摘要 超高速砂輪的設計對其應用效果產生重要影響。本文在系統分析超高速砂輪設計理論的基礎上，設計和制造了以200/s為目標的超高速砂輪并進行了性能測試。
　　ABSTRACT The design procedure of ultra—high speed grinding wheel has great influence on its application effect．
　　Based on deep analysis of wheel design theory，a 200m/s ultra—high speed CBN electroplated grinding wheel is made．and
　　performance parameters are tested．
　　主題詞:超高速磨削 砂輪設計與制造
　　KEY-WORDS : ultra—high speed grinding grinding wheel design and manufactmting
　　超高速磨削的效果與砂輪的合理設計和制造密切相關。開發新型超高速砂輪結構，探討砂輪基盤截面的設計方法及改進砂輪安裝形式是超高速砂輪系統設計的關鍵。本文在分析超高速砂輪設計過程的基礎上，設計和制造了以200m/s為目標的電鍍CBN超高速砂輪并進行了性能測試。
　　1.超高速砂輪的概念與設計原則
　　Konig w．指出：對于超高速砂輪的設計和應用必須具有一個嶄新的砂輪概念。在正確的使用條件下，超高速砂輪的磨損非常小。即使是高效深磨工藝超高速砂輪的磨削比也可達到2000甚至更高，而且隨著砂輪速度的提高磨削比有上升趨勢。高強度及半永久性是超高速砂輪的兩大基本特征。
　　超高速砂輪必須滿足以下基本要求：(1)安全性能好；(2)加工精度高；(3)良好的磨削性能。其中砂輪的安全性是最重要的。超高速砂輪的安全性很大程度上依賴于超高速砂輪基盤強度，對磨料層強度、基盤與磨料層的結合強度也有很高要求。由于超高速砂輪的磨料層厚度相對很小，其安全設計主要是基盤的綜合設計。這是超高速砂輪設計過程與普通砂輪的重要差別。
　　2.變截面超高速砂輪強度的計算方法。
　　準確的應力分布信息是砂輪基盤設計的基礎。本文建立和求解了變截面基盤應力的數學模型。

　　式(1)為變截面砂輪基盤的應力求解公式。式中a、ρ、E、v為砂輪基盤材料熱膨脹系數、密度、彈性模量和泊松系數；w為砂輪角速度；υ為基盤徑向位移。如果給定砂輪基盤截面形狀分布y(r)、基盤溫度分布T(r)及相應的邊界條件，即可由上式解得基盤任一半徑處的徑向切向應力。
　　此處將基盤進行離散化處理，把變載面基盤分割成間距不等的厚度非連續變化的多個等厚圓環體。在截面厚度變化顯著處可適當加大等厚圓環體的分割密度以保證計算精度。若分割的圓環體過多則會增加汁算量。根據圣維南等效定理及變形連續性條件，通過實際的砂輪基盤的邊界條件(有中心孔或完整基盤)，本文利用疊加修正法得到超高速砂輪變截面基盤任意截面上的應力和離心位移。具體求解方法見文獻(3)。
　　若砂輪以周向分布的法蘭孔螺釘連接，設基盤法蘭孑L心到旋轉中心的距離為r，σθ(r)、σγ(r)是無法蘭孔時基盤r處的切向及徑向應力，如圖1所示，其孔邊應力由下式確定：σ(A)=ktσθ-σγ (2)
　　 σ(B)=kγσγ-σθ (3)

　　離心力的作用使砂輪剛度受到一定影響，砂輪的固有頻率也產生相應變化。 隨著砂輪周速的提高，一直到20000r/m，砂輪固有頻率最大可提高2．5％。但由于連續磨削是一種磨粒集合激振，磨粒的沖擊頻率隨機性很大且砂輪軸向激振能量極小，因此不足以產生對超高速砂輪基盤最具危險性的行波振動破壞。
　　3. 臨界轉速確定
　　作為超高速磨削砂輪，不能僅僅考慮砂輪基盤的斷裂破壞和砂輪多次啟動及停車引起的疲勞破壞，主要還應研究基盤極限轉速下的塑性失穩。在多向應力情況下，當最大剪應力σθmax=ησf時，基盤開始出現塑性變形。σf為基盤材料的屈服極限，叩是主應力比系數。按剪應力破壞理論取η=1，則砂輪基盤的臨界角速度可由下式確定：

　　式中ri、ra為砂輪基盤內外徑。以上得到的臨界轉速值可作為砂輪的上限速度使用。在實踐應用中，理論推算值只能作為參考。對于封閉型磨床，砂輪破裂速度和使用速度的比值可取為1．32，出廠時作1．1倍回轉試驗。
　　4.超高速砂輪的結構及其開發流程
　　圖2是超高速砂輪的開發流程簡圖。作為超高速砂輪目前以單層電鍍CBN砂輪居多，其結構形式也多依據于磨床的主軸結構。本文著重說明其中幾個應加以重視的普遍性問題。

　　首先是砂輪直徑與主軸轉速的匹配關系。砂輪直徑與主軸轉速的變化可影響到砂輪成本、質量、動能和砂輪的基盤應力，另外還影響到砂輪的功耗。在普通速度磨削中砂輪周邊空氣層對砂輪的制動功耗影響很小，而在超高速磨削中則變得不容忽視。砂輪直徑過大，造成砂輪的空氣制動功率急劇增大；砂輪直徑過小，則造成砂輪主軸轉速過快，軸承系統的散熱及其穩定性變差，另外砂輪基盤應力會上升。因此對高速砂輪的直徑和轉速進行優化組合是完全必要的。一般可取超高速砂輪的直徑在250～400mm，砂輪轉速在10000～30000r／m左右，如圖3所示。

　　在工藝及結構條件允許的情況下砂輪應盡可能采用無中心孔基盤結構并改用螺釘夾緊，這樣可以大大提高砂輪的回轉破裂強度。鏍釘所產生的夾緊力可使基盤夾緊位置附近應力降低20％。一般在螺孔邊緣加厚可以進一步降低應力。
　　根據超高速砂輪系統的工藝條件可利用本文離散化的變截面砂輪基盤應力求解模型對砂輪截面形狀進行多目標綜合優化設計，以進一步改善砂輪基盤的應力分布，從而使得超高速砂輪更具經濟性和實用性。
　　使用新型基盤材料，如硬鋁及CFRP材料等，不僅主軸負荷輕、離心變形小，而且高速回轉時因空氣摩擦發熱引起的熱膨脹小，特別適用于更
　　高精度的加工。但由于受材料制造工藝的限制，砂輪基盤優化過程
　　對材料的選擇是有限的。
　　5. 200m／s超高速砂輪的設計與制造。
　　本文在上述工作基礎上設計和制造了以200m／s為目標的單層電鍍(BN超高速砂輪)。砂輪基盤直徑取為400mm。根據自行設計制造的超高速磨削試驗機床主軸的結構形式選擇孔型基盤，利用前文提出的超高速砂輪的應力設計原理對其截面進行優化，優化目標取為砂輪基盤全局最大比較應力即σc=> 最小化。砂輪工作外緣尺寸為6mm(開槽寬度)×30mm(開槽深度)。由于砂輪主要用于高效深磨，CBN磨粒取為60／80粒度。砂輪基盤的工作外緣跳動及側面跳動相對回轉中心限定在1Oμm以內。砂輪組件的內錐孔必須精磨，并進行涂色檢驗，反
　　復刮研。
　　砂輪電鍍工藝過程主要分為：基盤及磨粒準備、鍍液調制、植砂和電鍍(預鍍、加厚鍍)等和相關鍍后處理工藝。鍍液是以瓦特鎳為本液加含鈷離子的溶液配制而成，如表1所示。
　　表l 單層電鍍CBN砂輪的電鍍工藝規范
　　
　　鍍液組成(g/L)
　　 操作條件
　　
　　NiSO4•7H2O 20～220
　　H3BO3 30～40
　　CoSO4•7H2O 25～35
　　NaCl 10～20
　　十二烷基硫酸鈉 O．1
　　 pH： 4．0～4．5
　　溫度： 45～60℃
　　電流密度 1～4A／dm2
　　攪拌：依過程而定。
　　
　　砂輪經嚴格的靜、動平衡后安裝在超高速主軸上，使用特殊結構的螺母雙向鎖定。
　　圖4為200/s超高速砂輪的外觀照片。在普通砂輪速度下用油石條對砂輪表面磨粒層進行微細修整后可以進行試磨。圖5示出了超高速主軸一砂輪系統的空載功率隨主軸轉速的變化情況，主軸軸承采用液體動靜壓混合軸承。在普通砂輪速度下，空氣摩擦功耗極小，僅占主軸一砂輪系統全部空載功耗的0．2％。

　　隨著主軸轉速的提高，軸承功耗增大的同時砂輪的空氣制動功率也明顯增大。砂輪空氣制動功耗增長r近75倍。此時空載功率組成比例發生了很大變化，空氣制動功耗占系統全部空載功耗的12％。

　　6結束語
　　目前超高速磨削技術的研究和應用在我國正逐步展開，需要加強超高速砂輪的設計標準化及其制造過程的規范化工作。另外對于超高速薄層陶瓷結合劑砂輪的制造工藝的研究也需要進一步加強。