面臨硬切削挑戰的磨削加工的前景

近年來，國外興起一種稱之為硬切削(Hard turning)的新工藝，對傳統的磨削方法提出挑戰并產生一定沖擊，同時還引發了一場硬切削是否會取代磨削的爭議。磨削加工的前景如何?下個世紀是否有新的發展?對我們生產磨床的廠家而言，對這一發展動向肯定是感興趣的，因為它關系到我們今后的發展與生存。

硬切削(Hard turning)的概念是什么?

硬切削是指使用CBN實體刀具、CBN刀頭或陶瓷刀具來加工淬硬的工件。用硬切削這種新工藝可以切削淬硬的工件。用硬切削這種新工藝可以切削淬硬鋼、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、粉末冶金和特殊材料。當然，也有一些材料如青銅等不適合采用硬切削。用硬切削可進行車削、表面加工、攻螺紋、銑削、開槽、靠模加工、車削錐面。據美國有關文章報導，硬切削使工件光潔度始終保持16μm。在正常條件下，光潔度能達到6～8μm。目前，硬切削這種新工藝正在許多工業部門采用，如汽車制造廠用這種方法對傳動軸、各類軸傳動鏈、發動機、制動盤和制動轉子進行半精加工和精加工；飛機制造廠用這種方法制造副翼齒輪和起落架，從油田到鋼廠到處可以看到硬切削方法的應用。機床、工具、重型卡車、農業機具、醫用設備、罐頭模具、汽車零件都把硬切削作為其生產過程的一個組成部份。

采用硬切削工藝的優點：

硬切削成本低廉，一般僅為磨削的四分之一；
用硬切削不需用專用刀具、專用機械和夾具，而磨削則要求使用磨床，硬切削則可在現有的NC或CNC車削中心上進行；
生產率高，因為CBN刀具的切削速度可高達274m/min以上，使生產率大大提高，節省了大量時間。

由于CBN刀具的成本近年來已大大降低，從而為硬切削的推廣應用創造了條件。成本不僅指刀具成本，而是每只零件的制造成本，以較長的刀具壽命和每個切削刀頭的低成本，CBN為硬加工提供了一條最經濟的途徑。如美國有一家公司以前用粗磨來加工一種硬質齒輪的端面，后改用硬切削作為粗加工，再進行精磨，成本減少40%。如果把粗磨和精磨都改為硬切削，那么加工時間、夾具成本、刀具成本以及能耗都可下降，而生產率卻可提高，并使每只零件的成本下降55%。美國另一家生產壓力環的工廠，原工藝都是磨削，包括內圓磨削、端面磨削、外圓磨削和球面磨削四道工序，改用硬切削后，只用VNMA332和CNMA432兩把刀具，使加工速度提高10倍。

此外，在廢物處理和環保方面，硬切削優于磨削。磨削會產生磨屑和冷卻液的混合物，這是不能再利用的廢物，會污染環境。硬切削產生的廢屑則可再利用，這對重視環境保護的今天來講特別重要。

近年來，工廠的空間備受重視，與CBN刀具相比，砂輪比較大而且笨重，因此難以貯存。CBN刀具很小，而且不必再增加新機床就可用于硬切削，從而節省了工廠的空間。
硬切削的迅速發展是建立在過去幾年CBN刀具技術進步的基礎上，90年代初只能在少數幾種CBN刀具中選擇用于硬切削。目前，用戶的選擇多了10倍。再者，速度也大大提高，90年代初對鑄鐵的最大切削速度約為152m/min，現在最高切削速度達1524m/min，大多數連續的硬質鋼切削速度在90～150m/min，進給量0.05～0.2mm/r，切削深度達到0.1～0.5mm。CBN的適用性擴大，過去不能用于脆性工件，現在對硬度不一的工件都能進行加工。

鑒于硬切削有上述許多優點，國外有關專家認為這項新技術代表了今天，也預示著明天。有的還發出了"你為何還采用磨削"的問題。

但是，高速機械加工和硬切削真的會取代磨削嗎?磨削專家認為不會，因為磨床具有自身的一些優勢，磨削精度較高，對公差要求較嚴的加工非磨削莫屬。磨削時可以加上在線測量，在加工時間可閉合循環，這種方法在其它機床上難以實現。而最重要的一點，近幾年新材料層出不窮。替代了許多傳統的材料。實踐證明，磨削是加工這類新型材料的好方法。因此，今后磨削加工仍是不可缺少的。誠然，對一般材料而言，磨削可能會遇到銑削、鉸削、車削等方法強有力的競爭。但對諸如陶瓷、金屬陶瓷復合材料、晶須加強材料以及高溫超級合金之類的新一代材料而言，硬切削決不是磨削的對手，而且必須用磨削進行加工。例如，磨削是加工在噴氣飛機發動機中使用的超級合金工件的唯一方法，也是加工用陶瓷合金、陶瓷和玻璃制成的汽車和光學元件的唯一方法。新型材料一般都具有硬脆、耐磨、耐熱等特點，聚合型材料都是晶須加強材料，對這些材料來講，磨削是絕對需要的加工手段。對耐熱和耐磨損的陶瓷涂料而言，面臨更為復雜的問題，即要同時磨削陶瓷和金屬。

隨著生產發展和技術進步，對磨床提出了許多新的要求，如美國磨削協會提出如下要求：

主軸轉速要達到25000r/min，可以9144m/min(152.4m/s)甚至更高的速度進行磨削；磨頭主軸設計剛性好，機床體積較小，輕便，加工區體積328cm2，可加工各種形狀的工件，范圍廣的和精密控制的拖板定位系統，采用模塊化設計和較多的標準件，與CNC相連的修整系統，可跟蹤砂輪尺寸，修整器位置以及砂輪對工件的位置；具有能監控機床狀態，機床動平衡、主軸和電動機狀態以及砂輪狀態的傳感器，監控修整時金剛石與CBN砂輪間的接觸，監督CBN砂輪與工件之間的接觸，以提高效率。該協會還希望具有對小工件進行緩進給成形磨削的能力，希望用平面磨床替代平面銑床。 該協會還對21世紀的磨削提出展望，21世紀的磨床將采用磁性懸浮主軸，在15kW功率范圍內，轉速達到40000r/min，而占地面積很小，水基靜壓軸承可以使用水基切削液，能進行連續修整的高感應大氣孔陶瓷結合劑砂輪，用于加工陶瓷的金屬結合劑金剛砂輪可進行電解修整。一些公司對高速磨削作了許多試驗，目前CBN砂輪的線速已達150～250m/s，并以聲速作了試驗，下個世紀，高速磨削將更廣泛地得到應用。CNC控制將更完善，比如能處理在緩進給磨削陶瓷時的擺線磨削，恒定的常用進給量磨削使砂輪最優化，能減少磨削時間的切入式和縱向進給磨削，在平面磨床上作外圓磨削，以及一個坐標軸或幾個坐標軸的進給量補償，以便使磨削循環最佳化。