高速磨削机床研究综述

戴勇

摘要：高速磨削技术相对于普通磨削具有众多优势，进而催生了高速磨削机床的需求。本文首先综述国内外高速磨削机床的研究现状，然后对高速磨削机床核心部件：床身、主轴和磨削液系统在高速磨床中需要满足的特性进行了详细的分析和阐述;最后对高速磨床高速下的动力学特性研究意义和方法进行了详细的综合和说明，为高速磨床的发展提供借鉴和指导。

关键词：高速磨床;动力学特性;机床核心部件

中圖分类号：TG580                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0062-02

1  研究背景与意义

磨削机床是高端精密部件获得其表面和尺寸精度的主要的工具。磨削机床的设计制造水平已经成为国家高端制造水平的重要指标之一。根据磨削机床能承受的砂轮线速度可以将磨削机床分为普通磨削机床（线速度≤45m/s）、高速磨削机床（45m/s<线速度≤150m/s）和超高速磨削机床（线速度>150 m/s）[1]。研究表明高速磨削具有众多的优点：①减少砂轮磨损，提高寿命;②提高表面磨削质量;③磨削力降低，工件尺寸精度提高;④降低磨削加工区的温度;⑤提高生产效率;⑥良好的绿色特性[2]。高速磨削上述优点使得众多国家不屑的追求制造高速磨削机床，而高速转动的砂轮对整个高速磨削机床的主轴、床身、冷却系统和在线检测系统都提出了不同的要求，因此对高速磨削机床的工作状态和性能进行研究和分析，是制造高速磨削机床的基础。

2  高速磨削机床国内外研究现状

高速磨削技术和高速磨削机床起源于欧洲，目前已经量产了砂轮线速度超350m/s的磨床，砂轮线速度为500m/s的超高速磨削试验平台正在德国的阿亨工科大学进行紧张的研发。美国的高速磨床于1967年第一次投入市场，砂轮线速度达61m/s，至今美国生产的高速磨床的砂轮线速度已经超过200m/s;以日本为代表的亚洲国家针对高速磨削机床方面的研发较晚，直到1990年才推出了120m/s砂轮线速度的高速磨床。到目前为止，日本已实现了200m/s磨削机床产业化和应用，并搭建实验平台进行500m/s的超高速磨削机床研发，日本学者通过开发新的磨削机床，将砂轮轴和工件轴并列在一起，并使磨削点切向速度相反，实现了砂轮线速度当量接近1000m/s的磨削实验，为迄今为止公开报道的最高磨削速度磨削机床[3]。我国对高速磨削机床方面的研究20世纪末才开始发展，比较显著的成果是东北大学在研发的砂轮线速度为200m/s的超高速外圆磨削磨床，该磨床性能已经达到国际领先水平。

3  高速磨削机床关键部件

高速磨床相交于普通磨床最大区别是砂轮高速转动时砂轮架和主轴的动力学特性有要求，同时砂轮高速旋转形成的气弧也会对会阻碍磨削液的进入，对磨床的冷却系统液提出了更高的要求。高速磨床对机床部件的要求主要表现在以下几个方面：

3.1 机床床身系统

机床床身是整个机床的基础，负责承载机床上的所有部件，包括高速砂轮电主轴、工件轴/夹头、冷却系统和工件。静刚度、动刚度及热刚度良好的床身是磨削加工及加工精度的重要保障，高速及超高速加工时要求机床床身具有良好的刚度及抗振性。针对床身结构的设计和优化目前已经较为成熟，典型的为“T”字型。对床身的研究重点聚焦于先进的材料，如蠕墨铸铁、人造混凝土花岗岩、陶瓷材料和复合材料等。同时为改变床身的动态特性，常需要做隔振和增加阻尼的操作。同时也有往床身空隙和内腔处填充沙石和阻尼材料的操作，从而提高床身的性能。

3.2 主轴系统

与普通磨削相比，高速与超高速磨床为实现较高的砂轮线速度，通常需要提高主轴自转速度和砂轮的直径，普通磨床采用的砂轮直径一般在200mm以下，主轴转速低于10000rpm，而高速磨床的砂轮直径一般在350-400mm，主轴转速通常到超过10000rpm，同时常规的砂轮在高速旋转时受离心力的作用易出现破裂，易造成事故，因此高速磨削砂轮均采用金属基体砂轮。同时高速旋转时砂轮的不平衡离心力也被放大，通常需要配备动平衡仪，实现高速旋转时的自动平衡，减小离心力的影响。由此高速磨床对砂轮主轴的功率和负载能力提出了更高的要求。高速旋转对主轴的动力学特性，如弯曲挠度、各阶临界转速，也要求较高。主轴高速旋转也为对主轴的轴承和冷却提出要求，高速主轴会使主轴的温度升高，所有相关的部件都会出现相应的热膨胀，导致主轴精度丧失，因此高速磨床用电主轴普遍采用陶瓷球轴承或者全陶瓷轴承，也有采用高端的磁浮轴承和静压轴承，通常会对轴承和主轴并配备有单独的冷却系统，以提高主轴的热稳定性。居林·自动化（G6hring Automation）公司的研究表明在砂轮线速度达到140-160m/s时磁轴承和液体静压轴承的功率不够，无负载时动力损耗很大，因此主要采用陶瓷滚动轴承较多。

3.3 磨削液及供给系统

磨削液的种类于常规的切削液相似，也有油基和水基磨削液（包括乳化液）两大类。油基磨削液中由于有油脂的润滑作用，其润滑性优于水基磨削液，因此得到的工件的表面粗糙度较好，适用于精磨阶段，但油脂的散热性能差，导致油基磨削液的冷却效果较水基磨削液差，因此在温度较高的粗磨和半精磨阶段，采用水基磨削液更利于防止表面烧伤，并提高加工尺寸精度。

冷却系统主要通过影响磨削热进而影响磨削表面质量（表面变质层、烧伤和组织变化）、工件精度（热膨胀）和砂轮磨损（热化学磨损）。磨削液可以较好的降低加工中的温度，同时起到润滑的效果。针对高速加工的特点人们开发了新的冷却润滑方法，比较有影响的有液氮冷却、喷气冷却、微量润滑等，但在实际的磨削中应用很少。

高速与超高速磨削中磨削热主要是由于切屑摩擦产生的，必须润滑性好的非水溶性油以高压使磨削区得到充分冷却、用高压油清洗砂轮表面，保持砂轮良好的切削性能防止摩擦热产生。居林自动化公司采用高压冷却喷嘴和高压清洗喷嘴、油/雾分离装置（防止高速超高速磨削加工中产生油雾污染）、油温冷却装置（高热易使油剂燃烧，因此对油温要恒温控制），对磨削区域实施密闭，防止砂轮损坏和工件飞出造成事故。该方法成功应用到德国阿亨（Aachen）工科大学开展500m/s的超高速磨削研究（目前达到400m/s）中。此外高速磨床还需要配备专门设计制造的高速砂轮和检测监控系统，以使用砂轮高速转动下的工作需求。

4  高速磨床动力学研究方法

高速加工技术的实现离不开为其提供操作平台的高速加工机床。高速加工机床要实现高速加工技术所能带来的优异的加工性能，就必须对磨床各个部件的性能进行优化，特别是在高速才能反应出来的动态性能，使其满足高速加工的所需要的要求，是实现高速磨床设计制造的基础。

综上所述，稳定磨削是保证磨削加工顺利进行和获得高加工质量的前提条件和关键技术之一。外圆磨削的动态性能分析与优化具有在磨削研究中占有重要地位。

针对高速磨床动态性能特性的测量和优化目前主要有两种方法：一是通过实验测量，二是通过构建模型进行分析。实验测量方法主要是通过在机床上布置传感器，采用的传感器有分为接触式和非接触式的，典型的接触式传感器有质量阻尼加速度传感器和压电晶体位移传感器，接触式传感器在使用的过程中接触固定在机床上特定位置测量特定点的加速度和位移，由于在测量过程中传感器放置在磨床上，相当于给磨床增加了质量块，将导致磨床的动态特性发生变化，理论上将影响测量结果的准确性，传感器质量影响大小目前暂没有方法确定，因此普遍认为传感器质量相对于磨床较小，可以忽略，其对磨床的动态特性的影响可以忽略。针对于接触式传感器存在问题，许多专家学者更倾向于采用非接触式传感器，如激光传感器和电感传感器，这些传感器通过将位移信号转化为光电信号，实现对机床动态性能的测量。为测量磨床动态特性，通常需要给与磨床一定的激励，从而测量磨床的激励状态的响应，从而计算磨床的特性。磨床动态特性测量过程中使用的激励通常有特定激勵或者工作状态激励两种。特定激励主要通过人过控制激励的过程给机床特使的激励，如常用的锤击法和受迫振动法，就是通过给磨床一个瞬时激励和特定频率的激励，获得特定激励下的响应，从而得到磨床的特性，特定激励法的优点是理论和技术成熟，分析过程简单，目前已经工业化的软件可被使用，但特定激励法脱离了实际的工作情况，说明问题不够全面;因此专家学者更倾向于直接测量工作状态的磨床特性，进而判断磨床的动态特性。

实际测量过程主要获取机床的固有频率、振幅和振型，固有频率为磨床本身所确定，固有频率越高，与外界振动发生共振的概率就越低，固有频率反应了磨床的抗振性能，通常情况下磨床的固有频率越高越好。振幅是指磨床部件在受到振动的作用下偏离原来位置的位移，相同情况下振幅越小越好;振型是只振动的形态，以电主轴的轴为例，在振动过程中会变现出上下振动、圆周跳动、扭动等多种振型，振型越复杂，相应的抑制振动的措施就越难。在振型的空间节线上会出现几个振幅为0的点，这些点称为节点。也就是说无论整个磨床系统中振动与否，节点位置所在的点均不会振动，因此实际中经常将砂轮安装于节点位置，使整个砂轮的位置精度不受磨床振动的影响，这样能使加工工件的精度最高。

磨床动态特性测量试验还应该根据实际情况考虑如下几个因素对测量结果的影响：①传感器位置的布置。传感器的位置决定的测量点的位置和可以测量到信息，一般需要将测量布置在机床的特定位置，如振动节点等，以便能获得更多的信息。②模态分析的线性系统假设是否成立。在对测量结果进行分析时，为了简化分析的过程，通常将系统假定为线性了，所以在测试分析前需要先对系统的非线性强弱进行判断，看看是否满足线性系统的假设。③机床温度的影响。机床部件的热胀冷缩也会影响机床的动态特性，因此进行动态性能测试时需要先将机床开机运行数十分钟，确保整个机床系统达到热平衡再进行动态测试，消除温度的影响，对于超精密磨床，动态测试过程还需要在恒温室中进行，以确保结果的准确性。④测点位置布置尽可能多，测量的频率尽可能宽。以便能获得较高精度的频响函数和模态向量，减少截断模态的影响。

高速磨床性能的理论分析也是研究磨床性能的重要手段和方法。通过有限元法，构建磨床上主要部件的动力学模型并对其动力学特性进行分析，优化各个主要部件的结构;随后将零部件进行装配，构建整机的动力学模型并进行整机的动力学分析，优化各个零部件的装备位置;最后根据实验测量的结果校准理论模型，从理论上清楚的认识整个磨床的动力学特性。

参考文献：

[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]冯宝富，蔡光起，邱长伍.超高速磨削的发展及关键技术[J].机械工程师，2002（01）.

[3]蔡光起，李长河.高速超高速磨削技术的发展[J].磨料磨具通讯，2006（011）.