磨削技术的发展及关键技术.doc

磨削技术的发展及关键技术 2007年11月7日 17:32 磨料磨具在线 一般来讲，按砂轮线速度Vs高低将磨削分为普通磨削(Vs45 m/s)、高速磨削 (45Vs150 m/s)、超高速磨削(Vs150 m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削(加工精度1 m0.1 m、表面粗糙度Ra0.2 m0.1 m)、超精密磨削(加工精度0.1 m , 表面粗糙度Ra0.025 m)。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨 削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削(HEDG)、砂带磨削、快速短行程 磨削、高速重负荷磨削。 高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国Aa chen大学、Bremm大学、美国Connecticut大学等，有在实验室完成了Vs为250 m/ s、350 m/s、400 m/s实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500 m/s磨削实验 研究。在实用磨削方面，日本已有Vs=200 m/s磨床在工业中应用。 我国对高速磨削及磨具研究已有多年历史，如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、1 20 m/s磨削工艺实验；前几年，某大学也计划开展250 m/s磨削研究(但至今尚未见到这 方面报道)，所以说有些高速磨削技术还只实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有 成熟，特别超高速磨削研究还开展得很少。在实际应用中，砂轮线速度Vs一般还 4560 m/s。 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削研究，以 获得亚微米级尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削树脂结合剂砂轮金刚石 磨粒平均直径可小至4 m。日本用激光在研磨过人造单晶金刚石上切出大量等高性一致 微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要 用于磨削难加工材料，精度可达0.025 m。日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨 削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料高精度、 高效率超精密磨削。作平面研磨运动双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高平面度。电泳磨削技术也一种新超精密及纳米磨削技术。 随着磨削技术发展，磨床在加工机床中也占有相当大比例。据1997年欧洲机床展览会(E MO)调查数据表明，25%企业认为磨削他们应用最主要加工技术，车削只占23%， 钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻 床占14%。我国从19491998年，开发生产通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床 拥有量占金属切削机床总拥有量13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要位置。 为什么磨削技术会不断地发展？主要原因如下： (1)加工精度高由于磨削具有其它加工方法无法比拟特点，如砂轮上参 与切削磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小局部产生加工应力；磨具对断续切 削、工件硬度变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高加工精 度。 (2)加工效率高如缓进给深磨，一次磨削深度可达到025 mm，如将砂轮修 整成所需形状，一次便可磨出所需工件形状。而当Vs进一步提高后，其加工效率则 更高。 (3)工程材料不断发展 许多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工业中应用不断扩大，有些材料只能采用磨削加工 ，需要有新磨削技术及磨削工艺与之相适应。 (4)新磨料磨具如人造金刚石砂轮、CBN砂轮出现，扩大了磨削加工 应用范围。 (5)相关技术发展如砂轮制造技术、控制技术、运动部件驱动技术、 支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备发展。 总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要作用。目前，磨削技术发展趋势 ，发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新磨削工艺 技术，研制高精度、高刚性自动化磨床。 2磨削关键技术研究 就磨削而言，特别就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及内容广泛，不仅包括 磨削本身技术，也集中了其它相关技术。关键技术介绍如下： 2.1磨削机理及磨削工艺研究 通过对磨削机理和磨削工艺研究，揭示各种磨削过程、磨削现象本质，找出其变化规律 ，例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度分布、切屑形成过程、磨削烧伤、磨削 表面完整性等影响因素和条件；不同工件材料(特别难加工材料和特殊功能材料)和磨削 条件最佳磨削参数；磨具磨损，新型磨具材料磨削性能等，只有通过磨削机理和磨 削工艺研究，才能确定最佳磨削范围，获取最佳磨削参数。 对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入研究。在精密及超精密 磨削、高速高效磨削磨削机理和磨削工艺方面，针对不同工程材料(如陶瓷和玻璃) 国 内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整理论体系，还需进行广泛研究，找 出其内在规律。可见，需要进一步研究重点有，磨削过程、磨削现象（如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等）研究；磨削工艺参数优化研究；不同材料（常用材料）磨削机理研究；磨削过程计算机模拟与仿真研究。 2.2高速、高精度主轴单元制造技术 主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统精度、稳定性 及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速高效磨削、精密超精密磨削起着关键作用。 提高砂轮线速度主要提高砂轮主轴转速，特别在砂轮直径受到限制场合（如内圆磨 削）。因而，适应于高精度、高速及超高速磨床主轴单元磨床关键部件。而对于高 速高精度主轴单元系统，应该刚性好，回转精度高，运转时温升小、稳定性好、可靠，功 耗低，寿命长，同时，成本也应适中。要满足这些要求，主轴制造及动平衡，主轴支撑 (轴承)，主轴系统润滑和冷却，系统刚性等很重要。 国外主轴单元技术发展很快，有些公司专门提供各种功能主轴单元部件，这种主轴单元 部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削机床上。近年来高速和超高速磨床越来越多地 用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和Ingersoll公司推出加工中心，其主轴 单元就用电主轴，其功率为65 kW，最高转速达15 000 r/min，电机响应时间很短； 在EMO97上，电主轴机床制造技术中最热门功能部件，参展商达36家；美国Landis公 司超高速曲轴、凸轮轴磨床砂轮主轴，也都用电主轴。 目前，国内主轴单元速度大约在10 000 r/min以下，且其精度、刚性及稳定性有待于考验 和提高。同时，缺乏高速、高精度、大功率主轴单元(电主轴)。需要进一步研究重点如 下：大功率、高转速和高精度驱动系统研究与开发；高刚性、高精度、高转速重负 荷轴承或支承件研究与开发；高速、高刚性、高精度砂轮主轴和工件头架主轴制 造技术。 2.3精密、高速进给单元制造技术 进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等。进给单元使砂轮保持正常工作 必要条件，也评价高速、高效及超高速磨床性能重要指标之一，因此，要求进给单元 运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，有较大移动范围(既要适合空行程时快 进给，又要适应加工时小进给或者微进给)，既要有较大加速度，又要有足够大推力 ，刚性高，动态响应快，定位精度好。 数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合轴向进给方案。但随着高 速高精度加工发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能直线 电机结合数字控制技术，可达到较高调整质量，也可满足上述要求，如德国西门子公司就 在CIMT97作了直线电机120 m/min高速进给表演，而该公司直线电机最大进给速度可达 200 m/min, 其最大推力可达6600 N，最大位移距离为504 mm。又如日本三井精机公司生产 高速工具磨床，主轴上下移动(行程25 mm)采用直线电机后，可达400次/min，原来2 倍，加工效率提高34倍。我国国产数控进给系统(特别高速、高精度进给系统)与国外相 比还有很大差距，其快速进给速度一般为24 m/min。可见，为了适应精密、高速及超高 速磨床发展，在以下几个方面应重点研究：高速精密交流伺服系统及电机研究；直线伺服电机设计与应用研究；高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副研究；高精度导轨、新型导轨摩擦副研究；能适应超精密磨削高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数导轨副研究。 2.4砂轮制造及其新技术 随着工程材料发展及其应用，CBN砂轮和人造金刚石砂轮应用越来越广泛，而砂轮许 用线速度也要求较高，一般在80 m/s以上。单层电镀CBN砂轮线速度可达250 m/s，发展超 高速磨削也需要150 m/s以上砂轮，但国内80120 m/sCBN砂轮仍在研制之中。 此外，砂轮设计，其截面形状优化、粘结剂结合强度及其适用性、砂轮基体材料、 砂轮制造技术(特别对微细磨料磨具制造技术)等都非常重要，仍需对一些关键技 术进行攻关：砂轮基体材料及制造技术开发、设计及其优化；砂轮新型粘结剂(特别适用于制造微细磨料磨具粘结剂)研究；新型磨料制备工艺，如可使磨料容易产生新切削刃；新型砂轮制造工艺，既要使砂轮具有足够容屑空间，也要有更好凸出性；适合于超精密磨削超微粉砂轮制备技术。 2.5机床支承技术及辅助单元技术 机床支承技术主要指机床支承构件设计及制造技术。辅助单元技术包括快速工件装夹 技术，高效冷却润滑液过滤系统、机床安全装置、切屑处理及工件清洁技术、主轴及砂轮 动平衡技术等。 磨床支承构件砂轮架、头架、尾架、工作台等部件支撑基础件。要求它有良好静刚度 、动刚度及热刚度。对于一些精密、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，也有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，这些都收到了很好效果。 应在以下几个方面（特别下一代磨床设计）加强研究：新型材料及结构支承构件优化设计及制造技术研究；砂轮动平衡技术研究；磨削液过滤系统研究；安全防护装置设计制造技术研究；精密自动跟刀架及支承件研究。 2.6砂轮在线修整技术 在磨削过程中，砂轮由于磨钝和磨损，需要进行及时修整，特别对超细磨料砂轮而言，更 需频繁修整。普通砂轮修整比较容易；人造金刚石砂轮和CBN砂轮修整(特别在线修整) 个难题。 超硬磨料砂轮修圆及磨料开刃两个很重要问题。目前，国内一些学者正在研究激光修 整砂轮和电解修整砂轮，以期解决高效实用修整问题。重要关键问题有二：新、高效实用砂轮修整技术及其装置；砂轮在线修整技术。 2.7环境友好相关磨削技术 磨削过程中，冷却液作用主要冷却和润滑、将磨削热从工件表面带走、冲刷掉磨削时留 在工件和砂轮表面上切屑。但，鉴于冷却液对环境污染负面影响，磨削时应尽可能少 用冷却液或不用冷却液，因此，应开展对下列关键技术研究：对环境不产生污染冷却剂；新冷却方法及冷却装置。 2.8磨削过程检测控制技术 磨削过程检测与控制，主要通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程进行实时监控， 例如对砂轮磨损及破损情况进行监测和控制，对工件尺寸、形状与位置精度和加工表面 质量进行监控。这需要研究新实用传感器、检测与监控方法。 有些学者提出，将新型非接触式传感器（声发射传感器）安装在砂轮基体上，通过信号接 收器接收信号并对其进行分析处理，以控制砂轮所受力，从而监控砂轮磨损状况。但尚 未见到更详细实验报道。 国内也开发了一些非接触式测量传感器及磨削过程在线监测、监控技术等，但与国外差距 很大。国内应以实用化为目标，进行相关测试技术研究，研究精度高、可靠性好、实用性 强测试技术与设备。同时，加强对砂轮磨损及破损、砂轮修整状态，工件加工精度、加 工表面质量等在线监控技术进行研究，开展自适应控制及智能控制研究。 其关键技术有砂轮磨损及破损监控技术；工件尺寸精度、形状精度、位置精度和加工表面质量在线监控技术；精度高、可靠性好、实用性强测试技术与仪器。 2.9磨削过程仿真与虚拟 随着计算机技术及模拟技术发展，利用计算机进行磨