高速磨削的技术关键.doc

高速磨削的技术关键1.高速主轴高速磨削时对砂轮主轴的基本要求与高速铣削时相似，各种主轴的类型、构造及其优缺点与高速铣不同之处在于砂轮直径一般大于铣刀的直径。由于制造和调整装交等误差，更换砂轮或者修整砂轮后甚至在停车后重新起动时，砂轮主轴必须进行动态平衡。所以高速磨削主轴须有连续自动动平衡系统，以便能把由动不平衡引起的振动降低到最小程度，保证获得低的工件表面粗糙度。目前市场上有许多不同的动平衡系统产品，主要有下列两类：机电动平衡系统和电液动平衡系统。（1）机电动平衡系统 如图38所示，它由两块内装电子驱动元件并可在轴上相对转动的平衡重块3，紧固法兰2和信号无线传输单元1组成。整个平衡系统构成一个完整的部件，装在磨床主轴4内，如图39所示。进行动平衡时，主轴的动不平衡振幅值由振动传感器测出，动不平衡的相位则通过装在转子内的电子元件测量。相应的电子控制信号驱动两平衡块1作相对转动，从而达到平衡的目的。这种平衡装置的精度很高，平衡后的主轴残余振动幅值可控制在0.11m。该系统的平衡块在断电时仍保持在原位置上不动，所以停机后重新起动时主轴的平衡状态不会发生变化。电液平衡系统的原理如图40所示，振动传感器装在主轴箱上，带有喷口的法兰装在主轴端部，一个具有三个或四个空腔的平衡环固定在转子上。进行平衡时，控制系统根据振动不平衡的幅值和相位向相应的空腔喷射液体。该液体一般为磨削用的冷却润滑液，万一空腔有泄漏也不会影响机床正常工作。主轴停止转动后，喷入空腔的液体仍然保留在原来的地方，主轴重新起动时，平衡状态不会发生变化。为了维持主轴和砂轮一直处于最佳平衡状态，则可启动自动平衡程序，对主轴进行连续自动平衡。 图38 机电动平衡系统1信号无线输送单元 2紧固法兰3内装电子驱动元件的平衡重块4磨床主轴 图39 装有机电动平衡系统的砂轮主轴图40 电液支平衡系统1法兰盘 2砂轮 3对中法兰 4SK40锥柄 5四腔平衡环6电压式振动传感器 7喷嘴 8带有喷射系统的法兰 9高频磨轴?高速磨削的另一个特点是主轴功率损失随转速的提高呈超线性增长，如图41所示。当切削速度由80m/s提高到180m/s时，主轴的无功功率从不到20%增至90%以上；构成无功功率的三个分量中，由冷却润滑液引起的损耗占最大比重。主要原因在于提高切削速度时，砂轮与冷却润滑液之间的摩擦急剧加大，另外把冷却润滑液的质量加速到更高的速度也需安消耗能量。由于高速范围内电机驱动是以恒功率方式工作，因而当主轴转速提高时，主轴的输出转矩相应减少。同时主轴的无功功率急剧增加，使主轴可用的切削转矩大幅度减少。因此，在提高主轴转速时，必须考虑主轴是否还有足够的转矩用于切削。换言之，主轴功率不高时，即使提高主轴转速也不能提高材料切除率。为此必须设法降低无功功率。实验证明，无功功率不但与转速有关，而且还与砂轮的直径有关。图42是用不同砂轮直径时，各种切削速度下的无功功率。当切削速度为400m/s时，若采用直径为350mm的砂轮，无功功率损耗为17kW，而用直径为275mm的砂轮，功率损耗可降至13.5kW。也就是说，采用较小的砂轮时，可以有更多份额的功率用于磨削过程。图41 磨床主轴无功功率与磨削速度的关系图42不同主轴直径ds下无功功率与主轴转速的关系2.高速磨床结构高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，还须满足如下的特殊要求：1）尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成全部的磨削工序。2）高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。3）高度自动化和可靠的磨削过程。提高生产率一般有两种途径：一是降低切削过程的时间；二是缩短辅助时间。在工件形比较简单且加工步骤较少时，提高切削速度，减少切削时间是一种十分有效的措施。但当工件形状复杂，加工步骤很多时，除了减少切削时间外，还须缩短辅助时间才能达到提高生产率的目的。图43案是德国Schaudt公司生产的高速曲轴磨床（型号CR41CBN）。主轴箱装在十字滑台上，滑台的导轨为液体静压支承，以提高支承面的阻尼和刚性。滑台由液体静压丝杠驱动，以降低摩擦阻力和提高滑台的动态特性。工件轴由伺服电机驱动并装有精密角度编码测量系统，构成了数控的C轴。磨床主轴为电主轴，可进行无级变速。所用的砂轮磨料为立方氮化硼，切削速度可达165/s。在该磨床上加工曲轴时，曲轴毛坯不必进行车、铣等粗加工，精锻或精铸后的曲轴坯可直接由磨削加工到最终尺寸。 图43 高速数控曲轴磨床结构由于该磨床的X、Z和C轴为数控联动，故加工连杆轴颈时，只需由X和C轴联动插补即可，而不必像普通磨床那样，磨削连杆轴颈时需把曲轴装夹在偏心夹具上，在加工不同方位曲拐时，只需主轴箱在Z向作相应移动，而不需要重新更换夹具或移至其他有相应夹具的磨床上去加工。因此采用高性能的曲轴磨床可大幅度地缩短切削时间，并把辅助时间降低至最低程度。该机床采用先进的数字伺服驱动系统，以确保联动插补加工的形状精度和位置精度，并采用在线测量系统以保证各轴颈的尺寸精度。图44为在该机床上加工的曲轴圆度误差，精度接近1m，远低于一般设计要求的3m。 图44高速磨床加工的曲轴精度图45是德国Jung公司生产的高速平面磨床，它的基本结构与普通平面磨床相似，所不同的是切削速度可达125m/s，工作台的往复运动可达到1000st/min。此种机床特别适合于加工精度要求很高的较薄的工件。因为薄工件易变形，故需减少磨削力。提高磨削速度是一种有效的方法，但磨削速度不可能无限制提高，它受功率损失和振动的制约。图中的机床工作台由直线电机驱动，其往复的切入深度相应减少，从而减少了磨削力，也有利于控制工件的尺寸精度。3.高速磨削砂轮高速磨削砂轮必须满足下列要求： l）砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力。 2）高速磨削时的安全可靠性。 3）外观锋利。也就是说，磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑。 4）结合剂必须具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损。高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化。为了提高砂轮的通用化程度，必须统一砂轮与法兰的连接部位的形状和尺寸，并根据强度要求进行优化。图46是砂轮基体的一个有限元在高速旋转时的受力状况。基体内各点的应力和应变可通过数值方法进行计算。根据基体的强度要求，它在旋转时的径向和切向的应力尽可能相等，以此找出基本的最佳轮廓。德国亚深大学的Konig教授在1990年对切削速度为500m/s时的砂轮基体最佳形状进行了探讨，并对一个外径350mm，边厚5mm的基体进行了分析计算。经数值优化的砂轮基体与普通的带有法兰孔的砂轮相比，法兰孔附近的应力可降低到25%，基体边缘的应变降低到35%。 图 45 工作台用直线电机驱动的高速平面磨床图46 高速砂轮基体的单元受力情况图47是优化后的砂轮基体外形，优化的部位有法兰接合部，基体轮廓和螺钉孔的数量与分布。优化的基体没有单独的大的法兰孔，而是用多个小的螺孔代替，以充分降低基体在法兰孔附近的应力。基体外缘的尺寸则主要根据应用场合而定。除了机械强度外，还必须考 虑砂轮的轴向刚度。 图47高速砂轮的结构和形状优化高速磨削砂轮的磨粒主要是立方氮化硼和金刚石，所用的结合剂有多孔陶瓷和电镀镍。随着高速磨削的进一步推广和科研的深人，新型的磨粒和结合剂也在不断地出现。普通的立方氮化硼砂轮的磨粒多为结实的八面体，磨削过程中，磨粒的形状保持不变。由于磨粒磨损导致磨粒与工件的接触面增大，从而使磨削力不断增加，最后导致必须进行修整。瑞士的Winterthur公司最近研制出一种新的立方氮化硼磨粒，它的基本形状是四面体，在磨削力增大到一定程度时会产生分裂，从而形成新的锋利的切削刃。这种磨粒呈现则的几何形状，在制造时特意设计了许多与起始切削刃平行的分裂面。由于这种磨粒的形状有明显的负触，所以切削过程中十分锋利。磨削合金工具钢时可有效地降低切削力和切削温度，在保持砂轮寿命不变时，可以提高材料的切除率和工件的精度。电镀结合砂轮是高速磨削时最为广泛采用的一种砂轮。砂轮表面只有一层磨粒，其厚度接近磨粒的平均粒度，制造时通过电镀的方式将磨粒粘在基体上，所以这种砂轮十分有利于高速磨削。另外，电镀结合的砂轮磨粒的突出高度很大，能够容纳大量切屑，而且不易形成钝刃切削，对高速切削十分有利。此外，单层磨粒的电镀砂轮的生产成本较低。由于砂轮的轮廓只取决于基体的形状，所以可制成外形复杂的砂轮，与普通砂轮相比，电镀砂轮不需烧结时所用的模具，单件小批生产时也不会增加制造成本。在使用过程中，电镀结合砂轮的优点是只有一层磨粒，因而不需进行修整，从而可节省昂贵的修整装置和难以掌握的修整工时。它的缺点在于使用时必须进行精心凋整，以减少砂轮与主轴间的不同轴度。其次电镀结合砂轮在使用的初期其切削特性在个断变化，工件的表面质量不很稳定，为了解决这一问题，新砂轮在装上机床上必须首先进行细致的人工磨砺，使砂轮的切削面在使用时立即进入稳态切削，并可改善砂轮的回转精度以降低工件的粗糙度。除电镀结合砂轮外，高速磨削也有用多孔陶瓷结合剂砂轮。这种结合剂为纯粹的人造材料，它的主要成分是再结晶玻璃。由于它具有很高的强度，所以制造砂轮时结合剂的用量很少；从而减少了结合剂在砂轮中所占的容积比例。理论上讲，结合剂不产生切削作用，所以它的比例越小越好。采用这样的新型合成结合剂制造立方氮化硼砂轮时，所需炉温比常规砂轮低，可以保证不影响CBN的强度和硬度。为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构须有利于磨粒分裂，维持自砺过程，要达到砂轮自锋利的目的，除了尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的中间分布。图48是带自然孔的普通砂轮与带人造孔的新型砂轮结构的对比，后者磨粒间的气孔出发孔过生成，在相同的面积内，可以明显地减少磨粒的数量。当切削力不变时，分摊在每一磨粒上的力相应增加，利于促进磨粒分裂和砂轮自砺的形成。通过计算机程序可算出各种磨粒分裂时作用在单个磨粒上的力，从而可准确地确定结合剂的比例。 图48 新型砂轮与普通砂轮的结构比较a）带自然孔结构的普通砂轮 b）带人造孔结构的新型砂轮4.冷却润滑系统在推广采用高速磨削过程中，往往对冷却润滑系统未给予足够的重视，但它的优劣，常常够决定整个磨削过程的成败。冷却润滑系统由冷却润滑液、泵、过滤器等组成，对高精度磨削还需有温度控制系统以确保冷却润滑液的温度恒定。冷却润滑液的功能是提高磨削的材料切除率，延长砂轮的使用寿命，降低工件表面粗糙度。它在磨削过程中必须完成四大任务，即润滑、冷却、清洗砂轮和传送切屑。故它必须满足以下的技术要求：1）较高的热容量和导热率，以提高冷却率。2）能承受较高的压力。3）良好的过滤性能，防腐蚀性和附着力。4）较高的稳定性，不起泡，不变色。5）对健康无害，易于清洗，。6）有利于环境保护，易于处理。高速磨削时的冷却润滑液供应系统（泵、管路和水箱）必须同样进行优化。图49是砂轮在周向清洗冷却时的受力情况。当砂轮圆周速度接近冷却液的出口速度时（图49c），液流束贴附在砂轮约1/12的圆周上，就冷却与润滑而言，这种条件下效果最好。但此时清洗砂轮的效果很小，因为液流束与砂轮的相对速度接近于零。为了能够冲走残留在结合剂空穴中的切屑，冷却润滑的出口速度w1必须大于砂轮的圆周速度s，故就冲洗效果而言，图a最佳，图b次之，图c则较差，冷却润滑液对砂轮的制动力G的计算式列于图中，在相同的喷射角1下，图c引起的制动力最大，图a则可能出现助推力。冷却润滑液的在喷嘴出口的速度与喷嘴的几何尺寸无关，只取决于泵的压力。在一定的泵压力下，根据体积守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速度w1。图50示出在不同泵压力下冷却润滑液能达到的出口速度，为了有良好的清洗砂轮作用，应使液流出口速度高于砂轮圆周速度，例如切削速度为120m/s时，泵的压力就应大于70105Pa。否则，不仅清洗作用减弱，而且由于冷却润滑液与砂轮接触时，要靠砂轮带动液流加速，产生产了对砂轮的制动作用。从图41也可看到，由于砂轮速度提高，由清洗砂轮液流产生的制动力及摩擦力引起的功率损耗随之加大，进一步说明应对冷却润滑系统重视。 图49与砂轮同向喷射的冷却润滑液流对砂轮作用情况a）w1大于s b）w1略大于s c）w1=ss砂轮圆周速度 w1液流在喷嘴出口处速度 w2液流射至砂轮后的速度1液流喷射