砂带磨削在工业中的应用

砂带磨削在工业中的应用

0砂带磨削新型工艺砂带的磨损几乎可以用来加工所有的技术材料。作为一种新型工艺，它被称为“千分尺”和“冷态疲劳”。砂带磨损是一种与砂带磨损相同的重要加工方法。综观近几年来国内外各类机床及工具展览会和国际生产工程学会的学术会议,结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况,可以看出砂带磨削在制造业中发挥着越来越重要的作用,有着广泛的应用及广阔的发展前景。1砂带磨削技术的发展概况国外的砂带磨削发展得非常迅速,自20世纪60年代以来,特别是静电植砂技术及涂附磨具技术的出现和发展,欧、美、日等在砂带制造技术和砂带磨床制造技术上都取得了巨大的进步。在砂带制造技术方面,随着许多特殊涂附磨料及涂附形式的出现,产生了如金刚石、立方氮化硼、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带,使得砂带已经能用于干磨和高速、大吃刀量的重磨削领域,以及高精密零件的磨削加工领域。日本已开发出了用软刚带作为基底的金刚石砂带,可有效加工难加工的高硬度材料,如单晶硅片。在国际上知名的砂带品牌有美国的3M、Norton,德国的Hermes、VSM、Klingspor,韩国的DEER,日本的牛头等。在砂带磨床方面,不仅有磨削宽度超过5m的巨型平面磨床,还有牙医用的小型修齿机,使得砂带磨床的结构与形式繁多。另外,随着自动化技术的发展,像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削FMS、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。砂带磨削现已成为发达国家获得高额经济利润的重要手段,且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。国内的砂带磨削技术是在20世纪70年代末才开始得以真正发展,随着国内的改革开放,砂带磨削技术引起了各行业、各研究单位和各企业的日益重视,加之砂带制造技术的发展及砂带品种的增加,使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削正向着强力、高速、高效和高精方向发展。磨床结构从单一磨头向大型、组合(多磨头、多功能、多工位)形式发展。在加工工艺方面,与特种加工相结合的复合加工是砂带磨削很有前途的发展方向之一,如与超声振动结合形成的超声砂带精密磨削,与电化学加工结合形成的电解砂带磨削等是砂带磨削的重要发展方向。另一方面,自动化技术在砂带磨削中的应用,尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用,使砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高,使得砂带磨削已经进入精密和超精密加工行列。砂带本身在不断的发展和完善中。在砂带结构方面,近年出现了堆积磨料砂带、金字塔型砂带、空心球型砂带、复层砂带、高弹性砂带、防跑偏砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带等。2国内砂带磨削技术的比较高性能砂带磨削技术以其独特的工艺、广泛的用途、较强的适应性能得到了广泛推广,但国内砂带磨削的发展与国外相比仍存在较大差距,主要体现在以下几个方面。2.1磨料开发存在的问题目前,国产砂带寿命一般在2~4h,而国外砂带的寿命可达到8~12h。从磨料品种来看,国内使用最多的两类磨料是SiC和Al2O3,而金刚石磨料、陶瓷氧化铝磨料、复合磨料等磨料的开发基本是空白。磨料粒度偏粗(微粉级磨料的砂带还没有)限制了砂带在精密和超精密加工中的应用。此外,国内砂带宽度明显小于国外砂带的宽度,国内最宽砂带在2m左右,而国外可达5m。国内锆刚玉砂带还不普及。因此,开发新磨料、新基材、新粘结剂及表面涂层材料来改善磨粒的结构形态、砂带性能和质量,提高使用寿命是砂带磨削应用推广的一个关键问题。2.2砂带磨削精度对比近年来,国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,表面粗糙度Ra已达到0.01~0.025μm;而国产320号砂带的磨削精度只能达到10~20μm。产生差异的原因有两个,一方面是国内机床的切深微进给精度较低,普通机床最小微进给在10~20μm之间,某些数控机床的微进给可控制到5μm;另一方面,砂带磨削为弹性加工,弹性变形使得砂带磨削精度降低,因此对磨削深度的微量控制问题的解决是提高砂带磨削精度的先决条件。2.3砂带磨削表面的形貌研究砂带磨削技术已在国内许多单位得到了推广和应用,并取得了一定的成绩,解决了许多生产中存在的问题,但对砂带磨削过程的基础理论研究、砂带及砂带磨削热和磨削力的研究、砂带磨削表面的形貌研究还远远落后于国外。因此,今后的研究应在现有基础上,从理论上分析研究砂带磨粒的磨削过程,推动砂带磨削技术的应用。2.4砂带磨削技术国外已成功将砂带磨削用于强力磨削,以实现大切除量和高金属去除率磨削。3M公司生产的砂带对铸铁在砂带宽度方向上的切削率已达到870cm3/(cm·min),EmeersonElectric公司的砂带磨床对铸铁件一次切深可达5~10mm,其加工效率比铣削加工提高了5~10倍。目前国内最高切深的砂带磨削是由重庆三磨海达磨床有限公司研制的砂带磨床实现的,该磨床可对40Mn2高强度结构钢构成的连杆端头进行单次4.5mm深度的强力磨削加工。因此,今后应加强研究和推广砂带的强力高效磨削技术,发挥砂带潜在的加工能力,提高切削效率,解决一些难加工材料和高脆硬度材料粗加工的问题。2.5砂带磨削技术目前,国外砂带磨床已有较快发展,发达国家数百家砂带磨床专业制造公司每年向市场提供20多万(套)台砂带磨床。砂带磨削工艺及设备已从初期的机床附件发展到与砂轮磨床相匹敌的整机,并和CAX、NC、CNC等现代技术紧密结合,出现了六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削FMS、并联机构的数控砂带磨床等先进技术和装备。国内砂带磨床发展较缓慢,在研究、试验和开发手段上比起国外都有不小的差距,我国目前砂带磨床与砂轮磨床产量比大约为1∶10。据统计,我国各类行业每年对砂带磨床的需求总量约为2~3万台,但由于受国外砂带磨床产品的冲击,国内目前多数砂带磨床制造厂家生产的产品技术含量及规模还有待改进和加强。3砂带磨削的关键技术根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析,结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距,笔者认为,砂带磨削的关键技术主要体现在以下5个方面。3.1砂带磨削完整材料的去除砂带磨削具有复合加工的特点,其机理较复杂,涵盖了较多科学基础问题,尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了较深的研究,但目前,砂带磨削完整的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响。因此,有必要深入开展砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对砂带磨削的磨削机理和磨削工艺的研究,揭示各种磨削过程、磨削现象的本质,找出其变化规律,才能确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。3.2砂带磨削技术的评价砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志,能否制造高品质的砂带已经成为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。我国的砂带生产企业及相关研究机构应该在如下5个方面加大研究和开发力度,争取获得有自主知识产权的高品质砂带。(1)非金属材料基复合材料国外在纸浆中加入添加剂,并通过浸渍和表明涂附处理,使纸基砂带的基体用纸达到了砂带的要求;布基砂带中的棉纤维逐渐被聚酯纤维和尼龙纤维所代替,聚酯纤维由于其断裂强度高、耐热耐水性好、耐磨性优良的优点,已经成为重负荷砂带的优良基体材料。国外最新出现的聚酯超强化薄膜基金刚石砂带、电镀金刚石或立方氮化硼的金属基砂带、铜与纤维复合基金刚石砂带等产品,在加工非金属材料(陶瓷和硅晶体等)方面呈现出优异的磨削性能。由于我国国产纸在强度、均匀性、耐水性等方面达不到砂带生产要求,因此我们进一步开展这方面的研究是很有意义的。(2)国内外开发应用随着高分子材料工业的发展,人工合成的浆料如丙烯酸乳液与水溶性酚醛树脂浆料、丁苯胶乳液与水溶性酚醛树脂浆料、PVA溶液和聚醋酸乙烯乳液浆料、抗静电浆料等浆料都被国外企业较好地应用到了砂带生产中。这些浆料在我国尽管有一些应用,但在工艺上与国外比起来差距不小。(3)其它粘结剂对砂带品质的影响高分子粘结剂的应用和发展促进了砂带磨削的发展和进步。强力高效砂带磨削的性能与砂带所使用的粘结剂密切相关,国产砂带使用寿命短的一个重要因素就是粘结剂不能满足要求,因此有必要对砂带使用的粘结剂如水溶性酚醛树脂、水溶性脲醛树脂、水溶性醇醛树脂、水溶性白乳胶、油溶性醇醛酸清漆及环氧树脂等进行耐水性、耐油性、耐热性等的改性研究和试验,以提高我国的砂带品质。(4)其他微晶结构烧结陶瓷磨料随着砂带磨削加工对象的不断扩展,传统的磨料已经不能满足要求,近年来随着工艺的改进,锆刚玉磨料和微晶结构烧结陶瓷磨料等已经成为砂带磨料的重要发展方向。Norton公司最近又推出了微晶结构烧结陶瓷磨料的第二代产品(TG磨料)。它保留了微晶结构烧结陶瓷磨料的特点,在磨料形状上有了新突破,具有很细的棒状晶态结构,适用于缓进给磨削及加工镍铬铁和钛合金等难加工材料。据报道,TG磨料的材料去除率为锆刚玉的4倍以上,寿命为刚玉的10倍以上。世界各大砂带生产厂商都有自己的锆刚玉磨料和微晶结构烧结陶瓷磨料的砂带产品,而国内还处于试制和起步阶段。我们应该重视并发展具有自主知识产权并与此相关的复合磨料、堆积磨料。(5)特殊砂带的开发应注意的问题近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带,其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外,还有一层具有特殊功能的涂层,它使得砂带具有特殊的性能,如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结,降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白,此类砂带完全依赖进口。因此,我们应该在这方面引起重视。面对国内砂带市场激烈的竞争,国内的砂带生产企业在不断加大研发产品的力度、提高产品质量并积极开拓市场的同时,还应该积极加强相互之间及其与国外知名砂带制造厂商的交流合作,主要是技术的研究与合作、新产品开发中技术的获取与运用、技术在价值链中的运用和技术营销等几个方面。3.3砂带磨损(1)复定位精度和分辨率开展对高精度、大刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构的研究,进行大刚度、高稳定性、高耐磨性的支撑部件、精密导轨副、进给反馈系统、磨削变形控制补偿技术的研究并进行机床的大刚性、高重复定位精度和高分辨率技术及对环境不产生污染的磨削液(冷却剂)和新的冷却方法及冷却装置等方面的研发。例如,国外主轴单元技术的发展很快,有些公司专门提供具有各种功能的主轴单元部件,这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速磨削机床上。近年来高速和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件,最近美国西屋电气公司联合EmeersonElectric公司推出的砂带磨削中心,其主轴单元就是电主轴,其功率为90kW,最高转速达15000r/min,电机响应时间短。目前,国内主轴单元的速度大约为10000r/min,且其精度、刚性及稳定性有待于检验和提高。(2)砂带磨削机床仿真优化的方法将砂带磨削机理研究和CAD/CAE/CAT技术相结合,建立砂带磨削基础研究的新理论体系、设计准则和判据,对磨削过程的磨粒与工件的相互作用(力、热等)及工艺参数进行计算机动态测试、仿真及优化;利用有限元方法及测试技术对砂带磨床及其高速主轴进行动力学、温度场、噪声控制等的分析、仿真、测试及验证,解决高速重载磨削条件下砂带磨削机床的关键部件、主轴系统和进给系统的优化设计问题;同时开展对砂带磨床的并行设计、可靠性设计、鲁棒性设计、6σ设计、绿色设计、虚拟样机设计及PLM技术集成的开发与研究工作,提高我国砂带磨床的设计与制造的品质,缩短其进入市场的周期。(3)基于高精度数控系统和伺服驱动系统的高效、高精度磨削砂带磨将高速、超高速及高精作为砂带磨削技术的主要发展方向,这对机床控制系统和数字伺服驱动系统的控制精度、动态响应特性有很高要求,因此加强对高精度数控系统和伺服驱动系统的研发,通过对磨削加工过程自动实时监控系统的研究,解决磨削过程中信号识别、信息采集、数据处理、反馈控制等技术问题,从而实现高效、高精度磨削砂带磨床的自动化。在此基础上进行砂带磨削设备系统化设计与制造,开发CNC砂带磨削机床、砂带磨削机器人、并联机构数控砂带磨床、砂带磨削FMS等,实现我国砂带磨削设备的柔性化及自动化。3.4超精密砂带磨削技术高速高效强力砂带磨削在一些工业发达国家发展很快。据报道,在德国目前砂带磨削最高线速度已达100m/s。我国对高效强力砂带磨削的研究已有多年的历史,如重庆大学和湖南大学在20世纪90年代初中期便进行了50~60m/s的高速砂带磨削工艺实验,但这些高效强力砂带磨削技术大多只是实验而已,技术还不够成熟。在实际应用中,砂带线速度一般还是15~40m/s。近年来,国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,表面粗糙度Ra已达到0.01~0.025μm。目前,国内砂带磨削正朝着超精密方向发展,如超声砂带磨削技术,这是一项由清华大学开发的新型精密砂带复合加工方法。该技术将超声振动与开式砂带磨削相结合,应用这种技术对计算机硬盘进行研抛加工,表面粗糙度Ra可达0.01μm,所用砂带是日本的W3氧化铝磨料的聚酯砂带。3.5砂带磨削设备的发展砂带磨削技术优异性的发挥,很大程度依赖于砂带磨床本身,因而磨床设计及制造是一项非常关键的工作。目前我国在这方面并没有相关的行业技术标准,而发达工业国家如德国、美国、日本等均在砂带磨床方面制定了相关技术和产品标准,这也是他们的砂带磨削设备在其国内得到广泛支持和推广的重要原因之一。在砂带磨床的设计中,磨头是最关键的,其结构方案、参数选择及主要零部件的制造精度和刚度等