磨削加工技術是先進制造技術中的重要領域，是現代機械制造中實現高速加工、精密加工、超精密加工最有效、應用最廣泛的基本工藝技術。磨削加工量占機械加工總量的30%~40%.

　　高速磨削技術是磨削工藝本身的革命性躍變，是適應現代高科技需要而發展起來的一項新興綜合技術，它集現代機械、電子、光學、計算機、液壓、材料及計量等先進科技成就于一體。隨著砂輪強度和機床制造等關鍵技術的進步，砂輪速度大大提高，目前磨削去除率已猛增到了3 000mm³/mm·s,甚至更多，可與車、銑、刨等切削加工相媲美，尤其近年來各種新興硬脆材料，如光學晶體、光學玻璃、陶瓷、單晶硅等的廣泛應用，推動了高速磨削技術的迅猛發展。國際生產工程學會（CIRP）已將高速磨削技術確定為面向21世紀的中心研究方向之一。

　　砂輪速度高于45m/s的磨削稱為高速磨削。現在高速磨削砂輪速度達60~250m/s,工件進給速度為1 000~10 000m/min.在砂輪速度為60~120m/s內，使用普通砂輪，磨削去除率可達500~1 000mm³/mm·s,在砂輪速度為120~250m/s內，使用CBN（立方氮化硼）砂輪，磨削去除率可達2 000mm³/mm·s.德國阿亨（Aachen）工業大學，進行砂輪速度500m/s為目標的超高速磨削試驗，對砂輪與磨削工藝技術進行綜合研究。過去認為高速磨削工藝不適合于加工大平面或圓柱形表面精加工，主要用于溝槽及缺口件磨削及切入磨削，但日本、德國的研究表明，提高磨削速度可明顯地改善工件磨削質量，降低磨削力，獲得較小尺寸誤差及形狀誤差，提高加工精度。日本研發的超高速（砂輪速度為160~260m/s）外圓磨床，使用CBN砂輪，可獲得圓度誤差為1μm,表面粗糙度值R z=1.2μm的磨削效果。

　　一、超高速磨削的特點

      超高速磨削與普通磨削相比具有以下突出優勢：

　　（1）磨削力小，零件加工精度高。當磨削效率相同時，磨削速度達200m/s時的磨削力僅為磨削速度為80m/s的50%.但在相同的單顆磨粒切除條件下，磨削速度對磨削力影響極小，從而提高加工精度。

　　（2）可以得到高質量、低粗糙度值的工件表面。

　　在材料磨除率不變條件下，提高磨削速度可以降低單顆磨粒的磨削深度，從而減小磨削力。降低工件表面粗糙度值且在加工低剛度工件時，易于保證加工精度。如果在高速磨削時仍保持原有的磨削力，則可提高進給速度，降低加工時間，提高生產效率。

　　（3）可以大幅度提高磨削效率，減小設備使用臺數。以往磨削僅適用于精加工，加工精度雖高但加工余量很小。磨削前需安排許多粗加工工序，需配合不同類型的機床，構成了一個冗長的工藝鏈。當前高速磨削的材料磨除率已可與車削、銑削相比，為此磨削加工既可作精加工又可作粗加工，這樣可大大減少機床種類，簡化工藝流程。對于某些以磨削為最終加工工序的產品來說，高速磨削可以大幅度地降低生產成本及提高產品質量。

　　（4）可以大幅度延長砂輪壽命，有利于實現磨削加工的自動化。在磨削力不變的條件下，以磨削速度200m/s磨削時，砂輪壽命比以80m/s磨削時提高一倍，而在磨削效率不變條件下，砂輪壽命可提高7.8倍。砂輪壽命與磨削速度成對數關系增長，使用金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷時，磨削速度由30m/s提高到160m/s,砂輪磨削比由900提高到5 100,有利于實現自動化磨削。

　　（5）成功地越過了磨削熱溝道的影響，工件表面層可得到殘余壓變力（對工件穩定性有利）。

　　二、超高速磨削的關鍵技術

      下圖列出了超高速磨削技術所需的各項相關技術，其中高速軸承和高速砂輪的設計與制造是影響超高速磨削技術應用的最重要因素。

      1.超高速磨削砂輪

     （1）超高速砂輪的結構和制造 超高速磨削砂輪必須滿足下列要求：砂輪基體的機械強度必須能承受高度磨削時的切削力；外觀鋒利，即磨粒突出高度要大，以便能容納大量的長切屑；結合劑必須具有很高的耐磨性，以減少砂輪的磨損。

　　從超高速磨削的發展趨勢看，金剛石和CBN砂輪在超高速磨削中所占的比重越來越大，所用的結合劑可以是樹脂、陶瓷和金屬。隨著超高速磨削的進一步推廣和科研的深入，新型的磨粒和結合劑也在不斷的出現。

　　電鍍結合砂輪在超高速磨削時廣泛采用，其磨粒的突出高度很大，能夠容納大量的切屑，不易形成鈍刃切削，對超高速切削十分有利。由于電鍍結合砂輪只有一層磨粒，所以在使用過程中，不需進行修整，從而可節省昂貴的修整裝置和修整工時。

　　最近瑞士Winterthur公司研制出一種新的CBN砂輪，磨粒的基本形狀是四面體，在磨削力增大到一定程度時會產生分裂，從而形成新的鋒利切削刃。磨削合金工具鋼時，可有效降低切削力及切削溫度；保持砂輪壽命不變時，可以提高材料的磨除率及工件的精度。近年來，由于減少了磨粒層厚度并改善了相應的制造工藝措施，日本的陶瓷結合劑砂輪已在300m/s下安全運轉，單層電鍍CBN砂輪的使用速度可選250m/s. 歐洲主要使用單層電鍍CBN砂輪進行高速高效成形磨削和開槽磨削。美國Norton公司利用銅焊技術研究出的金屬單層砂輪，其磨粒突出比已達到70%~80%,容屑空間大大增加，結合劑抗拉強度超過1 500N/mm²,在相同磨削條件下可使磨削力降低50%,進一步提高了磨削效率極限。

　　為了保證砂輪在整個使用壽命中保持鋒利，砂輪的結構應有利于磨粒分裂，維持自勵過程。要達到砂輪自鋒利的目的，除了盡量降低結合劑的比例外，還要優化磨粒的空間分布。為此，可以通過計算機算出各種磨粒分裂時作用在單個磨粒上的力，從而可確定結合劑的比例。

　　我國至今還無超高速專用砂輪，圍繞超高速磨削砂輪的設計理論及制造安裝等方面的研究剛剛開始。

　　（2）超高速砂輪的修整 超高速單層電鍍砂輪一般不需要修整。特殊情況下利用粗磨粒、低濃度電鍍杯形金剛石修整工具只對個別高點進行微米級修整。試驗表明，當修整器進給量在3~5μm時，不但能保證工件質量，而且可以延長砂輪壽命。

　　對于某些高速磨削，不僅要有高的磨削效率，而且還要有高的磨削質量（高加工精度及低的表面粗糙度值），為此，對砂輪應有一套完善的修整技術。

　　超高速金屬結合劑砂輪一般采用電解修整，超高速陶瓷結合劑砂輪的修整粒度對磨削質量有重要影響。

　　日本豐田工機在GZ50超高速外圓磨床的主軸后部裝有全自動修整裝置，金剛石滾輪以25 000r/min的速度旋轉，采用聲發射傳感器對CBN砂輪表面進行檢測，以0.1μm的進給精度對超高速砂輪進行修整。

　　鑒于傳統修整法的局限，人們開發了多種超硬磨粒砂輪修整法，有在線電解修整法（ELID）、雙電極在線修整法、彈性修整法、超聲波振動修整法和激光修整法等，其中激光修整法是解決超硬磨粒砂輪修整的一種理想方法。它具有修整速度快、工效高、節省砂輪材料、易實現自動化執行在線修整等優點。特別是與普通砂輪磨削法修整超硬砂輪相比，激光修整的超硬磨粒砂輪具有良好的磨削性能，在相同磨削條件下，磨削陶瓷時的磨削力降低10%~15%.試驗已表明，金剛石修整過的砂輪產生的磨削力、表面粗糙度值與功率密度為6.0×1010W/m²激光修整的砂輪基本接近。但隨著磨削過程的延續，若干磨削行程后，激光修整過的砂輪呈現更好的變化趨勢：磨削力保持長時間內穩定，表面粗糙度值較低。

　　（3）超高速砂輪的動平衡技術 超高速磨削所使用的砂輪由于制造和調整裝夾等誤差，在更換砂輪或修整砂輪后甚至在停車后重新起動時，砂輪主軸必須進行動平衡。為此，高度磨削主軸必須有連續自動動平衡系統，以使在磨削時將振動降低到最小程度，從而獲得較高的加工精度和較低的工件表面粗糙度值。

　　按照自動動平衡裝置的平衡原理和不同的結構形式，砂輪自動動平衡技術可分以下幾種形式：

　　機電式動平衡技術：20世紀80年代末，美國Schmitt Industries 公司生產出了一種被譽為：世界最先進的在線磨床砂輪動平衡系統--SBS電腦化磨床砂輪平衡系統。該系統是由微機控制微電動機來移動平衡裝置內部的微小重塊，從而修整砂輪的平衡量。日本研制出一種光控平衡器，通過微機控制平衡裝置內部的傳動機構和驅動原件來移動平衡塊修整砂輪的平衡量。

　　液體注入式動平衡技術：德國Hofmann公司（專門研制動平衡技術及裝置）提出了砂輪液體自動動平衡裝置，這種裝置在砂輪的法蘭盤上安裝容量一定的4個儲水腔，均勻分布于不同象限，每個進水槽與一個與電磁閥控制的噴水嘴相對應，通過不同的噴水嘴就可向不同的儲水腔注入一定量的液體，從而改變砂輪不同象限的質量，實現砂輪的自動動平衡。

　　液汽式動平衡技術：美國Balance Dynamics Corporation 研制成功一種采用氟里昂作為平衡介質的液汽式砂輪平衡裝置。該裝置的特點是結構簡單，沒有開口、噴嘴、閥門及齒輪等運動零件，性能可靠，不需維修，使用方便。汽態氟里昂冷卻后還原為液態，保留在腔內，即使砂輪停轉，仍能保持平衡狀態。

　　2.超高速磨削的冷卻潤滑系統

     在超高速磨削過程中，冷卻潤滑系統的優勢常常能夠決定整個磨削過程的成敗。冷卻潤滑的功能是提高磨削的材料切除率，延長砂輪的使用壽命，降低工件表面粗糙度值。冷卻潤滑系統在超高速磨削過程中必須完成潤滑、冷卻、清洗砂輪及傳送切屑四大任務。對于高精度、高速磨削還需有溫度控制系統以確保冷卻潤滑液的溫度恒定。

　　對于超高速磨削，需要使用7×106Pa以上的供液壓力及大的流量，并選擇合適的超高速磨削液供液方法，這樣可使砂輪的容屑空間得到充分清洗，避免砂輪堵塞，引起磨粒發熱磨損及磨削力增加。

　　在超高速磨削中，以實現無磨削液為目標，可實施干式（綠色）磨削方法。如風冷卻磨削、液氮冷卻磨削等。

　　3.超高速主軸和超高速軸承技術

     （1）超高速電主軸技術 當前超高速磨削主要采用大功率超高速電主軸，優點是主軸慣性轉矩小、振動噪聲小，高速性能好，可縮短加減速時間。但從精度方面看，如何減弱電動機發熱以及散熱等將成為今后研發的課題。目前，德國Hofmann公司正在進行超高速磨削試驗，采用最大功率為25kW的高頻主軸，來實現500m/s的砂輪速度，并能在30 000r/min和40 000r/min轉速下正常工作。日本一家軸承廠采用內裝配伺服電動機研制了一種超高速磨頭，在25×104r/min高速下能穩定工作。

　　（2）超高速軸承技術 高速精密軸承是超高速磨削主軸系統的核心部件。它分滾珠軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承和磁浮軸承四大類。由于滾動軸承有很多優點，故目前國外多數超高速磨床采用滾動軸承、但不可采用鋼球軸承。為了提高其極限轉速，常采用下列措施：①提高制造精度等級。②合理選擇材料。為選用陶瓷球和鋼制軸承內外圓的混合球軸承，可使其壽命提高3~6倍，極限轉速增加60%,而溫升降低30%~60%,其DN值達到300萬以上。③改進軸承結構。德國FAG軸承公司開發的新型超高速主軸軸承，將球直徑縮小至70%,增加了球數，從而提高了軸承的剛度，若潤滑充分合理，其連續工作時的DN值可達到250萬。采用空心滾動體可減少滾動質量，從而減少離心力和陀螺力矩。

      日本東北大學開發的CNC超高速平面磨床，使用陶瓷球軸承，主軸轉速為3×104r/min.豐田工機在其開發的G250型CNC超高速外圓磨床上裝備了最新研制的Toyoda state bearing軸承，使用速度為200m/s的陶瓷結合劑CBN砂輪，對回轉形零件進行了高效、高精度和高柔性加工。日本東芝機械公司在ASN40加工中心上，采用了改進的空氣軸承在大功率下實現了3×104r/min主軸轉速。日本光洋精工株式會社、德國Kapp公司曾成功地在其高速磨床上使用了磁浮軸承。磁浮軸承傳動功耗小，維護成本低，不需要復雜、昂貴的密封器件，但軸承本身成本太高，控制系統復雜。德國Kapp公司采用的磁浮軸承砂輪主軸，轉速可達到6×104r/min.德國GMN公司的磁浮軸承主軸的轉速最高可達到104r/min以上。另外，液體靜動壓軸承也已逐漸應用于高速、高效磨床。

      4.高速進給驅動系統

      超高速磨削機床的滑臺驅動系統在20世紀90年代初大多采用大導程滾珠絲杠傳動和增加伺服進給電動機的轉速來實現的，一般進給速度可達60m/min.為了能達到更高的進給速度，近幾年出現了直線電動機驅動系統，由于它無間隙、慣性小、剛度大、速度范圍寬、重復精度高和無磨損，通過控制電路可實現高速度和高驅動，在1997年進給速度已達120m/min。

　　美國的Anorad公司是世界上最著名的直線電動機生產商，該公司在1988年就推出了無刷直流直線電動機，并獲得美國專利。公司主要生產無刷直流直線電動機（永磁同步直線電動機），最新的無鐵芯LZ系列直線電動機有48種型號，作用力為350~4 000N,形成了不同結構、不同功率的一系列產品，廣泛應用于各種領域。目前，國外比較著名的直線電動機生產和供應商除了Anorad公司外，還有美國的工業巨人Parker--Hannifin、Aerotech、Kollmorgen公司，德國的Siemens、Indramat公司，日本三菱、FANUC公司和瑞士的ETEL公司。

　　德國的Indramat公司既生產感應式直線電動機，又生產永磁式直線電動機，共50多種型號。永磁式具有高效率（最高1.72N/W）及高推力密度等特點。據報道，其產品速度能達到600 m/min,推力達22kN。

　　瑞士ETEL公司的永磁式直線電動機很適合做高速機床進給系統，其主要特點為：有很高的電動機常數K m,將水冷卻系統整合于電動機繞組中，消除了從電動機到機床的熱氣流，力密度很高，可達到4.9~7.8N/cm²,加速度可達300m/s²,甚至更高，有很高的伺服剛度，在30~60Hz內為300N/μm。

      三、超高速磨削技術的發展動向

      （1）發展大功率的高速主軸 要大力發展大功率高速主軸，只有主軸在高轉速時能輸出較大的功率，高速磨削的經濟效益才能充分發揮。

　　（2）開發適應高度磨削的新型砂輪及加工智能化技術 除研發新型的磨粒外，還必須對適用于高速磨削的結合劑及結合劑與磨粒系統的溝槽進行充分的研究。此外，對于價格昂貴的超硬磨粒砂輪，要充分發揮其生產效率高、使用壽命長的優勢，應盡可能減小其消耗并提高修整效率和精度。為此，要開發磨削數據庫和知識庫為基礎的檢測系統磨削加工智能化技術。

　　（3） 改進現有磨床結構及開發第三代高速機床 為了盡可能降低在高速時由于砂輪不平衡引起的振動，應配置在線自動動平衡系統，以使機床在不同轉速時，始終處于最佳的運轉狀態。為了提高生產效率及加工精度，則應采用高速、高效和高精度的直線進給驅動系統。

　　并聯運動學機床的出現，是20世紀90年代機床設計和制造技術的一次革命性的變革，由于其有許多普通機床所不具備的獨特優點，故引起了廣泛的重視。并聯機床作為第三代機床，要積極開發，使其逐步進入應用階段。

　　（4）積極開發干式（綠色）冷卻潤滑技術 在超高速磨削中，要繼續優化冷卻潤滑系統。此外，由于環保的需要，要大力開發干式（綠色）冷卻潤滑技術，即風冷卻高速磨削、液氮冷卻高速磨削等技術。

　　（5）高速磨削向超高速邁進 超高速磨削應用研究的下一個目標是沖破音速大關，把磨削速度提高到350m/s以上，進而使500m/s的磨削速度在工業應用上成為可能。