超速磨削相关技术与工业应用

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第3卷 第8期 2008年8月

超高速磨削相关技术与工业应用

李长河1,3，蔡光起2，丁玉成3，卢秉恒1

（1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 西安710049;

2. 东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110004；3. 青岛理工大学机械工程学院 山东青岛 266033）

摘 要：超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分，是各种加工材料获得精确尺寸和表面完整性的主要加工方法。论述了超高速磨削相关技术，分析了超高速外圆磨削、快速点磨削、高效深切磨削等超高速磨削加工技术的国内外现状、最新进展及在工业中具体应用，阐述了发展超高速磨削加工的重要性。 关键词：机械制造；超高速磨削；材料去除机理；关键技术

中图分类号：TH161.1 文献标识码：A 文章编号：1673－7180(2008)08－0618－7

Key technology and application for super-high speed grinding machining

LI Changhe，CAI guangqi，DING Yucheng3，LU Bingheng1

(1. State Key Laboratory for Manufacyuring System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049；

2. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004； 3. School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao, Shandong 266033)

Abstract: Super-high grinding machining is a widely employed finishing process to achieve close tolerances and good dimensional accuracy as well as the surface integrity for different materials such as metals，ceramics，glass，rocks，etc. The latest development, current status and applications of super-high grinding machining technologies relating to the ultra-high speed cylindrical grinding, the high speed point-grinding and the high efficiency deep grinding are analyzed in this paper. The importance of developing the super-high grinding machining technologies is illustrated, which implicates the promising future of the super-high speed grinding machining.

Key words: mechanical manufacture；super-high speed grinding；material removal mechanism；key technology

超高速加工 (Ultra-High Speed Machining) 的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon曲线，创造性地预言了超越Talor切削方程式的非切削工作区域的存在，提出如能够大幅度提高切削速度，

就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨

1,3

2

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50475052）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20040145001）；教育部科学

技术研究重大项目（104190）；泰山学者建设工程专项经费资助；机械制造系统工程国家重点实验室开放基金资助；山东省教育厅科技计划项目资助

作者简介：李长河(1966－)，男，教授，博士后，sy_lichanghe@

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削技术的实用化也起到了直接的推动作用[1-8]。

将砂轮线速度大于150 m/s的磨削称为超高速磨削，超高速磨削既能获得高效率，又能达到高精度，能对各种材料和形状进行高效率精密加工。因此，使用超硬磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，是先进制造学科的前沿技术。

由于超高速磨削砂轮转速极高，对机床功率及性能、砂轮强度、振动、平衡、气流扰动、安全防护和冷却液注入等工艺措施提出了特殊要求[9-10]。

1 超高速磨削相关技术

1.1 超高速磨削砂轮技术

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮[11]。

超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料。粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀3种，其中以单层电镀用的最多。这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用。近几年，美国诺顿(Norton)公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70%~80%，结合剂抗拉强度超过了1 533 N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。

日本Noritake公司推出一种被称为CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)的碳纤维复合树脂基体材料，其比弹性是钢的2.1倍，质量密度和热膨胀系数分别是钢的1/5和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5 mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮已较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果也很好[12]。

高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125 m/s。单层电镀CBN砂轮的使用速度可达250 m/s，试验中已达340 m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200 m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度

的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1 553 N/mm2（电镀镍基结合剂为345~449 N/mm2）。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。 1.2 超高速磨床主轴及其轴承技术

超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定了超高速磨床所能达到的最高磨削速度极限，因而，为实现高速超高速磨削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑（轴承），主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等是很重要的。为减少由于磨削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电机系统运行极其精确，且振动极小[13]。

超高速磨削的砂轮主轴转速一般在10 000 r/min以上，所传递的磨削功率通常为几十千瓦，因此要求主轴轴承的转速特征值非常高，还必须具有很高的回转精度和刚度，以保证砂轮圆周上的磨粒能均匀地参加切削，并能抵御超高速回转时不平衡质量造成的振动。

主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命长、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达200 m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵[14-15]。空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴[11]。

高速超高速磨削的另一个特点是其主轴的无功功率损失随转速的增大而呈非线性增长。例如，将

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磨削速度由80 m/s增大至180 m/s时，主轴的无功功率会由不足20%升高至90%以上。高速范围内电机以恒功率方式工作，主轴转速增大时其输出转矩减小，无功功率的升高将导致磨削转矩减小。因此，在增大主轴转速时必须考虑降低无功功率损失，以保证主轴有足够的转矩用于磨削。 1.3 高速超高速磨床

对于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主轴系统和机床的高抗振性。高速超高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度，还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序，高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。

磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的效果[16]。

进给系统是评价高速超高速磨床性能的重要指标之一，而随着高速超高速加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。 1.4 磨削液及其供给技术

磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响。尽管人们开发了液氮冷却、喷气冷却、微量润滑和干切削等，但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷却润滑介质。磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。

高速磨削时，气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注入方法，增加磨削液进入磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。常用的磨削液注入方法有：手工供液法和浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。在超高速条件下，为了实现对磨削区的冷却，冲走切屑，磨削液的喷注必须有足够大的动量，以冲破砂轮周围的高速气流，使磨削液抵达磨削区。故与普通磨削相比，磨削液的流量、压力均成倍增

加。此外，为了保证超高速磨削的表面质量，提高磨削液的利用率，减少磨削液中残留杂质对加工质量及机床系统的不良影响，必须采用一套高效高过滤精度的磨削液过滤系统。从喷嘴喷注在砂轮上的磨削液，会在强大离心力作用下形成严重的油雾。所以超高速磨床还要把磨削区封闭起来，并要及时抽出油雾。然后利用离心和静电的方法进行油气分离[17-18]。

具有极高磨削效率的超高速磨床，1min会产生几公斤的磨屑。能够及时干净地把这些大量地磨屑从磨削液中过滤出来也是一个很重要的问题。目前，多用离心机或硅藻土过滤系统对磨削液进行集中处理。

1.5 砂轮、工件安装定位及安全防护技术

高速及超高速磨削砂轮动能很大，必须设置高强度半封闭或封闭的砂轮防护罩，罩内最好敷设缓冲材料，以吸收或减少砂轮碎块的二次弹射。 1.6 磨削状态检测及数控技术

高速超高速磨削加工中，由于砂轮线速度极高，砂轮由于超高速引起的破碎现象时常发生，砂轮破碎及磨损状态的监测是关系到磨削工作能否顺利进行和保证加工质量和零件表面完整性的关键；在超高速加工中，砂轮与工件的对刀精度、砂轮与修整轮的对刀精度将直接影响到工件的尺寸精度和砂轮的修整质量，因此，在超高速磨削加工中，在线智能监测系统是保证磨削加工质量和提高加工生产率的重要因素。目前，声发射技术已成功用于超高速磨削的无损检测，利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒与工件磨擦、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等均可发射弹性波。这些因素和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别。因此利用声发射技术可监测磨削裂纹和磨削烧伤，砂轮破碎和砂轮磨损、砂轮与工件接触、砂轮与修整轮接触，并取得了令人满意的效果。此外，工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术，高精度、高可靠性、实用性强的测试技术与仪器都是高速超高速磨削所必不可少的关键技术[19-20]。

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2 超高速磨削的工业应用

超高速磨削的应用技术有高效深切磨削(HEDG)、超高速外圆磨削、超高速精密磨削、快速点磨削(Quick-point Grinding)、硬脆材料及难加工材料超高速磨削等。 2.1 高效深切磨削(HEDG)

高效深磨(High Efficiency Deep Grinding ，HEDG)技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100~250 m/s)、高进给速度(0.5~10 m/min)和大切深(0.1~30 mm)为一体的高效率磨削技术。高效深磨概念是由德国Bremen大学Werner教授于1980年创立。目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位。高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率（磨除率比普通磨削高100~1 000倍），表面质量也可达到普通磨削水平。高效深切磨削工艺开始是使用树脂结合剂氧化铝砂轮，以80~100 m/s的高速来进行钻头螺旋沟槽的深磨。由

于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度，生产效率大幅度提高。后来又进一步在CBN砂轮基础上开发出200~300 m/s的超高速深磨磨床。

德国Guhring Automation 公司FD613超高速平面磨床，150 m/s及CBN磨削宽1~10 mm、深30 mm的转子槽时工作台进给速度达3 000 mm/min。在125 m/s沟槽磨床上，磨削深20 mm的钻头沟槽可一次完成，金属磨出率达500 mm3/mm·s。高效成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助CNC系统完成更复杂型面的加工。此项技术已成功地用于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。普通磨削、缓进给磨削、高效深切磨削方法工艺参数对比见表1。日本丰田工机、三菱重工等公司均能生产CBN超高速磨床，三菱重工CA32-U50ACNC超高速磨床陶瓷结合剂砂轮速度可达200 m/s。GP-33型超高速磨床采用CBN砂轮以120 m/s磨削速度可实现对工件不同部位的自动磨削。美国Edgetrk Machine 公司也生产高效深磨机床，该公司主要发展小型3轴、4轴和5轴CNC高效深磨机床，采用CBN成型砂轮，可实现对淬硬钢的高效深磨，表面质量可与普通磨削媲美[21]。

表 1 普通磨削、缓进给磨削、高效深切磨削工艺参数对比

Tab. 1 Conventional grinding and high efficiency abrasive machining parameters and efficiency compared

参 数

普通磨削

缓进给磨削

高效深切磨削

0.1~30 0.5~10 80~200 50~2 000 水基磨削液

Ap/mm 0.001~0.05 0.1~30 Vw/(m/min) 1~30 0.05~0.5 Vs/(m/s) 20~60 20~60 ZW/(mm3/mm·s) 0.1~10

磨削液

水基磨削液

0.1~10 油溶性磨削液

砂轮 WA60HV WA60HV WA60HV

高效深切磨削具有加工时间短（一般为0.1~10s）、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备超高速磨削技术要求外，还要求机床具有高的刚度。一般HEDG 要求机床主轴驱动功率比缓进给磨削大3~6倍。如用φ400 mm砂轮至少需要50 kW的功率。

2.2 超高速外圆磨削

提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度，可实现高效率超高速精密磨削。超高速外圆磨削是使用150~200 m/s及以上的砂轮周速和CBN砂轮，配以高性能CNC系统和高精度微进给机构，对主轴、曲轴等零件外圆回转表面进行超高速精密磨削加工

的方法。它即能够保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。

这一技术在日本已成功应用于汽车工业部门。例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC超高速外圆磨床来磨削加工余量达5 mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达174 mm3/mm·s，砂轮磨削比可达33 500。以表面粗糙度Rz=3 μm为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转。丰田工机GZ0型CNC超高速外圆磨床装备了Toyoda State Bearing 轴承，用200 m/s的薄片CBN砂轮对回转体零件进行一次性

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纵向轨迹磨削完成整个工件的柔性加工。这些对生产管理和降低成本均具有重要意义。德国Guhring Automation 公司RB625超高速外圆磨床上，使用CBN砂轮，也可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2 kg金属[22]。

超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度。 2.3 快速点磨削

快速点磨削 (Quick-point Grinding)是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的超高速磨削技术。它集成了超高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。该工艺主要用于轴、盘类零件加工。其CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以超高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，成为超高速磨削的主要技术形式之一。

德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用, 尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等。这些零件大都包括切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。

快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下[23-25]：

1) 快速点磨削通过数控系统控制砂轮轴线在垂直方向与工件轴线的偏角为±0.5°（图1），在水平方向根据工件母线特征在０~30°范围内变化，最大限度减小砂轮/工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩干涉。砂轮动平衡可在机自动完成，径向跳动误差在0.002 mm内。

2) 快速点磨削采用厚度为4~6 mm的超硬磨料薄砂轮，并采用 “三点定位安装系统” 专利技术快速安装，重复定位精度高，并可解决离心力造成的涨孔问题。

3) 为获得高磨除率和不使砂轮产生过大离心

力，工件也作高速相对旋转（最高可达12 000 r/min），实际磨削速度是砂轮和工件两者速度的叠加，达到200 m/s~250 m/s。

4) 磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完成，而周边仅起光磨作用。因此，砂轮圆周磨损极慢，使用寿命长（最长可达 1年），磨削比可达16 000~60 000，一片“快速点磨”砂轮可磨去数吨钢，砂轮修整率低（每次修整可加工2×104个零件），生产效率比普通磨削提高6倍。

5) 装有两坐标数控金刚石滚轮修整器，在砂轮宽度方向磨损达10%以上时自动精确修整，避免过早修整以控制成本。

6) 砂轮与工件接触面积小，磨削力大大降低、磨削热少，同时砂轮薄、冷却效果好，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现“冷态”加工，提高了加工精度和表面质量。

7) 由于磨削力极小，靠顶尖摩擦力即能使方便夹紧工件，被称为“顶尖磨削”和“削皮磨削”。

8) 由于采用CNC实现复杂表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工。它还可以使车磨工序合并，进一步提高加工效率。

9) 使用高速磨削油喷注进行冷却。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元。

用快速点磨削方法磨削主轴，装夹一次可完成外圆、轴肩、沟槽和紧固螺纹4个部位的磨削；磨凸轮轴，装夹一次可完成轴颈、止推面肩部和端部外径3个部位的全部磨削，尺寸精度达到IT6，Ra≤0.8 μm，周期时间150s，与传统工艺比较，大大节约了成本[26]。

图 1 快速点磨削加工砂轮与工件接触简图 Fig. 1 Contact diagram of wheel and part

in quick-point grinding

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2.4 硬脆材料及难加工材料超高速磨削

随着现代高科学技术及产业化发展，工程陶瓷、功能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料获得日益广泛的应用。用超硬磨料在高速或超高速条件下对硬脆材料进行磨削加工已成为几乎唯一的加工手段。在普通磨削条件下，磨粒浸入工件较深，磨屑主要料脆性断裂形式完成。超高速磨削单位时间内参加磨削的磨粒数大大增加，单个磨粒的切削厚度极薄，容易使陶瓷、玻璃等硬脆材料以塑性变形形式产生磨屑，大大提高磨削表面质量和效率。因此超高速磨削能实现对硬脆材料的延性域磨削。例如，在采用金刚石砂轮以160 m/s的磨削速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比80 m/s提高1倍，砂轮寿命为80 m/s和30 m/s时的1.56倍和7倍[27]。并且可获得良好的表面质量。

镍基耐热合金、钛合金、高温合金、高强度合金钢等难磨材料在普通磨削条件下的磨削加工性极差。磨削时砂轮钝化迅速、磨削温度高、表面质量差。而在超高速磨削条件下，磨屑变形速度接近静态塑性变形应力波传播速度，材料变形应变率极高，塑性变形滞后，相当于材料塑性减小，降低了加工硬化倾向、表面粗糙度数值和残余应力，从而可实现延性材料的“脆性”加工。例如用200 m/s磨削纯铝时，工件表层硬度为50 HV，表面粗糙度Ra为 2.2μm；磨削速度为280 m/s时，工件表层硬度为45 HV，Ra 为1.8μm。可见，当磨削速度大于200 m/s（纯铝静态应力波的传播速度约为200 m/s）时，加工硬化及表面粗糙度数值下降，表面质量提高[28]。所以，在超高速磨削条件下，硬、脆、高韧性、高塑性材料也可以获得良好的磨削加工性能。在42届国际生产工程研究学会年会的磨削委员会主题报告中就明确指出，对耐热合金、铝合金难加工材料的高性能加工应是超高速磨削技术的重要应用领域。

3 结 语

高速超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分，它可以大幅度的提高生产效率和加工质量并降低成本。高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。我国在超高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强高速超高速磨削加工技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。随着超高速磨削基础理论和关键部件技术的进一步成熟，超高速磨削将

在工业生产中发挥越来越大的作用，具有很好的发展潜力。

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超高速磨削相关技术与工业应用

第3卷 第8期 2008年8月

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4l3j.html