超高速磨削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2284

超高速磨削不僅能極大地提高磨削效率,而且能有效地改善加工質(zhì)量,是當(dāng)今磨削技術(shù)最重要的發(fā)展方向之一。
  超高速磨削和高效深磨
  高速磨削是相對(duì)于以前的普通磨削而言,凡砂輪線速度Vs>45m/s的磨削都可稱為高速磨削。早在20世紀(jì)60年代,Vs已提高至60m/s,70年代又提高到80m/s,但其后十來年由於受到當(dāng)時(shí)砂輪回轉(zhuǎn)破裂速度的制約和工件燒傷問題的困擾,砂輪線速度沒有大的提高。直到80年代后期,隨著立方氮化硼(CBN)砂輪的更廣泛應(yīng)用,并對(duì)磨削機(jī)理進(jìn)行了更深入的研究,發(fā)現(xiàn)在高磨除率條件下,隨著砂輪線速度Vs的增大,磨削力在Vs=100m/s前後的某個(gè)區(qū)間出現(xiàn)陡降,這一趨勢(shì)隨著磨除率的進(jìn)一步增大還將繼續(xù),工件表面溫度也隨之出現(xiàn)回落。這也就是說,在越過產(chǎn)生熱損傷的磨削用量區(qū)之后,磨削用量的進(jìn)一步增大,不僅不會(huì)使熱損傷加劇,反而使熱損傷不再發(fā)生,從而為發(fā)展超高速磨削和高效深磨奠定了理論基礎(chǔ)。
  超高速磨削雖未規(guī)定嚴(yán)格界限,但通常把砂輪線速度Vs>150m/s的磨削稱為超高速磨削。一般說來,超高速磨削具有如下優(yōu)勢(shì):
  磨削效率高,砂輪損耗小
  磨削速度愈高,單位時(shí)間內(nèi)參予切削的磨粒數(shù)愈多,磨除的磨屑增多,且工件進(jìn)給速度應(yīng)與砂輪線速度的1.13次方成比例,故超高速磨削會(huì)使磨削效率大幅提高。與此相應(yīng),超高速磨削時(shí)單個(gè)磨粒上所承受的磨削力大為減少,從而降低了砂輪的磨損。許多實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)磨削力不變時(shí),砂輪線速度Vs從80m/s提高至200m/s,磨削效率提高2.5倍,CBN砂輪的壽命也延長(zhǎng)了1倍。
  磨削力小,加工精度高
  由于超高速磨削時(shí)磨屑厚度變薄,在磨削效率不變的條件下,法向磨削力會(huì)隨Vs的增高而顯著減少(Vs為200m/s時(shí)的法向磨削力僅為80m/s時(shí)的46%),從而使工藝系統(tǒng)的變形減少。加之超高速磨削的激振頻率遠(yuǎn)高於工藝系統(tǒng)的固有頻率,不會(huì)引起共振。其共同結(jié)果是促使磨削精度提高。
  工件表面質(zhì)量好
  實(shí)驗(yàn)表明,在其它條件一定時(shí),當(dāng)砂輪線速度從33m/s升至200m/s,磨削表面粗糙度則由Ra2.0痠降至Ra1.1痠。由於超高速磨削過程中大量磨削熱將被磨屑帶走,傳入工件的比例很小,不僅不易發(fā)生表面燒傷,而且表面殘余應(yīng)力層的深度也隨之變小。
  此外,超高速磨削還可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬脆材料的延性域磨削,對(duì)高塑性等難磨材料也有良好的磨削效果,因此工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展,其中尤以德、日、美發(fā)展較快。據(jù)報(bào)道,德國(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)已完成砂輪線速度Vs=400m/s的實(shí)驗(yàn),現(xiàn)正進(jìn)行目標(biāo)為500m/s的實(shí)驗(yàn),德國(guó)Gruhring Automation、Schandt、Kapp等公司都相繼推出了超高速磨床。日本在實(shí)用磨削方面富有成效,豐田工機(jī)等公司生產(chǎn)的Vs=200m/s的超高速磨床已付諸工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Edgetek Machine公司生產(chǎn)的使用單層CBN砂輪的超高速磨床也較有名。在CIMT2001上,中國(guó)湖南大學(xué)展出了數(shù)控高速凸輪磨床CNC8312,其CBN砂輪線速度可達(dá)120m/s。
  日本豐田工機(jī)幾年前推出的超高速數(shù)控外圓磨床GZ32P,其砂輪線速度最高可達(dá)200m/s。當(dāng)它使用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪,以160m/s的砂輪線速度磨削如圖2所示的減速器零件(材料為HRC58的淬硬鋼)時(shí),工件轉(zhuǎn)數(shù)1000r/min,加工余量△=0.125mm。所得到的加工結(jié)果是:加工時(shí)間72s、工件圓度1.2痠,表面粗糙度Rz1.9痠。與使用普通砂輪的切入磨削相比,加工時(shí)間和工件圓度誤差都減少了一半還多。
  緩進(jìn)給磨削是以大切深和低的工作進(jìn)給速度為特征,而所謂高效深磨(High Efficiency Deep Grinding),則是把高轉(zhuǎn)速的CBN砂輪應(yīng)用於高切除率的緩進(jìn)給磨削,從而產(chǎn)生了集高的砂輪速度(Vs=80~250m/s)、快的工作進(jìn)給速度(0.5~10m/min)和大切深(0.1~30mm)於一體的高效深磨技術(shù)。其磨除率極高,特別適於進(jìn)行溝槽零件的全切深單行程磨削。圖3所示為德國(guó)BLOHM公司在CIMT2003上展出的PROFIMAT MT系列平面和成形數(shù)控磨床,其總體布局為剛性較好的立柱中腰移動(dòng)式,工作臺(tái)作縱向運(yùn)動(dòng),進(jìn)給速度0.03~25m/min,三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)均采用交流伺服機(jī)、滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌,砂輪主軸最大功率60kW、砂輪最大線速度170m/s。這種磨床便可用于進(jìn)行高效深磨。
  超高速磨削的若干關(guān)鍵技術(shù)
  磨削加工的工藝系統(tǒng)是“磨床—工件—磨具”,自然超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)也離不開磨床、砂輪、磨削工藝和磨削液。
  超高速磨削機(jī)理及工藝的研究
  國(guó)內(nèi)外對(duì)超高速磨削機(jī)理的研究尚不全面,有待進(jìn)一步揭示各種磨削過程和磨削現(xiàn)象的本質(zhì),同時(shí)還要進(jìn)行不同工件材料和磨削條件的工藝參數(shù)優(yōu)化研究,相應(yīng)建立超高速磨削數(shù)據(jù)庫(kù),以加速其應(yīng)用步伐。用計(jì)算機(jī)對(duì)磨削過程進(jìn)行仿真,有助於進(jìn)行上述研究,虛擬磨床可以建立一個(gè)逼真的磨削環(huán)境。
  超硬磨料砂輪及其修整
  超高速磨削砂輪是在基體上固結(jié)一層或多層超硬磨料,故又進(jìn)一步分為多層可修整和單層磨料砂輪兩大類。所用超硬磨料除磨削硬脆材料為金剛石外,其余都使用CBN。超高速磨削砂輪的基體除要有足夠的強(qiáng)度以承受巨大的離心力外,還要有高的彈性模量/密度比和低的熱膨脹系數(shù),目前常用的材料是高強(qiáng)度合金鋼,正尋求高強(qiáng)度鋁合金和鈹?shù)刃阅芨鼉?yōu)良的材料作基體,日本已使用一種碳素纖維復(fù)合材料CFRP作超高速砂輪基體。此外,超高速砂輪基體的形狀設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。
  多層可修整超硬砂輪有樹脂、金屬、陶瓷三種結(jié)合劑。其中陶瓷結(jié)合劑砂輪具有多孔性,且結(jié)合劑呈脆性,可用金剛石滾輪修整,整形和修銳一般能一次完成。還有一種新型的多氣孔陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪,可以通過人為誘發(fā)的孔隙來增強(qiáng)天然的多孔性,這種砂輪將引入更多的磨削液和便於排屑,從而既可磨削高硬度也可磨削中等硬度的鐵質(zhì)材料。故在超高速磨削中陶瓷結(jié)合劑的超硬磨料砂輪用得較多。
  樹脂結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的修整比較困難,整形和修銳需分別進(jìn)行。超硬磨料砂輪的修整特別是在線修整迄今仍是研究的熱點(diǎn),日本人十幾年前開發(fā)的適合金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的在線電解修整(ELID)法,對(duì)超精密鏡面磨削的發(fā)展起了一定作用。而目前正在研究的激光修整法,不僅便于修整樹脂或金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪,而且熱影響區(qū)小、砂輪修整損耗小和易於實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,修整效率也高,很有發(fā)展前景。
  無(wú)需修整的單層超硬磨料砂輪,有電鍍砂輪和(高溫)焊砂輪兩種。由於超硬磨料的優(yōu)異性能,即使單層磨料仍有較長(zhǎng)壽命。其中電鍍砂輪的制造工藝較簡(jiǎn)單(磨料磨鈍后還可重復(fù)電鍍多次),鍍層金屬能緊密包鑲在磨料周圍,最高可承受250~300m/s的磨削速度,已被較多地應(yīng)用于超高速精磨和成形磨削中。焊砂輪磨料與基體的結(jié)合強(qiáng)度特別高,磨粒裸露高度達(dá)到60~70%,故容屑空間大且磨粒能獲得更鋒利的形貌,據(jù)報(bào)道國(guó)外焊砂輪的線速度可達(dá)500m/s。
  超高速磨床的主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)
  超高速磨床的總體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)大件要有很高的動(dòng)、靜剛度,通常采用有限元法進(jìn)行分析和優(yōu)化,機(jī)床的安全防護(hù)也很重要,但最關(guān)鍵還是主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)。
  主軸系統(tǒng)
  提高砂輪線速度主要是提高砂輪轉(zhuǎn)速,超高速磨床的主軸最高轉(zhuǎn)速都在10000r/min以上,傳遞的磨削功率常為幾十千瓦,故要求其主軸系統(tǒng)剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、溫升小、功耗低。近年來,超高速磨床愈來愈多地使用將電機(jī)和主軸作成一體的電主軸,其所用軸承主要是油氣潤(rùn)滑的陶瓷球角接觸球軸承和液體動(dòng)靜壓軸承,后者多用在外圓類超高速磨床上。磁浮軸承雖然高速性能好、精度高,但價(jià)格昂貴和有發(fā)熱、漏磁問題,目前尚較少采用。高速回轉(zhuǎn)的砂輪軸和砂輪一起,其動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響磨削質(zhì)量,除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡外,還應(yīng)當(dāng)在機(jī)床進(jìn)行磨削的過程中實(shí)施連續(xù)的自動(dòng)平衡。此外,要充分重視超高速磨床砂輪與主軸連接的可靠性。

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