数控快速点磨削技术及其应用

精密制造与 自动化 2 0 1 0 年第 2 期 数控快速点磨削技术及其应用水 郭力 盛晓敏 李蔚真 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心 4 1 0 0 8 2 南开大学经济学院风险管理与保险学系 3 0 0 0 0 0 摘要快速点磨削 Q u i c k P o i n t Gr i n d i n g 是一种先进的超高速磨削技术 它集成了超高速磨削 C B N超硬磨 料及C NC 技术 在加工轴类零件场合具有优 良的性能 介绍了快速点磨削技术的发展现状及工艺特征 分析了快 速 点磨 削机理和材料去除机制 结果表明 砂轮的磨损机制不 同于一般外圆磨削 磨削过程具有较高的绿色加工 性能 通过合理控制磨削参数和磨削条件 该项技术可应用于对一些难加工材料和复杂回转表面的高质量磨削加 工 由此提 出了在这些领域开展应用研究的重点内容 以及推广和开发此项技术 的意义 关键词快速点磨削超高速磨削 延性域磨削难加工材料C B N 快速点磨削 Qu i c k P o i n t G r i n d i n g 工艺是 由 德 国J u n k e r 公司于 1 9 9 4 年开发的一种集 C NC C B N 超硬磨料 超高速磨削三大先进技术于一体的高效 率 高柔性先进加工工艺 主要用于轴类零件的加 工 它采用薄层 C B N或人造金刚石超硬磨料砂轮 是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合 是 目 前超高速磨削最先进 的技术形式之一 快速点磨削 技术已在 国外汽车工业 工具制造业中得到应用 我国部分汽车制造企业 目前也针对特定零件引进了 这一工艺和相应设备 并取得了明显的效益 但 由 于国外对此项技术的垄断 国内企业并没有真正掌 握其关键工艺技术 因而其应用领域很小 国内目 前还不能生产配套砂轮及相关附件 全部设备依赖 进 口 国外有关快速点磨削的机理 规律 磨削质 量控制及点磨削工艺等的系统理论与试验研究及相 关技术信息也鲜见报道 因此该项新工艺的许多关 键技术及理论 新的应用领域均有待于进一步开发 和研 究 1 快速点磨削的技术特征 快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超 高速磨削 其技术特征如下 I 点磨削加工时 砂轮与工件轴线并不是始 终处于平行状态 而是在水平和垂直两个方 向旋转 一 定角度 即存在点磨削变量角度 以使砂轮和工 文本由国家重大科技专项 难加工材料高速 超高速磨削 工艺研究 编 号 2 0 0 9 Z X0 4 0 1 4 0 4 5 资助 6 件接触面积减小 实现 点磨削 如图 l 所示 J u n k e r 公司的超高速点磨削机床加工圆柱表面时 根据工 作台的进给方向 在垂直方向砂轮轴线与工件轴线 的点磨变量角 为士 0 5 0 6 使砂轮周边 与工件外圆柱面的线接触变成理论上的点接触 在 水平方 向砂轮轴线与工件轴线的变量角 B则根据工 件母线特征和曲率大小在 0 3 0 范 围内变化 以 最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面 与工件台肩发生干涉 点磨削 以单向磨削为主 通 过数控系统来控制这两个方向的变量角数值 以及 在 方 向采用与 C NC车削相类似的两轴联动数 控进给 以实现对不同形状表面的超高速点磨削加 T 工件 一一 一一 I J 图 1 快速 点磨削原理 2 快速点磨削一般采用金属结合剂超硬磨料 C B N或人造金刚石 超薄砂轮 直径一般为 3 0 0 4 0 0 mm 宽度为4 6 mm 径向磨料层厚度为5 mm J u nke r公司快速点磨削机床采用了多项专利技 术 如砂轮三点定位安装系统和在线修整系统 砂 轮主轴电子平衡 自动控制系统等 方 向采用高精 度静压圆柱导轨技术 以增加阻尼和稳定地实现微 郭 力等 数控快速点磨削技术及其应用 米级精确切入进给 Z方 向 纵向 进给采用带有 预负载的滚珠丝杠和平面 V形涂层导轨 点磨 削磨削液采用双喷嘴供给装置 砂轮在主轴上的安装采用 J u n k e r 公司专利技术 三点定位安装系统 快速完成 重复定位精度高 并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大 如图 2所示 当砂轮主轴相对于砂轮逆时针转动时 主 轴星形体上三段均布的摆线轮廓斜面与砂轮 内孔均 布的三个圆柱紧密接触 实现砂轮对中定位 然后 由螺栓将砂轮与主轴法兰端面锁紧 当需要更换砂 轮时 只需将砂轮逆时针旋转 3 0 即可使砂轮与 主轴分离 从而快速更换砂轮 使更换顶尖时间小 于 2 mi n 换砂轮时间小于 2 0 mi n 为控制由于砂轮 高速旋转产生的振动 保证获得高的表面质量 在 砂轮的每次修整和更换后都要进行动平衡 J u n k e r 公司的快速 点磨削机床通过安装在主轴端部的电子 自动平衡系统 自动完成砂轮在线动平衡 砂轮径向 圆跳动精度可控制在 0 0 0 2 mm 以内 由于砂轮极 薄 降低了砂轮重量和不平衡度 也使裹附在高速 砂轮周边的气流压力大为降低 减少 了高速砂轮 的 旋转阻力 并且能磨削普通砂轮不能磨削的狭窄型 面与断面尺寸变化较大的型面 主轴 图 2 砂轮三点定位系统 3 J u n k e r 公司Q U I C K P O I NT 5 0 0 0 型快速点磨机 床砂轮直径4 0 0 ml n 砂轮厚度5 mm 装夹工件的两 顶尖最大距离为1 2 0 0 mm 最大的磨削长度可以达到 l 0 0 0 mm 项尖中心高l 7 0 ram 最大加工工件重量为 7 0 因此该机床具有较大的加工尺寸范围 4 砂轮线速度可达9 O 1 6 0 m s 为获得高 磨除率 同时不使砂轮产生过大的离心力 工件也 高速旋转 并与砂轮转 向相 同 通常在l 0 0 0 r mi n 以上 最高可达 1 2 0 0 0 r mi n 因此接触点处的实际 磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加 接近 2 0 0 m s 以实现更高应变率下材料的去除 由于车 磨工序合并 为保证工件的表面质量 径 向切深和 沿脚的纵向进给速度一般很小 如点磨削凸轮轴 时 纵向进给速度一般在0 0 1 2 mm s 径 向切深 0 0 0 2 0 2 1T I I T I 5 磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完 成 而周边仅起光磨作用 如图3 所示 因此 砂轮 圆周磨损极慢 使用寿命长 最长可达 1 年 磨削 比可达1 6 0 0 0 6 0 0 0 0 1 片 快速点磨 砂轮可磨 去数吨钢 砂轮修整率低 生产效率比普通磨削提 高6 倍 进给量 径向磨削余量 图 3 快速点磨削砂轮与工件接触 6 与一般磨削方式不 同 在磨削外圆时 材 料去除主要是靠砂轮侧切削边完成 而周边仅起类 似车刀副切削刃的光磨作用 因此砂轮磨损主要是 在端面沿横 向发生 周边则磨损非常微小 实际应 用 中一般根据砂轮寿命 加工工件的数量 或磨损 状态 砂轮横向磨损宽度是否达到规定值 通过与 工件同轴线安装的金刚石滚轮和油石直接在机床上 完成在线修整 如图4 a 所示 修整时主要是将 砂轮在宽度方 向磨损后剩存的且 已经钝化的一层磨 粒由金刚石滚轮切除 恢复砂轮圆柱表面形状 然 后用油石修锐 如图4 b 所示 直到砂轮磨粒径 向厚度层全部修整去除 砂轮达到使用寿命 砂轮基体 金刚石滚轮动力顶尖 残存磨粒层 a 在线修整 b 砂轮磨损过程 图 4 砂轮在线修整原理 7 精密制造与 自动化 2 0 1 0 年第 2 期 7 砂轮与工件接触面积小 磨削力大大降低 磨削热少 同时砂轮薄 冷却效果好 因此磨削温 度大为降低 甚至可以实现 冷态 加工 提高了 加工精度和表面质量 8 由于磨削力极小 靠顶尖摩擦力即能方便 夹紧工件 被称为 顶尖磨削 和 削皮磨削 9 由于采用C NC 实现复杂表面磨削 一次 安装后可完成外圆 锥面 曲面 螺纹 台肩和沟 槽等所有外形加工 它还可以使车磨工序合并 进 一 步提高加工效率 1 0 使用高速磨削油喷注进行冷却 由于高 速旋转砂轮将磨削油甩成油雾 加工必须在封闭环 境中自动进行 并需配有吸排风系统和高效率磨屑 分离与油气分离系统 2 快速点磨削机理 使用 C B N 磨料磨具的超高速磨削技术是先进 制造的前沿技术 快速点磨削则是超高速磨削技术 的进一步发展 1 难加工材料的快速 点磨削性能分析 超高速外圆磨削加工中 接触层材料的变形速 度取决于磨削速度 单个磨粒3 n r 的特征时间为 1 t 一 V V w 式中 为磨削区动态弧长 v为实际磨削速度 为磨削深度 和 V s 分别为砂轮直径和砂轮速 度 d w V w分别为工件直径和工件速度 逆磨时 取正号 顺磨时取负号 式 1 表明磨粒在整个接触弧长上磨削过程极 短 对快速点磨削来说 由于磨削深度和轴向进给 量极小 磨削深度一般为 0 0 2 0 2 m 单颗磨粒 的切削厚度及接触弧长更小 考虑速度的合成 实 际磨削速度可高达 2 0 0 2 5 0 m s 因此磨粒和切削 层材料碰撞的特征时间更短 一般为 1 0 1 0 一S 磨削区接触层某点的应变率可表示成该点应变 s对 时间 f 的导数 由于点磨削接触弧长极小 接触层 平均应变率等于磨削速度除 以结构的变形 区域尺 寸 即可用作用特征时间的倒数进行计算 占 一 dc 2一 占 一 d t l l 根据式 2 接触区平均应变率可高于 1 0 5 S 8 如果忽略接触弧的曲率效应而仅考虑磨粒与材料碰 撞点附近的局部变形区域 则磨粒与切削层的作用 特征时间更为短暂 应变率可达 1 0 7 1 0 8 s 从表 1 可以看出 超高速磨削过程已属冲击或超速冲击载 荷的力学行为 因此材料去除机理将发生很大变化 表 1 载荷性质划分 特征 l 0 1 0 1 0 1 0 l O I 2 1 O 5 1 0 3 1 O l 0 6 时间 s 应变 l 0 9 l O 5 1 0 4 l 0 l 1 0 l 1 0 0 1 0 2 1 0 4 l 0 4 1 0 8 率 s 一 载荷 蠕 变 准静态 动 态 冲 击 超速冲击 性质 一 些 高性 能硬脆材料在工程 中的应用 日趋广 泛 但改善这类材料的机械加工性能始终是一项技 术难题 研究结果表明 脆性材料在超高速磨削条 件下可以实现延性域磨削 由于快速点磨削过程中 材料极高的应变率 材料变形层将产生高度局部化 的绝热剪切和动态微损伤 应变率弱化效应对磨削 过程 特别是对磨削力及材料去除机理的影响会更 为显著 脆性材料不再完全以脆性断裂的形式产生 磨屑 因此可实现对硬脆性材料的 延性 加工 从而大大提高硬脆性材料的磨削质量和加工效率 此外 由于金属活性高 热导率低等因素影响 镍 基耐热合金 钛合金 铝合金等一些难磨材料在普 通磨削条件下磨削加工性很差 快速点磨削的磨屑 形成时间极短 切屑变形速度 已接近静态塑性变形 应力波的传播速度 由于塑性变形的滞后而使耕犁 变形减小 材料变形区动态微损伤密度增加 这相 当于材料塑性降低 切屑在弹性状态下去除 从而 可实现延性材料的 脆性 加工 并可减小加工硬 化倾 向 降低表面粗糙度值和残余应力 根据波动 方程 材料静态应力波速度可表示为 3 式中 P为材料密度 为材料变形层应力 根据纯铝材 料在静态条件 下应力和应变关系 曲线 由式 3 可求得纯铝材料的静态塑 性应力波速约为 2 0 0 m s 图 5和图 6所示为超高速 磨削纯铝的试验结果 当磨削速度超过 2 0 0 m s 时 表面硬化程度和表面粗糙度值开始减小 工件表面 完整性得到改善 因为加载速度提高使得塑性应变 点后移 增大了材料在弹性小变形阶段被去除的概 郭 力等 数控快速点磨削技术及其应用 率 从而在一定程度上实现了塑性材料 的 脆性 加工 因此 塑性材料静态应力波速是实现 脆性 加工的临界点 快速 点磨削可 以实现更高的磨削速 度 如果优化选择其他磨削工艺参数 对高韧性难 磨材料也可获得 良好的磨削加工性能 磨削速度 v i m S 图 5 磨削表面硬度 磨削速度 v m s 图 6 磨削表面粗糙度 基于以上分析 通过优化磨削工艺参数 快速 点磨削可实现对脆性 韧性难磨材料的高质量磨削 加工 因此应开展采用快速点磨削工艺磨削这类难 加工材料的理论和试验研究 发挥其技术特点 加 大快速点磨削加工材料的范围 2 复杂回转表面点磨削加工 快速点磨削 目前主要用于轴类零件 圆柱表面及 沟槽的磨削加工 如一汽大众有限公司采用该工艺 磨削 E A1 1 3五气门系列发动机凸轮轴轴颈 大大提 高了生产效率及加工质量 效益显著 大批量生产 中 复杂回转 曲面精密加工的主要方法是砂轮成形 磨削 但对这个砂轮形状精度要求较高 磨削发热 量大 D n T质量不够稳定 砂轮修整过程复杂 工 艺成本较高 根据超高速点磨削的技术特点 通过 合理控制超薄砂轮轴线相对于工件轴线在水平方向 的点磨削质量角度 结合 j 轴的 C NC联动 利用超薄砂轮能够进入普通砂轮所不能进入 的磨削 区域 可以实现这类复杂回转曲面零件 的点磨削加 工 如图 7所示 从而简化这类零件的加工工艺 取得 良好的经济效益 因此需要进一步开发在这一 领域点磨削工艺 充分发挥快速点磨削技术性能 扩大快速 点磨削加工几何形面的适用范围 r 图7 复杂回转曲面点磨削原理 3 砂轮磨损机理 快速点磨削砂轮直径一般为 3 5 0 4 0 0 m l r l 金 属基体周边 上径 向磨料层 厚度 以及砂轮 宽度 仅有 4 6 mm 磨削外圆表面时 由于点磨变量角的存 在 根据磨削几何学关系 砂轮与工件母线理论上 为点接触 接触区主要分布在靠近砂轮边缘并与砂 轮侧边相重合的近似半椭圆区域 由于形成 后角 材料的去除主要 由砂轮的侧边完成 砂轮周边仅起 类似车刀副切削刃的光磨作用 由于磨削区不 同半 径处砂轮侧边磨削速度 接触弧长和单颗磨粒切削 厚度不同 如图 8所示 因此砂轮沿横向的磨损表 现及砂轮修整方法与常规磨削存在一定区别 图8 磨削区砂轮速度的变化 根据对我国汽车制造企业应用快速点磨削工艺 现状的调查结果 由于缺乏对超薄超硬磨料砂轮在 快速点磨削条件下磨损机理的认识 砂轮的修整都 是根据规定的加工工件数量 按一定的生产周期进 行的 因此存在因砂轮修整过早而使超硬磨料损耗 严重 超薄砂轮寿命降低 或因修整过晚而影响加 工质量的现象 这是快速点磨削工艺目前存在的一 项技术难题 与普通外圆磨削不同 砂轮主要是沿 侧边磨损 为减小超硬磨料消耗 保证加工精度及 工件尺寸的一致性 应进行合理有效的砂轮修整 因此需要研究和建立相应的砂轮磨损模型及砂轮侧 9 精密制造与 自动化 2 0 1 0 年第2 期 边磨损量对磨削性能的影响规律 科学地评价砂轮 磨损状态与磨钝标准 并以此为基础研究 C B N 点 磨削超薄砂轮的修整理论和技术方法 3 面向绿色制造的快速点磨削技术 在机械制造领域 磨削是对环境影响最大的一 种加工工艺 磨料磨具本身的制造 磨削加工 中的 微粉污染 磨削加工所造成的能源及材料消耗 以 及加工中大量使用的磨削液等都对环境和资源产生 严重影响 我国是世界上磨料 磨具产量及消耗量 的第一大国 超硬磨料制造成本较高 价格昂贵 因此大幅度提高磨削加工的绿色度意义重大 快速 点磨削具有磨削区域小 磨削力小 砂轮使用寿命 长 磨削温度低 冷却方式简便 可实现少无磨削 液的干式或准干式加工的特点 通过对点磨削热 比磨削能 磨削比 砂轮寿命及新型冷却系统等的 理论和试验研究 开展面向绿色制造的快速点磨削 技术的基础研究具有重要现实意义 如图 9所示 磨削方向 磨圆角 磨 外圆 r f H 曛露 卜 点 接触 多方 I 径向和轴向1磨螺纹 J 半 向 图 9 快速点磨外圆磨床多工序复合磨削示意 德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先 地位 目前 已在 国外汽车工业 工具制造业中得到 应用 尤其是在汽车零件加工领域 齿轮轴或 凸轮 轴 这些零件大都包括切入 轴颈 轴肩 偏心及 螺纹磨削过程 应用此项工艺可 以通过一次装夹来 实现全部加工 大大提高了零件加工精度及生产效 率 在齿轮加工 机床制造 纺织与印刷机械制造 陶瓷加工 电子工业 中也有着广阔应用前景 我国 部分汽车制造企业 目前也引进了几十台这一工艺设 备 并取得 了明显效益 我 国一汽大众汽车有 限公 司应用这一技术磨削发动机主轴颈 砂轮修整一次 可磨削 3 0 0 0件 但应用领域尚小 仅限于汽车发 动机轴类零件的加工 因此 跟踪国际先进技术 1 O 深入开展快速点磨削技术的理论与应用研究 对于 在我国推广和发展该项先进技术 提高制造工艺技 术和装备制造水平具有重要意义 国内东北大学已 开始进行超高速点磨削机理研究及机床开发 用快 速点磨削方法磨削传动轴 装夹一次可完成外圆 轴肩 沟槽和紧固螺纹四个部位的磨削 如图 9所 示 一次装夹可磨削凸轮型面 主轴轴颈 两端轴 颈 止推轴颈侧肩面和 凸轮调整座面外径 尺寸精 度达 I T 6 R 0 8 m 周期时间 1 5 0 S 与传统工 艺 比较 大大节约了成本 如表 2 表 2 磨削凸轮轴 的工艺对 比 传统工艺 快速 点磨工艺 指标 刚玉砂轮 C B N 砂 轮 磨床台数 l l 7 投资 1 0 0 8 O 运行成本 l O 0 2 3 数控快速点磨削也是使用半永久性工具进行数 控车削的发展方 向 由于磨削温度低 磨料及能源 消耗少 快速点磨削技术也符合绿色制造要求 可 以预计这项新能源技术具有极大的发展潜力 德国 J u n k e r 公司 OU I C K P O T 3 0 0 0超高速点 磨削机床 如图 l 0所示 图 1 0 QU I C KP OI N T 3 0 0 0超高速点磨削机床 中心高度 最多 1 5 0i Y l l n 夹紧长度 最多 5 0 0 l a i n 磨削长度 最多 5 0 0 I T l I T l 工件质量 最多 1 0 砂轮直径 3 5 0 I T I 1T I 通过一次装夹完成工件 的整体加工实现 了最高 的精度 灵活多样的操作 而且加工工件的表面质 量 好 高度柔性和高生产率的传动轴精度整体磨削是 下转第 3 1 页 孟鸿飞 应用 S o l i d wo r k s C OS MOS分析优化产品设计 图8 位移结果图 从 以上 的结果 图中可以看 到 应 力最 大值 为 1 5 4 e 00 8 N m2 1 5 4 2 7 2 MP a 它的安全因数 为 1 1 6 而且应力最大值所在 的位置 已移开头架体壳 的前端 单就头架体壳的前端位置来讲 此结果可 以接受 所以 该零件的这次改进是成功 的 图 9 变形结果图 2 结语 从头架体壳的前端设计改进例子中可 以看 出 S o l i d Wo r k s C OS MOS 软 件在 改进 设计方面对 设计 人员有很大的帮助 当然 也可以对头架体壳的后 端应力 头架体壳的位移大小等问题再进行多次设 计改进 直到满意为止 上接第1 0 页 J u n k e r 公司的一项关键技术 在 2 0 0 7年中国国际机 床展览会上 J u n k e r公司呈献 了 QU I C K P I O NT 3 0 0 0 型磨床 该磨床通过一次装夹进行高速磨削 完成 传动轴 的全部磨削加工 它采用 C NC 回转磨削主 轴头 带有三个磨削轴和数个砂轮 可以完成全部 磨削任务 磨外圆 磨轴肩 磨锥体 磨倒角和切 槽 从为小工件设计的小巧的 QU