第1章緒論
　　本章闡述高速/超高速磨削的定義與技術(shù)內(nèi)涵，分析高速/超高速磨削的優(yōu)越性與特點，論述實現(xiàn)高速/超高速磨削對國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展與學(xué)科發(fā)展的重要意義，展望高速/超高速磨削技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，提出實現(xiàn)高速/超高速磨削工程化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　1.1內(nèi)涵與特點
　　1.1.1內(nèi)涵
　　1. 定義
　　通常將砂輪線速度vs=30～45m/s的磨削稱為傳統(tǒng)磨削，將砂輪線速度vs>45m/s的磨削稱為高速磨削，而將砂輪線速度vs>150m/s的磨削稱為超高速磨削［1］。
　　傳統(tǒng)磨削是一種低效率的精密加工方法，往往作為機(jī)械加工的*后一道工序，其主要作用在于保證零件所要求的尺寸和形狀精度。但傳統(tǒng)磨削效率低，在效率上與普通車削、銑削相去甚遠(yuǎn)，砂輪線速度vs=30～40m/s時，材料比磨除率不足10mm3/(mm?s)。同時，傳統(tǒng)磨削在磨削過程中經(jīng)常出現(xiàn)磨削灼傷、燒傷、硬化、微裂紋、殘余應(yīng)力等加工缺陷。
　　高速/超高速磨削是通過增加工件進(jìn)給速度和進(jìn)給量，使磨除率較普通磨削有較大提高，達(dá)到和車削、銑削等同甚至更高的金屬切除率，以**限度地提高加工效率、加工精度與加工表面質(zhì)量為目標(biāo)的先進(jìn)制造技術(shù)。它不僅是一種精密加工方法，而且可以實現(xiàn)材料高效去除加工與高表面質(zhì)量磨削。
　　2. 內(nèi)涵
　　高速/超高速磨削除引起了切屑幾何參數(shù)的變化外，還導(dǎo)致了磨削機(jī)制的重大變化，如磨粒與工件的接觸變形、摩擦機(jī)制和磨削區(qū)的傳熱機(jī)制等都發(fā)生了很大變化。采用高速/超高速磨削加工，材料變形區(qū)域明顯變小，消耗的能量更集中于磨屑的形成，磨削力和比磨削能減小，工件變形��；單顆磨粒受力減小，磨損減少，砂輪壽命延長；磨削熱量集中在磨屑和工件表面，受力受熱變質(zhì)層薄，加工質(zhì)量高；變形區(qū)材料應(yīng)變率高，材料更易于磨除，實現(xiàn)對硬脆材料延性域磨削；增加了黏性材料在彈性小變形階段被去除的比率。
　　1.1.2技術(shù)特點
　　1. 高速/超高速磨削的力學(xué)效應(yīng)
　　1) 磨削區(qū)域磨削力呈現(xiàn)大幅度降低趨勢
　　高速/超高速磨削中的許多現(xiàn)象可通過引入**未變形切屑厚度hmax這一參數(shù)來解釋。在保持其他參數(shù)不變的條件下，隨著vs的大幅度提高，單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，每個磨粒切下的hmax變小，切屑變得非常細(xì)薄。試驗表明，其截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一，這導(dǎo)致每個磨粒承受的磨削力大大變小，總磨削力降低。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。
　　圖1.1和圖1.2是磨削碳化鎢涂層材料時，磨削力隨砂輪線速度的變化關(guān)系。由圖可以看出，磨削力基本上隨砂輪線速度的增加而降低；另外，隨著砂輪線速度的提高，不同砂輪、不同磨削液對磨削力的影響越來越小。
　　2) 磨削區(qū)域溫度呈現(xiàn)回落趨勢
　　在磨削溫度試驗中，采用平面磨削方式且不采用冷卻液（即干磨方式），被磨工件材料為45#鋼、40Cr合金鋼，工件磨削長度為32mm。工作臺速度分別為4m/s、2m/s；磨削深度分別為0.03mm、0.05mm；砂輪線速度分別為90m/s、120m/s、150m/s、1800m/s、210m/s。在其他磨削參數(shù)不變的條件下，砂輪線速度vs對表面磨削溫度的影響規(guī)律如圖1.3所示。圖1.345#鋼砂輪線速度對磨削溫度的影響
　　對于45#鋼，砂輪線速度變化對工件表面磨削溫度的影響規(guī)律較為明顯，基本上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，磨削溫度的轉(zhuǎn)折點在120m/s和150m/s之間，與超高速切削中的薩洛蒙曲線類似（圖1.4）。德國切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl Salomon）提出，與普通切削速度范圍內(nèi)切削溫度隨切削速度的增大而升高不同，當(dāng)切削速度增大至與工件材料的種類有關(guān)的某一臨界速度后，隨著切削速度的增大，切削溫度與切削力反而降低。
　　從試驗中發(fā)現(xiàn)，在低速區(qū)段，磨削溫度隨著砂輪線速度的升高而升高，在一個特定的砂輪線速度時達(dá)到**值；之后，磨削溫度隨著砂輪線速度的升高而降低。并且在一定速度區(qū)段內(nèi)，磨削溫度很高，導(dǎo)致工件燒傷，稱之為燒傷區(qū)。當(dāng)砂輪線速度超過這個區(qū)段之后，磨削溫度就會降低到不致使工件產(chǎn)生燒傷的數(shù)值，而在砂輪線速度超過燒傷區(qū)域的區(qū)段進(jìn)行磨削，比磨除率大大提高，從而可以大大提高磨削效率。
　　產(chǎn)生這個結(jié)果的主要原因有以下幾個方面：
　　(1) 當(dāng)砂輪線速度提高后，在工作臺速度vw不變的條件下，砂輪單個磨粒的**切削厚度下降，砂輪的磨削力顯著下降，導(dǎo)致磨削能和比磨削能基本保持不變或略有升高，但去除磨屑所需的時間減少。在這段時間內(nèi)，熱量來不及傳入工件內(nèi)部，或者說是磨屑被去除的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱滲透的速度，使得傳入工件內(nèi)部的熱量減少，磨削溫度降低。
　　(2) 砂輪線速度vs提高，磨削熱功率增大，溫度本應(yīng)該增高，但在磨削溫度達(dá)到其相變溫度時，將產(chǎn)生相變，需消耗一部分熱能，因此在較高的速度區(qū)段，溫度隨速度的增長幅度低于不發(fā)生相變的區(qū)段。
　　(3) 若改變砂輪的磨削速度，則砂輪的磨削力和熱量分配比例也會發(fā)生相應(yīng)的變化，使得熱流密度發(fā)生變化，當(dāng)砂輪線速度增大后，散熱條件變好，有利于降低工件表面的溫度。
　　(4) 在較高的砂輪線速度下，熱量和剪切應(yīng)變率會急劇增加，這將導(dǎo)致溫升變成絕熱方式，進(jìn)一步使金屬材料發(fā)生因摩擦接觸面間極高速的局部剪切和局部溫升引起的軟化等物理變化，*終突破可能存在的產(chǎn)生熱量的自然極限，使得局部的摩擦降低，溫度下降。
　　另外，磨削深度增加時，會大大增大磨削熱，導(dǎo)致工件表面溫度升高。所以，在超高速精密磨削時，要減少磨削深度，應(yīng)特別注意的是，磨削時切勿突然增加磨削深度。
　　綜合三個磨削參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作臺速度提高、磨削深度降低時，磨削溫度降低；這表明在提高工作臺速度的同時，適當(dāng)減少磨削深度可以降低磨削區(qū)的溫度。砂輪線速度與工作臺速度對磨削熱的影響程度比磨削深度要弱，特別是在超高速磨削時，呈現(xiàn)為“負(fù)貢獻(xiàn)”，這是因為砂輪線速度及工作臺速度越高，磨削時與砂輪接觸時間越短，此時磨削區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱量大部分將被切屑和磨削液帶走，而來不及傳到工件內(nèi)部，從而使磨削溫度下降。
　　3) 對硬脆材料實現(xiàn)延性域磨削
　　在超高速磨削條件下，可以對硬脆材料實現(xiàn)延性域磨削。超高速磨削陶瓷、玻璃、硬質(zhì)合金等硬脆難加工材料時，由于磨粒切深極小，可以使這些材料以塑性變形的形式產(chǎn)生磨屑，避免磨削裂紋的產(chǎn)生，實現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削。
　　對于硬脆難加工材料，砂輪線速度提高，磨削力和磨削力比下降，比磨削能增大，表面質(zhì)量有所改善，材料塑性去除的趨勢增加；工作臺速度提高或者磨削深度增加，磨削力和磨削力比增大，比磨削能減小，表面質(zhì)量惡化，材料脆性去除的趨勢增加，但是磨削參數(shù)對表面粗糙度的影響并不太大。
　　圖1.5給出硬質(zhì)合金材料以不同砂輪線速度磨削時的工件表面微觀形貌。由圖可知，砂輪線速度為120m/s時，工件表面有一些較大的崩碎凹坑，與砂輪線速度為160m/s時的情況相比較，表現(xiàn)出了更顯著的脆性斷裂去除的趨勢。這表明砂輪線速度的提高使**未變形切屑厚度減小，進(jìn)而使脆性材料的去除由“以脆性為主”向“以塑性為主”轉(zhuǎn)換。圖1.5硬質(zhì)合金材料砂輪線速度對工件表面微觀形貌的影響
　　4) 對強(qiáng)韌性材料以塑性方式去除
　　由于強(qiáng)韌性材料韌性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小，砂輪磨粒的磨削刃具有較大的負(fù)前角。普通磨削時，由于金屬活性高、熱導(dǎo)率低等因素的影響，使鎳基耐熱合金、鈦合金、鋁及鋁合金等材料的磨削加工性很差，在普通磨削下難以進(jìn)行磨削加工。
　　強(qiáng)韌性材料在磨削過程中磨屑不易被切離，切削阻力大，磨粒的擠壓、摩擦劇烈；單位面積磨削力很大，磨削溫度可達(dá)1000～1500℃。同時，在高溫高壓的環(huán)境下，磨屑易黏附在砂輪上，填滿磨粒間的空隙，使磨粒失去切削作用。因此，在磨削加工中常存在如下問題：
　　(1) 砂輪易黏附堵塞；
　　(2) 加工表面易燒傷；
　　(3) 加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重；
　　(4) 工件易變形。
　　通過開展TC4鈦合金材料特性分析和鈦合金超高速磨削工藝試驗，得出砂輪線速度對磨削性能的影響。圖1.6與圖1.7是單位面積法向磨削力Fpn和單位面積切向磨削力Fpτ隨砂輪線速度vs的變化情況。由圖可知，TC4鈦合金單位面積法向磨削力Fpn 和單位面積切向磨削力Fpτ隨砂輪線速度的增大，都呈現(xiàn)出比較明顯的下降趨勢。在磨削深度ap及工作臺速度vw一定的情況下，TC4鈦合金的單位面積法向磨削力Fpn對砂輪線速度vs的變化顯得比較敏感，其下降幅度比較大。磨削力源于工件與砂輪接觸后引起的彈塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用，由于磨屑形成時間極短，材料的應(yīng)變率已經(jīng)接近塑性變形應(yīng)力波的傳播速度，相當(dāng)于材料的塑性減小，材料以塑性方式去除。
　　單位面積法向、切向磨削力與**未變形切屑厚度hmax有良好的對應(yīng)關(guān)系，hmax是表征磨削條件對單位面積磨削力影響的基本參數(shù)。
　　圖1.8和圖1.9顯示了**未變形切屑厚度hmax對單位面積法向磨削力Fpn、