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磨削技术的发展及关键技术

   日期:2020-01-31     来源:51水晶网    作者:www.51crystal.com    浏览:129    评论:0    
核心提示:磨削技术的发展及关键技术
 1 磨削技术发展概述

  一般来讲,按砂轮线速度Vs的高低将磨削分为普通磨削(Vs45 m/s)、高速磨削 (45≤Vs150 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 μm0.1 μm、表面粗糙度Ra0.2 μm0.1 μm)、超精密磨削(加工精度<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Vs250 m/ s350 m/s400 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。

  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/s1 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4560 m/s

  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19491998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025 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。

2 磨削的关键技术研究

  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:

2.1 磨削机理及磨削工艺的研究

  通过对磨削机理和磨削工艺的研究,揭示各种磨削过程、磨削现象的本质,找出其变化规律 ,例如,磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的形成过程、磨削烧伤、磨削 表面完整性等的影响因素和条件;不同工件材料(特别是难加工材料和特殊功能材料)和磨削 条件的最佳磨削参数;磨具的磨损,新型磨具材料的磨削性能等,只有通过磨削机理和磨 削工艺的研究,才能确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。

  对普通磨削而言,在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入的研究。在精密及超精密 磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面,针对不同的工程材料(如陶瓷和玻璃国 内外开展了一些研究,但还很不全面,尚未形成完整的理论体系,还需进行广泛的研究,找 出其内在的规律。可见,需要进一步研究的重点有,磨削过程、磨削现象(如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等)的研究;磨削工艺参数优化的研究;不同材料(常用材料)的磨削机理的研究;磨削过程的计算机模拟与仿真的研究。

2.2 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:大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发;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;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。

2.3 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,国内外都普遍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,最大位移距离为504 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/min,是原来的倍,加工效率提高34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:高速精密交流伺服系统及电机的研究;直线伺服电机的设计与应用的研究;高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究;高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究;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。

2.4 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80120 m/sCBN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:砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及其优化;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;新型磨料的制备工艺,如可使磨料容易产生新的切削刃;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;适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术。

2.5 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,国内外都有采用聚合物混凝土(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: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;砂轮动平衡技术的研究;磨削液过滤系统的研究;安全防护装置的设计制造技术的研究;精密自动跟刀架及支承件的研究。

2.6 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:新的、高效实用的砂轮修整技术及其装置;砂轮在线修整技术。

2.7 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:对环境不产生污染的冷却剂;新的冷却方法及冷却装置。

2.8 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,加强对砂轮磨损及破损、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。

  其关键技术有砂轮的磨损及破损的监控技术;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;精度高、可靠性好、实用性强的测试技术与仪器。

2.9 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,利用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。


 
 
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