高速超高速磨削工艺中电主轴的应用

高速超高速磨削工艺中电主轴的应用

1超高速磨削技术ss高速、高质量的研磨和加工是近年来提出的一项先进的制造技术。磨削加工按砂轮线速度的高低可将磨削分为普通磨削(Vs<45m/s)、高速磨削(45≤Vs<150m/s)和超高速磨削(Vs≥150m/s)。日本普遍将砂轮圆周速度超过100m/s的磨削工艺称为超高速磨削,在当前生产实践中,高速和超高速的磨削速度一般在100~200m/s之间。超高速磨削技术是磨削工艺本身革命性的跃变,德国著名磨削专家T.Tawakoli.博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会(CIRP)将超高速磨削技术确定为面向二十一世纪的中心研究方向之一。高速超高速磨削工艺有以下主要特点:1.1磨削率实验表明,200m/s超高速磨削的金属切除率在磨削力不变的情况下比80m/s磨削提高150%,而340m/s时比180m/s时提高200%。采用CBN砂轮进行超高速磨削,砂轮线速度由80m/s提高至300m/s时,比金属切除率由50mm3/mm·s提高至1000mm3/mm·s,因而可使磨削效率显著提高。1.2参与磨削的磨粒数对磨削力的影响在其它参数不变的条件下,随着砂轮速度的提高,单位时间内参与切削的磨粒数增加,每个磨粒切下的磨屑厚度变小,导致每个磨粒承受的磨削力变小,总磨削力也大大降低。1.3降低磨削表面粗糙度值由于磨屑厚度变薄,在磨削效率不变时,法向磨削力随磨削速度的提高而大幅度减小,从而减小磨削过程中的变形,提高工件的加工精度;由于砂轮速度提高,磨粒两侧材料的隆起量明显降低,能显著降低磨削表面粗糙度数值。实验表明,在其它条件一定时,将磨削速度由33m/s提高至200m/s磨削表面的粗糙度值由Ra2.0μm降低至Ra1.1μm;由于在高速区域进行磨削加工,超高速磨削可以越过容易产生磨削烧伤的“死谷”区域,因而可以不发生磨削烧伤并减小工件表面的残余应力,有利于获得良好的表面物理性能和机械性能,加工表面完整性好。1.4砂轮寿命技术由于每颗磨粒所承受的切削负荷减少,则每颗磨粒的磨削时间大大延长,可提高砂轮的使用寿命,实验表明:在磨削力不变条件下,200m/s磨削砂轮寿命比80m/s提高1倍,而在磨削效率不变的条件下可提高7.8倍。砂轮寿命大幅度提高,有助于实现磨削加工的自动化和无人化。1.5磨削效果超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削,而且对高塑性的材料也可获得良好的磨削效果。钛合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金在普通磨削条件下难以进行磨削加工,但在超高速磨削条件下,由于磨屑成屑时间极短,塑性变形减小,再加上磨削区温度降低,避免了烧伤和裂纹,因而使这类材料磨削加工变的容易得多。2高速、超高速研磨技术2.1超高速主轴单元高速超高速磨削用主轴单元的性能在很大程度上决定了超高速磨床所能达到的速度极限。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,由于电主轴结构紧凑,重量轻、惯性小,响应特性好,并可避免振动与噪声,因而是超高速主轴单元的理想结构。国外的高速电主轴发展很快,如在日本,1998年第19届JIMTOF展览会上,展出的超高速主轴基本上在10000~25000r/min之间,目前国际上最高水平的电主轴是瑞士的Fisher公司的产品,其最高主轴转速为40000r/min,驱动功率为40kW,转速高达200000r/min,2500000r/min的实用高速电主轴也正在研究开发中。超高速主轴单元的核心是超高速精密轴承。经过多年努力,现己成功研究开发了陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承和液体动静压轴承等适宜超高速运转的新型轴承。陶瓷滚动轴承滚动体采用性能优越的Si3N4陶瓷球、套圈为钢圈、润滑多用油气润滑法,具有dm.n值高(≥2.7×106),标准化程度高,对机床结构改动小,便于维护的优点,用其组装的超高速主轴能兼得速度高、刚度高、功率大、寿命长等优点,其缺点是制造难度大,成本高,对拉伸应力和缺口应力较敏感。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴承,建立了超高速磨削试验台,能进行200m/s的磨削加工试验,最高速度可达250m/s。磁浮轴承是利用电磁力将主轴无机械接触的悬浮起来的智能化轴承,其转速可达45000r/min,功率为20kW。磁浮轴承的高速性能好、精度高、容易实现在线诊断和控制,但由于电磁测控系统十分复杂且价格昂贵,在生产中应用较少。在国外,德国的KAPP公司生产的HGS磨床,采用磁浮轴承使砂轮主轴转速高达60000r/min,瑞典的Schneeberger公司、法国的Ford公司生产的高速磨床也都采用了磁浮轴承。日本和意大利的机床生产厂商也都将磁浮轴承用于超高速磨床;在国内,由于初期投入成本高,产品种类还没有标准化和系列化,特别是其在各种高速设备上的应用及与主轴结构的匹配上,还有待于在实践中完善和提高。但是随着新型磁性材料的出现及超导技术、传感技术、控制技术的发展;电磁学、转子动力学、控制论和计算机科学等学科基础理论研究的深入;基于全局优化设计的产品标准化、系列化的开发,磁浮轴承在超高速磨床上的应用前景将会越来越广阔,应用潜力很大。液体动静压轴承采用流体静力和流体动力相结合的方法,使主轴在油膜支撑中旋转,具有径向和轴向跳动误差小,阻尼特性好、功率大、动态特性好、在全转速范围内具有承载能力强和刚度高等突出优点。但由于在超高速、高负荷条件下工作时需使用低粘度流体和高供液压力,因此必须考虑其紊流,流体惯性和压缩性,温度粘度变化以及空穴等复杂现象,而且空载功率损耗大,无通用性、维护和维修较困难。主要用于低速重载主轴系统。空气静压轴承具有回转精度高,没有振动,磨擦阻力小,经久耐用,可以高速回转等特点,主要用于高速轻载和超精密的主轴系统中。2.2合材料的cbn砂轮超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性,高的动平衡精度,机械强度高,抗破碎能力强,高的刚度和良好的导热性等。超高速用砂轮主要用超硬磨料(CBN、金刚石)在高性能基体上涂敷一薄层而成,基体材料常用合金钢或铝合金。日本和欧洲开发了弹性模量/密度高、热膨胀系数低的CFRP复合材料的CBN砂轮。日本在400m/s的超高速磨床上,采用CFRP为基体直径250mm的陶瓷结合剂CBN砂轮,已实现300m/s的磨削试验。目前,工业生产中广泛采用金属结合剂CBN砂轮和单层电镀CBN砂轮,使用速度可达250m/s,试验中已达340m/s。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法,可使磨粒突出80%的高度而不脱落,其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2,以获得更大的磨粒结合强度,磨粒突出高度以及更为理想的锋利地貌。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热,增加磨削比,取得了较好的效果。为了保证砂轮在超高速运转条件下承受巨大离心力而不破碎,一般采用有限元方法进行分析和优化,砂轮回转时所承受的径向和切向应力应尽可能相等,据此找出最佳基体轮廓,优化后的砂轮基体没有单独的大法兰孔,而是代之以多个小螺孔,以充分降低大法兰孔附近的应力。2.2.1高速高效床位/超高速床模拟系统在线动平衡系统对于高速超高速磨削,砂轮系统的在线自动平衡尤为重要,即使存在很小的不平衡量,在高速超高速工作条件下,将会产生很大的不平衡离心力会使机床产生振动。砂轮自动平衡系统一般由振动传感器,振动控制器和平衡头组成,通过振动传感器检测砂轮旋转时不平衡量引起的振动信号并进行数据处理,以确定不平衡量的大小和相位,然后通过振动控制器控制跟随砂轮高速旋转和平衡头内的校正质量,实现对不平衡量的平衡补偿。在高速及超高速磨床上常用的在线动平衡系统主要有液体式,气体式及机械式三种。砂轮在线动平衡装置是高速磨床上重要组成部分,是保证产品加工质量,充分发挥超高速磨床生产能力及提高机床使用寿命的重要因素,美国、日本和德国等工业发达的国家在高速磨床上均采用了自动平衡系统。德国Hofmann公司生产的一种砂轮液体式自动平衡装置并在高速及超高磨床上得到广泛的应用,该平衡系统由以下几部分组成(图1):检测和控制单元、和放大器集成的压电振动传感器、环状储液腔、4喷嘴喷射系统、阀座及冷却液过滤系统等。和微机相连的电子测量和控制单元能自动测量磨床的振动行为,因此,在运行过程中,不需要手动校正和调整。平衡系统所有组成部分均由微机控制,一旦工作失效,诊断系统将发出停止信号。砂轮不平衡量u是通过冷却液补偿的(图2),冷却液被喷射到环状储液腔中,平衡量K可分解为v1和v2,振动传感器被固定在主轴承上以检测不平衡量的大小,而不平衡量的位置是通过相位发生器检测的,通过电子检测和控制单元所检测的不平衡量相应地通过控制v1和v2的补偿量来平衡,控制单元控制电磁阀将经过过滤的冷却液喷射到平衡头内,实现系统的平衡。该平衡系统即可手动控制,也可自动控制。主要技术数据如下:测量范围砂轮最高转速60000r/min;振动位移量0.01~99.9μm;闭环控制采用PID微处理系统控制;平衡时间10~300smin/max重新平衡大约5s;平衡公差0.05~10μm。2.2.2高速超高速磨削的特点用于高速超高速磨削砂轮的磨料主要有CBN、金刚石等超硬磨料磨粒,CBN磨料磨粒的主要特点:(1)是CBN磨料磨粒具有良好的热稳定性,在正常的大气压下,CBN磨粒在1300℃没有发生氧化反应,甚至在1400℃也没有发生从立方晶格向六方晶格转变,而金刚石在正常的大气压下热稳定性最高只有800℃,所以CBN磨料砂轮比金刚石砂轮能承受较高的加工温度。(2)是CBN磨料导热系数高,在磨削区产生相同磨削热量的情况下,传入工件的热量比率明显减少,所以工件的加工温度明显下降,在同样的冷却条件下,避免了工件的热伤害和提高工件的加工精度和表面完整性。(3)是比磨削能低,用CBN砂轮磨削可以允许大的金属切除率而不烧伤工件,实际磨削加工中允许大的切深和较快的工作台进给速度,在保证磨削质量的前提下,生产效率成倍的提高。在高速超高速磨削中,主要用于陶瓷结合剂、金属结合剂和单层电镀CBN砂轮,尽管陶瓷结合剂由于高气孔率而利于磨削液通过磨削区,但由于其强度和抗破碎能力比金属结合剂低而没有被广泛利用。在高速磨削中,一种新型的微晶氧化铝磨粒即SG磨粒已经引起人们的高度注意,SG磨粒不仅具有高的硬度而且还具有良好的韧性,它的加工能力介于刚玉和CBN磨粒之间,由于SG磨粒在磨削加工中,辅助切削刃本身能发生自锐,所以磨削力和磨削区产生的热量明显降低,同时也减少了砂轮的磨损,从而提高材料的去除率和砂轮的修整间隔时间,SG磨粒和CBN磨粒相比不仅成本低,而且对磨削机床没有任何特殊的要求,砂轮的修整也和传统磨粒砂轮的修整方法相同。在砂轮速度为125m/s磨削回火钢的试验中比材料去除率已达100mm3/mm·s。2.2.3修整加工中的应用砂轮修整的目的是为了保持砂轮正确的几何形状和磨粒的有效突出高度。对于CBN砂轮,由于很难从其砂轮圆周表面去除一薄层CBN磨粒,所以修整工具的损耗较大,修整成本较高。对于单层电镀和金属单层CBN砂轮一般不必像树脂或陶瓷结合剂那样进行修整,可直接投入使用。但对于精密超高速磨削加工中,由于磨粒在使用中钝化,磨粒突出基体的高度尺寸不一致,所以造成磨削力增大,工件表面质量和完整性下降,这时需对CBN砂轮进行修整。目前对CBN砂轮的修整广泛采用接触修整法,通过使用传感器系统控制砂轮和修整工具的接触,然后通过修整工具微量进给系统进行微米级进给,结果得到理想的砂轮形貌,从而保证了精密及超精密加工的要求。2.3试磨法高速超高速磨削加工由于砂轮线速度很高,砂轮高速旋转形成的气流屏障阻碍了磨削液有效地进入磨削区,使磨削弧区高温得不到有效的抑制,使工件特别是难加工材料出现烧伤,严重影响了零件加工的表面完整性和机械物理性能。因此,选择恰当的磨削液供给系统,对提高和改善工件质量、减少砂轮磨损至关重要。超高速磨削常用的冷却液注入方法有:高压喷射法,空气挡板辅助截断气流法,气体内冷却法,径向射流冲击强化换热法等。高压喷射法是将磨削液高压高速喷出,冲破环绕砂轮表面的气流屏障,冷却磨削区,同时清除砂轮表面的切屑。一般供液压力为几至十几MPa。采用直角或靴状喷嘴,在很宽的速度范围内基本上消除了气流屏障的影响。空气挡板辅助截断气流法是在砂轮外周面及侧面设置可调节的空气挡板,阻碍空气向弧区快速流动。挡板与砂轮表面间隙应尽量小,随砂轮直径的减小能连续地调整。采用空气挡板,砂轮表面可以更好的被润湿,还可防止磨削液向两旁飞溅。砂轮内冷却法是利用砂轮径向孔供液或利用砂轮盘的侧孔供液。利用离心力渗漏作用将磨削液通过砂轮气孔从周边甩出,进入磨削区。系统需配置高精度的过滤装置,以免砂轮堵塞。气体内冷却法是利用高压低温二氧化碳进行内冷却(图3),在砂轮体上共开100个>3孔,分布在5个沿砂轮轴线方向上均布的截面上。每个截面上沿圆周均布着20个通孔。气体内冷却效果很好,避免了采用液体内冷却时,由于滞留液体,引起的启动偏心振动。径向射流冲击强化换热法利用开槽CBN砂轮的径向小孔高压喷射磨削液(图4),使磨削液以很高速度(可达100m/s),接近垂直地冲击弧区工件表面。由于高压射流可以轻易冲破已形成汽膜的阻挡,确保磨削液与工件表面的持续接触,因而就有条件突破成膜沸腾的障碍,使磨削弧区温度保持在100℃以下,这种冷却液注入方法不受砂轮气障的影响,换热效率高,缺点是工作时砂轮易产生振动。2.4延长机床长度,延长机床长度高速超高速磨床不但要求机床主轴有很高的转速和功率,同时也要求机床工作台也有与之相应的进给速度和运动加速度。直线电机实现了从电动机到工作台之间的一切中间传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度不足等缺陷,可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。日本研制的高效平面磨床,工作台进给采用直线电机(图5),最高速度60m/min,最大加速度10m/s2,最大驱动力1000N,最小运动单位为0.5μm。2.5声发射检测系统高速超高速磨削加工中,由于砂轮线速度极高,砂轮由于超高速引起的