引言
　　快速點(diǎn)磨削（quick—point grinding）工藝是由德國(guó)Junker公司于1994年開發(fā)的一種集CNC、CBN超硬磨料、超高速磨削三大先進(jìn)技術(shù)于一體的高效率、高柔性先進(jìn)加工工藝，主要用于軸類零件的加工。它采用薄層 CBN或人造金剛石超硬磨料砂輪，是新一代數(shù)控車削和超高速磨削的極佳結(jié)合，是目前超高速磨削最先進(jìn)的技術(shù)形式之一［1］?？焖冱c(diǎn)磨削技術(shù)已在國(guó)外汽車工業(yè)、工具制造業(yè)中得到應(yīng)用。我國(guó)部分汽車制造企業(yè)目前也針對(duì)特定零件引進(jìn)了這一工藝和相應(yīng)設(shè)備，并取得了明顯的效益。但由于國(guó)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)并沒有真正掌握其關(guān)鍵工藝技術(shù)，因而其應(yīng)用領(lǐng)域很小。國(guó)內(nèi)目前還不能生產(chǎn)配套砂輪及相關(guān)附件，全部設(shè)備依賴進(jìn)口。國(guó)外有關(guān)快速點(diǎn)磨削的機(jī)理、規(guī)律、磨削質(zhì)量控制及點(diǎn)磨削工藝等的系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究及相關(guān)技術(shù)信息也鮮見報(bào)道，因此該項(xiàng)新工藝的許多關(guān)鍵技術(shù)及理論、新的應(yīng)用領(lǐng)域均有待于進(jìn)一步開發(fā)和研究。
　　1 快速點(diǎn)磨削的技術(shù)特征
　　快速點(diǎn)磨削的磨削過程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術(shù)特征如下：
　　（1）在磨削工件外圓時(shí)，砂輪與工件軸線并不是始終處于平行狀態(tài)，而是在水平方向旋轉(zhuǎn)一定角度，以實(shí)現(xiàn)砂輪和工件在理論上的點(diǎn)接觸，如圖1所示。 Junker公司的數(shù)控快速點(diǎn)磨削機(jī)床，根據(jù)工作臺(tái)進(jìn)給方向及臺(tái)肩方位，在垂直方向砂輪軸線與工件軸線的點(diǎn)磨變量角α為土0．5°[2] ，通過數(shù)控系統(tǒng)控制點(diǎn)磨變量角大小以及在X、Y方向的聯(lián)動(dòng)速度。
　　（2）快速點(diǎn)磨削砂輪采用超硬磨料CBN或人造金剛石超薄砂輪，厚度為4～6mm，砂輪安裝采用三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)快速完成，重復(fù)定位精度高，并可在機(jī)床上自動(dòng)完成砂輪的動(dòng)平衡。

　?。?）砂輪速度可達(dá)100～160m/s。為獲得高磨除率，同時(shí)不使砂輪產(chǎn)生過大的離心力，工件也以高速相對(duì)旋轉(zhuǎn)（Junker公司的點(diǎn)磨機(jī)床，其工件轉(zhuǎn)速最高可達(dá)12000r/min），因此實(shí)際磨削速度是砂輪和工件兩者速度的疊加，可達(dá)200～250m/s。
　?。?）與一般磨削方式不同，由于砂輪傾斜，故形成“后角”，在磨削外圓時(shí)，材料去除主要靠砂輪側(cè)邊完成，而周邊起光磨作用
　?。?）Junker公司數(shù)控快速點(diǎn)磨削機(jī)床采用了多項(xiàng)專利技術(shù)[3] ，如砂輪三點(diǎn)定位安裝系統(tǒng)、砂輪主軸電平衡自動(dòng)控制系統(tǒng)、精密導(dǎo)軌系統(tǒng)及砂輪在線修整技術(shù)等，以保證機(jī)床的加工性能。
　　2 快速點(diǎn)磨削工藝特點(diǎn)
　　與一般的高速和超高速磨削方法相比較，快速點(diǎn)磨削砂輪與工件處于點(diǎn)接觸狀態(tài)（接觸面積最小），實(shí)際磨削速度更高，磨削力大大降低，比磨削能小，磨削熱少，同時(shí)切屑可帶走大部分熱量，冷卻效果好，因此磨削溫度大為降低，甚至可以實(shí)現(xiàn)“冷態(tài)”加工，提高了加工精度和表面質(zhì)量，能夠達(dá)到高精度磨削的表面加工質(zhì)量和形狀精度。由于磨削力極小，工件安裝夾緊方便，特別適合剛性較差的細(xì)長(zhǎng)軸加工，因無需使用工件夾頭，可進(jìn)行包括工件兩端在內(nèi)的整體加工。砂輪使用壽命長(zhǎng)，最高磨削比可達(dá)到60000。砂輪修整率低。采用CNC兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，一次安裝后可完成外圓、錐面、螺紋、臺(tái)肩和溝槽等所有外形的加工，實(shí)現(xiàn)車磨合并，柔性大，加工精度高。機(jī)床利用率高達(dá)88%～95%，比傳統(tǒng)的磨削方法高出3%～8%，生產(chǎn)效率比普通磨削提高6倍，大批量生產(chǎn)時(shí)加工成本低。數(shù)控快速點(diǎn)磨削技術(shù)也是數(shù)控車削技術(shù)發(fā)展進(jìn)化的方向。由于磨削溫度低、磨料及磨削液消耗少，該項(xiàng)技術(shù)符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)。
　　3 快速點(diǎn)磨削機(jī)理及應(yīng)用研究
　　超高速磨削過程中，磨粒相對(duì)工件的速度已經(jīng)接近于壓應(yīng)力在材料中的傳播速度量級(jí)，使材料變形區(qū)域明顯變小，消耗的切削能量更集中于磨屑的形成，使切除單位體積材料需要的能量更少；磨削熱量也主要集中在磨屑，傳人工件的熱量比例減小[4] 。在超高速條件下，變形區(qū)材料應(yīng)變率極高，相當(dāng)于在高速絕熱沖擊條件下完成切削，使材料更易于磨除，并使難磨材料的磨削性能改善。因此超高速磨削具有如下突出的特點(diǎn)：①當(dāng)單顆磨粒未變形，磨屑尺寸大小不變時(shí)，可以使用更高的磨削工藝參數(shù)，材料磨除率大大提高；②切深相同時(shí)，磨削力和比磨削能小，工件受力變形?。虎鄢咚贄l件使單顆磨粒受力小，磨損少，能極大地延長(zhǎng)砂輪壽命；④磨削表面粗糙度值會(huì)隨砂輪速度的提高而降低，加之工件表面溫度低，受力受熱變質(zhì)層很薄，表面加工質(zhì)量高；⑤可以高效率地對(duì)硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削，對(duì)高塑性和難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。使用CBN磨料磨具的超高速磨削技術(shù)是先進(jìn)制造的前沿技術(shù)[5－7] ，快速點(diǎn)磨削則是超高速磨削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。除了具有上述特點(diǎn)外，快速點(diǎn)磨削技術(shù)還具備點(diǎn)磨削、薄砂輪、數(shù)控成形、磨削溫度及磨削力更低等特點(diǎn)，因此在某些領(lǐng)域會(huì)有更好的應(yīng)用。
　　3．l 難加工材料的快速點(diǎn)磨削性能分析
　　超高速外圓磨削加工中，接觸層材料的變形速度取決于磨削速度。單個(gè)磨粒加工的特征時(shí)間為

　　式中l(wèi)為磨削區(qū)動(dòng)態(tài)接觸弧長(zhǎng)；v為實(shí)際磨削速度；ap為磨削深度；ds、vs分別為砂輪直徑和砂輪速度；dw、vw分別為工件直徑和工件速度；逆磨時(shí)取正號(hào)，順磨時(shí)取負(fù)號(hào)。 式（1）表明磨粒在整個(gè)接觸弧長(zhǎng)上磨削過程極短。對(duì)快速點(diǎn)磨削來說，由于磨削深度和軸向進(jìn)給量極?。ハ魃疃纫话銥?0．02～0．2mm），單顆磨粒的切削厚度及接觸弧長(zhǎng)更小，考慮速度的合成，實(shí)際磨削速度可高達(dá)200～250m/s，因此磨粒和切削層材料碰撞的特征時(shí)間更短，一般為10－6～10－5 S。磨削區(qū)接觸層某點(diǎn)的應(yīng)變率可表成該點(diǎn)應(yīng)變ε對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，由于點(diǎn)磨削接觸弧長(zhǎng)極小，接觸層平均應(yīng)變率等于磨削速度除以結(jié)構(gòu)的變形區(qū)域尺寸，即，可用作用特征時(shí)間的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

　　根據(jù)式（2），接觸區(qū)平均應(yīng)變率可高于10－5 S－l，如果忽略接觸弧的曲率效應(yīng)而僅考慮磨粒與材料碰撞點(diǎn)附近的局部變形區(qū)域，則磨粒與切削層的作用特征時(shí)間更為短暫，應(yīng)變率可達(dá) 107～108S－l。根據(jù)表1［8］ ，超高速磨削過程已屬?zèng)_擊或超速?zèng)_擊載荷的力學(xué)行為，因此材料去除機(jī)制將發(fā)生很大變化。

　　一些高性能硬脆材料在工程中的應(yīng)用日趨廣泛，但改善這類材料的機(jī)械加工性能始終是一項(xiàng)技術(shù)難題。研究結(jié)果表明，脆性材料在超高速磨削條件下可以實(shí)現(xiàn)延性域磨削。由于快速點(diǎn)磨削過程中材料極高的應(yīng)變率，材料變形層將產(chǎn)生高度局部化的絕熱剪切和動(dòng)態(tài)微損傷，應(yīng)變率弱化效應(yīng)對(duì)磨削過程，特別是對(duì)磨削力及材料去除機(jī)理的影響會(huì)更為顯著，脆性材料不再完全以脆性斷裂的形式產(chǎn)生磨屑，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬脆性材料的“延性”加工，從而大大提高硬脆性材料的磨削質(zhì)量和加工效率。此外，由于金屬話性高、熱導(dǎo)率低等因素影響，鎳基耐熱合金、鈦合金、鋁合金等一些難磨材料在普通磨削條件下磨削加工性很差。快速點(diǎn)磨削的磨屑形成時(shí)間極短，切屑變形速度已接近靜態(tài)塑性變形應(yīng)力波的傳播速度，由于塑性變形的滯后而使耕犁變形減小，材料變形區(qū)動(dòng)態(tài)微損傷密度增加，這相當(dāng)于材料塑性降低，切屑在彈性狀態(tài)下去除，從而可實(shí)現(xiàn)延性材料的“脆性”加工，并可減小加工硬化傾向，降低表面粗糙度值和殘余應(yīng)力。根據(jù)波動(dòng)方程，材料靜態(tài)應(yīng)力波速度可表示為

　　式中，ρ為材料密度；σ為材料變形層應(yīng)力。
　　根據(jù)純鋁材料在靜態(tài)條件下應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系（σ—ε）曲線，由式（3）可求得純鋁材料的靜態(tài)塑性應(yīng)力波速約為200m/s。

　　圖2和圖3為超高速磨削純鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9] ，當(dāng)磨削速度超過 200m/s時(shí)，表面硬化程度和表面粗糙度值開始減小，工件表面完整性得到改善，因?yàn)榧虞d速度提高使得塑性應(yīng)變點(diǎn)后移，增大了材料在彈性小變形階段被去除的幾率，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了塑性材料的“脆性”加工。因此，塑性材料靜態(tài)應(yīng)力波速是實(shí)現(xiàn)“脆性”加工的臨界點(diǎn)。快速點(diǎn)磨削可以實(shí)現(xiàn)更高的磨削速度，如果優(yōu)化選擇其他磨削工藝參數(shù)，對(duì)高韌性難磨材料也可獲得良好的磨削加工性能。
　　基于以上分析，通過優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，快速點(diǎn)磨削可實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性、韌性難磨材料的高質(zhì)量磨削加工，因此應(yīng)開展采用快速點(diǎn)磨削工藝磨削這類難加工材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)揮其技術(shù)特點(diǎn)，擴(kuò)大快速點(diǎn)磨削加工材料的范圍。
　　3．2 復(fù)雜回轉(zhuǎn)表面點(diǎn)磨削加工
　　快速點(diǎn)磨削目前主要用于軸類零件圓柱表面及溝槽的磨削加工。如一汽大眾汽車有限公司采用該工藝磨削EAll3五氣門系列發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸軸頸，大大提高了生產(chǎn)率及加工質(zhì)量，效益顯著。大批量生產(chǎn)中，復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面精密加工的主要方法是砂輪成形磨削，但這對(duì)砂輪形狀精度要求較高，磨削發(fā)熱量大，加工質(zhì)量不夠穩(wěn)定，砂輪修整過程復(fù)雜，工藝成本較高。根據(jù)超高速點(diǎn)磨削的技術(shù)特點(diǎn)，通過合理控制超薄砂輪軸線相對(duì)于工件軸線在水平方向的點(diǎn)磨變量角度β，結(jié)合X、Y軸的 CNC聯(lián)動(dòng)，利用超薄砂輪能夠進(jìn)人普通砂輪所不能進(jìn)人的磨削區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)這類復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面零件的點(diǎn)磨削加工（圖4），從而簡(jiǎn)化這類零件的加工工藝，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此需要進(jìn)一步開發(fā)在這一領(lǐng)域點(diǎn)磨削工藝，充分發(fā)揮快速點(diǎn)磨削技術(shù)性能，擴(kuò)大快速點(diǎn)磨削加工幾何形面的適用范圍。

　　3．3 砂輪磨損機(jī)制
　　快速點(diǎn)磨削砂輪直徑一般為350～400mm，金屬基體周邊上徑向磨料層厚度以及砂輪寬度僅有4～6mm，磨削外圓表面時(shí)，由于點(diǎn)磨變量角的存在，根據(jù)磨削幾何學(xué)關(guān)系，砂輪與工件母線理論上為點(diǎn)接觸，接觸區(qū)主要分布在靠近砂輪邊緣并與砂輪側(cè)邊相重合的近似半橢圓區(qū)域。由于形成“后角”，材料的去除主要由砂輪的側(cè)邊完成，砂輪周邊僅起類似車刀副切削刃的光磨作用，由于磨削區(qū)不同半徑處砂輪側(cè)邊磨削速度、接觸弧長(zhǎng)和單顆磨粒切削厚度不同（圖5），因此砂輪沿橫向的磨損表現(xiàn)及砂輪修整方法與常規(guī)磨削存在一定區(qū)別。
　　根據(jù)對(duì)我國(guó)汽車制造企業(yè)應(yīng)用快速點(diǎn)磨削工藝現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，由于缺乏對(duì)超薄超硬磨料砂輪在快速點(diǎn)磨削條件下磨損機(jī)理的認(rèn)識(shí)，砂輪的修整都是根據(jù)規(guī)定的加工工件數(shù)量、按一定的生產(chǎn)周期進(jìn)行的，因此存在因砂輪修整過早而使超硬磨料損耗嚴(yán)重、超薄砂輪壽命降低，或因修整過晚而影響加工質(zhì)量的現(xiàn)象。這是快速點(diǎn)磨削工藝目前存在的一項(xiàng)技術(shù)難題。與普通外圓磨削不同，砂輪主要是沿側(cè)邊磨損，為減小超硬磨料消耗、保證加工精度及工件尺寸的一致性，應(yīng)進(jìn)行合理有效的砂輪修整。因此需要研究和建立相應(yīng)的砂輪磨損模型及砂輪側(cè)邊磨損量對(duì)磨削性能的影響規(guī)律，科學(xué)地評(píng)價(jià)砂輪磨損狀態(tài)與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)研究CBN點(diǎn)磨削超薄砂輪的修整理論和技術(shù)方法。
　　3．4 面向綠色制造的快速點(diǎn)磨削技術(shù)
　　在機(jī)械制造領(lǐng)域，磨削是對(duì)環(huán)境影響最大的一種加工工藝。磨料磨具本身的制造、磨削加工中的微粉污染、磨削加工所造成的能源及材料消耗，以及加工中大量使用的磨削液等都對(duì)環(huán)境和資源產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國(guó)是世界上磨料、磨具產(chǎn)量及消耗量的第一大國(guó)，超硬磨料制造成本較高，價(jià)格昂貴，因此大幅度提高磨削加工的綠色度意義重大［10］?？焖冱c(diǎn)磨削具有磨削區(qū)域小、磨削力小、砂輪使用壽命長(zhǎng)、磨削溫度低、冷卻方式簡(jiǎn)便?？蓪?shí)現(xiàn)少無磨削液的于式或準(zhǔn)干式加工的特點(diǎn)，通過對(duì)點(diǎn)磨削熱、比磨削能、磨削比、砂輪壽命及新型冷卻系統(tǒng)等的理論和實(shí)驗(yàn)研究，開展面向綠色制造的快速點(diǎn)磨削技術(shù)的基礎(chǔ)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　
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　　作者簡(jiǎn)介：修世趙，男，1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院副教授、博士研究生。研究方向?yàn)楦咝Ь苣ハ骷夹g(shù)與理論。發(fā)表論文30篇。樂先起，男，1947年生。東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)研究所所長(zhǎng)、教授、博士研究生導(dǎo)師。鞏亞東，男，1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士。李長(zhǎng)河，男，1966年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。