機(jī)械加工工程陶瓷超高速磨削技術(shù)應(yīng)用

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摘要:工程陶瓷是一種機(jī)械加工領(lǐng)域比較常見(jiàn)的材料，在機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，材料本身具有許多良好的綜合性能。超高速磨削技術(shù)是一種機(jī)械加工領(lǐng)域慢慢流行的加工技術(shù)，可大幅度提高工件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，在現(xiàn)今的機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用也日漸廣泛。本文結(jié)合工程陶瓷的材料特點(diǎn)及加工方法，對(duì)超高速磨削技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:陶瓷材料;超高速磨削技術(shù);機(jī)械加工領(lǐng)域

一、工程陶瓷在機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用

(一)工程陶瓷概述工程陶瓷本身在物理、化學(xué)、機(jī)械方面具有許多良好的性能。機(jī)械加工領(lǐng)域的工程陶瓷的熔點(diǎn)比一般金屬都要高，有良好的熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小、質(zhì)量比較輕、耐磨損等。在機(jī)械加工、汽車(chē)工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，工程陶瓷被廣泛應(yīng)用［1］。

(二)工程陶瓷的加工特性(1)車(chē)削加工。工程陶瓷材料的脆性比較大、硬度比較高，在車(chē)削過(guò)程中，去除屑的難度比較大。所以，如若要進(jìn)行車(chē)削加工，對(duì)于刀具材料的要求比較高，一般需要選擇超硬材料的刀具，普通材料的刀具容易造成斷刀的危險(xiǎn)。目前對(duì)于工程陶瓷材料的普通車(chē)削加工的研究并不多，但對(duì)于精密和超精密車(chē)削加工的研究相對(duì)多一些。由于工程材料本身的特性，在普通車(chē)削加工環(huán)境下，很難實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的車(chē)削加工。有研究表明，刀具材料的好壞、加工過(guò)程中的工藝參數(shù)優(yōu)化，可以減小零件的表面粗糙度，提高車(chē)削加工的生產(chǎn)率。(2)磨削加工。磨削加工是目前工程陶瓷主要的加工方法。普通磨削加工通常采用脆性去除和粉末化去除。普通磨削加工后的陶瓷材料存在表面質(zhì)量較差的問(wèn)題，還會(huì)存在裂紋，這樣的零件很難滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。所以在磨削加工中，如何進(jìn)行塑性去除顯得尤為關(guān)鍵。高速深磨和超聲振動(dòng)輔助磨削是工程陶瓷材料的主要的磨削加工方法［2］。高速深磨常用于對(duì)工程陶瓷的磨削加工，是近幾年應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)。高速深磨的砂輪線速度比普通磨削加工大，磨削力比普通磨削加工小。高速深磨采用對(duì)材料進(jìn)行塑性去除的方法改善陶瓷的表面質(zhì)量。高速深磨一方面改善磨削表面質(zhì)量，同時(shí)另一方面還能提高加工效率，降低加工成本，在機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用前景良好。我國(guó)高速深磨技術(shù)的發(fā)展得益于近幾年的引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的磨床，從而在汽車(chē)的關(guān)鍵零件上進(jìn)行加工應(yīng)用。超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)是一種復(fù)合技術(shù)，該技術(shù)是結(jié)合了超聲波加工技術(shù)和傳統(tǒng)磨削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的磨削加工技術(shù)相比，該技術(shù)的磨削深度和材料去除率較大。同時(shí)，磨削加工中的切削力較小，能夠提高表面質(zhì)量，可加工形狀較為復(fù)雜的零件。激光加熱輔助磨削是通過(guò)利用高功率激光對(duì)工件進(jìn)行局部加熱的加工方法。它實(shí)現(xiàn)塑性磨削的方法是讓提高陶瓷材料的局部塑性。與普通磨削加工相比，激光加熱輔助磨削能讓零件獲得更好的表面質(zhì)量，在機(jī)械加工中大幅度地減小了刀具的磨損，從而達(dá)到降低加工成本的目的。預(yù)應(yīng)力磨削是在磨削加工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力磨削加工通過(guò)將預(yù)應(yīng)力施加到工件上改變工件內(nèi)部的應(yīng)力值，使得應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，這一變化會(huì)使得表面損傷降低，從而改善磨削加工后工件的表面質(zhì)量。所以該加工方法提高了磨削加工的表面質(zhì)量和加工效率。ELID磨削是電解在線砂輪修整(ELID)磨削技術(shù)的簡(jiǎn)稱。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)邊加工，邊進(jìn)行砂輪的修整，很大程度地確保了砂輪表面的磨削能力，可以得到良好的加工表面質(zhì)量。這一技術(shù)不但了延長(zhǎng)砂輪的使用壽命，并和傳統(tǒng)的磨削加工比較，ELID磨削的加工穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高、精度等級(jí)高。以上幾種加工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際的機(jī)械加工領(lǐng)域，我們需要綜合考慮優(yōu)缺點(diǎn)因素，以確保零件產(chǎn)品的質(zhì)量、加工成本、加工效率等。幾種磨削加工的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

二、超高速磨削技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)的機(jī)械加工制造行業(yè)不斷壯大，為了更好地促進(jìn)加工制造行業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，超高速磨削技術(shù)成功進(jìn)入加工制造行業(yè)，利用高速打磨材料的方法提高磨削效率和質(zhì)量［3］。

(一)超高速磨削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)該技術(shù)隨著磨削速度的提升，從而達(dá)到減小磨屑厚度的目的。與傳統(tǒng)的磨削技術(shù)相比，超高速磨削技術(shù)可以采用更高的進(jìn)給速度(從傳統(tǒng)的45m/s提高到了150m/s)和更大的磨削深度，從而使磨削效率大幅度提高［4］。(1)減少材料磨損率，節(jié)省原材料。超高速磨削技術(shù)通過(guò)增加磨屑的數(shù)目，從而提升磨屑的整體質(zhì)量，和傳統(tǒng)磨削技術(shù)相比，超高速磨削技術(shù)有著成本低的超強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，使得磨削效率得到大大的提升。對(duì)于企業(yè)而言，運(yùn)用該技術(shù)后可以解決實(shí)際產(chǎn)能小于或者等于資金投入之間的問(wèn)題。雖然由于超高速磨削技術(shù)的速度提高會(huì)增加電能消耗，但是在磨削過(guò)程中的冷卻劑的使用會(huì)明顯減少，并且高速使得零件損壞的可能性降低，從而節(jié)省了原材料。(2)提升機(jī)械設(shè)備的耐用度，提高生產(chǎn)效率。在機(jī)械加工過(guò)程中難免存在著機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的磨損情況，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，為了降低成本，就需要將設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)，傳統(tǒng)磨削技術(shù)無(wú)法在提升壽命的同時(shí)減少耗損。超高速磨削技術(shù)通過(guò)磨削速度的提升，從而達(dá)到減小磨屑厚度的目的。在超高速磨削加工過(guò)程中，砂輪表面的顆粒之間的摩擦荷載減小，提高了砂輪的耐用度，將機(jī)械設(shè)備的損耗得到延緩，所以超高速磨削技術(shù)一方面確保了生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。(3)降低零件的表面粗糙度。零件的表面粗糙度和形貌完整性是考量磨削技術(shù)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的磨削加工中，磨削的速度不夠“快”，這會(huì)導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)受力不均的情況，從而導(dǎo)致工件的表面粗糙度比較大，磨削質(zhì)量無(wú)法保證，加工效率也較低。超高速磨削技術(shù)可以通過(guò)該技術(shù)特有的“高速性”確保零件表面受力均勻，從而保證零件的表面粗糙度。并在磨削過(guò)程中，有效確保零件的變形度，從而提高最終零件的形貌完整性。

(二)超高速磨削技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用隨著超高速磨削技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普及，解決了傳統(tǒng)磨削加工中無(wú)法加工硬度高、強(qiáng)度要求高的問(wèn)題，擴(kuò)大了我國(guó)機(jī)械制造磨削技術(shù)的應(yīng)用范圍。(1)高速深磨技術(shù)的應(yīng)用。超高速磨削技術(shù)突出磨削速度的“快”，緩進(jìn)給磨削技術(shù)突出切削深度的“大”，將兩個(gè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就形成了一種新技術(shù)———高速深磨技術(shù)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是快，即砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度快。該技術(shù)一方面確保了超快的磨削速度，另一方面保證了磨削加工后的表面質(zhì)量。(2)超高速的精密磨削技術(shù)應(yīng)用。該技術(shù)通過(guò)將砂輪的線速度大幅提高，使得工件的物理形貌更加精細(xì)，從而提高機(jī)械制造的效率和質(zhì)量。超高速的精密磨削加工的關(guān)鍵是磨削加工后的磨屑狀態(tài)，此狀態(tài)應(yīng)控制在亞米級(jí)的精度級(jí)別。該技術(shù)可以加工出更精密的零部件，使我國(guó)的機(jī)械加工行業(yè)得到良好發(fā)展。(3)在耐磨材料中的應(yīng)用。耐磨材料具有硬度和耐熱度高、導(dǎo)熱能力弱等特點(diǎn)。由于這些特性的存在，在磨削加工后，必定會(huì)減少磨屑數(shù)量的產(chǎn)生，材料的形狀會(huì)造成改變，降低機(jī)械加工的效率。通過(guò)應(yīng)用超高速磨削技術(shù)，可以提升耐磨材料的可塑性，從而使得機(jī)械制造的效率和質(zhì)量得到提高，從而降低機(jī)械制造的成本。在機(jī)械加工的實(shí)際生產(chǎn)中，有些因素也是影響超高速磨削技術(shù)的關(guān)鍵［5］，表2中列出了三種關(guān)鍵的影響因素。

三、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于工程陶瓷材料和超高速磨削技術(shù)還有很多提升的研究領(lǐng)域。在現(xiàn)有的磨削工藝方法的基礎(chǔ)上，研究如何設(shè)定磨削工藝參數(shù)和如何改善現(xiàn)有的加工方法或研究出新的復(fù)合工藝方法，在保證磨削加工的高質(zhì)量的前提下，使得磨削效率和質(zhì)量大大提高，并減小砂輪磨損，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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［4］孫承雙．超高速磨削技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)業(yè)家，2014(02):72．

［5］劉亞楠，劉琦．淺析超高速磨削技術(shù)在機(jī)械加工制造中的應(yīng)用［J］．科技展望，2016，26(16):46．

作者：朱曉楓 單位：上海工程技術(shù)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院