毕业论文磨削加工及无心磨床的应用

毕业论文磨削加工及无心磨床的应用
引言
机械制造工业为国民经济建设提供机械装备。

机械装备中绝大部分零件在生产过程中都需要切削加工，如通过车、铣、刨、钻、磨等方面，最后使零件获得合格的形状、尺寸和精度。

而磨削加工是用来提高零件精度的重要工艺方法之一。

随着工业技术的发展，对产品质量的要求越来越高，磨削工艺在机械加工中起着极为重要的作用。

从某种意义上讲，一个国家的磨削工艺水平标志着这个国家机械加工的水平。

随着机械产品质量的不短提高，磨削工艺也将不短发展和完整。

1 磨削技术发展概述
我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史,如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s,1 20 m/s的磨削工艺实验;前几年,某大学也计划开展250 m/s的磨削研究(但至今尚未见到这方面的报道),所以说有些高速磨削技术还只是实验而已,尚未走出实验室,技术还远没有成熟,特别是超高速磨削的研究还开展得很少.在实际应用中,砂轮线速度Vs 一般还是45～60 m/s.
一般来讲,按砂轮线速度Vs的高低将磨削分为普通磨削(Vs<45 m/s),高速磨削(45≤Vs<150 m/s),超高速磨削(Vs≥150 m/s).按磨削精度将磨削分为普通磨削,精密磨削(加工精度1 μm～0.1 μm,表面粗糙度Ra0.2 μm～0.1 μm),超精密磨削(加工精帡<0.1 μm , 表面粗糙度Ra≤0.025 μm).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.
高速高效磨削,超高速磨削在欧洲,美国和日本等一些工业发达国家发展很快,如德国的Aa chen大学,Bremm大学,美国的Connecticut大学等,有的在实验室完成了Vs为250 m/ s,350 m/s,400 m/s的实验.据报道,德国Aachen大学正在进行目标为500 m/s的磨削实验研究.在实用磨削方面,日本已有Vs=200 m/s的磨床在工业中应用.
国内外都采用超精密磨削,精密修整,微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究,以获得亚微米级的尺寸精度.微细磨料磨削,用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4 μm.日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃,对硬脆材料进行精密磨削加工,效果很好.超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料,精度可达0.025 μm.日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨削技术,使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能,可实现硬脆材料的高精度, 高效率的超精密磨削.作平面研磨运动的双端面精密磨削技术,其加工精度,切除率都比研磨高得多,且可获得很高的平面度.电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术.
随着磨削技术的发展,磨床在加工机床中也占有相当大的比例.据1997年欧洲机床展览
会(E MO)的调查数据表明,25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术,车削只占23%, 钻削占22%,其它占8%;而磨床在企业中占机床的比例高达42%,车床占23%,铣床占22%,钻床占14%.我国从1949～1998年,开发生产的通用磨床有1800多种,专用磨床有几百种,磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的13%左右.可见,磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置.
为什么磨削技术会不断地发展主要原因如下:
(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0～25 mm,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.
总之,磨削技术发展很快,在机械加工中起着非常重要的作用.目前,磨削技术的发展趋势是,发展超硬磨料磨具,研究精密及超精密磨削,高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺技术,研制高精度,高刚性的自动化磨床.
就磨削而言,特别就高速高效磨削,精密及超精密磨削而言,其涉及的内容广泛,不仅包括磨削本身的技术,也集中了其它相关的技术.关键技术介绍如下:
1.1磨削的工艺特点及应用研究
磨削加工是零件精加工的主要方法。

磨削时可采用砂轮、油石、磨头、砂带等作磨具，而最常用的磨具是用磨料和粘结剂做成的砂轮。

通常磨削能达到的精度为IT7~IT5，表面粗糙度Ra值一般为0.8~0.2μm。

磨削的加工范围很广，不仅可以加工内外圆柱面、内外圆锥面和平面，还可加工螺纹、花键轴、曲轴、齿轮、叶片等特殊的成形表面。

从本质上来说，磨削加工是一种切削加工，但和通常的车削、铣削、刨削等相比却有以下的特点：
1．磨削属多刃、微刃切削
砂轮上每一磨粒相当于一个切削刃，而且切削刃的形状及分布处于随机状态，每个磨粒的切削角度、切削条件均不相同。

2．加工精度高
磨削属于微刃切削，切削厚度极薄，每一磨粒切削厚度可小到数微米，故可获得很高的加工精度和低的表面粗糙度值。

3．磨削速度大
一般砂轮的圆周速度达2000~3000m/min，目前的高速磨削砂轮线速度已达到60~250m/s。

故磨削时温度很高，磨削区的瞬时高温可达800~1000℃，因此磨削时必须使用切削液。

4．加工范围广
磨粒硬度很高，因此磨削不但可以加工碳钢、铸铁等常用金属材料，还能加工一般刀具难以加工的高硬度、高脆性材料，如淬火钢、硬质合金等。

但磨削不适宜加工硬度低而塑性大的有色金属材料。

磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，已广泛用于各种表面的精密加工。

许多精密铸造成形的铸件、精密锻造成形的锻件和重要配合面也要经过磨削才能达到精度要求。

因此，磨削在机械制造业中的应用日益广泛。

1.2 高速,高精度主轴单元制造技术
主轴单元包括主轴动力源,主轴,轴承和机架几个部分,它影响着加工系统的精度,稳定性及应用范围,其动力学性能及稳定性对高速高效磨削,精密超精密磨削起着关键的作用.
提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速,特别是在砂轮直径受到限制的场合(如内圆磨削).因而,适应于高精度,高速及超高速磨床的主轴单元是磨床的关键部件.而对于高速高精度主轴单元系统,应该是刚性好,回转精度高,运转时温升小,稳定性好,可靠,功耗低,寿命长,同时,成本也应适中.要满足这些要求,主轴的制造及动平衡,主轴的支撑(轴承),主轴系统的润滑和冷却,系统的刚性等是很重要的.
国外主轴单元技术的发展很快,有些公司专门提供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,超高速切削机床上.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,如美国福特公司和Ingersoll公司推出的加工中心,其主轴单元就是用的电主轴,其功率为65 kW,最高转速达15 000 r/min,电机的响应时间很短; 在EMO'97上,电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件,参展商达36家;美国Landis公司的超高速曲轴,凸轮轴磨床的砂轮主轴,也都用电主轴.
目前,国内主轴单元的速度大约在10 000 r/min以下,且其精度,刚性及稳定性有待于考验和提高.同时,缺乏高速,高精度,大功率的主轴单元(电主轴).需要进一步研究的重点如下:①大功率,高转速和高精度的驱动系统的研究与开发;②高刚性,高精度,高转速重负荷的
轴承或支承件的研究与开发;③高速,高刚性,高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术.
1.3 精密,高速进给单元制造技术
进给单元包括伺服驱动部件,滚动单元,位置监测单元等.进给单元是使砂轮保持正常工作的必要条件,也是评价高速,高效及超高速磨床性能的重要指标之一,因此,要求进给单元运转灵活,分辨率高,定位精度高,没有爬行,有较大的移动范围(既要适合空行程时的快进给,又要适应加工时的小进给或者微进给),既要有较大的加速度,又要有足够大的推力,刚性高,动态响应快,定位精度好.
数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合的轴向进给方案.但随着高速高精度加工的发展,国内外都普❍采用了直线伺服电机直接驱动技术,高动态性能的直线电机结合数字控制技术,可达到较高的调整质量,也可满足上述要求,如德国西门子公司就在CIMT'97作了直线电机120 m/min高速进给的表演,而该公司的直线电机最大进给速度可达200 m/min, 其最大推力可达6600 N,最大位移距离츺504 mm.又如日本三井精机公司生产的高速工具磨床,主轴上下移动(行程25 mm)采用直线电机后,可达400次/min,是原来的2 倍,加工效率提高3～4倍.我国国产数控进给系统(特别是高速,高精度进给系统)与国外相比还有很大的差距,其快速进给的速度一般为24 m/min.可见,为了适应精密,高速及超高速磨床的发展,在以下几个方面应重点研究:①高速精密交流伺服系统及电机的研究;②直线伺服电机的设计与应用的研究;③高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究;④高精度导轨,新型导轨摩擦副的研究;⑤能适应超精密磨削的高灵敏度,超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的研究.
1.4 砂轮制造及其新技术
随着工程材料的发展及其应用,CBN砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广泛,而砂轮的许用线速度也要求较高,一般在80 m/s以上.单层电镀CBN砂轮的线速度可达250 m/s,发展超高速磨削也需要150 m/s以上的砂轮,但国内80～120 m/s的CBN砂轮仍在研制之中.
此外,砂轮的设计,其截面形状的优化,粘结剂的结合强度及其适用性,砂轮基体的材料, 砂轮的制造技术(特别是对微细磨料磨具的制造技术)等都是非常重要的,仍需对一些关键技术进行攻关:①砂轮基体材料及制造技术的开发,设计及其优化;②砂轮新型粘结剂(特别是适用于制造微细磨料磨具的粘结剂)的研究;③新型磨料的制备工艺,如可使磨料容易产生新的切削刃;④新型砂轮的制造工艺,既要使砂轮具有足够的容屑空间,也要有更好的凸出性;⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术.
1.5 机床支承技术及辅助单元技术
机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术.辅助单元技术包括快速工件装夹技术,高效冷却润滑液过滤系统,机床安全装置,切屑处理及工件清洁技术,主轴及砂轮的动平衡技术等.
磨床支承构件是砂轮架,头架,尾架,工作台等部件的支撑基础件.要求它有良好的静刚度,动刚度及热刚度.对于一些精密,超高速磨床,国内外都有采用耕合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的,也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,还有采用钢板焊接件,并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性,这些都收到了很好的效果.
应在以下几个方面(特别是下一代磨床的设计)加强研究:①新型材料及结构的支承构件的优化设计及制造技术的研究;②砂轮动平衡技术的研究;③磨削液过滤系统的研究;④安全防护装置的设计制造技术的研究;⑤精密自动跟刀架及支承件的研究.
1.6 砂轮在线修整技术
在磨削过程中,砂轮由于磨钝和磨损,需要进行及时修整,特别是对超细磨料砂轮而言,更需频繁修整.普通砂轮修整比较容易;人造金刚石砂轮和CBN砂轮的修整(特别是在线修整) 是个难题.
超硬磨料砂轮的修圆及磨料开刃是两个很重要的问题.目前,国内一些学者正在研究激光修整砂轮和电解修整砂轮,以期解决高效实用的修整问题.重要的关键问题有二:①新的,高效实用的砂轮修整技术及其装置;②砂轮在线修整技术.
1.7 环境友好的相关磨削技术
磨削过程中,冷却液的作用主要是冷却和润滑,将磨削热从工件表面带走,冲刷掉磨削时留在工件和砂轮表面上的切屑.但是,鉴于冷却液对环境污染的负面影响,磨削时应尽可能少用冷却液或不用冷却液,因此,应开展对下列关键技术的研究:①对环境不产生污染的冷却剂;
②新的冷却方法及冷却装置.
1.7.1对磨削液的要求
磨削液主要用来降低磨削温度，改善加工表面质量，提高磨削效率，延长砂轮使用寿命。

从提高磨削效果来看。

磨削液要满足下面要求：
（1）冷却作用。

磨削液的冷却作用主要是将磨削热从磨削区里带走。

使磨削温度降低。

冷却性能的好坏，取决它的导热系数，比热，汽化热，汽化速度，流量，流速和冷却方式等。

例如水的导热系数是油的3~5倍，比热是油的2~2.5倍，汽化热是油的7~13倍，因此，水的冷却性能比油要高得多，乳化液介入于水与油之间而接近于水。

磨削液的冷却性能还于泡沫性有关。

由于泡沫内的空气的导热性比水差，所以多泡沫的磨削液的冷却性能降低。

消除泡沫饿有效措施是在磨削液中加入适量的消泡剂。

磨削液自身的温度对冷却效果的影响很大，因此要求磨削液有一定的流量及流速，容器的体积要足够大，以使磨削液能保持较低的温度。

（2）润滑作用。

磨削液能渗入到磨粒与工件表面之间，并黏附在金属表面上形成润滑膜，以减少磨粒与工件表面的摩擦。

磨削液的润滑性能与形成润滑膜的能力有关。

润滑膜可由物理吸附与化学吸附所形成。

物理吸附主要靠磨削液中油性添加剂，它对金属表面有强烈的吸附性。

化学吸附主要是在磨削液中加入极压添加剂，如含硫等元素的添加剂，这些添加剂与金属表面发生化学反应，而形成吸附薄膜，能在高温下保持润滑作用
（3）清洗作用。

磨削液能将切屑和脱落的磨粒等冲洗掉，防止堵塞砂轮与划伤已加工好的表面。

清洗性能的好坏，与磨削液的渗透行，流动性和使用压力有关。

为此，在磨削液中加入表面活性剂，同时提高磨削液压力与加大流量，以提高清洗能力
（4）防锈作用。

磨削液中加入防锈添加剂，能在金属表面形成一层保护膜，在一定的时间内保护工件和机床不致生锈。

除以上作用外，还要求磨削液无毒，无臭，不刺激皮肤，化学稳定性好，不易腐败变质，不产生泡沫，费液易处理与再生，避免污染环境等。

1.7.2磨削液的种类和应用
磨削液通常可分为油基切削液和水基切削液两大类。

油基液中有非活性油性液与活性油性液，水容性液又分为乳化液和和成液各类磨削性能比较参考表2.7-1。

表2.7-1 各类磨削液性能比较
1.8 磨削过程的检测控制技术
磨削过程的检测与控制,主要是通过传感器,分析及信号处理,对磨削过程进行实时监控, 例如对砂轮的磨损及破损情况进行监测和控制,对工件的尺寸,形状与位置精度和加工表面质量进行监控.这需要研究新的实用的传感器,检测与监控方法.
有些学者提出,将新型非接触式传感器(声发射传感器)安装在砂轮的基体上,通过信号接收器接收信号并对其进行分析处理,以控制砂轮所受的力,从而监控砂轮的磨损状况.但尚未见到更详细的实验报道.
国内也开发了一些非接触式测量传感器及磨削过程的在线监测,监控技术等,但与国外差距很大.国内应以实用化为目标,进行相关测试技术的研究,研究精度高,可靠性好,实用性强的测试技术与设备.同时,加强对磆轮磨损及破损,砂轮修整状态,工件的加工精度,加工表面质量等在线监控技术进行研究,开展自适应控制及智能控制的研究.
其关键技术有①砂轮的磨损及破损的监控技术;②工件的尺寸精度,形状精度,位置精度和加工表面质量的在线监控技术;③精度高,可靠性好,实用性强的测试技术与仪器.
1.9 磨削过程的仿真与虚拟
随着计算机技术及模拟技术的发展,利긨计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿真是一个重要的研究课题.利用计算机仿真,可以模拟磨削过程,并能分析和预测不同条件下磨削效果和磨床的性能,但仿真必须建立在有充分实验数据的基础之上.目前能使用砂轮地貌模型对砂轮进行仿真,能对磨屑形成过程,能量转换,磨削力变化,磨削区温度,磨削精度和磨削表面质量进行仿真,还开发了分析和仿真磨削过程的软件工具.
虚拟磨床是虚拟制造技术中的一个新的研究领域,可以建立一个逼真的虚拟磨削环境.
总之,我们的研究一方面要跟踪国际科学研究的前沿,更要有创新,要符合自己的国情,所研究的成果要能够应用于生产,以推动我国机械工业的进步.
2．典型的无心磨床的磨削实例
上图为M1080型无心外圆磨床，属于中等规格的无心外圆磨床，生产中应用很广泛，适用于磨削直径5~80mm、长度180mm之内的圆柱或圆锥形外表面。

2.1 无心磨削的基本原理
无心磨削就是工件不定中心自由地置于磨削轮，导轮之间，并以拖板支撑进行的磨削。

无心外圆磨削示意图见图2.1-1
图2.1-1 无心外圆磨削示意图
无心磨削主要有无心外圆磨削和无心内圆磨削，无心磨削可以对工件的外圆面，内圆面，内外圆锥面等进行磨削，还能磨削螺纹及其他形面，是一种能够适应大批量生产的高级磨削方法。

外圆磨削的加工精度可达1T6~1T7级；圆度可达0.0005~0.001mm，表面粗糙度可达
到0.2~0.08um。

2.1.1无心磨削的特点
1).外圆磨削工件两端不打中心孔，不用顶针支撑工件，由于工件不定中心，磨削余量相对减少。

2).外圆磨削不能磨轴向带槽沟的工件，磨削带空工件时，不能纠正孔的轴心线位置。

工件的同轴度较低。

3).内圆磨削一般情况下只能加工可放于滚柱上滚动的工件，特别适宜磨削套类等薄壁工件。

磨套类零件由于零件是自生外圆为定位基准，因此不能修正内外圆间原有的同轴度误差。

4).无心磨削机动时间与上下料时间重合，易于实现磨削过程自动化，生产效率高。

5).在无心磨削过程中，工件中心的位置变化大小取决于工件磨削前的误差，工艺系统刚性，磨削用量及其他磨削工艺参数（如工件中心高，托板角）。

6).无心磨削工件运动的稳定性，均匀性取决于机床传动链，工件形状，重量，导轮及支撑的材料，表面形态，磨削用量及其他工艺参数。

7).无心磨削机床的调整时间较长，，对调整机床的技术要求也较高，不适应于单件小批量生产。

2.1.2无心外圆磨削过程
1）.导轮转速，倾角于工件转速的关系
在无心外圆磨削中，导轮的直径尺寸和转速都比磨削轮要小，工件与导轮之间的摩擦力较大，所以工件被导轮带动并与导轮成相反方向旋转，同时为了满足贯穿磨削的要求，导轮轴心线在垂直面内倾斜一个θ角，此时导轮的圆周速度V分解为垂直方向分速度Vw和水平方向分速度Vf。

因工件的纵向进给速度等于导轮纵向分速度工件的圆周速度等于导轮的切向的分速度。

如果导轮与工件表面之间无滑动，则工件的纵向进给速度取决于导轮的转速和倾角的大小。

导轮的倾角增大时，工件纵向进给速度增大，生产效率提高，但工件表面的粗糙度增大。

通常精磨是取θ=1.5度~2.5度。

粗磨时取θ=2.5度~4度。

导轮倾角，转速与工件转速的关系
Vw=Vcosθ
Vf=Vsinθ
式中Vw-----工件的圆周速度
Vf ----工件的纵向进给速度
V------导轮的圆周速度
θ-----工件与导轮轴心线夹角
2.1.3 导轮表面外形
贯穿法磨削时导轮轴线在垂直面内倾斜θ角，如果导轮是圆柱的，则工件与导轮将是点接触，工件无法正常磨削，为了使工件于导轮沿母线全长接触，导轮外形应为单叶双曲线回转体。

2.2 无心外圆磨床的调整和修整
磨削轮的形状直接影响磨削质量，生产效率和耐用度。

一般要求磨削轮形状能适应喂料、预磨、精磨、光磨、退料等过程。

在正常情况下，磨削火花主要集中在磨削区域，当工件进入精磨及光磨区后，火花应逐渐减少，在出口前，应完全没有火花。

磨削轮的特性通常和导轮结合考虑。

磨削轮和导轮的最大外径及宽度是由机床决定的。

磨削轮和导轮相同；当采用切入磨削时，一般也相同；磨球面工件，导轮窄一些，但不小于25 mm。

磨削轮的磨料、粒度、硬度、结合剂选择与一般外圆磨削基本相同。

但通常比一般外圆磨削轮稍硬；无心贯穿磨比切入磨稍软；多磨削轮磨削时，直径小的磨削轮稍硬，导轮比磨削轮稍硬，粒度稍细。

2.3导轮的选择和修整
导轮曲面与托板工作面构成V形定位装置，导轮又与磨削轮一起使工件获得均匀的回转运动及轴向送进运动。

所以导轮的选择和修整对磨削质量、生产率和磨耗都有很大影响。

导轮的直径有机床决定。

导轮宽度与磨削轮一般相同。

但在磨削阶梯工件时，导轮宽度应按工件上最长的一段外圆长度来选取，如果磨削球面工件，导轮宽度应选得窄一些，但不得小于25mm。

导轮的特性为A80～120P至R的橡胶结合剂砂轮。

1、导轮倾角θ的选择
导轮轴线在垂直面内倾斜角度决定工件的纵向进给速度和磨削精度，应根据磨削方式、工序来选择。

贯穿磨时：粗磨θ=0度～0.5度；长工件磨削时：θ=0.5度～1.5度。

2、导轮修整角θ′和金刚石位移量h′
导轮倾斜θ角以后，为使工件与导轮仍满足线接触，提高磨削稳定性，就需要导轮修整器的金刚石滑座相应转过一个角度θ′。

此外，由于工件中心比两轮中心高出H，而使工件。