无心外圆磨床的发展趋势.pdf

2 0 0 2年第 3期 总第 1 5 1期 无 心 外 圆磨 床 的发 展 趋 势 无锡冶金机械厂 2 1 4 1 5 1 李 良福 摘要本文概述 了无心外圆磨床的现代化趋势 分析了有发展前途的研究科学和实现该种加工方法的新法 关 键词 无 心外 圆磨床发 展 趋势新加 工 方法 一 引言 采用 导轮的无心外 圆磨床 已被广 泛采用 于成批 和大批量生产 中 用 以高 生产 率制 造 宽广 品种 的任 意精度 的制件 其 中包括 精 密制 件 这种 磨 削方 法 的广泛 采用 是 由于 其 具 有一 系列 的磨 削 特 点 例 如 在加工 时工件 的 自定心 可达 到的加工精度 高于 在两顶尖和卡盘 内外 圆磨时 的精 度 摩擦传 动装置 可保证 自由接近磨 削区 可去 除较多 的余量 近年 来 由于 建立 了带 多 坐标 N C系 统 的无 心 外圆磨床 故 显著 扩 大 了无 心 磨 床 加 工 的 可能 性 这种无心外 圆磨床 可采 用来控制 加工和修 正砂 轮与 导轮 磨 削速度 可提 高到 1 2 0 m s 该磨 削 过 程可 采 用 在 纳 米 工 艺 中 二 无心磨 削的稳定性和 安全性 的保证 无心外 圆磨 削过程的稳定 性大多取决 于工件旋 转的稳定 性 旋转 稳定性 的破 坏伴 随着 打 滑 工 件的 圆周速度提高 到砂 轮 的速度 从而导致 工件从 磨 削 区挤 出 而 在 一 系 列 情 况 导 致 砂 轮 的破 裂 此 外 在加工 过程开始时工件 不旋转 暂时扭矩 未达到 所需值 因此 在不动 的被加工 表面上形成切 口 从 而在横截面 内工件 进一步成 形的变坏 在分析传统无 心磨削方 式 图 1 和借 助计算 机 计算和实验研究 基础 上 给 出了可 确定 工件 定位 和 图 1 有 导轮 的无 心外 圆磨 削示 意 图 磨削条件参数 的实际推荐 工件在无心外 圆磨床 上 旋转 的稳定性 与一系列参数 有关 属 于这些参数 见 图 1 的有 托板 的斜面角 0 表征半 径 为 r 的工件轴 线在加工过程 中的配 置 角 7 a J3 法 向切 削 分力 P N和切 向切 削分力 P 在托 板和导 轮上 的法 向反力 R H RB和 摩 擦 力 R H R B 期 和 为 摩 擦 系 数 工件 的重量 G 图 2评 定 工 件 旋 转 稳 定 性 的 计 算 图 表 a一 k 0 2 H 0 1 5 b一 K O 4 H 0 1 5 a e 现 已确定 影 响工 件旋转 稳 定性 的不 变参数是 表征具 体工 件定 位条件 的 e角 和 7角 所谓 无 0外 圆磨床 的几 何形状调整 而可变参数是在 托板 和导 轮上引起 的切 削 分力 和摩 擦力 并且 在导 轮上 的 摩擦力方 向与加工条件有关 可能 有不同方 向 当几 何形 状 的调整 给定 时 工件旋 转 的稳定性 条件取决 于 比值 k P P N和摩擦 系数值 H 从 图 2 a中可见 当 0 3 5 B 0 1 5时 工件 稳定旋转 的界 限随着摩 擦 系数 的减小 例 如在采 用金属导 轮时 这界 限偏 移到 托板 斜 面角 e较 大值 的 区域 类似规律性 见 图 2 b 已被 领先 俄 罗斯 的研 究 人员 所揭示 1 对 图 1 所示 方式 现 已稳 定 在托 板 和导轮 上 的 摩擦 系数之 间有下列关 系 1 良 牛D 维普资讯 精密制造与 自动化 H 1 2 0 5 1 s i n a t H c o s O s i n a 遵 守 这关 系时 可保 证 工 件 的 旋转 直 到 接 近砂 轮 也就是可 防止在被 加工表 面上形 成切 口 在无心外 圆磨 床上 常采 用不 同材 料的导 轮 因 此在每种具 体情况必须从加 工过程 的稳定 性观点预 先评估导轮一工 件摩擦副 的功能条件 在文献 2 中描述了以无心外圆磨床为基础的 试验 台 它可模拟 工件 被 导轮 摩擦 传 动 在 该文 献 中还列 出了在加工 轴承钢和其 它钢种工件 时在 摩擦 试验 和导轮磨损试 验的结果 导轮为钢质导 轮和树 脂 陶瓷 聚氨酯 和橡胶结 合剂导 轮 在试验 台上检 测 了在不断测量 摩擦 系数 B时工件 相对 砂 轮 的滑 动速度 u 特别有趣 的是 当滑动速度 的符号 变化时摩擦 系 数跳跃式变化的实验数据 见 图 3 当 u 0时没 有滑动 也就 是 产生 工 件 沿 导轮 的滚 动 u的正 值符合工件 超前 导 轮 从 而伴 随着 引起 相对 工件 旋转 方 向 的滑 动 摩 擦 力 u的 负 值 符 合 工 件 的 滞后 这 时滑动摩 擦 力沿 工 件旋转 方 向定 向 从 图 3中可看 出 存 在着 决定 工 件 滑动速 度 相对 导轮 的增 大和减小特性之 间的滞后现象 同样 已确定 当无 滑 动时 B值达 到最 大 值 因 为导轮的磨粒 被挤 人工 件 的表 面 内 从 而伴 随着 引 起最大 的咬合力 i l i i j l i y i丁 I I I l v l 一 一 2 疋 0 a 厦2 4 州 f l I j 二 i l 图 3在导轮 上的 摩擦 系数 B 对 工 件滑 动速度 u的变 化 在文献 2 中列出了根据一系列因素 法向切削 分力 工件材料 导 轮 的修整 速 度 导轮 的材料和 结 合剂等 实验确 定导 轮摩 擦 特性 的结 果 其 中包 括 已确定 有 相 同粒度 的导 轮 在修 整速 度 3 0 0 mm mi n 时 在 陶瓷结合剂情 况 B 一 0 4 在橡 胶结合 剂情 况 t B 一 0 3 4 在树脂 结合 剂时 为 0 2 5 在 聚氨酯 结合剂时 t B 一 数值 实际上 与导 轮 的粒 度无 关 B 一 0 2 0 3 对 钢导轮 B 一 0 1 7 实验表 明 陶瓷和 树脂 结合 剂导 轮 的磨损量 大 于橡胶 和聚氨酯结合剂导 轮一个 数量级 随着橡胶 和聚氨酯结合剂 导轮 的粒 度增 大 它 们 的磨损 量增 1 2 加不大 由于强 烈磨 损 不 推荐 采用 陶 瓷和树 脂结 合 剂的导轮 42 d f b o o 20 0 3 I o 0 0 2D o 30 O 图 4在导 轮上 的滑 动 速 度 u a 和 摩 擦 系 数 f B b 对 法 向磨削分 力 P N的变化 导轮 的磨损量 与法 向磨 削分力 和滑动速度显著 有关 图 4所示为橡胶结合 剂导轮 的滑动速度 和摩 擦系数与法 向磨 削分力 的关 系 利用不 同特 性导 轮 的摩 擦 系数实 验数 据 可保 证 图 2所示计 算 图表 的实 际应 用 它 可确 定在无 心 外 圆磨 床上的安全工作 区 三 采用砂 带的无心磨削 由于专 门研 究无心 磨 削的改 进 提 出 了利用 砂 带替代砂 轮 3 图 5所示为这 种加工 的示 意图 柱 形 工件 2靠摩 擦传 动在托板 6上旋转 和移 动 摩擦 传 动是靠 导轮 1的轴 线偏 转一 J 角 实 现的 砂带 3 靠接触 轮 5被 压 紧在 柱形 工 件上 并 借助 滚轮 4拉 紧 在该情 况的调 整 参数 是 e角 和 角 f I 角 以及 导 轮 和 砂 带 的 圆周 速 度 6 图 5利用砂 带 的无心 磨削示 意 图 这种方式早先 被采用来初加工 棒料和精磨及抛 光小零件 现在广泛用来 制造任意 的零件 其 中包括 薄壁零件 高精密零件 和对 表面质量要求 高的零 件 以及用来 加 工余 量 大 的 零 件 由于采 用 现 代 化磨 料 砂带工作表面新 的涂层方 法 其 中包括通过有序 配置磨粒 和采用特殊 的坚固结合剂 故达到很好 的 效果 用砂带 的无心磨 削有一系列优点 可增加机床 的使用安全性 可提 高加工生产率 促 使这点的不 仅是砂带 的速度 高 达 5 0 m s 和稳 定 轴 向进 给 速 维普资讯 2 0 0 2年第 3期 总第 1 5 1期 度显著高 达 1 8 m m i n 而且 砂粒 还 可有 效 的定 向 无 需 修 整 工 具 因 为 砂 带 与 砂 轮 的 区别 是 没 有 不 平 衡度 可显著减小振动 水平 由于在高速 切削时可较 好的散 出热量 和 降 低单 位 负 荷 故 可 减 小 热 变形 所有这些可促使提 高加工精 度 可控 制加工 表 面的质 量 并 在一 台无 心外 圆磨 床上可采用一组不 同的砂带 由于砂带 和接 触轮的 更换简便 故无心外 圆磨 床易于重新 调整 四 进一步提高无 b3 b 圆磨床上 的磨 削速度 这趋势 是 由于 采用 新 的工 具 材 料 实 现 的 例 如 立 方 氮 化 硼 砂 轮 可速 度 达 1 2 0 m s 工 件 下 表 列 出了用 陶瓷结合剂砂 轮传 统无 心磨 削时 A 和用立 方氮化硼砂轮 高 速磨 削 时 B 的结 果 比较数 据 工 序为粗磨凸轮轴 的轴 颈 余 量为 4 m m 表 1 加 工方 法 A B 磨 速 度 m s 6 3 1 2 0 磨 时 间 8 2 0 1 2 加 工指标 直 径偏 差 a n 2 O 2 0 圆度 t a n 1 O 8 表 面粗糙 度 R z 帅 8 4 0 在无 心精 磨时 采 用 有特 殊涂 层 的 陶瓷结 合剂 砂轮在一系列情况可保证 速度 的提 高 五 无 心磨 削在 纳米工艺 中的应用 在机器 制造 业 中 对 专用来 制 造特 别精 密的轴 承和光纤通信器材元件 的超精 密无 心外 圆磨床 的需 求 日益 增 长 这 些 零 件 的 允 许 圆度 偏 差 在 l O 3 5 n m范 围 内 为提 高类 似要 求 在 无心外 圆磨床 上应实 现不 连续的进给 并用 纳米测量 而传统 的电机一丝杠定 位系统 是不 可 能 达 到 的 必 须 有 新 的技 术解 决 方 法 应保证无心外 圆磨 床 的进 给机 构有 超 刚度 无 间 隙的结构 和定位 系统所需 的精度 在文献 4 中研究 了以压电直线电机为基础的 无心外 圆磨床 的超精 密 进给 机构 的结 构 列 出了它 们 的计算方法 和实验研究试 样的结果 对 压 电直线 电机提 出了紧凑 性 和高 刚度 大轴 向力 相结 合 的要 求 纳米精度应保 证 在所 有移 动 范 围 内 压 电电机 应消除负荷 的突变 不经受 剪应力和较 大的拉力 目前建立 的压 电电机 其 刚度 为 2 1 9 0 N t m a 行 程长度为 3 0 t ma 输 出力 为 8 k N 定位精度为 0 0 0 5 t ma 5 n m 六 在 无心磨 削时检测 力的新手段 由于在 无心 外 圆磨 床 上 的加工精 度高 故 对检 测手段提 出更高 的要求 符合这些要求 的例如其作 用是 基于声发射的高敏感 性仪器 类似 仪器应 具有 l m s的快速动作 并可在 宽 广 的频 率范 围 内 5 O 9 5 O k H z 获得振 幅大 大超 过按 传 动功 率 测量磨 削力 时 的信 号 新 型仪 器可用来 在砂 轮靠 近工 件时处 理精 确 切换速度 的命 令 按 切削力适应控制过 程 控制循环 以在修整砂 轮时保证最小去 除磨料 0 2 5 t ma以下 从而对立方 氮化硼砂轮 的无 心外 圆磨床甚为迫切 宽广 的信号工作频率范 围对 用立方氮化硼砂轮 高速磨 削特 别重要 它是靠 用模 拟程序装置控制 的 滤波器与 复盖范围相联合 实现的 磨削力检测 系统 的高敏感性 可瞬时揭示砂轮单个磨粒 与工件或砂轮 与修 整工具 的初始 接触 早先在 加工时和修整砂轮 时采用 的类似 系统 因其价格 高而受到 限制 但近来 由于完善 了结构故 它们的价值大 大下降 这种检测装置 可 内置在砂轮 的平衡 部件 内 对 粗磨 和用单 颗金 刚石修 整 砂 轮的工 序 可将 系统 的 传感器安 装在砂 轮架壳 体 上或砂 轮 的修 整机 构上 当对加工 质量的要 求较 高 时 或用 金 刚石滚 轮 以较 小去 除磨 料量修 整 砂轮 时 传 感器 可 直接安 装在 砂 轮或 金刚石导轮 的主轴上 上述装置 已被美 国和英 国公司成功采用于无心磨削轴承套圈 5 基于声 发射作用 的检测和 控制 系统 的采 用 可大大提 高 在 无心外 圆磨 床上的生产率 和加 工精度 七 结束语 这样 可断定 新趋势的 出现 即高生产率 的无 心 磨削工艺 可采用 在 成批 生产 中 用来 制造 超 高精度 的零件 因此 在 建立 国产 有竞 争力 的无心外 圆磨 床时 不仅必须 注意早先生产 的传统结构 而且还要 建立新原 理的基于本文研究 的结 构 参考文献 1 C 且 B a 螽 c等 Hc c a e a o s a r mn 6 e c t t e m l x a b tx K p y r n o t t 1 r m t I o m r m r m r x C T a F IK O B C mH 2 0 0 1 8 2 3 2 8 2 H a s h i m o t o F E ff e k t s o f f r i c t i o n a n dw e a r c h a r a c t e r i s t i e s o f r e g u l a t i n g w h e e l O i l c e n te r l e s a g r i n d i n g Ab ras i v e s C e n t e r l e s s g r i n d i n g c o a t e d a b r a s i v e s 一 Au g 2 0 0 0 一 P 8 1 5 3 Me w e s D H Mc l e a n R M Ad v a n t a g e s o