高速磨削機床研究綜述

戴勇

摘要：高速磨削技術相對于普通磨削具有眾多優勢，進而催生了高速磨削機床的需求。本文首先綜述國內外高速磨削機床的研究現狀，然后對高速磨削機床核心部件：床身、主軸和磨削液系統在高速磨床中需要滿足的特性進行了詳細的分析和闡述;最后對高速磨床高速下的動力學特性研究意義和方法進行了詳細的綜合和說明，為高速磨床的發展提供借鑒和指導。

關鍵詞：高速磨床;動力學特性;機床核心部件

中圖分類號：TG580? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0062-02

1? 研究背景與意義

磨削機床是高端精密部件獲得其表面和尺寸精度的主要的工具。磨削機床的設計制造水平已經成為國家高端制造水平的重要指標之一。根據磨削機床能承受的砂輪線速度可以將磨削機床分為普通磨削機床（線速度≤45m/s）、高速磨削機床（45m/s<線速度≤150m/s）和超高速磨削機床（線速度>150 m/s）[1]。研究表明高速磨削具有眾多的優點：①減少砂輪磨損，提高壽命;②提高表面磨削質量;③磨削力降低，工件尺寸精度提高;④降低磨削加工區的溫度;⑤提高生產效率;⑥良好的綠色特性[2]。高速磨削上述優點使得眾多國家不屑的追求制造高速磨削機床，而高速轉動的砂輪對整個高速磨削機床的主軸、床身、冷卻系統和在線檢測系統都提出了不同的要求，因此對高速磨削機床的工作狀態和性能進行研究和分析，是制造高速磨削機床的基礎。

2? 高速磨削機床國內外研究現狀

高速磨削技術和高速磨削機床起源于歐洲，目前已經量產了砂輪線速度超350m/s的磨床，砂輪線速度為500m/s的超高速磨削試驗平臺正在德國的阿亨工科大學進行緊張的研發。美國的高速磨床于1967年第一次投入市場，砂輪線速度達61m/s，至今美國生產的高速磨床的砂輪線速度已經超過200m/s;以日本為代表的亞洲國家針對高速磨削機床方面的研發較晚，直到1990年才推出了120m/s砂輪線速度的高速磨床。到目前為止，日本已實現了200m/s磨削機床產業化和應用，并搭建實驗平臺進行500m/s的超高速磨削機床研發，日本學者通過開發新的磨削機床，將砂輪軸和工件軸并列在一起，并使磨削點切向速度相反，實現了砂輪線速度當量接近1000m/s的磨削實驗，為迄今為止公開報道的最高磨削速度磨削機床[3]。我國對高速磨削機床方面的研究20世紀末才開始發展，比較顯著的成果是東北大學在研發的砂輪線速度為200m/s的超高速外圓磨削磨床，該磨床性能已經達到國際領先水平。

3? 高速磨削機床關鍵部件

高速磨床相交于普通磨床最大區別是砂輪高速轉動時砂輪架和主軸的動力學特性有要求，同時砂輪高速旋轉形成的氣弧也會對會阻礙磨削液的進入，對磨床的冷卻系統液提出了更高的要求。高速磨床對機床部件的要求主要表現在以下幾個方面：

3.1 機床床身系統

機床床身是整個機床的基礎，負責承載機床上的所有部件，包括高速砂輪電主軸、工件軸/夾頭、冷卻系統和工件。靜剛度、動剛度及熱剛度良好的床身是磨削加工及加工精度的重要保障，高速及超高速加工時要求機床床身具有良好的剛度及抗振性。針對床身結構的設計和優化目前已經較為成熟，典型的為“T”字型。對床身的研究重點聚焦于先進的材料，如蠕墨鑄鐵、人造混凝土花崗巖、陶瓷材料和復合材料等。同時為改變床身的動態特性，常需要做隔振和增加阻尼的操作。同時也有往床身空隙和內腔處填充沙石和阻尼材料的操作，從而提高床身的性能。

3.2 主軸系統

與普通磨削相比，高速與超高速磨床為實現較高的砂輪線速度，通常需要提高主軸自轉速度和砂輪的直徑，普通磨床采用的砂輪直徑一般在200mm以下，主軸轉速低于10000rpm，而高速磨床的砂輪直徑一般在350-400mm，主軸轉速通常到超過10000rpm，同時常規的砂輪在高速旋轉時受離心力的作用易出現破裂，易造成事故，因此高速磨削砂輪均采用金屬基體砂輪。同時高速旋轉時砂輪的不平衡離心力也被放大，通常需要配備動平衡儀，實現高速旋轉時的自動平衡，減小離心力的影響。由此高速磨床對砂輪主軸的功率和負載能力提出了更高的要求。高速旋轉對主軸的動力學特性，如彎曲撓度、各階臨界轉速，也要求較高。主軸高速旋轉也為對主軸的軸承和冷卻提出要求，高速主軸會使主軸的溫度升高，所有相關的部件都會出現相應的熱膨脹，導致主軸精度喪失，因此高速磨床用電主軸普遍采用陶瓷球軸承或者全陶瓷軸承，也有采用高端的磁浮軸承和靜壓軸承，通常會對軸承和主軸并配備有單獨的冷卻系統，以提高主軸的熱穩定性。居林·自動化（G6hring Automation）公司的研究表明在砂輪線速度達到140-160m/s時磁軸承和液體靜壓軸承的功率不夠，無負載時動力損耗很大，因此主要采用陶瓷滾動軸承較多。

3.3 磨削液及供給系統

磨削液的種類于常規的切削液相似，也有油基和水基磨削液（包括乳化液）兩大類。油基磨削液中由于有油脂的潤滑作用，其潤滑性優于水基磨削液，因此得到的工件的表面粗糙度較好，適用于精磨階段，但油脂的散熱性能差，導致油基磨削液的冷卻效果較水基磨削液差，因此在溫度較高的粗磨和半精磨階段，采用水基磨削液更利于防止表面燒傷，并提高加工尺寸精度。

冷卻系統主要通過影響磨削熱進而影響磨削表面質量（表面變質層、燒傷和組織變化）、工件精度（熱膨脹）和砂輪磨損（熱化學磨損）。磨削液可以較好的降低加工中的溫度，同時起到潤滑的效果。針對高速加工的特點人們開發了新的冷卻潤滑方法，比較有影響的有液氮冷卻、噴氣冷卻、微量潤滑等，但在實際的磨削中應用很少。

高速與超高速磨削中磨削熱主要是由于切屑摩擦產生的，必須潤滑性好的非水溶性油以高壓使磨削區得到充分冷卻、用高壓油清洗砂輪表面，保持砂輪良好的切削性能防止摩擦熱產生。居林自動化公司采用高壓冷卻噴嘴和高壓清洗噴嘴、油/霧分離裝置（防止高速超高速磨削加工中產生油霧污染）、油溫冷卻裝置（高熱易使油劑燃燒，因此對油溫要恒溫控制），對磨削區域實施密閉，防止砂輪損壞和工件飛出造成事故。該方法成功應用到德國阿亨（Aachen）工科大學開展500m/s的超高速磨削研究（目前達到400m/s）中。此外高速磨床還需要配備專門設計制造的高速砂輪和檢測監控系統，以使用砂輪高速轉動下的工作需求。

4? 高速磨床動力學研究方法

高速加工技術的實現離不開為其提供操作平臺的高速加工機床。高速加工機床要實現高速加工技術所能帶來的優異的加工性能，就必須對磨床各個部件的性能進行優化，特別是在高速才能反應出來的動態性能，使其滿足高速加工的所需要的要求，是實現高速磨床設計制造的基礎。

綜上所述，穩定磨削是保證磨削加工順利進行和獲得高加工質量的前提條件和關鍵技術之一。外圓磨削的動態性能分析與優化具有在磨削研究中占有重要地位。

針對高速磨床動態性能特性的測量和優化目前主要有兩種方法：一是通過實驗測量，二是通過構建模型進行分析。實驗測量方法主要是通過在機床上布置傳感器，采用的傳感器有分為接觸式和非接觸式的，典型的接觸式傳感器有質量阻尼加速度傳感器和壓電晶體位移傳感器，接觸式傳感器在使用的過程中接觸固定在機床上特定位置測量特定點的加速度和位移，由于在測量過程中傳感器放置在磨床上，相當于給磨床增加了質量塊，將導致磨床的動態特性發生變化，理論上將影響測量結果的準確性，傳感器質量影響大小目前暫沒有方法確定，因此普遍認為傳感器質量相對于磨床較小，可以忽略，其對磨床的動態特性的影響可以忽略。針對于接觸式傳感器存在問題，許多專家學者更傾向于采用非接觸式傳感器，如激光傳感器和電感傳感器，這些傳感器通過將位移信號轉化為光電信號，實現對機床動態性能的測量。為測量磨床動態特性，通常需要給與磨床一定的激勵，從而測量磨床的激勵狀態的響應，從而計算磨床的特性。磨床動態特性測量過程中使用的激勵通常有特定激勵或者工作狀態激勵兩種。特定激勵主要通過人過控制激勵的過程給機床特使的激勵，如常用的錘擊法和受迫振動法，就是通過給磨床一個瞬時激勵和特定頻率的激勵，獲得特定激勵下的響應，從而得到磨床的特性，特定激勵法的優點是理論和技術成熟，分析過程簡單，目前已經工業化的軟件可被使用，但特定激勵法脫離了實際的工作情況，說明問題不夠全面;因此專家學者更傾向于直接測量工作狀態的磨床特性，進而判斷磨床的動態特性。

實際測量過程主要獲取機床的固有頻率、振幅和振型，固有頻率為磨床本身所確定，固有頻率越高，與外界振動發生共振的概率就越低，固有頻率反應了磨床的抗振性能，通常情況下磨床的固有頻率越高越好。振幅是指磨床部件在受到振動的作用下偏離原來位置的位移，相同情況下振幅越小越好;振型是只振動的形態，以電主軸的軸為例，在振動過程中會變現出上下振動、圓周跳動、扭動等多種振型，振型越復雜，相應的抑制振動的措施就越難。在振型的空間節線上會出現幾個振幅為0的點，這些點稱為節點。也就是說無論整個磨床系統中振動與否，節點位置所在的點均不會振動，因此實際中經常將砂輪安裝于節點位置，使整個砂輪的位置精度不受磨床振動的影響，這樣能使加工工件的精度最高。

磨床動態特性測量試驗還應該根據實際情況考慮如下幾個因素對測量結果的影響：①傳感器位置的布置。傳感器的位置決定的測量點的位置和可以測量到信息，一般需要將測量布置在機床的特定位置，如振動節點等，以便能獲得更多的信息。②模態分析的線性系統假設是否成立。在對測量結果進行分析時，為了簡化分析的過程，通常將系統假定為線性了，所以在測試分析前需要先對系統的非線性強弱進行判斷，看看是否滿足線性系統的假設。③機床溫度的影響。機床部件的熱脹冷縮也會影響機床的動態特性，因此進行動態性能測試時需要先將機床開機運行數十分鐘，確保整個機床系統達到熱平衡再進行動態測試，消除溫度的影響，對于超精密磨床，動態測試過程還需要在恒溫室中進行，以確保結果的準確性。④測點位置布置盡可能多，測量的頻率盡可能寬。以便能獲得較高精度的頻響函數和模態向量，減少截斷模態的影響。

高速磨床性能的理論分析也是研究磨床性能的重要手段和方法。通過有限元法，構建磨床上主要部件的動力學模型并對其動力學特性進行分析，優化各個主要部件的結構;隨后將零部件進行裝配，構建整機的動力學模型并進行整機的動力學分析，優化各個零部件的裝備位置;最后根據實驗測量的結果校準理論模型，從理論上清楚的認識整個磨床的動力學特性。

參考文獻：

[1]Simizu Jun， Zhou Libo， Eda Hiroshi， Simulation and experimental analysis of supper high-speed grinding of ductile material. Proceedings of the 10 International Manufacturing Conference[C]. Xiamen University? Press. 2002.

[2]馮寶富，蔡光起，邱長伍.超高速磨削的發展及關鍵技術[J].機械工程師，2002（01）.

[3]蔡光起，李長河.高速超高速磨削技術的發展[J].磨料磨具通訊，2006（011）.