磨削加工新技術的發展

拼搏人生

快速點磨削技術
7 e0 F; q1 O) R4 {, l% i! [% F　　德國Junker 公司十1994 年開發的快速點磨削(Quick-point Grinding )是一種新的高速/超高速磨削技術形式，具有高效率、高柔性、大批量生產及高質量穩定性。主要用于軸類零件加工。目前已在汽車工業、機床及工具制造業、紡織及印刷機械制造業中得到應用。應用該工藝可以通過一次裝夾幾乎實現軸類件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生產率。我國部分汽車制造企業目前也引進了這一工藝設備，并取得了明顯效益。由于國內目前沒有開展系統的理論和應用研究，不掌握其核心技術理論、工藝參數設計和編程技術，僅就單一零件加工由國外壟斷定制，全部工藝、設備和配套附件均依賴進口。而國外由于技術壟斷，對快速點磨削的相關技術信息也鮮見報道。作為教育部重點科學技術研究課題，東北大學從2004 年開始對快速點磨削關鍵技術及磨削機理開展了基礎性的理論與實驗研究，并研制開發了實驗機床和點磨削超薄CBN 砂輪(見圖1 和圖2)。
, h" K* f. |; E# M% F2 B  Y　　機床采用動靜壓主軸軸承，軸承工作壓力30MPa ，轉速達1500Or/min ，能夠實現點磨變量角度。和刀在給定范圍內變化，X-Z方向聯動進給，冷卻系統供液壓力2MPa 。
! w1 }1 x4 {# }5 m: A" Z　　3.1 快速點磨削的關鍵技術
　　
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/ a- Q/ W: K' B　　數控快速點磨削集成了數控車削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技術，可實現對多種形狀表面及多種材料的高性能加工。圖3 為點磨削加工凸輪軸。快速點磨削的磨削過程不同于一般意義上的超高速磨削，其技術特征如下：
+ |, e, u. i' C4 l: p5 n/ E" M　　(1)點磨削加工時，砂輪與工件軸線并不是始終處于平行狀態，而是在水平和垂直兩個方向偏轉α、β角度，以實現砂輪與工件理論上的“點接觸”, 最大限度減小砂輪與工件接觸面積和避免砂輪端面與工件臺肩發生干涉。接觸區放大后如圖4 陰影部分所示。
　　
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: }. m+ k7 {8 X: P　　點磨削以單向磨削為主，通過數控系統來控制這兩個方向的角變量數值，以及在X 、Z 方向采用與CNC 車削相類似的兩軸聯動數控進給，以實現對不同形狀表面的點磨加工。X 方向采用高精度靜壓圓柱導軌技術(圖5) ，以增加阻尼和穩定地實現微米級精確切人進給。Z方向(縱向)進給采用帶有預負載的滾珠絲杠和平面渾形涂層導軌。
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: J( U. n# o* B6 y, j　　(2)快速點磨削采用金屬結合劑超硬磨料(CBN 或人造金剛石)超薄砂輪，直徑一般為300～400mm ，寬度為4 ～6mm ，徑向磨料層厚度為5mm 。砂輪架、主軸箱和尾架的調整和安裝均采用Junker 公司專利技術“三點定位安裝系統”快速完成，重復定位精度高，砂輪徑向跳動精度可控制在0.OO2mm 以內，并可補償高速離心力作用下的砂輪孔徑漲大。如圖6 所示，更換頂尖時間小于2min ，更換砂輪時間小于2Omin 。為控制由于砂輪高速旋轉產生的振動，保證加工質量，在砂輪的每次修整和更換后都要進行動平衡。Junker 公司的點磨機床通過安裝在主軸端部的電子自動平衡系統自動完成砂輪在線動平衡。由于砂輪極薄，降低了砂輪重量和不平衡度，并使由砂輪高速旋轉在磨削區周圍產生的高壓空氣層對冷卻液的阻礙作用下降，同時也減少了高速砂輪的旋轉阻力，并且能磨削狹窄及斷面尺寸變化較大的型面閻。
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　　(3)砂輪速度可達90-16Om/s 。為獲得高磨除率，同時不使砂輪產生過大的離心力而發生破壞，工件也高速旋轉，并與砂輪轉向相同，通常在1000r / min 以上，最高可達12O00r /沒in 。因此接觸點處的實際磨削速度應是砂輪和工件兩者線速度的疊加，可達200m/s 以上，以實現更高應變率下材料的去除。
; ~1 S5 X( r+ s. C8 F8 b　　(4)與一般磨削方式不同，在磨削外圓時，砂輪磨損主要是在端面沿橫向發生，而沿徑向磨損很小。實際應用中一般根據砂輪耐用度(加工工件的數量)或磨損狀態(砂輪橫向磨損寬度是否達到規定值)，通過與工件同軸線安裝的金剛石滾輪和油石直接在機床上完成在線修整。修整時，主要是將砂輪在寬度方向磨損后剩存且已經鈍化的一層磨粒由金剛石滾輪切除，恢復砂輪圓柱表面形狀，再用油石修銳。直到砂輪磨粒徑向厚度層全部修整去除，砂輪達到使用壽命。一汽大眾汽車有限公司引進快速點磨削技術磨削發動機凸輪軸軸徑，采用厚度為5mm 的金屬結合劑CBN 砂輪，砂輪修整一次可磨削工件3000 件，每片砂輪可修整20 次[6]
' o* t# z" {' m3 @- K　　(5)使用高速低粘度磨削油噴注進行冷卻，供液壓力一般為1～2MPa ，采用如圖4 所示的雙噴嘴噴注方式。由于高速旋轉砂輪將磨削油甩成油霧，加工必須在封閉環境中自動進行，并需配有吸排風系統、高效率磨屑分離與油氣分離裝置。
　　3.2 快速點磨削技術的應用效果
　　快速點磨削的磨削溫度低，可實現少、無磨削液加工，能夠達到高精度磨削的表面質量和加工精度;由于磨削力極小，用頂尖產生的摩擦力即可帶動工件，特別適合剛性較差的細長軸加工，可進行包括工件兩端在內的整體加工;快速點磨削砂輪使用壽命相當長，最高磨削比可達60000 ，成為半永久性工具，每次修整最多可加工上萬個工件，生產效率比普通磨削提高6 倍，機床利用率高達88 %一95 % , 比傳統磨削方法高出3%一8 % ;快速點磨削砂輪的形狀精度保持性極好，保證了大批量生產中極高的質量穩定性;一次安裝后可完成外圓、錐面、曲面、螺紋、臺肩和溝槽等所有外形的加工，具有更大的柔性和更高的生產率。還可以實現車磨工序合并。我國汽車制造企業用快速點磨削技術加工凸輪軸，只需一臺機床即可完成凸輪軸軸頸的全部加工，運行成本降低70%一80% ，加工精度在H6 級以上，表面粗糙度值低于0.8 µm