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创新的高性能原材料以其优越的使用性能赢得了人们的信赖。耐高温的合金材料、CMC陶瓷基复合材料和高性能陶瓷材料也因其很高的强度、耐热性能和抵抗化学腐蚀的稳定性有着越来越广泛的用途。随着对零件质量要求的不断提高，这些材料的零件加工的难度也在不断增大，为了提高磨削加工的产量和质量，柏林技术大学机床加工工艺研究所（IWF）和霍伦霍夫研究院生产设备和设计技术研究所（IPK）开展了创新性磨削工艺和所需工装的研究和优化。本文将介绍两个能够最大程度实现上述目标的磨削加工方案。
高速双面磨削（Schnellhubschleifen）采用的是一种缓进给磨削工艺，这种工艺在端面加工和成型加工时有着很高的生产效率。当利用传统磨削砂轮大批量的磨削金属材料零件时，通常采用的是CD连续加工的缓进给磨削工艺。这种磨削工艺的缺点是磨削刀具所需费用高、砂轮磨损严重、使用灵活性差和优化改进费用高。与缓进给磨削相对比，高效双面磨削时的进给运动较少，在多次磨削过程中的工件进给速度能够明显提高。在柏林的生产技术中心里，一台Blohm Profimat型磨床的MT 408试验样机所使用的工件进给速度达Vft=200m/mm，加速度为aft=50m/s2。 （图片）
通过采用创新性的磨削工艺可以明显提高高强度产品加工的经济性，这里所介绍的高效双面磨削时的切削速度高达Vft=200m/min，加速度可达aft=50m/s2 切削区域中的能源消耗
这种机床研发的背景是使磨削能源的消耗都用于切削区域之中，因为在试验时研究人员观察到，工件进给速度的波动能够使得恒定的切削速度Vc和恒定的单位时间内的切削量Qw对切屑的几何形状产生重要的影响。金属材料切除时通常具有的前期弹性－塑性变形也因很快达到了所需的切削深度Tu和切屑厚度的增加而大大减少，这样就能够降低磨削时的单位能耗ec。另外，由于吃刀深度较小、传递到工件中的能量较少，因此有可能改善切削区域冷却液的供应情况，从而有效降低磨削工件边沿处的烧蚀。基于微观切削过程的这些变化，相应的也要在磨削砂轮的技术规范中有所改变。与缓进给磨削不同，砂轮无需拥有更高的孔隙度。在高效双面磨削中，参与磨削的磨粒数量可由于总颗粒的数量增加而增加，从而也可以提高其生产效率，为用户提供了一种能够灵活高效生产小批量和单件产品的磨削工艺。
需要强力冷却的CD缓进给磨削
在切削镍基合金的金属材料时，由于镍基合金弹性变形大的特性使其成为了一种难以切削加工的金属材料。为减少零件加工中的损伤，在CD缓进给磨削加工中机床应该配备冷却润滑油供应能力很强的冷却系统，具有与砂轮形状相适应的冷却液喷嘴。而这些要求将会在高切削速度的磨削过程中降低原有的易于接近工件的性能。
在高速双面磨削中，切屑大小的改变对砂轮磨粒的耐磨性和砂轮粘结剂的结合力都提出了很高的要求，尤其是为氧化硅晶体磨粒（即烧结氧化铝）提供了很大的应用潜力。适当的磨粒碎裂可以形成更加锋利的微晶切削刃。迄今为止，这种磨粒材料仅以很小的附加物出现在砂轮中，因为现有技术破碎氧化铝磨粒所需的单个磨粒破碎力一般都能够给被磨削工件带来损伤。当破碎、剥离不充分时，这种磨粒会呈现出热烧蚀的倾向，从而使得磨粒磨平、磨钝。随着单个磨粒切削深度的增加，在高速双面磨削中首次使得这种具有创新性的磨粒成为可用的磨粒。（图片）
图1 通过提高单个磨粒的切削深度，可以在高速双面磨削时把磨削单位能耗降低50%以上，理论上单位时间内的切削量由Q'w=12mm3/mms提高到Q'w=72mm3/mms 在本文介绍的试验框架内（图1），切屑的几何体积提高了6倍，从Q'w=12mm3/mms增加到Q'w=72mm3/mms时，磨削时的单位能耗却减少了50%多。由于切屑的体积比相对减小，即由短而厚的切屑导致的磨削工件表面质量也发生了明显变化，但这与进给时的切向吃刀深度没有直接的关系。因此，在提高工件磨削速度的同时得到的几乎是一条与其平行的表面粗糙度质量曲线（图2）。（图片）
图2 在高速双面磨削中，进给时的切向吃刀深度不是影响表面粗糙度的主要因素，随着工件切削速度的提高，表面质量特性也基本呈线性提高的趋势 采用行星传动机构磨削工作台的平面磨削
高强度材料零件加工的另一个极有前途的工艺方法就是按照行星齿轮机构方式实现工件旋转的平面磨削。这种工艺的原理原则上也可进一步研发成一种新型的抛光工艺。磨削加工时，工件被放置在圆形的有外啮合齿的夹具中。这种被称之为回转盘式的夹具位于上、下两片磨削砂轮之间，在固定的外拨销齿圈和有驱动力的内拨销齿圈的驱动下绕内拨销齿圈旋转并自转。上、下两个磨削砂轮和内拨销齿圈之间的旋转运动构成了相对运动，就是传统的行星齿轮传动系统中的运动方式。图3所示的原理图清楚的说明了各个零部件之间的相互关系。（图片）
图3 利用行星齿轮传动使被磨削工件回转的平面磨削是被磨削工件放置在圆弧形的外啮合的工件夹具中进行磨削，这种回转夹具位于上、下两片磨削砂轮之间 这种所谓的行星旋转磨削方式因机床结构、磨削工艺过程和工作方式等方面的特点决定了它与其他的磨削工艺有着极大的不同。其标志性的特点为：一方面是两面加工；另一方面是工件和砂轮之间的相对运动。相比较不算复杂的过程控制是使这种工艺得到更多应用的主要原因。
通过在脆性金属材料应用领域中的进一步研究，可以证明：采用优化了的粘结剂之后，行星旋转式的平面磨削也可以在高切削速度范围内和较高的进给力条件下使用。基于这里的试验结论和工艺过程优化后不断增长的需求，St?hli Läpp技术股份公司与IWF研究所已经合作研发成功了DLM 505 HS型样机，能够以很高的切削速度和磨削压力对高强度材料零件进行磨削加工。例如，这种样机的砂轮转速可以高达2000?r/min，磨削时的进给压力可以高达4000daN；可以实现的工件理论切削速度高达Vc=45m/s。从而具有切削加工时间短和零部件加工质量高的特点，为用户在技术和经济性方面提供了更多的好处。通过机床控制系统的性能匹配，可以使粗加工、半精加工和精加工在一个工序中完成。这个研发项目的目标是：研发出一种能够加工多种金属材料的新型加工工艺，以实现在提高工件加工质量的同时明显降低加工费用的目的。
更薄的CMC陶瓷复合材料
CMC陶瓷复合材料属于轻合金结构材料的范畴，以其很好的热稳定性和较低的密度而著称，这种特性使得该材料在高温环境中能够得到了广泛的应用。在加工这种材料时，其切削力明显较低、刀具磨损严重。通过减少碎裂、局部的剥离和内在的多孔性，能够生产加工出质量令人满意的零件表面。
不久前，在柏林的PTZ研究中心里利用行星旋转磨削方式的磨削机床在很高的切削速度下对CMC复合陶瓷材料零件进行了强力磨削的试验。被磨削零件的平面度、平行度和表面粗糙度都有着很高的要求。由于所用磨削工艺的特点使得加工出来的工件有着极为出色的平面度E0和表面质量（图4）。与传统的加工工艺相比较，新的磨削工艺把加工时间降低了5%。（图片）
图4 行星旋转磨削方式的磨削机床在很高的切削速度下对CMC复合陶瓷材料零件进行了强力磨削的试验得加工出来的工件有着极为出色的平面度E0和表面质量 节约成本的潜力
经济的加工要求平行的功能性平面，对零件材料、刀具和生产加工过程都提出了很高的要求。就降低生产成本而言，本文介绍的工艺方法有着很大的挖掘潜力。
通过对本文介绍机床类型和设计方案的进一步研发，并结合改进的过程分析技术，是可以实现降低成本之目的的。迄今为止，在高速切削和强力的行星旋转平面磨削试验中所取得的成就表明：这种技术有着很大的节约潜力可以挖掘。这种技术方案能够实现很高的零部件加工质量、较低的磨具磨损，有着很高的切削加工性能，就如其他生产加工过程中所使用的固定几何参数的刀具所能完成的切削加工一样。
同样，高速双面磨削在降低生产成本方面也有很高的潜力可以挖掘。与传统的往复运动平面磨床相比，在第一次试验时就明显的提高了生产能力，同时减少了工件的损伤。
4/7/2010
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