基于工程陶瓷的超高速磨削技术在机械加工领域中的应用研究

2021-06-30朱晓枫

科技风 2021年11期

摘要：工程陶瓷是一种机械加工领域比较常见的材料，在机械加工领域中的应用非常广泛，材料本身具有许多良好的综合性能。超高速磨削技术是一种机械加工领域慢慢流行的加工技术，可大幅度提高工件产品的生产效率和质量，在现今的机械加工领域中的应用也日渐广泛。本文结合工程陶瓷的材料特点及加工方法，对超高速磨削技术在机械加工领域中的应用进行分析，并对该技术进行了展望。

关键词：陶瓷材料;超高速磨削技术;机械加工领域

一、工程陶瓷在机械加工领域中的应用

（一）工程陶瓷概述

工程陶瓷本身在物理、化学、机械方面具有许多良好的性能。机械加工领域的工程陶瓷的熔点比一般金属都要高，有良好的热稳定性、热膨胀系数小、质量比较轻、耐磨损等。在机械加工、汽车工业、航空航天等领域，工程陶瓷被广泛应用[1]。

（二）工程陶瓷的加工特性

（1）车削加工。工程陶瓷材料的脆性比较大、硬度比较高，在车削过程中，去除屑的難度比较大。所以，如若要进行车削加工，对于刀具材料的要求比较高，一般需要选择超硬材料的刀具，普通材料的刀具容易造成断刀的危险。

目前对于工程陶瓷材料的普通车削加工的研究并不多，但对于精密和超精密车削加工的研究相对多一些。由于工程材料本身的特性，在普通车削加工环境下，很难实现工程陶瓷的车削加工。有研究表明，刀具材料的好坏、加工过程中的工艺参数优化，可以减小零件的表面粗糙度，提高车削加工的生产率。

（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质量较差的问题，还会存在裂纹，这样的零件很难满足实际生产要求。所以在磨削加工中，如何进行塑性去除显得尤为关键。高速深磨和超声振动辅助磨削是工程陶瓷材料的主要的磨削加工方法[2]。

高速深磨常用于对工程陶瓷的磨削加工，是近几年应用比较广泛的技术。高速深磨的砂轮线速度比普通磨削加工大，磨削力比普通磨削加工小。高速深磨采用对材料进行塑性去除的方法改善陶瓷的表面质量。高速深磨一方面改善磨削表面质量，同时另一方面还能提高加工效率，降低加工成本，在机械加工领域中的应用前景良好。我国高速深磨技术的发展得益于近几年的引进了国外先进的磨床，从而在汽车的关键零件上进行加工应用。

超声振动辅助磨削技术是一种复合技术，该技术是结合了超声波加工技术和传统磨削技术的优点。与传统的磨削加工技术相比，该技术的磨削深度和材料去除率较大。同时，磨削加工中的切削力较小，能够提高表面质量，可加工形状较为复杂的零件。

激光加热辅助磨削是通过利用高功率激光对工件进行局部加热的加工方法。它实现塑性磨削的方法是让提高陶瓷材料的局部塑性。与普通磨削加工相比，激光加热辅助磨削能让零件获得更好的表面质量，在机械加工中大幅度地减小了刀具的磨损，从而达到降低加工成本的目的。

预应力磨削是在磨削加工过程中，预应力磨削加工通过将预应力施加到工件上改变工件内部的应力值，使得应力状态发生变化，这一变化会使得表面损伤降低，从而改善磨削加工后工件的表面质量。所以该加工方法提高了磨削加工的表面质量和加工效率。

ELID磨削是电解在线砂轮修整（ELID）磨削技术的简称。该技术可以实现边加工，边进行砂轮的修整，很大程度地确保了砂轮表面的磨削能力，可以得到良好的加工表面质量。这一技术不但了延长砂轮的使用寿命，并和传统的磨削加工比较，ELID磨削的加工稳定性好、生产效率高、精度等级高。

以上几种加工方法各有优缺点。在实际的机械加工领域，我们需要综合考虑优缺点因素，以确保零件产品的质量、加工成本、加工效率等。几种磨削加工的优缺点比较见表1。

二、超高速磨削技术在机械加工领域中的应用

近几年来，国内的机械加工制造行业不断壮大，为了更好地促进加工制造行业的生产效率和质量，超高速磨削技术成功进入加工制造行业，利用高速打磨材料的方法提高磨削效率和质量[3]。

（一）超高速磨削技术的优势

该技术随着磨削速度的提升，从而达到减小磨屑厚度的目的。与传统的磨削技术相比，超高速磨削技术可以采用更高的进给速度（从传统的45m/s提高到了150m/s）和更大的磨削深度，从而使磨削效率大幅度提高[4]。

（1）减少材料磨损率，节省原材料。超高速磨削技术通过增加磨屑的数目，从而提升磨屑的整体质量，和传统磨削技术相比，超高速磨削技术有着成本低的超强优势，使得磨削效率得到大大的提升。对于企业而言，运用该技术后可以解决实际产能小于或者等于资金投入之间的问题。虽然由于超高速磨削技术的速度提高会增加电能消耗，但是在磨削过程中的冷却剂的使用会明显减少，并且高速使得零件损坏的可能性降低，从而节省了原材料。

（2）提升机械设备的耐用度，提高生产效率。在机械加工过程中难免存在着机械生产设备的磨损情况，从经济的角度出发，为了降低成本，就需要将设备的使用寿命延长，传统磨削技术无法在提升寿命的同时减少耗损。超高速磨削技术通过磨削速度的提升，从而达到减小磨屑厚度的目的。在超高速磨削加工过程中，砂轮表面的颗粒之间的摩擦荷载减小，提高了砂轮的耐用度，将机械设备的损耗得到延缓，所以超高速磨削技术一方面确保了生产效率，同时提高了机械设备的使用寿命。

（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术好坏的重要标准。在传统的磨削加工中，磨削的速度不够“快”，这会导致工件表面出现受力不均的情况，从而导致工件的表面粗糙度比较大，磨削质量无法保证，加工效率也较低。超高速磨削技术可以通过该技术特有的“高速性”确保零件表面受力均匀，从而保证零件的表面粗糙度。并在磨削过程中，有效确保零件的变形度，从而提高最终零件的形貌完整性。

（二）超高速磨削技术的实际应用

随着超高速磨削技术的应用越来越普及，解决了传统磨削加工中无法加工硬度高、强度要求高的问题，扩大了我国机械制造磨削技术的应用范围。

（1）高速深磨技术的应用。超高速磨削技术突出磨削速度的“快”，缓进给磨削技术突出切削深度的“大”，将两个技术结合起来，就形成了一种新技术——高速深磨技术。该技术的主要特点是快，即砂轮运转速度快。该技术一方面确保了超快的磨削速度，另一方面保证了磨削加工后的表面质量。

（2）超高速的精密磨削技术应用。该技术通过将砂轮的线速度大幅提高，使得工件的物理形貌更加精细，从而提高机械制造的效率和质量。超高速的精密磨削加工的关键是磨削加工后的磨屑状态，此状态应控制在亚米级的精度级别。该技术可以加工出更精密的零部件，使我国的机械加工行业得到良好发展。

（3）在耐磨材料中的应用。耐磨材料具有硬度和耐热度高、导热能力弱等特点。由于这些特性的存在，在磨削加工后，必定会减少磨屑数量的产生，材料的形状会造成改变，降低机械加工的效率。通过应用超高速磨削技术，可以提升耐磨材料的可塑性，从而使得机械制造的效率和质量得到提高，从而降低机械制造的成本。

在机械加工的实际生产中，有些因素也是影响超高速磨削技术的关键[5]，表2中列出了三种关键的影响因素。

三、结语

對于工程陶瓷材料和超高速磨削技术还有很多提升的研究领域。在现有的磨削工艺方法的基础上，研究如何设定磨削工艺参数和如何改善现有的加工方法或研究出新的复合工艺方法，在保证磨削加工的高质量的前提下，使得磨削效率和质量大大提高，并减小砂轮磨损，是后续研究的重点。

参考文献：

[1]夏涛，邓朝晖，刘伟，李重阳，万林林.工程陶瓷高效精密磨削加工技术的研究进展[J].机械制造与自动化，2019，48（05）：1-3.

[2]龚琪，沈景凤，谢建林.工程陶瓷材料的加工技术及应用进展研究[J].人工晶体学报，2016，45（07）：1898-1905.

[3]彭慧毅，罗沿进.超高速磨削技术在机械制造领域中的运用[J].科技风，2019（17）：178.