國內(nèi)外高速平面磨削發(fā)展比較

發(fā)布日期:2012-09-24    蘭生客服中心    瀏覽:4574

  近年來,國際上高速磨削技術(shù)發(fā)展很快,除了把常規(guī)磨削的速度普遍提升以外,還推廣應(yīng)用了高效深切磨削的新工藝,這種方法是在提高砂輪線速度的同時,加大切入進給速度以提高金屬切除率的高效磨削方法。
高速磨削的優(yōu)點: 
 。1)可以大大提高磨削效率。由于高速磨削的切屑厚度減小,切削力降低,如果保持與普通磨削同樣的切屑厚度和切削力,則可極大地提高機床的進給量,從而提高磨削效率。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,磨削效率一般可以提高1~3倍。 
 。2)提高加工工件的表面質(zhì)量:由于磨粒的切屑厚度減小,磨粒留在工件表面上的切痕深度減小,從而提高了工件表面的光潔度(降低了表面的粗糙度),一般可以提高1~3級。此外,切削力的降低有利于提高工件的尺寸精度。 
 。3)提高砂輪的耐用度:理論上由于切屑厚度減小,導致切削力大幅度降低,磨粒承受的負荷減小,因此,提高了磨粒的切削能力,也就提高了砂輪的耐用度。一般,砂輪壽命可以提高1倍左右。 
國外高速磨床制造和應(yīng)用概況 
  高速磨削的歷史較長,早在上個世紀四十年代,國外就開始試驗高速磨削工藝,到五十年代初已將50m/s的高速磨削應(yīng)用于生產(chǎn)。據(jù)文獻介紹,1958年砂輪線速度已能達到60m/s。高速磨削從上世紀60年代以來得到較快的發(fā)展,各工業(yè)發(fā)達國家都積極采用高速磨削來提高磨削效率,美國諾頓砂輪制造公司60年代就制造出砂輪線速度超60m/s的高速砂輪,到70年代逐步提高到90m/s,80年代末已制造出最高線速度為120m/s的高速磨床。日本在上世紀60年代末首先在汽車和軸承行業(yè)采用高速磨床,到70年代中期已生產(chǎn)和應(yīng)用線速度達80m/s的高速磨床。80年代以后,隨著CBN砂輪的廣泛應(yīng)用,砂輪線速度更是達到150m/s。目前,磨床砂輪的線速度普遍采用60m/s以上的高速,最高的甚至達到250m/s。德國的高速磨床發(fā)展同樣迅速,該國的BLOHM公司、ELB公司等廠家均大力發(fā)展高速磨床,產(chǎn)品已比較成熟。其中,BLOHM的一臺高速平面和成形磨砂輪轉(zhuǎn)速達8,000r/min,且各軸向的速度也較高,X軸為40m/min、加速度為3m/s2。目前,CBN砂輪的線速度已達150~250m/s以上。在提高砂輪線速度的同時,還要提高工作臺的往復速度,如德國BLOHM公司開發(fā)的一種用于航空發(fā)動機新材料的先進磨削技術(shù),其最大工作臺速度達到200m/min,最大工作臺加速度達到50m/s2,最大切削線速度170m/s,最大主軸轉(zhuǎn)速為11,000r/min。據(jù)稱這是國際上第一臺工作臺速度達到200m/min、加速度達50m/s2的平面磨床。該機已投入正常使用,應(yīng)用前景廣闊。斯來福臨公司在江蘇太倉的生產(chǎn)基地也生產(chǎn)高速磨床,線速度達到60m/s。德國的居林公司研究開發(fā)出把高速磨削和深切緩進給磨削結(jié)合在一起的高效深切磨削,成倍地提高磨削效率。德國阿亨大學對高速磨削有系統(tǒng)、深入的研究,最高的線速度達到500m/s的超高水平?傮w說來,這些工業(yè)發(fā)達國家通用磨床上都普遍采用了60m/s的高速砂輪,并積極研究和推廣線速度超高的高速磨削。 
  以立方氮化硼砂輪為代表的高速砂輪的廣泛應(yīng)用為高速磨削的發(fā)展創(chuàng)造了條件。上世紀80年代興起了一種稱為高效深切磨削的方法,這種方法把高速磨削和緩進給強力成形磨削結(jié)合在一起,采用了特別高的砂輪線速度,同時采用和緩進給磨削一樣的大切深,金屬去除率比普通磨削高100倍以上,甚至達到1,000倍。如德國居林公司采用CBN砂輪的高效深切磨削,金屬磨除率達到驚人的2kg/min。研究試驗表明,砂輪線速度達到150m/s時,工件的溫升和60m/s時是一樣的,采用超高速磨削時存在一個臨界溫度,一旦超過這個臨界溫度,線速度的提高不會導致溫升,還有利于在接觸區(qū)散發(fā)熱量,反而對工件沒有熱損傷。由于高效深切磨削有這個優(yōu)點,因此在國外應(yīng)用非常廣泛。 
  近年來,隨著工程陶瓷、光學玻璃及半導體硅片等硬脆材料的應(yīng)用日益廣泛,在機械加工領(lǐng)域由于這類材料的高強度、高硬度和高脆性,給傳統(tǒng)的磨削工藝帶來了挑戰(zhàn)。由于磨削溫度高、磨削效率低,而且砂輪極易鈍化、堵塞而喪失其切削性能,所以此類材料加工成本非常高。而在此類材料的加工中,高速超高速磨削工藝被認為是能夠獲得高去除率的經(jīng)濟有效的方法之一。砂輪速度的增加能夠減小單顆磨粒最大未變形切屑厚度,從而使磨削力減小及表面粗糙度下降,為提高材料的去除率提供了條件。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,工程陶瓷領(lǐng)域的一系列的突破推動了相關(guān)新技術(shù)的快速發(fā)展,如長效耐磨的氮化硅陶瓷軸承被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域以減少摩擦、提高設(shè)備性能,再如汽車用陶瓷催化轉(zhuǎn)化器在減少汽車廢氣排放和空氣污染方面,起到了重要作用。因此,在需要耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和減輕質(zhì)量的情況下,陶瓷是首選材料,它具備了減少維護費用、延長了設(shè)備使用壽命、減少生產(chǎn)能耗、減少環(huán)境污染等一系列優(yōu)勢。然而,目前陶瓷與金屬相比使用范圍往往受到限制,主要原因是它具有相對較高的硬度和脆性,加工性能差,它在磨削過程中表面和亞表面區(qū)域內(nèi)易形成裂紋,從而影響了構(gòu)件的穩(wěn)定性。再如主軸軸承可采用陶瓷滾動軸承,陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(yōu)點。其缺點是制造難度大,成本高,對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感。 
  超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料。結(jié)合劑可以用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑等。樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪,使用速度可達125m/s。單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達250m/s,試驗中更是高達340m/s。陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達200m/s。同其它類型的砂輪相比,陶瓷結(jié)合劑砂輪易于修整。與高密度的樹脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比,陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過變化生產(chǎn)工藝來獲得大范圍的氣孔率。特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率。由于陶瓷結(jié)合劑砂輪的結(jié)構(gòu)特點,使得修整后的容屑空間大,修銳簡單,甚至在許多應(yīng)用情況下可以不修銳。 
國內(nèi)磨床行業(yè)高速平磨發(fā)展概況 
  中國的高速磨削起步不算太晚,上世紀70年代初已開始研制高速磨床,取得了一些零星的成果。 
  1974年磨床行業(yè)召開了一次全國高速磨削會議,會議決定在全國逐步推廣高速磨床并由磨床生產(chǎn)廠聯(lián)合設(shè)計高速磨床。1976年,磨床行業(yè)有關(guān)廠家在杭州機床廠集中進行聯(lián)合設(shè)計,設(shè)計出好幾款產(chǎn)品,其中M7132高速平磨指定由原石家莊第三機床廠生產(chǎn),該機床的線速度也是60m/s。1978年,原石家莊第三機床廠按聯(lián)合設(shè)計圖紙生產(chǎn)了2臺高速平磨,同年在武漢機床展覽會上展出并獲得好評,但可惜未能進行銷售。此后,全國國民經(jīng)濟進入調(diào)整時期,機床行業(yè)受到?jīng)_擊,這2臺高速磨床始終未進行銷售,致使高速磨床的發(fā)展和推廣受挫。由于沒有市場需求的動力,高速平磨在10余年間停步不前。 
  直到90年代,高速平磨的研發(fā)才進入新一輪的發(fā)展期。1992年,貴州遵義長征第八電器廠因需要加工一種高初磁導率玻莫合金(IJ 50)的材料,這種材料采用線速度35m/s的常規(guī)平磨,精度和表面粗糙度始終達不到技術(shù)要求,但采用高速磨削工件能達到要求。在此情況下,該單位要求杭機提供一臺高速磨床。于是,在MM7132A精密平磨的基礎(chǔ)上為該單位改裝了1臺高速平磨,砂輪線速度達到60m/s以上,使用情況較好,獲得了較好的經(jīng)濟效益。2005年,高速磨床的生產(chǎn)逐步由改裝的專機產(chǎn)品轉(zhuǎn)為正規(guī)產(chǎn)品,定型號為MMS7132。但許多用戶往往為了節(jié)省設(shè)備購置費用,寧愿購買普通機床再進行改裝。 
  值得一提的是2002年左右曾設(shè)計并試驗成功HZ-74/1和MKS7130兩臺超高速平磨,這兩臺機床是杭機以與湖南大學合作的性質(zhì)開發(fā)的,砂輪最高線速度前者為120m/s,后者更高達314m/s。機床在湖南大學做超高速磨削的試驗時,技術(shù)人員在超高速平磨上對45#鋼、不銹鋼、工具鋼、軸承鋼、陶瓷等材料進行了磨削試驗,特別是對硬脆難加工的氧化鋯PSZ、氮化硅、氧化鋁等材料進行高效深切磨削,都達到了比較理想的磨削效果。機床用CBN砂輪磨削陶瓷材料也取得較好的效果。可以說,這是中國在超高速磨削領(lǐng)域取得的最好成積,說明我們在此領(lǐng)域也是可以有所作為的。 
  但總的說來,國內(nèi)高速磨床的制造和應(yīng)用仍處于不慍不火的狀態(tài),高速磨床的應(yīng)用至今僅局限在電子等少數(shù)行業(yè),未能得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。在高速和超高速磨削研究領(lǐng)域,中國湖南大學高效磨削研究所作了有益的嘗試,取得了一些成果。 
中國高速平磨與國際先進水平的差距 
  首先,常規(guī)平磨砂輪線速度和工作臺往復速度與國外水平相比有較大的差距。線速度一般都在35m/s以下,砂輪多采用普通的剛玉砂輪、碳化硅砂輪,CBN、金剛石砂輪的應(yīng)用較少。國外平磨砂輪速度45m/s以上十分普遍,甚至60m/s的線速度也成為機床的常規(guī)速度。 

  其二,高速磨床的產(chǎn)量很少,應(yīng)用不普及,到目前為止,磨床行業(yè)只有MMS7132A一種型號和規(guī)格,最高線速度60m/s。機床是在MM7132A精密平磨基礎(chǔ)上改制,加大磨頭電機的功率,采用變頻裝置提高轉(zhuǎn)速。加厚了砂輪防護罩殼,并提高了工作臺的往復速度(35m/min),加大了冷卻液流量。砂輪選用高速砂輪。由于用戶較少,機床批量不大,多年來只是少量生產(chǎn),在整個產(chǎn)品產(chǎn)量中占比很少。 
  在超高速磨削領(lǐng)域,雖已作了有益的嘗試,但總的說來,在基礎(chǔ)研究方面投入不足,在高速和超高速磨削領(lǐng)域缺乏深入研究,尚未確立自主開發(fā)研究高速磨床的計劃。到目前為止,也沒有為用戶提供超高速的高效深切成形磨床產(chǎn)品,當然這類磨床產(chǎn)品缺乏強力的市場支撐也是一個原因。對CBN磨料等先進磨料應(yīng)用以及對超硬非金屬材料的磨削試驗等研究也很少,不能為用戶提供強有力的技術(shù)支撐。在產(chǎn)學研方面嚴重脫節(jié),有的只是為了爭取項目而已。產(chǎn)學研之間配合不夠,各顧各的利益和興趣,導致成果的產(chǎn)業(yè)化率低下。 
發(fā)展高速平磨若干建議 
 。1)在產(chǎn)品銷售差異化策略下,適當提高有代表性的常規(guī)磨床產(chǎn)品的砂輪線速度,把線速度普遍提高到45m/s,以提高磨削效率。換句話說,就是發(fā)展一些準高速磨床,在這些機床上使用一些CBN高效磨料砂輪。當然,機床的價格也應(yīng)適當提高。這些機床可以在特定的行業(yè)推廣。通過提高砂輪轉(zhuǎn)速的方法達到提高生產(chǎn)效率的目的,這肯定會受到用戶的歡迎。事實上,隨著國內(nèi)高速砂輪磨料的技術(shù)進步,高速砂輪的應(yīng)用可以得到逐步擴大,完全可以普遍提高常規(guī)磨床的砂輪線速度,當然需要通過行業(yè)標準的實施來加以推廣。 
 。2)在“十二五”期間,對高速磨床尤其是高效深切成形磨床的生產(chǎn)有所安排和規(guī)劃,確定一些先天條件較好的機床為基型機床,開發(fā)高速磨床。 
 。3)培育高速磨床的用戶群,在最需要實現(xiàn)高效率磨削的模具等行業(yè)尋找用戶,積極推廣高速磨削工藝。逐步讓用戶體驗到采用高速磨削給他們帶來的好處,在選購機床設(shè)備時就會自覺地購買高速磨床。 
  (4)進行深入的高速磨削研究,在超高速磨削領(lǐng)域也應(yīng)適時介入。可以預見,誰在超高速磨削領(lǐng)域取得研究成果,誰就能在高效深切磨削機床的開發(fā)方面取得主動權(quán)。目前基礎(chǔ)技術(shù)研究仍是薄弱的環(huán)節(jié),加強對新技術(shù)的研究、新工藝的探索具有十分重要的意義。試驗工作應(yīng)納入正規(guī)管理,有計劃、有經(jīng)費、有目標,確保每年出成果。 
 。5)開展深度的產(chǎn)學研技術(shù)合作,在國內(nèi)建立合適的合作伙伴和創(chuàng)業(yè)群,通過各種渠道在國家、省、市層級列項,把高速和超高速磨削項目列入計劃,爭取獲得政府的財政支持。 

  (6)通過展覽會等各種載體,對高速磨削機床進行廣泛宣傳推廣,有意識地培育典型用戶群。 
 。7)向全國機床標準委員會提議,把高速和超高速磨床的標準制定列為標準化工作內(nèi)容。同時應(yīng)開展進一步的調(diào)研,如陶瓷加工行業(yè)的需求以及超高速磨床等,以引領(lǐng)國內(nèi)的市場。

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