无心磨削技术进展

无心磨削技术的发展何亮前沿无心磨削的发展历史无心磨削方法分类先进无心磨削技术的建模和仿真无心磨床的先进设计先进的无心磨削监控最先进的无心磨削技术和机床示例结语一、前沿目前的无心磨削是由于20世纪10年代汽车工业对制造精密零件高生产量的需求，于1917年诞生。随着无心磨床的诞生，零件的尺寸精度和圆度直接提高了四分之一，并且生产时间降低到原来的十分之一。这种无心磨削技术不仅使大批量生产成为可能，而且使可互换零件的制造成为可能。二、无心磨削的发展历史从1875年Brown和Sharp制造第一台万能磨床之后，磨床经历了两个创新发明，这开启了高精密元件高效率加工的先河。到1903年，CharlesNorton开发了一种砂轮宽度范围广的曲轴专用磨床，这使得加工的最终时间由5h降低到15min。1905年，JamesHeald开发了一种行星磨床，该磨床取代了原来的镗铰机和内圆磨削的手动研磨操作。磨床发展中最重要的创新是无心磨床的出现。无心磨床的基本原理很久远。第一个人运用这一原理，用一块木块把一个圆柱体限制在砂轮的表面，并且允许它随着砂轮一起旋转。1917年，在Heim尝试了运用双轮磨削原理开发无心磨床之后，他申请了“轧辊磨床”的专利，这是带有导向轮的无心磨床的起源。

Heim的无心磨床的结构省去了对工件装夹和驱动的需要，从而大大提高了工件装夹和拆卸的速度，生产力和磨削精度。

1921年，福特汽车公司的亨利福特试图找到一种完全不同方式的磨床，Geier管理的米尔（辛辛那提铣床公司）公司接受了这份订单，首次制造了十台无心磨床（图3），并于1922年2月17号交付给了福特公司。

到1922年底，LMV已经制造出了一台无心磨床（图4）还为顾客进行了磨削实验这是LMV公司在无心磨床上成功的开始。LMV公司因此成为欧洲无心磨床主要的制造商。三、无心磨削方法分类无心磨床的主要结构包括砂轮，导向轮和托板。根据机床结构方向的不同，无心磨床可被分为以下几种类型：标准（卧式）类型倾斜式立式

倾斜式机床适合于重型零件或薄壁轻型零件的磨削加工，立式机床往往被设置成在低于中心的条件下工作。无心磨削精加工方法中使用的四种磨具：砂轮抛光/超精油石研磨带砂带

砂带无心磨削显示出一种很高的材料去除能力，并且无心超精密磨削可以获得粗糙度比贯穿方式低50nm的镜面加工效果。根据工件进给方向分类，有三种类型无心磨削方法：横向进给方式贯穿进给方式切向进给方式

横向进给方式适用于多直径或异形工件的磨削。贯穿进给方式对于滚针、圆柱滚子、圆锥滚子的磨削具有很高的生产效率。切向进给方式能够磨削异形工件，例如球面滚子。许多种类的机床都是基于无心磨削的。新型的无心磨床已经具有很多辅助功能，例如：内外径同时无心磨削有角度的横向进给磨削超声波椭圆振动无心磨削双磨头无心磨削四、先进无心磨削技术的建模与仿真无心磨削的精度和生产率受到三种过程不稳定性的限制：工件装夹的不稳定性，当导向轮不能维持工件预期的圆周速度时，就会出现问题。几何波动，当位于两个轮子中间的工件中心振动产生表面波纹时，就会出现不稳定性。动态不稳定性或者颤动，这个问题对于所有磨床来说是很普遍的，由于工件再生类型振动的发生，使得这个问题在无心磨削里发展迅速。4.1工件装夹稳定性

描述工件装夹稳定性的模型和方程完全是由乔本等人发展起来的。稳定性研究适用于单一和多种直径的零件应用。

对于单一直径的零件来说，乔本的模型能够预测两个主要的工件装夹过程稳定性：平带和旋转。对于多直径的零件，乔本等人对其旋转运动的机制已经进行了阐述。4.2几何和动态稳定性

由于最近五十年许多研究者随后的贡献，无心磨削的稳定性模型的发展已经获得成功。以下将从频域和时域详细描述这个模型。4.2.1频域仿真

在一种理想的横向进给过程中，工件的半径可稳定的减少，半径误差为0。但在实际加工过程中，半径误差根据这个等式变化：

△rw（t)=εg(t)+εk(t)+εd(t)(1)

εg(t)代表由与导向轮和托板相关的误差而引起的工件沿切割方向的移动。εk(t)是系统静态偏差的时间变化。εd(t)代表加工过程中产生的振动。Gallego,Barrenetxea等人最近已经对模型进行了最新的改进。据此，控制几何波动和振动再生的方程式是：

△Rw(s)的两个极限值决定了加工过程是否稳定。因此，大括号里的所有重要的根都应计算出。

Gallego证实了确定根的最快的算法是神经网络，它可以在几秒钟内对很多配置计算工程稳定性。

相关实验表明，频域模型的稳定性提供了特征明确的切削刚度和机床性能。4.2.2.时域仿真

在实践中，无心磨削的模型通常都是在频域中求解的。然而，过程非线性的影响只能用时域仿真来定性的研究。用这种方法，时域仿真可以允许对工件尺寸和粗糙度误差的演化进行预测，也可以预测它们的值，这一点对于磨削循环的优化设计是必须的。4.3机床设置和过程优化4.3.1横向进给磨削

除了前面部分所描述的特征不稳定性以外，无心磨削的设置必须同时处理好切削和磨损机制的热量，机械和摩擦的限制。所有这些不稳定性和约束都受到许多过程变量和参数的影响，并用不同方法影响他们。这使得很难去建立一个最佳的配置和磨削周期来满足生产力和加工精度的要求。4.3.2贯穿进给方式磨削

在贯穿进给操作磨削中，存在和横向进给过程同样的不稳定性和限制条件。正如已经提及的，由于沿着进给轴的几何配置的变化，几何和动态稳定性分析都很困难。这些参数也影响了特征不稳定性以及切削和磨损机理，所以一个为了满足生产力要求的最佳过程配置的建立比横向进给方式更加复杂。五、无心磨床的先进设计5.1高精度高刚度机床设计5.1.1高精度高刚度主轴设计

在无心磨床中，有两种基本的主轴结构：悬臂梁或双支柱。由于悬臂梁主轴（图9（a））提供了方便检修和方便砂轮安装的工作区域，它已经得到了广泛的应用。双支柱主轴（图9（b））提供了比悬臂梁方式更高的刚度和更好的径向跳动精度。图95.1.2

利用复合导轨的定位系统

高精度的磨削需要横向进给滑动的高刚度和高定位精度。大多数来自于砂轮驱动电机的动态干扰力和磨削力直接传递到定位系统，这对系统性能造成了威胁。为了解决这个问题，已经研发了一种使用一种新的应用液压垫的新型复合滑动配置的滑动定位系统。5.1.3

直线电机和先进定位控制的集成

直线电机定位系统的优点是没有侧隙，提高了进给精度，增加了动态刚度和降低导轨的摩擦和磨损，比滚珠丝杠进给系统更少的部件和更容易组装。这种简单的结构为定位系统提供了高动态刚度和没有爬行及接触摩擦的高的定位精度。

电机的强迫振动的影响能够通过信号处理系统从根本上降低。由于更简单的动态学和没有间隙，信号处理在直线电机系统上的使用比在滚珠丝杠配置上的使用更加简单。5.1.4无心磨床设计中液体静力学的使用使用液体静压轴承的最重要的原因是：低速时的低摩擦，这对于高定位精度很重要。没有磨损，这保证了很长的使用寿命和一致的性能，尤其是与直线电机结合起来。没有齿侧间隙，这提供了高的运动重复性。高阻尼。5.2高精度修整设计在大多数情况下，磨削区域是完全封闭的。因此封闭区域的温度和周围环境的温度不同。这就导致了机械零件的不同程度的变形。通过把修整单元放置在机床的中心，所有的滑动系统和主轴的相关温度变化都可以在修整过程中更好地得到补偿。实验结果表明：用超低热膨胀材料制作的无心磨床底座，在长期的磨削过程中，能够提供极好的尺寸控制性。5.3先进底座设计5.3.1超低热膨胀底座设计5.3.2混凝土底座设计陶瓷混凝土底座无心磨床的优点是：砂轮和修整器端部的刚度得到增强进给丝杠安装夹具的刚度得到增强通过降低驱动电机的振动来改善磨削精度机床的固有频率得到提高贯穿进给强力磨削的尺寸变化得到改善5.3.3花岗岩底座设计 一个固体花岗岩底座可以使得机床底座非常的坚硬并且在低频摇摆运动下最小化扭曲变形。 花岗岩底座无心磨床比一般典型的铸铁底座无心磨床具有更高的静态刚度，更好的阻尼特性和更稳定的热学特性。5.4高灵活性和快速转换的机床设计5.4.1双磨削头无心磨削

新开发的双磨削头无心磨床适用于研磨具有多个直径的工件，如钻头、铣刀。该工具有两个独立的砂轮和滑动机构，如图26所示。该机配备了自动控制的主轴马达、可调节的砂轮主轴以及全数控的滑动装置。同时灵活快速的安装程序提供最佳的磨削位置，这些新功能大大降低了转换时间。5.5机床设计中采用有限元分析静态和动态稳定性

有限元分析（FEA）是一个特定的工具来评估静态下的结构响应，以及动态负荷和热负荷。它可以应用于机械结构优化设计，以达到最小的结构重量和最高的加工精度。由于无心磨床经常应用生产高品质的零件，采用有限元法分析其结构/部件的特性成为必不可少的设计阶段。图31给出一个无心磨削的静态和动态的有限元分析应用的例子。5.6无心磨削先进工艺设计

在一般情况下，与传统的外圆磨床磨削相比，无心磨削提供了两个在磨削精准度方面的优点。无心磨削进给过程与工件直径的关系的示于图34。因此，影响工件的直径变化的加工工具的定位不准确性仅有一半。另一个优点是，工件整体通过导轮以及托板支撑，这可以避免部分的偏转，即使采用很大的进给率。它可以高效精确的研磨各种直径且长而薄的工件。六、先进的无心磨削监控无心磨削的监控可以应用于修整或切割过程。监控无心磨床的主要任务在于以最短的时间达到修整的质量要求。其他无心磨削过程中的监控具体目标是：观察存在的振动在最短的时间内用最小的花费修整工具与砂轮间的接触式检测监测无心磨削的主要挑战是有关的磨削操作。具体的监测无心磨削问题是：避免无心磨削过程中，如振动，部分跳动或旋转这些不稳定因素检测托板振动检查磨削过程中导向轮径向跳动检查磨削过程中砂轮径向跳动七、最先进的无心磨削技术和机床示例7.1超高精度和高刚度贯穿无心磨床在超精密无心磨削加工的目标是达到所有的磨削参数精度0.1μm，如圆度，圆柱度，尺寸可控性，轮廓精度和表面粗糙度。为做到这一点，如下的新技术被引进并应用于一个超精密系统。一个旋转的微修整导轮和砂轮的系统应用于无心磨削两个磨头的修整。V-V型滑动轴承导轨也被应用到进给滑动中。7.2超高精度和高柔性进给无心磨床无心磨削的困难之一是转换的低灵活性和工具安装强度高。以下研究目标是超精密和高灵活的进给无心磨削，精度达到0.1μm，同时减少切换时间与工具安装强度。双固定主轴系统在5.1.1介绍过的，已经应用于砂轮和导轮主轴带有负载补偿单元的复合导轨系统在第5.1.2节中描述的也得到应用旋转修整装置与负载补偿系统应用于砂轮和导轮数控托板单元的开发和应用数控导轮旋转角的快速切换的应用 这已经证明不仅精密研磨精度达到0.1μm，同时具有快速切换功能。7.3高精密无缝陶瓷cBN砂轮无心磨削

陶瓷结合剂cBN砂轮的x层（cBN磨料层厚度）占轮体厚度的2％以下。在分段结构中，研磨是间歇性的，限制加工的精度。图53说明了分段式砂轮和无缝砂轮的情况。与分段式轮相比，无缝砂轮取得了较好的圆度，如图54所示。此外，设置时间减少了25％或更多。八、结语无心磨削技术