(1)研究背景針對工程陶瓷、硬質(zhì)合金等超硬材料和鈦合金、不銹鋼、鎳基鐵氧體材料等粘性材料的軸類零件的精密加工存在的問題，湖南大學(xué)近年來致力于研發(fā)砂輪線速度最高達150。250m/s的超高速數(shù)控外圓磨床，開展了對難加工材料軸類零件超高速精密磨削裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究，創(chuàng)新開發(fā)超高速砂輪恒壓預(yù)緊補償技術(shù)、高阻尼無腔鑄石床身設(shè)計技術(shù)、高剛性圓柱內(nèi)節(jié)流液體靜壓直線導(dǎo)軌技術(shù)、超高速磨削在線電解修銳技術(shù)和難加工材料磨削工藝技術(shù)，研制我國具有知識產(chǎn)權(quán)的適應(yīng)不同類型難加工材料軸類零件加工的數(shù)控裝備，有效地解決了難加工材料的技術(shù)瓶頸問題，使加工精度、質(zhì)量和效率得到了極大提高。
　　(2)磨床的功能與解決的關(guān)鍵技術(shù)問題
　　1)解決難加工材料的低成本加工問題。由于超高速磨削材料的極高應(yīng)變率(可達10-10～8-)，磨屑在絕熱剪切狀態(tài)下形成，材料去除機理發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此許多脆性及粘性金屬等傳統(tǒng)意義上的難加工材料變得容易加工。
　　2)解決工件加工受力變形問題。當主要目的不是為了提高生產(chǎn)率時，由于磨削厚度?。悍ㄏ蚰ハ髁ο鄳?yīng)減小，從而有利于剛度較差工件加工精度的提高。在磨削深度相同時，磨削速度為250m/s時的磨削力比磨削速度為120m/s時的磨削力降低50％。
　　3)解決砂輪使用壽命短的問題。由于每顆磨粒的負荷減小，磨粒磨削時間相應(yīng)延長，提高了砂輪使用壽命。磨削效率一定時，磨削速度為200m/s時砂輪的壽命則是80m/s時的7.8倍。
　　4)解決磨削表面質(zhì)量差的問題。超高速磨削單個磨粒的磨削厚度變小，磨削劃痕淺，表面塑性隆起高度減小，表面粗糙度數(shù)值降低。
　　5)解決生產(chǎn)率低下的問題。由于單位時間內(nèi)作用的磨粒數(shù)增加，使材料比磨除率成倍增加，最高可達2000mm3/(mm．s)，比普通磨削可提高30％～100％。
　　(3)磨床主要技術(shù)參數(shù)
　　·砂輪最高線速度/(m/s) 150～250
　　·加工范圍：加工工件最大直徑/mm×長度/mm 4,200×500
　　·加工工件最大質(zhì)量/kg 70
　　·磨床尺寸范圍(長/mm)×(寬/mm)×(高/mm) 約3500×1800×1800
　　·磨床質(zhì)量/蠅 約5500
　　·磨削零件外圓尺寸精度/mm 小于等于0.005
　　·磨削零件圓度精度/mm 小于等于0.001
　　·圓柱體工件圓柱度誤差0．004/200
　　·磨削表面粗糙度/爐 R。小于等于0．16(R，小于等于0.63la,m)
　　·批量加工工序能力指數(shù)C。 大于等于1．33
　　(4)磨床關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　1)床身設(shè)計。在各功能部件高速運動時，磨床易產(chǎn)生振動，產(chǎn)生磨削振紋，影響磨削效果。床身采用聚酯礦物復(fù)合材料高阻尼整體無腔床身，避免磨床的共振，減小磨床振幅，具有良好的抗振性。
　　2)砂輪主軸設(shè)計。砂輪架主軸系統(tǒng)采用動靜壓高速精密電主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達12000r/min以上，回轉(zhuǎn)精度小于1um，以適應(yīng)超高速精密磨削與強力磨削的需要。
　　3)砂輪設(shè)計。平面磨床采用金屬基體陶瓷結(jié)合劑CBN超高速砂輪，以達到150～250m/s的砂輪線速度。
　　4)砂輪緊固方式設(shè)計。在超高速磨削中，砂輪主軸轉(zhuǎn)速達10000r/min，在巨大的離心力的作用下，砂輪的定位錐孔會產(chǎn)生“擴張”的現(xiàn)象，使其原有的定位方式失效。必須設(shè)計新的適合于超高速外圓磨削的砂輪。為解決此問題，可以設(shè)計無中心錐孔以端面及外圓定位的緊固方式或設(shè)計砂輪恒壓預(yù)緊補償裝置來保持_定的預(yù)緊力，當砂輪定位錐孔發(fā)生擴張時，自動增大壓力，使砂輪自動與主軸緊密貼合在一起，防止砂輪松動；也可以改變砂輪的安裝緊固方式，適應(yīng)超高速磨削的需要。
　　5)砂輪動平衡設(shè)計。普通磨削砂輪只要求靜平衡既可以滿足要求。超高速條件下，砂輪的靜平衡被打破，磨床主軸系統(tǒng)需安裝砂輪在線自動平衡裝置以保持主軸和砂輪的動平衡。
　　6)導(dǎo)軌設(shè)計。砂輪架進給導(dǎo)軌采用靜壓導(dǎo)軌，具有高精度、高剛性、高靈敏度和優(yōu)良的低速性能與變速移動適應(yīng)性，并能有效地吸收一部分機械振動能，有利于消除低速爬行現(xiàn)象，提高磨削質(zhì)量。相對于壓力卸荷導(dǎo)軌，它又能顯著地提高導(dǎo)軌副的剛度，實現(xiàn)無機械磨損的直線運動，提高磨床精度保持性。
　　7)砂輪進給設(shè)計。砂輪架進給機構(gòu)采用直線伺服電動機單元，能實現(xiàn)精確的定位與快速響應(yīng)，最大限度地減少系統(tǒng)跟隨誤差，提高磨削加工精度。
　　8)工作臺進給設(shè)計。磨床的工作臺移動軸(z軸)采用交流旋轉(zhuǎn)伺服電動機+精密滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式。
　　9)頭架主軸設(shè)計。工件頭架軸的旋轉(zhuǎn)運動采用伺服電動機通過精密彈性聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸的結(jié)構(gòu)形式，即所謂“零傳動”的形式，以避免在工件主軸與砂輪進給聯(lián)動對傳動誤差對加工精度的影響，實現(xiàn)外圓磨對非規(guī)則形狀軸類零件的加工。 ‘
　　10)砂輪修整器設(shè)計。為保持精密磨削時砂輪的磨削狀態(tài)基本一致，取得較好的加工效果，砂輪修整采用在線電火花整形、在線電解修銳(ELID)方式。傳統(tǒng)的ELID砂輪修整方式適用于低速、精密磨削方式。在超高速磨削條件下ELID進程控制策略發(fā)生了根本變化，磨床建立超高速外圓磨削砂輪在線電解修銳穩(wěn)定磨削階段的ELID進程控制策略，以保持砂輪磨粒突出高度始終不變?yōu)榭刂茥l件，構(gòu)建電解參數(shù)與磨削工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)置適當?shù)碾娊鈪?shù)來確保砂輪磨粒磨損與結(jié)合劑電解去除的動態(tài)平衡，保持磨削效果的一致性。
　　11)磨床控制系統(tǒng)設(shè)計。磨床數(shù)控系統(tǒng)選用高精度全數(shù)字模塊化信號數(shù)控系統(tǒng)。具有數(shù)字式閉環(huán)驅(qū)動控制功能，同時有強大的編程功能，適用于復(fù)雜零件的加工。同時，采用高精度光柵作為位置反饋元件，采用主動在線測量儀控制磨削進程，采用聲發(fā)射傳感器有效地消除磨削空程，防止意外碰撞，提高表面磨削質(zhì)量，縮短磨削時間。
　　12)冷卻系統(tǒng)設(shè)計。泠卻系統(tǒng)由于超高速磨削時砂輪周圍形成一層高速氣流，阻止磨削液進入磨削區(qū)，為了達到有效的冷卻作用，對冷卻噴嘴的形狀、位置需特殊設(shè)計，并采用高壓冷卻的方式，以達到最好的冷卻效果。
　　13)防護系統(tǒng)設(shè)計。防護系統(tǒng)采用全封閉、強制抽氣設(shè)計，留有足夠的富余防護能力以保護人員和磨床的安全，并防止高壓磨削液的飛濺對人員和環(huán)境的污染；同時在防護罩內(nèi)形成負壓，防止高壓磨削液在磨削過程形成的氣霧擴散(圖1)。