最新的精加工工艺

2005年以来，以德国DMG等为代表的著名磨床制造商已成功运用CD磨削技术生产了世界先进的数控磨床，并提出了CD磨削技术 (即边磨边修)，这样砂轮始终保持锋利，可以大大提高切削效率，且能保证加工质量。那么CD磨削为什么能实现高效、高精度的加工呢? 现在还没有完整且正确的论述，我们先搞清CD磨削的加工机理。

1. CD磨削的加工机理

德国DMG的通俗解释: 边磨边修，实际上抛弃了原来磨削的离线人工操作修整，而采用了在线自动修整的模式。如图4-8所示为修整器安装。

图4-8 修整器安装

修整器安装在砂轮架的后面，在砂轮磨削工件的同时，修整器的金钢刀也同时修砂轮，实现了在线自动修整。

磨削加工是靠分布在高速旋转砂轮表面上的大量磨粒的切削刃对工件挤压、耕犁、剪切作用的累积效果，也就是说，磨粒的切削刃尺寸、顶角的大小势必决定磨削加工质量。评定磨削加工质量往往用的是尺寸精度和表面粗糙度，那么，CD磨削是如何改变工件的尺寸精度和表面粗糙度的呢?

(1) CD磨削对尺寸精度及磨削性能的影响

磨粒切削工件时，它受到两个方向的磨削力 (法向力Fn和切向力Ft)，这两个力被磨粒的结合剂的抗力所平衡，但磨粒受到的合力与结合剂的抗力的合力不一定在同一个平面内，故有可能产生力矩，使磨粒脱落。当磨削力大到一定程度时，磨粒脱落，这种脱落不一定能形成充分的新磨粒，因为埋在结合剂里的磨粒没突出来并且其尺寸没改变，所以减小磨削力总是有利的。

日本著名磨削专家庄司克雄先生有3个关于磨削力的公式

式中，Ft为切向力; Fn为法向力; v为工件的速度; V为砂轮的线速度; b为砂轮的宽度;Δ为砂轮横向进给量;α为磨粒的顶角半角;，其中μ'为磨粒与加工表面的摩擦系数。

从式 (4-58) 和式 (4-59) 看: 减小磨粒的顶角半角α，可减小法向力Fn和切向力Ft。

从式(4-60)看:是用来评定砂轮的磨削性能好坏，即磨粒锐利程度的，通常。FtFn越大，说明砂轮的磨削性能越好，磨粒锐利程度越高。磨粒的顶角半角α越小，越大。要使磨粒顶角半角α小就得使修整获得的磨粒尺寸小。这时α小，法向力Fn和切向力Ft均小，挤压弹性变形小，刻入工件表面深度小，切下的切屑小，获得的工件的尺寸就更精确。

所以，在磨削加工的同时修整，可使得正在磨削的磨粒或即将磨削的磨粒尺寸变小，从而使磨粒的顶角半角α减小，磨粒锐利程度提高，减小了法向力Fn和切向力Ft，从而使工件的尺寸精度提高，这是CD磨削能改变工件的尺寸精度的关键所在。单个磨粒修整示例，如图4-9所示。

可见，修整好的磨粒的顶角要比已磨钝的磨粒的顶角小得多，A2＜A1; 修整好的磨粒的磨削性能比磨钝的磨粒的磨削性能要好，得到的尺寸精度要高。

(2) CD磨削对表面粗糙度的影响

日本著名磨削专家小野先生有个关于磨削粗糙度的公式

式中，d为工件直径; D为砂轮直径。

图4-9 单个磨粒修整示例

可见，在其他磨削条件不变的情况下，使磨粒的顶角半角α减小，可减小表面粗糙度，这可以通过边磨边修的方法得到。

2. CD磨削的修整原理和自动补偿

决定砂轮的磨削性能的指标是，但要获得良好的磨削性能，还需通过修锐实现; 对于不同组织、不同硬度、不同磨粒种类的砂轮，修锐的效果是明显不同的。

修锐过程中切削刃是如何形成的? 什么因素影响切削刃的形成?

修锐过程中切削刃形成机理—— “磨粒碰撞破碎”理论:

磨粒被修整时，磨粒以v10速度运动，而单颗粒金刚石以v20的速度相对磨粒运动; 当两者相遇 (接触) 时，两者相互作用且时间极为短暂，相互作用的力较大，这种接触在力学上称为碰撞。将超硬磨粒和单颗粒金刚石构成的系统称为修整碰撞系统，这个系统同样遵循动量守恒定律。设磨粒的质量为m1，碰撞后的速度为v1; 单颗粒金刚石的质量为m2，碰撞后的速度为v2，据动量守恒定律有

m1v10+m2v20=m1v1+m2v2(4-62)

即修整碰撞系统在碰撞前的动量与碰撞后的动量是相等的，但是实际修整时，磨粒经碰撞后必然发生破碎形成新的切削刃，而脱落的部分磨粒消耗并带走了一部分动能，这种修整碰撞是非弹性碰撞。碰撞后超硬磨粒与单颗粒金刚石分离的速度(v2-v1) 与两者碰撞前的接近速度(v10-v20) 成正比，即

式中，e为弹性恢复系数，它与碰撞两物体的材质有关，对于非弹性碰撞， 0＜e＜1。

解式 (4-62) 和式 (4-63) 得

解式 (4-64) 和式 (4-65) 得

式中，ΔE为非弹性碰撞中损失的机械能。

可见，非弹性碰撞中损失的机械能去做功，用于破碎磨粒所需的能量，也就是磨粒所需的破碎强度; 有了破碎磨粒所需的能量，就能形成一定数量的磨粒新切削刃。

虽然切削刃形成的主因是磨粒碰撞破碎，取决于式 (4-66); 而得到切削刃的数量及难易程度还与砂轮的结合度、磨粒的硬度、磨粒的韧性等因素极为相关; 砂轮的结合度高，磨粒较难脱落，所需的破碎力就大，需修整次数多，得到的磨粒尺寸小些，磨削性能要好些。