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　　發(fā)動機(jī)曲軸凸輪軸CBN高速磨削加工可以越過切削過程產(chǎn)生的高溫死谷而使刀具在超高速區(qū)進(jìn)行高速切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機(jī)床生產(chǎn)率。
　　高速加工的概念是由德國切削物理學(xué)家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他發(fā)表了著名的Salomon曲線，創(chuàng)造性地預(yù)言了超越 Talor切削方程式的非切削工作區(qū)域的存在，提出如能夠大幅度提高切削速度，就可以越過切削過程產(chǎn)生的高溫死谷而使刀具在超高速區(qū)進(jìn)行高速切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機(jī)床生產(chǎn)率。
　　高速磨削的機(jī)理
　　在高速磨削加工過程中，在保持其它參數(shù)不變的條件下，隨著砂輪速度的大幅度提高，單位時間內(nèi)磨削區(qū)的磨粒數(shù)增加，每個磨粒切下的磨屑厚度變薄；實(shí)驗(yàn)表明在高速磨削條件下，磨屑的截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一。從而導(dǎo)致了每個磨粒承受的磨削力大大變小，所以總磨削力大大降低。
　　若通過調(diào)整參數(shù)使磨屑厚度保持不變，由于單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，磨除的磨屑增多，磨削效率會大大提高。高速磨削時，由于磨削速度很高，單個磨屑的形成時間極短。在極短的時間內(nèi)完成的磨屑的高應(yīng)變率(可近似認(rèn)為等于磨削速度)形成過程與普通磨削有很大的差別，表現(xiàn)為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側(cè)因塑性流動而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表面層硬化及殘余應(yīng)力傾向減小。此外，高速磨削時磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進(jìn)給速度均大大加快，加上應(yīng)變率響應(yīng)的溫度滯后的影響，會使工件表面磨削溫度有所降低，因而能越過容易發(fā)生磨削燒傷的區(qū)域，從而極大擴(kuò)展了磨削工藝參數(shù)的應(yīng)用范圍。

圖1 在高速磨床上磨削加工凸輪軸

圖2 在高速磨床上磨削加工曲軸

圖3 高精度精壓圓柱導(dǎo)軌

　圖4 砂輪及磨削液供給系統(tǒng)

圖5 砂輪三點(diǎn)定位系統(tǒng) 

圖6 快速點(diǎn)磨削方法加工主軸

　　圖7 快速點(diǎn)磨削方法加工凸輪軸 
　　 表1 磨削凸輪軸的工藝對比指標(biāo) 工藝 
　　 傳統(tǒng)工藝 
　　 (剛玉砂輪) 快速點(diǎn)磨工藝 
　　 (CBN砂輪) 
　　 磨床臺數(shù) 11 7 
　　 投資 100% 80% 
　　 運(yùn)行成本 100 23% 

圖8 磨削發(fā)動機(jī)凸輪軸 

　　和普通磨削相比，高速磨削有以下特點(diǎn)： 
　　1. 生產(chǎn)效率高。由于單位時間內(nèi)作用的磨粒數(shù)增加，使材料磨除率成倍增加，最高可達(dá)2000mm3/mm·s;，比普通磨削可提高30%～100%。 
　　2. 砂輪使用壽命長。由于每顆磨粒的負(fù)荷減小，磨粒磨削時間相應(yīng)延長，提高了砂輪使用壽命。磨削力一定時，200m/s磨削砂輪的壽命是80m/s磨削的2倍；磨削效率一定時，200m/s磨削砂輪的壽命則是80m/s磨削的7.8倍。這非常有利于實(shí)現(xiàn)磨削自動化。 
　　3. 磨削表面粗糙度值低。超高速磨削單個磨粒的切削厚度變小，磨削劃痕淺，表面塑性隆起高度減小，表面粗糙度數(shù)值降低；同時由于超高速磨削材料的極高應(yīng)變率(可達(dá)10-4～10-6s-1)，磨屑在絕熱剪切狀態(tài)下形成，材料去除機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此可實(shí)現(xiàn)對脆性和難加工材料的高性能加工。 
　　4. 磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高。由于切削厚度小，法向磨削力Fn相應(yīng)減小，從而有利于剛度較差工件加工精度的提高。在切深相同時，磨削速度250m/s磨削時的磨削力比磨削速度180m/s時磨削力降低近一倍。 
　　5. 磨削溫度低。超高速磨削中磨削熱傳入工件的比率減小，使工件表面磨削溫度降低，能越過容易發(fā)生熱損傷的區(qū)域，受力受熱變質(zhì)層減薄，具有更好的表面完整性。使用CBN砂輪200m/s高速磨削鋼件的表面殘余應(yīng)力層深度不足10m。從而極大地?cái)U(kuò)展了磨削工藝參數(shù)地應(yīng)用范圍。 
　　6. 充分利用和發(fā)揮了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的優(yōu)異性能。電鍍和釬焊單層超硬磨料砂輪是高速磨削首選的磨具。特別是高溫釬焊金屬結(jié)合劑砂輪，磨削力及溫度更低，是目前高速磨削新型砂輪。 
　　7. 具有巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效應(yīng)，并具有廣闊的綠色特性。高速磨削加工能有效地縮短加工時間，提高勞動生產(chǎn)率，減少能源的消耗和噪聲的污染。在高速磨削加工中，砂輪磨損減小，使用壽命長，使加工成本降低，資源得到有效利用。由于高速磨削效率高，可取消或替代刨、銑、車加工，從而減少了加工工序、設(shè)備和人員的投入，減少了資源、能源和人員的消耗，實(shí)現(xiàn)制造工藝的綠色特性。因高速磨削熱的70%被磨屑所帶走，所以加工表面的溫度相對低，所需磨削液的流量和壓力可相對減少，使冷卻液的需求量減少，能量需求減少，污染減少。 
　　 
　　發(fā)動機(jī)曲軸凸輪軸的高速磨削加工 
　　* 高速外圓磨削 
　　提高砂輪速度有助于減少磨削表面粗糙度，可實(shí)現(xiàn)高效率高速精密磨削。高速外圓磨削是使用80～200m/s及以上的砂輪周速和CBN砂輪，配以高性能CNC 系統(tǒng)和高精度微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，對凸輪軸(圖1)、曲軸(圖2)等零件外圓回轉(zhuǎn)表面進(jìn)行高速精密磨削加工的方法。它即能夠保證高的加工精度，又可獲得高的加工效率。 
　　這一技術(shù)在日本已成功應(yīng)用于汽車工業(yè)部門。例如，使用豐田工機(jī)株式會社GCH63B型CNC高速外圓磨床來磨削加工余量達(dá)5mm的球墨鑄鐵凸輪軸，磨除率可達(dá)174mm3/mm·s，砂輪磨削比可達(dá)33500。以表面粗糙度Rz=3m為上限，砂輪經(jīng)過一次修整可連續(xù)磨削60個工件，磨后表面呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并可從毛坯直接磨為成品，省去了車工序及工序間的周轉(zhuǎn)。豐田工機(jī)GZ0型CNC高速外圓磨床裝備了Toyoda State Bearing軸承，用200 m/s的薄片CBN砂輪對回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行一次性縱向軌跡磨削完成整個工件的柔性加工。這些對生產(chǎn)管理和降低成本均具有重要意義。德國Guhring Automation公司RB625高速外圓磨床上，使用CBN砂輪，也可將毛坯一次磨成主軸，每分鐘可磨除2kg金屬。高速精密磨削是采用高速精密磨床，并通過精密修整微細(xì)磨料磨具，采用亞微米級切深和潔凈加工環(huán)境獲得亞微米級以下的尺寸精度。 
　　* 快速點(diǎn)磨削 
　　快速點(diǎn)磨削一般采用金屬結(jié)合劑超硬磨料(CBN或人造金剛石)超薄砂輪，直徑一般為300～400mm，寬度為4～6mm，徑向磨料層厚度為5mm。 Junker公司快速點(diǎn)磨削機(jī)床采用了多項(xiàng)專利技術(shù)，如砂輪三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)和在線修整系統(tǒng)、砂輪主軸電子平衡自動控制系統(tǒng)等。X方向采用高精度靜壓圓柱導(dǎo)軌技術(shù)(圖3)，以增加阻尼和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)微米級精確切入進(jìn)給。Z方向(縱向)進(jìn)給采用帶有預(yù)負(fù)載的滾珠絲杠和平面/V形涂層導(dǎo)軌。機(jī)床配有高壓磨削液雙噴嘴供給系統(tǒng)等，以保證機(jī)床的加工性能和加工精度。圖4為砂輪及磨削液雙噴嘴供給裝置。快速點(diǎn)磨削采用厚度為4～6mm的超硬磨料薄砂輪，并采用 “三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)” 專利技術(shù)快速安裝，重復(fù)定位精度高，并可解決離心力造成的漲孔問題。 
　　砂輪在主軸上的安裝采用Junker公司專利技術(shù)“三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)”快速完成，重復(fù)定位精度高，并可補(bǔ)償高速離心力作用下的砂輪孔徑漲大，如圖5所示。當(dāng)砂輪主軸相對于砂輪逆時針轉(zhuǎn)動時，主軸星形體上三段均布的擺線輪廓斜面與砂輪內(nèi)孔均布的三個圓柱緊密接觸，實(shí)現(xiàn)砂輪對中定位，然后由螺栓將砂輪與主軸法蘭端面鎖緊。當(dāng)需要更換砂輪時，只需將砂輪逆時針旋轉(zhuǎn)30°，即可使砂輪與主軸分離，從而快速更換砂輪，使更換頂尖時間小于2min，換砂輪時間小于20min。為控制由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動，保證獲得高的表面質(zhì)量，在砂輪的每次修整和更換后都要進(jìn)行動平衡，Junker公司的快速點(diǎn)磨削機(jī)床通過安裝在主軸端部的電子自動平衡系統(tǒng)自動完成砂輪在線動平衡，砂輪徑向跳動精度可控制在0.002 mm以內(nèi)。由于砂輪極薄，降低了砂輪重量和不平衡度,也使裹附在高速砂輪周邊的氣流壓力大為降低，減少了高速砂輪的旋轉(zhuǎn)阻力，并且能磨削普通砂輪不能磨削的狹窄型面與斷面尺寸變化較大的型面。 
　　高速點(diǎn)磨削砂輪速度可達(dá)90～160m/s。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產(chǎn)生過大的離心力而發(fā)生破壞，工件也高速旋轉(zhuǎn)，通常在1000r/min以上，最高可達(dá)12000r/min。因此接觸點(diǎn)處的實(shí)際磨削速度應(yīng)是砂輪和工件兩者線速度的疊加，接近200m/s，以實(shí)現(xiàn)更高應(yīng)變率下材料的去除。由于車磨工序合并，為保證工件的表面質(zhì)量，徑向切深和沿X軸的縱向進(jìn)給速度一般很小，如點(diǎn)磨削凸輪軸時，縱向進(jìn)給速度一般在0.01～2mm/s, 徑向切深0.002～0.2mm。 
　　用快速點(diǎn)磨削方法磨削主軸(圖6)，裝夾一次可完成外圓、軸肩、溝槽和緊固螺紋4個部位的磨削；磨凸輪軸(圖7)，一次裝夾可磨削凸輪型面、主軸軸頸、兩端軸頸、止推軸頸側(cè)肩面和凸輪調(diào)整座面外徑，尺寸精度達(dá)到IT6，Ra≤0.8µm，周期時間150s，與傳統(tǒng)工藝比較，大大節(jié)約了成本(表1)。 
　　我國一汽大眾汽車有限公司應(yīng)用這一技術(shù)磨削發(fā)動機(jī)凸輪軸(圖8)，砂輪轉(zhuǎn)速4300r/min，砂輪修整一次可磨削3000件。數(shù)控快速點(diǎn)磨削也是使用半永久性工具進(jìn)行數(shù)控車削的發(fā)展方向。由于磨削溫度低、磨料及能源消耗少，快速點(diǎn)磨削技術(shù)也符合綠色制造要求，可以預(yù)計(jì)這項(xiàng)新型磨削技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;
　　快速點(diǎn)磨削磨削材料去除主要靠砂輪側(cè)邊完成，而周邊僅起光磨作用。因此，砂輪圓周磨損極慢，使用壽命長(最長可達(dá)1年)，磨削比可達(dá)16000～60000，一片快速點(diǎn)磨砂輪可磨去數(shù)噸鋼，砂輪修整率低(每次修整可加工2×105個零件)，生產(chǎn)效率比普通磨削提高6倍。由此可見，快速點(diǎn)磨削技術(shù)相當(dāng)于使用半永久性工具進(jìn)行數(shù)控車磨合并加工，符合先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，也符合綠色制造的要求，因此該項(xiàng)磨削新技術(shù)極具發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;
　　 
　　結(jié)論 
　　我國個別汽車制造企業(yè)目前引進(jìn)了高速磨削設(shè)備用于汽車發(fā)動機(jī)軸類零件的加工(主要是發(fā)動機(jī)凸輪軸、曲軸加工)，并取得了明顯效益。但應(yīng)用領(lǐng)域很小，僅就單一零件加工的全套設(shè)備和工藝由國外壟斷定制，現(xiàn)場加工只是由工人完成固定的操作工序，全部加工過程由CNC控制自動完成；砂輪修整也只是按照規(guī)定的加工工件數(shù)量進(jìn)行，而不考慮實(shí)際使用狀況。生產(chǎn)車間面對的是“黑箱”技術(shù)。企業(yè)并沒有真正掌握其核心技術(shù)和工藝?yán)碚摚簿蜔o法進(jìn)行其工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)數(shù)控編程技術(shù)、不能配套生產(chǎn)砂輪及其相關(guān)附件。全部工藝和設(shè)備均依賴于進(jìn)口。 
　　因此，跟蹤國際先進(jìn)技術(shù)，深入開展高速磨削技術(shù)的理論與應(yīng)用研究，對于在我國推廣和發(fā)展該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)、提高制造工藝技術(shù)和裝備制造水平具有重要意義。