高速磨削技术的现状及发展前景

高速磨削技术的现状及发展前景

The Situ ation and Developing Vistas of

High-Speed G rinding T echnology

荣烈润

摘　要:本文综述了高速磨削的概念、优势、关键技术、应用近况和发展前景。

关键词:高速磨削 动平衡 砂轮修整 精密高速磨削 高效深磨

Abstract:This paper introduced concept,advantages,key technical points,application and developing vistas of high2speed grinding technology.

K ey w ords:high2speed grinding dynamic balancing grinding wheel trim precision high2speed grind2 ing high2efficiency deep grinding

0　引言

人们一直对于提高磨削的砂轮速度所带来的技术优势和经济效益给予了充分的注意和重视。但是在高速磨削过程中,工件受热变形和表面烧伤等均限制了砂轮速度的进一步提高,砂轮强度和机床制造等关键技术也使得高速磨削技术在一段时间内进展缓慢。当20世纪90年代以德国高速磨床FS-126为主导的高速磨削(High-speed Grinding)技术取得了突破性进展后,人们意识到一个全新的磨削时代已经到来。

高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变,是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术,它集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术成就于一体。随着砂轮速度的提高,目前磨削去除率已猛增到了3000mm3/ mm・s甚至更多,可与车、铣、刨等切削加工相媲美,尤其近年来各种新兴硬脆材料(如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等)的广泛应用更推动了高速磨削技术的迅猛发展。日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会(CIRA)将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。

1　高速磨削的概念及优势

高速加工(High-speed Machining)概念首先由德国切削物理学家Card.J.Salomon于1931年提出,他发表了著名的Salomon曲线,创造性地预言了超越Taloy切削方程式的非切削工作区域的存在,提出如能大幅度提高切削速度,就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削,从而大幅度减少切削工时,成倍地提高机床生产率。这对今后高速磨削的发展有着非常重要的启示,对于高速磨削技术的实用化起到了直接的推动作用。

高速磨削与普通磨削相比具有以下突出的技术优势:

(1)　可大幅度提高磨削效率,减少设备使用台数。以往磨削仅适用于加工余量很小的精加工,磨削前须有粗加工工序和半精加工工序,需配有不同类型的机床。而高速磨削既可精加工又可粗加工,这样就可以大大减少机床种类,简化了工艺流程。

(2)　可以明显降低磨削力,提高零件的加工精度。高速磨削在材料切除率不变的条件下,可以降低单一磨粒的切削深度,从而减少磨削力,获得高质量的工件表面,尤其在加工刚度较低(如薄壁零件)的工件时,易于保证较高的加工精度。

(3)　成功地越过了磨削热沟的影响,工件表面层可获得残余压应力(这对工件受力有利)。

(4)　砂轮的磨削比显著提高,有利于实现自动化磨削。

(5)　能实现对硬脆材料(如工程陶瓷及光学玻璃等)的高质量加工。

2　高速磨削的关键技术

图1列出了高速磨削技术所需的各项相关技术,其中高速轴承和高速砂轮的设计和制造是影响高速磨削技术应用的最重要的因素

。

图1　高速磨削的各项相关技术

图2　电动主轴结构

2.1　高速主轴

2.1.1　滚珠轴承高速主轴

当前高速磨床上装备的主轴大多为滚珠轴承电动主轴。2所示,它由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。此外,主轴运转时,还须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。

高速主轴的轴承一般采用角接触滚珠轴承。近年来,开始采用混合轴承,它的内外圈由轴承钢制成,而滚珠由氮化硅陶瓷制成。与钢珠相比,陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、弹性模量比钢高、非磁性等优点。选用这种混合轴承可使其寿命提高3～6倍,极限转速增加60%,而温升降低35%～60%。

为了降低主轴发热,提高主轴的最高转速,新一代的高速电动主轴绝大多数均采用油气润滑。2.1.2　液体静压轴承高速主轴

液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度很

高,回转误差一般在0.2

μm 以下,因而不但可以提高砂轮的使用寿命,而且可以达到很高的加工

精度和很低的表面粗糙度。另外,静压轴承为了减少高速运转发热,轴径不宜过大,因而与滚珠轴承主轴相比,其径向刚度较低,但轴向刚度远超过滚珠轴承主轴。因此,选用何种轴承,必须根据具体应用要求来定。2.1.3　空气静压轴承高速主轴

气体静压轴承主轴的优点在于高回转精度(误差在50nm 以下)、高转速(可达105r/min )和低温升,因而它主要适用于对工件精度有较高要求的场合。惟一缺点是承载能力较低,不适合材料切除量较大的应用场合。此外它需要高清洁度的压缩空气,故使用及维修费用较高。2.1.4　磁浮轴承高速主轴

磁浮主轴的优点是高精度(回转误差小于0.2μm )、高转速(4×106r/min )和高刚度,缺点是不仅机械结构复杂,而且需要整套的传感器系统及控制电路,所以造价较高。另外,磁浮主轴还需有良好的冷却系统,否则由于较大的温升,会影响

工件的加工精度。

高速磨削所采用的砂轮由于制造和调整装夹等误差,在更换砂轮或者修整砂轮后,砂轮主轴必须进行动平衡。为此高速磨削主轴必须有连续自动动平衡系统,以便在磨削时将振动降低到最小程度,从而获得较高的加工精度。目前主要采用以下两类动平衡系统:机电动平衡系统及电液动平衡系统。

2.2　高速磨床结构

高速磨床除具有普通磨床的功能外,还需满足以下特殊要求:

●　尽可能组合多种磨削功能,实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序。

●　高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。

●　高度自动化和可靠的磨削过程。

图3是德国Schaudt公司生产的型号为CR41CBN的高速数控曲轴磨床。主轴箱装在十字滑台上,滑台的导轨为液体静压支承,以提高支承面的阻尼和刚性。滑台由液体静压丝杠驱动,以降低摩擦阻力和提高滑台的动态特性。工件轴由伺服电机驱动并装有精密角度编码测量系统,构成了数控的C轴。磨削主轴为电主轴,可进行无级变速。所用的砂轮磨料为立方氮化硼,磨削速度可达165m/s。在该磨床上加工曲轴时,曲轴毛坯不必经过车、铣等粗加工,经精锻或精铸后的曲轴坯件可以直接由磨削加工到最终尺寸。

图3　高速数控曲轴磨床结构

由于该磨床的X、Z和C轴为数控联动,因此可以大幅度地缩短磨削时间,并把辅助时间降低至最低程度。该机床采用先进的数字伺服驱动系统,可确保联动插补加工的形状精度和位置精度,并采用在线测量系统以保证各轴的尺寸精度。所加工的曲轴圆精度接近1μm,远低于设计要求的3μm。

2.3　高速磨削砂轮

高速磨削砂轮必须满足下列要求:

(1)　砂轮的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力;

(2)　高速磨削时的安全可靠性;

(3)　外观锋利;

(4)　结合剂必须具有很高的耐磨性,以减少砂轮的磨损。

高速磨削砂轮的设计必须考虑高转速时离心力的作用,并根据应用场合进行优化。

高速磨削砂轮的磨粒主要是立方氮化硼和金刚石,所用的结合剂有多孔陶瓷和电镀镍。随着对高速磨削的深入研究,新颖的磨粒和结合剂也不断地出现。瑞士Winterthur公司最近研制出一种新的立方氮化硼磨粒,它的基本形状是四面体,在磨削力强大到一定程度时会产生分裂,从而形成新的锋利的磨削刀。

电镀结合砂轮是高速磨削最为广泛采用的一种砂轮。砂轮表面只有一层磨粒,通过电镀的方式将磨粒粘在基体上。另外,电镀结合的砂轮磨粒的突出高度很大,能够容纳大量磨屑,对高速磨削十分有利。单层磨粒的电镀砂轮的生产成本较低,并可制成外形复杂的砂轮。