發動機曲軸凸輪軸CBN高速磨削加工可以越過切削過程產生的高溫死谷而使刀具在超高速區進行高速切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機床生產率。
　　高速加工的概念是由德國切削物理學家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他發表了著名的Salomon曲線，創造性地預言了超越 Talor切削方程式的非切削工作區域的存在，提出如能夠大幅度提高切削速度，就可以越過切削過程產生的高溫死谷而使刀具在超高速區進行高速切削，從而大幅度減少切削工時，成倍地提高機床生產率。
　　高速磨削的機理
　　在高速磨削加工過程中，在保持其它參數不變的條件下，隨著砂輪速度的大幅度提高，單位時間內磨削區的磨粒數增加，每個磨粒切下的磨屑厚度變薄；實驗表明在高速磨削條件下，磨屑的截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一。從而導致了每個磨粒承受的磨削力大大變小，所以總磨削力大大降低。
　　若通過調整參數使磨屑厚度保持不變，由于單位時間內參與切削的磨粒數增加，磨除的磨屑增多，磨削效率會大大提高。高速磨削時，由于磨削速度很高，單個磨屑的形成時間極短。在極短的時間內完成的磨屑的高應變率(可近似認為等于磨削速度)形成過程與普通磨削有很大的差別，表現為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側因塑性流動而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表面層硬化及殘余應力傾向減小。此外，高速磨削時磨粒在磨削區上的移動速度和工件的進給速度均大大加快，加上應變率響應的溫度滯后的影響，會使工件表面磨削溫度有所降低，因而能越過容易發生磨削燒傷的區域，從而極大擴展了磨削工藝參數的應用范圍。

圖1 在高速磨床上磨削加工凸輪軸

圖2 在高速磨床上磨削加工曲軸

圖3 高精度精壓圓柱導軌

　圖4 砂輪及磨削液供給系統

圖5 砂輪三點定位系統 

圖6 快速點磨削方法加工主軸

　　圖7 快速點磨削方法加工凸輪軸 
　　 表1 磨削凸輪軸的工藝對比指標 工藝 
　　 傳統工藝 
　　 (剛玉砂輪) 快速點磨工藝 
　　 (CBN砂輪) 
　　 磨床臺數 11 7 
　　 投資 100% 80% 
　　 運行成本 100 23% 

圖8 磨削發動機凸輪軸 

　　和普通磨削相比，高速磨削有以下特點： 
　　1. 生產效率高。由于單位時間內作用的磨粒數增加，使材料磨除率成倍增加，最高可達2000mm3/mm·s;，比普通磨削可提高30%～100%。 
　　2. 砂輪使用壽命長。由于每顆磨粒的負荷減小，磨粒磨削時間相應延長，提高了砂輪使用壽命。磨削力一定時，200m/s磨削砂輪的壽命是80m/s磨削的2倍；磨削效率一定時，200m/s磨削砂輪的壽命則是80m/s磨削的7.8倍。這非常有利于實現磨削自動化。 
　　3. 磨削表面粗糙度值低。超高速磨削單個磨粒的切削厚度變小，磨削劃痕淺，表面塑性隆起高度減小，表面粗糙度數值降低；同時由于超高速磨削材料的極高應變率(可達10-4～10-6s-1)，磨屑在絕熱剪切狀態下形成，材料去除機制發生轉變，因此可實現對脆性和難加工材料的高性能加工。 
　　4. 磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高。由于切削厚度小，法向磨削力Fn相應減小，從而有利于剛度較差工件加工精度的提高。在切深相同時，磨削速度250m/s磨削時的磨削力比磨削速度180m/s時磨削力降低近一倍。 
　　5. 磨削溫度低。超高速磨削中磨削熱傳入工件的比率減小，使工件表面磨削溫度降低，能越過容易發生熱損傷的區域，受力受熱變質層減薄，具有更好的表面完整性。使用CBN砂輪200m/s高速磨削鋼件的表面殘余應力層深度不足10m。從而極大地擴展了磨削工藝參數地應用范圍。 
　　6. 充分利用和發揮了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的優異性能。電鍍和釬焊單層超硬磨料砂輪是高速磨削首選的磨具。特別是高溫釬焊金屬結合劑砂輪，磨削力及溫度更低，是目前高速磨削新型砂輪。 
　　7. 具有巨大的經濟效應和社會效應，并具有廣闊的綠色特性。高速磨削加工能有效地縮短加工時間，提高勞動生產率，減少能源的消耗和噪聲的污染。在高速磨削加工中，砂輪磨損減小，使用壽命長，使加工成本降低，資源得到有效利用。由于高速磨削效率高，可取消或替代刨、銑、車加工，從而減少了加工工序、設備和人員的投入，減少了資源、能源和人員的消耗，實現制造工藝的綠色特性。因高速磨削熱的70%被磨屑所帶走，所以加工表面的溫度相對低，所需磨削液的流量和壓力可相對減少，使冷卻液的需求量減少，能量需求減少，污染減少。 
　　 
　　發動機曲軸凸輪軸的高速磨削加工 
　　* 高速外圓磨削 
　　提高砂輪速度有助于減少磨削表面粗糙度，可實現高效率高速精密磨削。高速外圓磨削是使用80～200m/s及以上的砂輪周速和CBN砂輪，配以高性能CNC 系統和高精度微進給機構，對凸輪軸(圖1)、曲軸(圖2)等零件外圓回轉表面進行高速精密磨削加工的方法。它即能夠保證高的加工精度，又可獲得高的加工效率。 
　　這一技術在日本已成功應用于汽車工業部門。例如，使用豐田工機株式會社GCH63B型CNC高速外圓磨床來磨削加工余量達5mm的球墨鑄鐵凸輪軸，磨除率可達174mm3/mm·s，砂輪磨削比可達33500。以表面粗糙度Rz=3m為上限，砂輪經過一次修整可連續磨削60個工件，磨后表面呈現殘余壓應力，并可從毛坯直接磨為成品，省去了車工序及工序間的周轉。豐田工機GZ0型CNC高速外圓磨床裝備了Toyoda State Bearing軸承，用200 m/s的薄片CBN砂輪對回轉體零件進行一次性縱向軌跡磨削完成整個工件的柔性加工。這些對生產管理和降低成本均具有重要意義。德國Guhring Automation公司RB625高速外圓磨床上，使用CBN砂輪，也可將毛坯一次磨成主軸，每分鐘可磨除2kg金屬。高速精密磨削是采用高速精密磨床，并通過精密修整微細磨料磨具，采用亞微米級切深和潔凈加工環境獲得亞微米級以下的尺寸精度。 
　　* 快速點磨削 
　　快速點磨削一般采用金屬結合劑超硬磨料(CBN或人造金剛石)超薄砂輪，直徑一般為300～400mm，寬度為4～6mm，徑向磨料層厚度為5mm。 Junker公司快速點磨削機床采用了多項專利技術，如砂輪三點定位安裝系統和在線修整系統、砂輪主軸電子平衡自動控制系統等。X方向采用高精度靜壓圓柱導軌技術(圖3)，以增加阻尼和穩定地實現微米級精確切入進給。Z方向(縱向)進給采用帶有預負載的滾珠絲杠和平面/V形涂層導軌。機床配有高壓磨削液雙噴嘴供給系統等，以保證機床的加工性能和加工精度。圖4為砂輪及磨削液雙噴嘴供給裝置。快速點磨削采用厚度為4～6mm的超硬磨料薄砂輪，并采用 “三點定位安裝系統” 專利技術快速安裝，重復定位精度高，并可解決離心力造成的漲孔問題。 
　　砂輪在主軸上的安裝采用Junker公司專利技術“三點定位安裝系統”快速完成，重復定位精度高，并可補償高速離心力作用下的砂輪孔徑漲大，如圖5所示。當砂輪主軸相對于砂輪逆時針轉動時，主軸星形體上三段均布的擺線輪廓斜面與砂輪內孔均布的三個圓柱緊密接觸，實現砂輪對中定位，然后由螺栓將砂輪與主軸法蘭端面鎖緊。當需要更換砂輪時，只需將砂輪逆時針旋轉30°，即可使砂輪與主軸分離，從而快速更換砂輪，使更換頂尖時間小于2min，換砂輪時間小于20min。為控制由于砂輪高速旋轉產生的振動，保證獲得高的表面質量，在砂輪的每次修整和更換后都要進行動平衡，Junker公司的快速點磨削機床通過安裝在主軸端部的電子自動平衡系統自動完成砂輪在線動平衡，砂輪徑向跳動精度可控制在0.002 mm以內。由于砂輪極薄，降低了砂輪重量和不平衡度,也使裹附在高速砂輪周邊的氣流壓力大為降低，減少了高速砂輪的旋轉阻力，并且能磨削普通砂輪不能磨削的狹窄型面與斷面尺寸變化較大的型面。 
　　高速點磨削砂輪速度可達90～160m/s。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產生過大的離心力而發生破壞，工件也高速旋轉，通常在1000r/min以上，最高可達12000r/min。因此接觸點處的實際磨削速度應是砂輪和工件兩者線速度的疊加，接近200m/s，以實現更高應變率下材料的去除。由于車磨工序合并，為保證工件的表面質量，徑向切深和沿X軸的縱向進給速度一般很小，如點磨削凸輪軸時，縱向進給速度一般在0.01～2mm/s, 徑向切深0.002～0.2mm。 
　　用快速點磨削方法磨削主軸(圖6)，裝夾一次可完成外圓、軸肩、溝槽和緊固螺紋4個部位的磨削；磨凸輪軸(圖7)，一次裝夾可磨削凸輪型面、主軸軸頸、兩端軸頸、止推軸頸側肩面和凸輪調整座面外徑，尺寸精度達到IT6，Ra≤0.8µm，周期時間150s，與傳統工藝比較，大大節約了成本(表1)。 
　　我國一汽大眾汽車有限公司應用這一技術磨削發動機凸輪軸(圖8)，砂輪轉速4300r/min，砂輪修整一次可磨削3000件。數控快速點磨削也是使用半永久性工具進行數控車削的發展方向。由于磨削溫度低、磨料及能源消耗少，快速點磨削技術也符合綠色制造要求，可以預計這項新型磨削技術具有極大的發展潛力。 
　　快速點磨削磨削材料去除主要靠砂輪側邊完成，而周邊僅起光磨作用。因此，砂輪圓周磨損極慢，使用壽命長(最長可達1年)，磨削比可達16000～60000，一片快速點磨砂輪可磨去數噸鋼，砂輪修整率低(每次修整可加工2×105個零件)，生產效率比普通磨削提高6倍。由此可見，快速點磨削技術相當于使用半永久性工具進行數控車磨合并加工，符合先進制造技術的發展趨勢，也符合綠色制造的要求，因此該項磨削新技術極具發展潛力。 
　　 
　　結論 
　　我國個別汽車制造企業目前引進了高速磨削設備用于汽車發動機軸類零件的加工(主要是發動機凸輪軸、曲軸加工)，并取得了明顯效益。但應用領域很小，僅就單一零件加工的全套設備和工藝由國外壟斷定制，現場加工只是由工人完成固定的操作工序，全部加工過程由CNC控制自動完成；砂輪修整也只是按照規定的加工工件數量進行，而不考慮實際使用狀況。生產車間面對的是“黑箱”技術。企業并沒有真正掌握其核心技術和工藝理論，也就無法進行其工藝參數設計和開發數控編程技術、不能配套生產砂輪及其相關附件。全部工藝和設備均依賴于進口。 
　　因此，跟蹤國際先進技術，深入開展高速磨削技術的理論與應用研究，對于在我國推廣和發展該項先進技術、提高制造工藝技術和裝備制造水平具有重要意義。