高速磨削的技术关键

高速磨削的技术关键

1.高速主轴

高速磨削时对砂轮主轴的基本要求与高速铣削时相似，各种主轴的类型、构造及其优缺点

与高速铣不同之处在于砂轮直径一般大于铣刀的直径。由于制造和调整装交等误差，更换砂轮或者修整砂轮后甚至在停车后重新起动时，砂轮主轴必须进行动态平衡。所以高速磨削主轴须有连续自动动平衡系统，以便能把由动不平衡引起的振动降低到最小程度，保证获得低的工件表面粗糙度。

目前市场上有许多不同的动平衡系统产品，主要有下列两类：机电动平衡系统和电液动平衡系统。

（1）机电动平衡系统如图38所示，它由两块内装电子驱动元件并可在轴上相对转动的平衡重块3，紧固法兰2和信号无线传输单元1组成。整个平衡系统构成一个完整的部件，装在磨床主轴4内，如图39所示。进行动平衡时，主轴的动不平衡振幅值由振动传感器测出，动不平衡的相位则通过装在转子内的电子元件测量。相应的电子控制信号驱动两平衡块1作相对转动，从而达到平衡的目的。这种平衡装置的精度很高，平衡后的主轴残余振动幅值可控制在0.1～1μm。该系统的平衡块在断电时仍保持在原位置上不动，所以停机后重新起动时主轴的平衡状态不会发生变化。

电液平衡系统的原理如图40所示，振动传感器装在主轴箱上，带有喷口的法兰装在主轴端部，一个具有三个或四个空腔的平衡环固定在转子上。进行平衡时，控制系统根据振动不平衡的幅值和相位向相应的空腔喷射液体。该液体一般为磨削用的冷却润滑液，万一空腔有泄漏也不会影响机床正常工作。主轴停止转动后，喷入空腔的液体仍然保留在原来的地方，主轴重新起动时，平衡状态不会发生变化。为了维持主轴和砂轮一直处于最佳平衡状态，则可启动自动平衡程序，对主轴进行连续自动平衡。

图38 机电动平衡系统

1—信号无线输送单元 2—紧固法兰3—内装电子驱动元件的平衡重块4—磨床主轴

图39 装有机电动平衡系统的砂轮主轴

图40 电液支平衡系统

1—法兰盘 2—砂轮 3—对中法兰 4—SK40锥柄 5—四腔平衡环

6—电压式振动传感器 7—喷嘴 8—带有喷射系统的法兰 9—高频磨轴

???? 高速磨削的另一个特点是主轴功率损失随转速的提高呈超线性增长，如图41所示。当切削速度由80m/s提高到180m/s时，主轴的无功功率从不到20%增至90%以上；构成无功功率的三个分

量中，由冷却润滑液引起的损耗占最大比重。主要原因在于提高切削速度时，砂轮与冷却润滑液之间的摩擦急剧加大，另外把冷却润滑液的质量加速到更高的速度也需安消耗能量。由于高速范围内电机驱动是以恒功率方式工作，因而当主轴转速提高时，主轴的输出转矩相应减少。同时主轴的无功功率急剧增加，使主轴可用的切削转矩大幅度减少。因此，在提高主轴转速时，必须考虑主轴是否还有足够的转矩用于切削。换言之，主轴功率不高时，即使提高主轴转速也不能提高材料切除率。为此必须设法降低无功功率。实验证明，无功功率不但与转速有关，而且还与砂轮的直径有关。图42是用不同砂轮直径时，各种切削速度下的无功功率。当切削速度为400m/s时，若采用直径为350mm 的砂轮，无功功率损耗为17kW，而用直径为275mm的砂轮，功率损耗可降至13.5kW。也就是说，采用较小的砂轮时，可以有更多份额的功率用于磨削过程。图41 磨床主轴无功功率与磨削速度的关系图42不同主轴直径d s下无功功率与主轴转速的关系

2.高速磨床结构

高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，还须满足如下的特殊要求：

1）尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成全部的磨削工序。

2）高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。

3）高度自动化和可靠的磨削过程。

提高生产率一般有两种途径：一是降低切削过程的时间；二是缩短辅助时间。在工件形比较简单且加工步骤较少时，提高切削速度，减少切削时间是一种十分有效的措施。但当工件形状复杂，加工步骤很多时，除了减少切削时间外，还须缩短辅助时间才能达到提高生产率的目的。

图43案是德国Schaudt公司生产的高速曲轴磨床（型号CR41CBN）。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。磨床主轴为电主轴，可进行无级变速。所用的砂轮磨料为立方氮化硼，切削速度可达165/s。在该磨床上加工曲轴时，曲轴毛坯不必进行车、铣等粗加工，精锻或精铸后的曲轴坯可直接由磨削加工到最终尺寸。

图43 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，故加工连杆轴颈时，只需由X和C轴联动插补即可，而不必像普通磨床那样，磨削连杆轴颈时需把曲轴装夹在偏心夹具上，在加工不同方位曲拐时，只需主轴箱在Z向作相应移动，而不需要重新更换夹具或移至其他有相应夹具的磨床上去加工。因此采用高性能的曲轴磨床可大幅度地缩短切削时间，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，以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颈的尺寸精度。图44为在该机床上加工的曲轴圆度误差，精度接近1μm，远低于一般设计要求的3μm。

图44高速磨床加工的曲轴精度

图45是德国Jung公司生产的高速平面磨床，它的基本结构与普通平面磨床相似，所不同的是切削速度可达125m/s，工作台的往复运动可达到1000st/min。此种机床特别适合于加工精度要求很高的较薄的工件。因为薄工件易变形，故需减少磨削力。提高磨削速度是一种有效的方法，但磨削速度不可能无限制提高，它受功率损失和振动的制约。图中的机床工作台由直线电机驱动，其往复的切入深度相应减少，从而减少了磨削力，也有利于控制工件的尺寸精度。

3.高速磨削砂轮

高速磨削砂轮必须满足下列要求：

l）砂轮基体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。也就是说，磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑。

4）结合剂必须具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损。

高速磨削砂轮的基体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。为了提高砂轮的通用化程度，必须统一砂轮与法兰的连接部位的形状和尺寸，并根据强度要求进行优化。

图46是砂轮基体的一个有限元在高速旋转时的受力状况。基体内各点的应力和应变可通过数值方法进行计算。根据基体的强度要求，它在旋转时的径向和切向的应力尽可能相等，以此找出基本的最佳轮廓。德国亚深大学的Konig教授在1990年对切削速度为500m/s时的砂轮基体最佳形状进行了探讨，并对一个外径350mm，边厚5mm的基体进行了分析计算。经数值优化的砂轮基体与普通的带有法兰孔的砂轮相比，法兰孔附近的应力可降低到25%，基体边缘的应变降低到35%。

图 45 工作台用直线电机驱动的高速平面磨床