㊙发动机凸轮轴高速使用CBN砂轮磨床进行磨削，太高效了！

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　　高速磨削是当今先进制造领域最为引人关注的高效磨削加工技术，具有优良的加工性能，而德国Junker公司于1994年由Erwin Junker先生开发并取得专利的快速点磨削（Quick-point Grinding）则是高速磨削技术又一新的发展。它集成了高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。该工艺主要用于轴、盘类零件加工。其CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和高速磨削的极佳结合，成为高速磨削的主要技术形式之一。

CBN的特性

　CBN即立方氮化硼，显微硬度为800～900MPa，略低于金刚石。但它的耐热性(1400℃)比金刚石(800℃)明显增高，而且对铁族元素的化学惰性高。由于金刚石磨具的热稳定性较差，所以要限速使用，而CBN磨粒的热稳定性较好，所以CBN砂轮可用于高速、超高速磨削。这和金刚石主要用于加工硬而脆的材料相互补充，使超硬材料的应用范围大大拓宽。和普通磨料磨具相比，CBN磨具具有高速、高效、高加工质量、长寿命、低成本的特点，可作为高速数控磨床高效、高精度磨削的首选工具。在汽车、机床、工具、轴承等工业领域有着广泛的应用。CBN磨具应用领域不断扩大，已从工具行业对难磨金属材料的加工，推广到轴承、汽车、机床、压缩机等行业中普通黑色金属材料的加工，磨削方式也从一般的工具磨、内圆磨，发展到缓进给磨削、高精度磨削、高速磨削、快速点磨削凸轮轴、曲轴，大有取代刚玉磨具之势。CBN磨削有高速度、高效率、高质量、低成本的特点。使用速度普遍达到80～160m/s，大余量粗精磨一次完成，由于磨削工件表面呈压应力状态可使工件使用寿命提高20%～30%，综合磨削成本可降低10%以上。

　快速点磨削技术特征

　快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下：　　（1）点磨削加工时，砂轮与工件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平和垂直两个方向旋转一定角度，即存在点磨削变量角度，以使砂轮和工件接触面积减小，实现“点磨削”，如图1所示。Junker公司的快速点磨削机床加工圆柱表面时，根据工作台进给方向，在垂直方向砂轮轴线与工件轴线的点磨变量角α为±(0.5°～6°)，使砂轮周边与工件外圆柱面的线接触变成理论上的点接触；在水平方向砂轮轴线与工件轴线的变量角β则根据工件母线特征和曲率大小在0～30°范围内变化，以最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩发生干涉。点磨削以单向磨削为主，通过数控系统来控制这两个方向的变量角数值，以及在X、Y方向采用与CNC车削相类似的两轴联动数控进给，以实现对不同形状表面的快速点磨削加工。

图1 快速点磨削原理图

　（2）快速点磨削一般采用金属结合剂超硬磨料（CBN或人造金刚石）超薄砂轮，直径一般为300～400mm，宽度为4～6mm，径向磨料层厚度为5mm。Junker公司快速点磨削机床采用了多项专利技术，如砂轮三点定位安装系统和在线修整系统、砂轮主轴电子平衡自动控制系统等。X方向采用高精度静压圆柱导轨技术（图2），以增加阻尼和稳定地实现微米级精确切入进给。Z方向（纵向）进给采用带有预负载的滚珠丝杠和平面/V形涂层导轨。机床配有高压磨削液双喷嘴供给系统等，以保证机床的加工性能和加工精度。图3为点磨削砂轮及磨削液双喷嘴供给装置。快速点磨削采用厚度为4～6mm的超硬磨料薄砂轮和“三点定位安装系统” 专利技术快速安装，重复定位精度高，并可解决离心力造成的涨孔问题。

图2 高精度静压圆柱导轨

图3 砂轮及磨削液供给系统

砂轮在主轴上的安装采用Junker公司专利技术“三点定位安装系统”快速完成，重复定位精度高，并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大，如图4所示。当砂轮主轴相对于砂轮逆时针转动时，主轴星形体上三段均布的摆线轮廓斜面与砂轮内孔均布的三个圆柱紧密接触，实现砂轮对中定位，然后由螺栓将砂轮与主轴法兰端面锁紧。当需要更换砂轮时，只需将砂轮逆时针旋转30°，即可使砂轮与主轴分离，从而快速更换砂轮，使更换顶尖时间小于2min，换砂轮时间小于20min。为控制由于砂轮高速旋转产生的振动，保证获得高的表面质量，在砂轮的每次修整和更换后都要进行动平衡，Junker公司的快速点磨削机床通过安装在主轴端部的电子自动平衡系统自动完成砂轮在线动平衡，砂轮径向圆跳动精度可控制在0.002 mm以内。由于砂轮极薄，降低了砂轮重量和不平衡度，也使裹附在高速砂轮周边的气流压力大为降低，减少了高速砂轮的旋转阻力，并且能磨削普通砂轮不能磨削的狭窄型面与断面尺寸变化较大的型面。

图4 砂轮三点定位系统

（3）Junker公司QUICKPOINT 5000 型快速点磨机床砂轮直径400mm，砂轮厚度5mm，装夹工件的两顶尖最大距离为1200mm，最大磨削长度可达1000mm，顶尖中心高170mm，最大加工工件重量为70kg，因此该机床具有较大的加工尺寸范围。

　（4）砂轮速度可达90～160m/s。为获得高磨除率，同时不使砂轮产生过大的离心力而发生破坏，工件也高速旋转，并与砂轮转向相同，通常在1000r/min以上，最高可达12 000 r/min。因此接触点处的实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加，接近200m/s，以实现更高应变率下材料的去除。由于车磨工序合并，为保证工件的表面质量，径向切深和沿X轴的纵向进给速度一般很小，如点磨削凸轮轴时，纵向进给速度一般在0.01～2mm/s, 径向切深0.002～0.2 mm。

（5）磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完成，而周边仅起光磨作用（图5）。因此，砂轮圆周磨损极慢，使用寿命长（最长可达一年），磨削比可达16 000～60 000，一片“快速点磨”砂轮可磨去数吨钢，砂轮修整率低（每次修整可加工2×105个零件），生产效率比普通磨削提高六倍。

图5 快速点磨削加工砂轮与工件接触简图

　　（

6）与一般磨削方式不同，在磨削外圆时，材料去除主要是靠砂轮侧切削边完成，而周边仅起类似车刀副切削刃的光磨作用。因此砂轮磨损主要是在端面沿横向发生，周边则磨损非常微小。实际应用中一般根据砂轮寿命（加工工件的数量）或磨损状态（砂轮横向磨损宽度是否达到规定值），通过与工件同轴线安装的金刚石滚轮和油石直接在机床上完成在线修整，如图6a所示。修整时主要是将砂轮在宽度方向磨损后剩存的且已经钝化的一层磨粒由金刚石滚轮切除，恢复砂轮圆柱表面形状，然后用油石修锐，如图6b所示。直到砂轮磨粒径向厚度层全部修整去除，砂轮达到使用寿命。

（a）在线修整（b）砂轮磨损过程
图6 砂轮在线修整原理

（7）砂轮与工件接触面积小，磨削力大大降低、磨削热少，同时砂轮薄、冷却效果好，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现“冷态”加工，提高了加工精度和表面质量。

　（8）由于磨削力极小，靠顶尖摩擦力即能方便夹紧工件，被称为“顶尖磨削”和“削皮磨削”。　

　（9）由于采用CNC实现复杂表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工。它还可以使车磨工序合并，进一步提高加工效率。

（10）使用高速磨削油喷注进行冷却。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元。

　　在汽车发动机轴类零件加工中的应用

德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用, 尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等。这些零件大都包括切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。在齿轮加工、机床制造、纺织与印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也有广阔应用前景。我国部分汽车制造企业目前也引进了几十台这一工艺设备，并取得了明显效益。但应用领域尚小，仅限于汽车发动机轴类零件的加工。由于国内目前没有开展系统的工艺理论和应用研究，没有掌握其核心技术及理论，不能掌握工艺参数设计和编程技术，不能配套生产砂轮及相关附件，只能就单一零件由国外垄断定制，全部工艺和设备均依赖于进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削机理、规律、磨削质量控制及点磨削工艺等深入系统的理论与实验研究及相关技术信息也未见更多报道。因此，跟踪国际先进技术，深入开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平具有重要意义。国内东北大学已开始进行超高速点磨削机理研究及机床开发。

用快速点磨削方法磨削传动轴（图7），装夹一次可完成外圆、轴肩、沟槽和紧固螺纹四个部位的磨削；磨削曲轴（图8），一次装夹可磨削凸轮型面、主轴轴颈、两端轴颈、止推轴颈侧肩面和凸轮调整座面外径，尺寸精度达到IT6，Ra≤0.8μm，周期时间150s，与传统工艺比较，大大节约了成本（如附表）。

图7 快速点磨削方法加工传动轴

图8 快速点磨削加工曲轴

　我国一汽大众汽车有限公司应用这一技术磨削发动机主轴颈（图9），砂轮转速4300r/min，砂轮修整一次可磨削3000件。数控快速点磨削也是使用半永久性工具进行数控车削的发展方向。由于磨削温度低、磨料及能源消耗少，快速点磨削技术也符合绿色制造要求，可以预计这项新型磨削技术具有极大的发展潜力。

图9 磨削发动机主轴颈

　由此可见，快速点磨削技术相当于使用半永久性工具进行数控车磨合并加工，符合先进制造技术的发展趋势，也符合绿色制造的要求，因此该项磨削新技术极具发展潜力。

　结语

　与高速/超高速磨削技术相比，快速点磨削具有点接触、薄层超硬磨料砂轮、数控成型、切削层材料应变率更高、磨削温度及磨削力更低等显著特点，因此磨削机理与一般意义的超高速磨削也有很大不同。由于这项新技术的发展在很多方面并不完善，再加上技术上的垄断和封锁，国外对其加工机理与工艺应用研究并不够广泛和深入，应用领域很小。总体上看，该项技术在国外尚处于起步发展阶段，工艺上仍被视为一种外圆磨削方式，特别是对点磨削机理、磨削质量控制等方面的研究及相关技术信息鲜见报道。事实上，根据点接触形式和砂轮与工件的相对运动关系，磨削区材料应变率特点、加工表面的几何创成机理和砂轮磨损表现等都应有别于普通外圆磨削。　　我国个别汽车制造企业目前也引进了这一工艺设备用于汽车发动机轴类零件的加工（主要是发动机凸轮轴加工），并取得了明显效益。但应用领域很小，仅就单一零件加工的全套设备和工艺由国外垄断定制，现场加工只是由工人完成固定的操作工序，全部加工过程由CNC控制自动完成；砂轮修整也只是按照规定的加工工件数量进行，而不考虑实际使用状况。全部工艺和设备均依赖于进口。生产车间面对的是“黑箱”技术。企业并没有真正掌握其核心技术和工艺理论，也就无法进行其工艺参数设计和开发数控编程技术、不能配套生产砂轮及其相关附件。因此，跟踪国际先进技术，深入开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平，对提升我国汽车行业零部件制造水平具有重要意义。来源：金属加工在线

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