磨削加工新技术

第第 五五 章章 磨磨 削削 加加 工新工新 技技 术术 一 概述一 概述 二 高速和超高速磨削技术二 高速和超高速磨削技术 三三 高速和超高速磨削的应用高速和超高速磨削的应用 四 精密与超精密磨削技术四 精密与超精密磨削技术 一 概述一 概述 磨削技术概述 按磨削精度将磨削分为普通磨削 精密磨削 加工精度 1 m 0 1 m 表面粗糙度 Ra0 2 m 0 1 m 超精密磨削 加工精度 0 1 m 表面粗糙度 Ra 0 025 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 按砂轮线速度 Vs 的高 低将磨削分为普通磨削 Vs 45m s 高速磨削 45 Vs 150 m s 超高速磨 削 Vs 150 m s 1 1 磨削技术会不断地发展的主要原因 磨削技术会不断地发展的主要原因 1 加工精度高 由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点 如砂轮上参 与切削的磨粒多 切削刃多且几何形状不同 仅在较小的局部产生加工应力 磨具对断续切削 工件硬度的变化不很敏感 砂轮可实现在线修锐等 因而可 使加工件获得很高的加工精 度 2 加工效率高 如缓进给深磨 一次磨削深度可达到 0 25mm 如将砂轮修 整成所需形状 一次便可磨出所需的工件形状 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 在工业中的应 用不断扩大 有些材料只能采用磨削加工 需要有新的磨削技术及磨削工艺与 之相适应 4 新的磨料磨具 如人造金刚石砂轮 CBN 砂轮的出现 扩大了磨削加工的 应用范围 5 相关技术的发展 如砂轮制造技术 控制技术 运动部件的驱动技术 支撑技术等 促进了磨削技术及磨削装备的发展 2 2 磨削技术的新进展 磨削技术的新进展 1 精密磨削和超精密磨削精密磨削和超精密磨削 目前作为传统精密加工方法的磨削正在向超精密磨削 超精密研磨和抛光 等方向发展 精密和超精密磨削的关键是最后一道工序 要从工件表面降去一 层小于或等于工件最后精度等级的表面层 因此 要实现精密或超精密磨削 首先要减少磨粒单刃切除量 而使用微细或超微细微粉的磨粒是减少单刃切除 量的最有效途径 实现超精密磨削是一项系统工程 包括研制高速高精度的磨 床主轴 导轨与微进给机构 精密的磨具及其平衡与修整技术 以及磨削环境 的净化与冷却方式等 2 2 新型磨料品种 新型磨料品种 新型普通磨料新型普通磨料 SGSG 磨料磨料 由亚微米级的 Al2O3 晶体 采用溶胶凝胶 Sol gel 工艺合成 并经烧结制成的新型陶瓷刚玉磨料 与普通电熔刚玉磨料相比 不但硬度高 而且因磨粒是微晶结构 它有很多晶解面 在外力作用下或在修锐和修整中仅 微晶脱落 不断产生锋利的切削刃 自锐性好 且剥落较少 用其制作的磨具 具有耐磨性好 磨削热少 使用寿命长 磨削比 磨除材料体积与磨具消耗体 积之比 大 切除率高和磨削质量好等优点 TGTG 磨料磨料 SG 磨料的第二代产品 TG Targa 磨料 它保留了 SG 的优点 在磨料形状上作了新的突破 很有细的棒状晶态结构 适用于缓进给磨削及加 工铬镍铁合金 高温合金等难加工材料 据称 TG 磨料的材料切除率为刚玉的 2 倍 寿命为刚玉的 7 倍 新型超硬磨料 新型超硬磨料 ABN800 是 CBN 磨料新品种 其磨粒均是微晶结构 具有较 高的抗压强度和热稳定性 有独特的晶体特性 磨料在受力破碎时无论大小都 具有尖角 使其在使用过程中能始终保持锋利的磨削性能 因而磨削时产生的 磨削力小 功率消耗少 加工质量好 使用寿命长 3 3 高效率磨削 高效率磨削 磨削虽然在达到的加工精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势 但其 材料切除率 Q 单位时产内磨除材料的体积 mm3 s 难以与其他切削抗衡 这 是因为 Q 等于磨屑平均断面积 磨屑平均长度和单位时间内的作用磨粒数 磨 屑数 三者的乘积 为了提高磨削效率 必须采用增大单位时间内作用的磨粒 数 如高速磨削 超高速磨削 砂带磨削等 增大磨屑平均断面积 如各种重 磨削 及增大磨屑平均长度如缓进给深磨 立轴平磨 等许多高效率磨削技术 其中重负荷荒磨 超高速磨削 砂带磨削和高效深磨技术的发展尤为引人注目 超高速磨削不但可大幅度提高工效 延长磨具寿命用降低表面粗糙度 而 且可对硬脆材料实现延性磨削 对高塑性材料和难磨材料也有良好的磨削效果 随着 CBN 磨料的使用和高速磨削机理研究的深入 现在工业上实用的磨削速度 已达到了 150m s 250m s 实验室中达到 500m s 超高速磨削需要有超高速磨 削磨具 超高速磨床 磨削液及其供液过滤系统以及对磨削过程监控等相关技 术作支撑 缓进给深磨是一种大切深和缓进给的高效磨削技术 它不但工效高 而且磨削 精度高和加工表面质量好 特别是近几年来出现的一种集超高速 150m s 250m s 大切深 0 1mm 30mm 快进给 0 5m min 10m min 于一体的高效 深磨 HEDG High EfficiencyDeep Grinding 新技术 它结合 CBN 砂轮与 CNC 技术 可使单位宽度砂轮上的材料磨除率高达 2000mm3 mm s 3000mm3 mm s 4 4 超硬磨料磨削技术的新发展 超硬磨料磨削技术的新发展 金刚石和 CBN 磨料由于它们在加工材料适应方面的互补性 使由它们所构 成的磨具可加工范围大为扩展 覆盖了包括各种高硬 高脆 高强韧性材料的 几乎全部被加工材料 CBN 磨具的广泛使用主要是近几年各种高效高性能 CNC 磨床问世 以及磨具制造技术的进步 开发出了性能优异的单层电镀和高温钎 焊等新磨具 促使了磨削技术的发展 其中尤以高效点磨削点磨削新工艺更受人们的 青睐 点磨削点磨削 Quickpoint Grinding 是由德国 Junker 公司首先推出的 点磨 削是利用钎焊 CBN 薄砂轮 宽度只有几 mm 和超高砂轮线速度 120 180m s 高的可达 200 250m s 来实现的 点磨削加工时使砂轮轴线与工件轴线在水平方向上形成一定倾斜角 以使 砂轮与工件之间理论上的线接触变成点接触 这样可大大减少磨削接触区面积 而极高的磨削速度既可使磨屑变薄 磨粒负荷减轻 又可使热量来不及传到工 件和砂轮上 几乎都被磨屑所带走 提高工件加工精度和表面质量 点磨削的 磨削比大 砂轮寿命长 修整频率低 材料切除率高 同时由于它采用和 NC 车 床一样的两坐标联动来实现复杂回转体零件的表面磨削 一次安装能加工出外 圆 锥面 曲面 螺纹 台肩和沟槽等所有外形 比切入磨削有更大柔性 同 时冷却效果极佳 磨削温度低 甚至可以真正实现干磨削 磨削自动化技术磨 削当前除向超精密 高效率和超硬磨料方向发展外 自动化也是磨削技术发展 的重要方向之一 目前磨削自动化在 CNC 技术日趋成熟和普及基础上 正在进一步向数控化和 智能化方向发展 许多专用磨削 NC 软件和系统已经商品化 磨削是一个复杂的多变量影响过程 对其信息的智能化处理和决策 是实 现柔性自动化和最优化的重要基础 目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削 过程建模 磨具和磨削参数合理选择 磨削过程监测预报和控制 自适应控制 优化 智能化工艺设计和智能工艺库等方面 近几年来 磨削过程建模 模拟 和仿真技术有很大发展 并已达到实用水平 二 高速和超高速磨削技术二 高速和超高速磨削技术 1 1 高速磨削 高速磨削 高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削去除率和磨削质量的工艺方法 早期 按砂轮线速度 Vs 的高低将磨削分为普通磨削 Vs 30 40m s 和高速磨削 V 削 Vs 45m s 两类 为了与 20 世纪 80 年代以前速度不超过 8O 120m s 的 一般高速磨削相区别 由日本开始将速度为普通磨削速度 5 倍以上 即 Vs 150m s 的高速磨削称为超高速磨削 2 2 超高速磨削发展情况 超高速磨削发展情况 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 在实验室完成了 Vs 为 250m s 350m s 400m s 的实验 德国 Aachen 大学进行了 500m s 的磨 削实验研究 目前 在实用磨削方面磨削速度一般在 100m s 以上 日本已有 Vs 200m s 的磨床在工业中应用 2002 年 日本利用改制的磨床 可以使砂轮 和工件之间的相对磨削速度达到 1000m s 3 3 高速磨削的特点 高速磨削的特点 生产效率高 由于单位时间内作用的磨粒数增加 使材料磨除率成倍增 加 最高可达 2000 3000mm3 mm s 比普通磨削可提高 30 100 砂轮使用寿命长 由于每颗磨粒的负荷减小 磨粒磨削时间相应延长 提高了砂轮使用寿命 磨削力一定时 200m s 磨削砂轮的寿命是 80m s 磨削的 两倍 磨削效率一定时 200m s 磨削砂轮的寿命则是 80m s 磨削的 7 8 倍 这 非常有利于实现磨削自动化 磨削表面粗糙度值低 超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小 磨削划痕浅 表面塑性隆起高度减小 表面粗糙度值降低 同时由于超高速磨削材料的极高应 变率 可达 10 4 10 6s 1 磨屑在绝热剪切状态下形成 材料去除机制发生转 变 因此可实现对脆性和难加工材料的高性能加工 磨削力和工件受力变形小 工件加工精度高由于切削厚度小 法向磨削力 F 相应减小 从而有利于刚度较差工件加工精度的提高 在切深相同时 磨削速 度 250m s 磨削时的磨削力比磨削速度 180m s 时磨削力降低近一半 磨削温度低 超高速磨削中磨削热传人工件的比率减小 使工件表面磨削温 度降低 能越过容易发生热损伤的区域 受力受热变质层减薄 具有更好的表 面完整性 使用 CBN 砂轮 200m s 超高速磨削钢件的表面残余应力层深度变浅 从而极大地扩展了磨削工艺参数的应用范围 充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能 电镀和钎焊单 层超硬磨料砂轮是超高速磨削首选的磨具 特别是高温钎焊金属结合剂砂轮 磨削力及温度更低 是目前超高速磨削新型砂轮 具有巨大的经济效益和社会效益 及广阔的绿色特性 超高速磨削加工能有 效地缩短加工时间 提高劳动生产率 减少能源消耗和噪声污染 在超高速磨 削加工中 砂轮磨损减小 使用寿命长 使加工成本降低 资源得到有效利用 因超高速磨削热的 70 被磨屑所带走 所以加工表面的温度相对低 所需磨削 液的流量和压力可相对减少 使冷却液的需求量减少 能量需求减少 污染减 少 4 4 高速主轴 高速主轴 1 高速主轴系统高速主轴系统 高速磨削技术最重要的关键技术之一 目前发展趋势 是 主轴单元越来越多地采用主电机和机床主轴一体化的结构形式 形成独立 的内装式电机主轴功能部件 电主轴 电主轴特点电主轴特点 转速高 结构紧凑 重量轻 惯性小 响应特性好 2 2 高速主轴的平衡 高速主轴的平衡 与高速铣不同之处在于直径一般大于铣刀的直径 由于制造和调整装夹等 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 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 5 5 高速磨削主轴的自动动平衡系统主要有下列两类 高速磨削主轴的自动动平衡系统主要有下列两类 机电动平衡系统和电波动平衡系统 1 1 机电动平衡系统 机电动平衡系统 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 紧固法兰和 信号无线传输单元组成 整个平衡系统构成一个完整的部件 装在磨床主轴内 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作相对转 动 从而达到平衡的目的 精度很高 平衡后的主轴残余振动幅值可控制在 0 1 lum 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 2 2 电液平衡系统 电液平衡系统 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 对主轴进行连续启 动平衡 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 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 砂轮与冷却润滑滚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要消耗能量 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 无功功率不但与转速有关 而且还与砂轮的直径有关 图是用不同砂轮直 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 6 6 高速磨床结构 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 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 高动态精度 高阻尼 高抗振性和热稳定性 高度自动化和可靠的磨削过高动态精度 高阻尼 高抗振性和热稳定性 高度自动化和可靠的磨削过 程 程 机床控制机床控制 Schaudt 公司高速曲轴磨床的 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 该机床上加工的曲轴圆度误差 精度接近 l m 远低于一 般设计要求的 3 m 7 7 高速磨削砂轮 高速磨削砂轮 1 1 高速磨削砂轮必须满足下列要求 高速磨削砂轮必须满足下列要求 砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力 高速磨削时的安全可靠性 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 结合剂必须具有很高的耐磨性 以减少砂轮的磨损 2 2 高速磨削砂轮的基体设计 高速磨削砂轮的基体设计 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 德国亚琛大学的 Konig 教授在 1990 年对切削速度为 500m s 时的砂轮基体最佳孔附近的应力可 降低到 25 基体边缘的应变降低到 35 图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 砂轮曲轴向刚度 3 3 结合剂材料 结合剂材料 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 缺点缺点在于使用时必须进行精心调整 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不断变化 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 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要成分是再结晶玻璃 由于它具有很高的强度 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 磨粒的空间分布 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 8 8 冷却润滑系统 冷却润滑系统 冷却润滑液的功能是提高磨削的材料切除率 延长砂轮的使用筹命 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 较高的热容量和导热率 以提高 冷却效率 能承受较高的压力 良好的过滤性能 防腐蚀性和附着力 较高的 稳定性 不起泡 不变色 对健康无害 易于清洗 有利于环境保护 易于处 理 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 高速磨削时的冷却得是来供应系统 泵 管路和水箱 必须同样进行优化 当砂轮圆周速度接近冷却液的出口速 度时 液流束帖附在砂轮约 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 11 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 1 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 70 105Pa 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 产生了对砂轮的制动作 用 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 9 9 高速和超高速磨削的应用 高速和超高速磨削的应用 高效深切磨削 HEDG 超高速外圆磨削 超高速精密磨削 快速点磨削 Quick point Grinding 硬脆材料及难加工材料超高速磨削 1010 高效深切磨削 高效深切磨削 HEDG HEDG 高效深切磨削 High Efficiency Deep Grinding HEDG 技术是近几年 发展起来的一种集砂轮高速度 100 250m s 高进给速度 0 5 l0m min 和大背 吃刀量 0 1 30mm 为一体的高效率磨削技术 高效深磨可直观地看成是缓进给 磨削和超高速磨削的结合 德国 Bremen 大学 Werner 教授预言了高效深磨区的 存在合 理性 并于 1980 年创立高效深磨概念 目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面 居领先地位 与普通磨削不同 高效深磨可以通过一个磨削行程 完成过去由车 铣 磨等多个工序组成的粗精加工过程 获得远高于普通磨削加工的金属去除 率 磨除率比普通磨削高 100 1000 倍 表面质量也可达到普通磨削水平 高效 深切磨削工艺开始是使用树脂结合剂氧化铝砂轮 以 80 100m s 的高速来进行 钻头螺旋沟槽的深磨 由于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度 生产效率 大幅度 提高 后来又进一步在 CBN 砂轮基础上开发出 200 300m s 的超高速深磨磨床 三 高速和超高速磨削的应用三 高速和超高速磨削的应用 1 1 超高速外圆磨削 超高速外圆磨削 提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度 可实现高效率超高速精密磨 削 超高速外圆磨削是使用 150