨削比是常規砂輪的100倍以上[21]。2012年，哈爾濱工業大學李建廣等實驗研究了SiCp/Al窄槽銑磨加工中加工參數、銑磨工具對磨削力的影響規律，并研究了大去除余量下電鍍金剛石砂輪銑磨SiCp/Al窄槽對表面粗糙度的影響規律，為優選加工參數和優選銑磨工具提供了借鑒[22-23]。

近幾年來，太原理工大學先進切削技術研究所在國家自然科學基金項目(50975191)和山西省科技攻關項目(2007031154)的支持下針對窄深槽的高速高效加工也進行了一系列的理論和實驗研究。

(1)高速砂輪的研制

實現高速高效磨削離不開高速砂輪。高速砂輪不同于普通砂輪，其中間是一個高強度材料的基體圓盤，在基體周圍僅僅粘覆一薄層磨料。一般粘覆磨料使用的結合劑有樹脂、金屬和電鍍3種，其中以單層電鍍用得最多[24]。太原理工大學王典國根據電鍍理論及窄深槽的磨削特點,對開槽電鍍CBN薄片砂輪進行了基體設計，并提出了電鍍CBN薄片砂輪的置砂工藝采用懸—埋結合的新工藝方法[25]。邵景范基于窄深槽的磨削加工提出了兩種砂輪基體的設計方案，分別進行模態和諧響應分析，確定了砂輪基體的最終結構并對其進行了優化設計[26]。梁國星針對窄深槽磨削用單層電鍍CBN砂輪推導出磨粒在單層分布狀態下的面積百分比濃度最大值，并結合實驗得出了不同的占空比和植砂時間下砂輪磨粒濃度及分布均勻性的變化規律，為高速砂輪的制造提供了理論依據[27]。

(2) 高速高效磨削加工理論的研究

高速高效磨削過程中，砂輪與工件高速沖擊、碰撞，砂輪材料和工件材料交互作用，磨削力、比磨削能、材料的去除方式、砂輪的磨損、磨削區的溫度、已加工工件的表面粗糙度、表面殘余應力等的變化規律都與普通磨削有所區別。為此，高速高效磨削加工理論成為研究熱點。張秀親對緩進給磨削磨屑形成機理進行了詳細理論分析，并在EVC750立式加工中心上利用自行研制的單層電鍍CBN砂輪對淬火鋼進行了窄深槽的磨削試驗研究(磨削設備及工具如圖5所示)，得出了以下結論：

①高速緩進給磨削窄深槽時磨屑的形成主要有兩種形式，即微觀切削和疲勞破壞；

②窄深槽槽表面磨削粗糙度受砂輪線速度、砂輪線速度與工件進給速度之比和磨削切深的影響，其中砂輪線速度對粗糙度的影響最大，速度比次之，切深的影響最小，可以通過優化切削用量的方式進行高質量窄深槽的一次成型[28]。

梁國星等結合緩進給窄深槽磨削加工將成形電鍍CBN砂輪切削部位劃分為頂刃區和側刃區，并推導出頂刃區單顆CBN磨粒的最大切削厚度的計算公式[29]。藍善超基于窄深槽緩進給磨削加工，從單顆磨粒微觀切削角度，研究了磨粒粒度和磨削用量對磨削力、磨削溫度、砂輪磨損的影響，結果表明，單顆CBN磨粒受到的磨削力、磨削溫度以及磨損均隨CBN磨粒粒度的減小而減小[30]。

(3)高速高效磨床的改裝設計

高速高效磨削機床不僅具有很高的主軸轉速和功率，而且具有高精度、高阻尼、高抗振性和熱穩定性等特點[17]。為此，必須專門設計制造高速磨床或者在原外圓磨床、平面磨床的基礎上進行改裝設計，使其必須具有足夠的動力和剛度。

近兩年來，課題組采用洛陽軸承廠生產的170DW24/20K1型的磨削用電主軸、西門子MM440型變頻器以及電主軸相應的油霧潤滑裝置，并設計制造了電主軸固定軸座，對實驗室M7130型普通平面磨床進行了高速化改造。改造后的砂輪架橫向進給機構如圖6所示。對整機進行動力學分析的有限元模型如圖7所示。

2 窄深槽高速高效磨削加工技術研究展望

銑削加工、成形加工是傳統的窄深槽加工方法。隨著大量新材料的出現和應用以及科技的發展對零件加工精度、加工質量、加工效率的新要求和綠色制造的環保新概念，傳統的切削方法受到極大的挑戰，特種加工技術和高速切削技術應運而生。

高速高效磨削是緩進給磨削和高效深磨技術在窄深槽加工中的應用實例。盡管前人已經在這方面做過一些探索，取得了良好的效果，但是離生產應用還有一定距離。窄深槽的高速高效磨削應該在以下幾個方面加強研究，為生產實踐提供理論和實驗基礎：

(1)高速磨床的數字化設計制造。高速磨床設計的關鍵是在減小運動部件慣量的同時，保持支撐基礎件的高靜剛度、動剛度和熱剛度，高動態精度、高阻尼特性、高抗振性和熱穩定性[17]。通常要采用CAD技術對支撐基礎件進行幾何建模，然后應用有限元法對其進行應力、應變結構分析，進行振動模態、溫度場等分析。為了獲取零部件的最佳性能，常常還要對模型進行優化設計。在進行整機的動力學分析時，必須考慮螺栓固定結合面和導軌結合面問題。可以利用模態綜合法分析整機的振動特性。

(2)高速砂輪的研制。高速高效磨削時，砂輪應具有高強度、高剛度、高動平衡精度、良好的耐磨性、抗裂性及導熱性。因此高速砂輪的制作工藝很重要，基體材料的選擇、基體的設計制造、CBN磨粒的優化選擇、電鍍CBN的方法、電鍍CBN砂輪表面磨粒濃度和磨粒分布的均勻性等都是值得研究的問題。

(3)高速高效磨削理論的研究。高速高效磨削窄深槽時，研究不同的被加工材料、不同的刀具系統、不同的工藝參數條件下磨削力、比磨削能、刀具磨損、已加工表面粗糙度的變化規律及磨屑的形成機理等對充實高速磨削理論有重要意義。

(4)磨削液注入系統。高速高效磨削時，在高速旋轉砂輪周圍形成的氣流屏障阻礙了磨削液有效地進入磨削區，這樣容易引起工件熱損傷，加速砂輪磨損。因此，研究恰當的注入方法，增加進入磨削區的有效磨削液，對于改善工件質量，減少砂輪磨損，極其重要。

3 結語

針對機械零件上窄深槽這種特殊結構，現有的加工方法各有其優缺點。傳統的加工方法工藝較成熟，但加工成本高，效率低。隨著科技的發展以及大量新材料的出現，特種加工技術和高速切削技術在窄深槽加工中的應用日益廣泛。特別是將高速高效磨削技術應用于窄深槽加工領域，能極大地增加材料的去除率，提高加工效率，降低加工成本，并能得到很好的表面質量，必定能產生巨大的經濟效益。

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