高速磨削高速磨削是国内外正在大力研究并逐步推广的一种先进的机械加工方法 , 它是近代磨削加工技术发展的一种新工艺 , 与普通磨削相比 , 其优点是能够大大提高被加工工件的精度 , 降低零件表面粗糙度。
随着科学技术的不断进步和发展 , 对零件的加工精度和生产率提出了更高的要求 , 高速磨削技术更加显示出它的重要性。
1 国外高速磨削技术的现状与发展趋势早在上世纪 50年代 , 国外就已经开始研究高速磨削 , 到 60年代 , 许多国家在高速磨削方面的研究更加得到普遍重视 , 并取得了许多成功经验 , 如日本京都大学工学部冈村健二郎教授首先提出了高效磨削理论 , 当时在日本也是盛行一时。
德国阿亨大学Optiz教授系统地发表了 60m /s高速磨削的实验结果。
在 70年代 , 高速磨削在许多工业国家迅速发展 , 60m /s以上高速磨床品种超过 50种 , 少数磨床磨削速度达到 125m /s, 到了 80年代 , 许多国家继续在提高磨削速度上进行努力 , 但是高速磨削并未按原先预料的情况发展 , 它受到许多条件的制约 , 如受到机床结构、动态特性、砂轮速度及磨料耐磨性等的限制 , 实际上在这个时期磨削速度的提高也受到了一定的限制。
近年来 , 高速磨削加工技术又有了很大发展 , 主要表现在以下几个方面 :(1)高速磨削机理方面。
在越过能产生磨削热损伤的国限带之后 , 磨削用量进一步加大不仅不会使热损伤加剧 , 反而会使其不再发生。
这一发现 , 开拓出一个广阔的高速磨削参数领域 , 为实现超高速的磨削提供了理论基础 , 加上人造金刚石和立方氮化硼在砂轮制造中的大量应用 , 高速磨削得以再度兴起 , 并实现了线速度高于普通磨削 5 - 6倍甚至更高的超高速磨削。
(2)高速磨削的有利环节。
继喷雾润滑轴承和空气润滑轴承之后 , 利用磁力承受负荷的磁悬浮轴承已进入实用阶段 , 它的转速可以在主轴强度所能承受的限度内任意提高。
砂轮自动平衡技术得到进一步发展 , 现已研制出全自动砂轮平衡系统。
在高压冷却系统方面 , 国外不少厂家生产的高速磨床都装有高压冷却喷嘴和高压清洗喷嘴、油雾分离装置、油温冷却装置等。
90年代 , 市场上已出现了磨削速度为 80 ～ 140m /s的磨床 , 实验室磨削速度已经达到250m /s。
(3)磨削速度。
今年以来 ,由于应用了可承受高回转速度的钢合金基体单层电镀 CBN 砂轮和磁悬浮主轴轴承,使得磨削速度有了很大的提高。
在德国高速磨削技术发展迅速,其研究成果将高速磨削技术推向一个高水平。
同时 , 美国、日本和欧洲的一些国家也在大力发展高速磨削技术。
德国 DAPP公司生产出的高速缓进给磨床主轴转速达 6 ×104r /m in砂轮线速度 250m /s;德国阿亨大学正在积极开展研究 500m /s超高速磨削。
2 国内高速磨削技术的发展我国高速磨削技术的研究起步较晚 , 与国外有较大的差距。
自1958年开始推广高速磨削技术 , 当时第一汽车厂、第一砂轮厂等相继试验成功 50m /s 高速砂轮 , 并进行磨削试验。
1964年 , 郑州磨料磨具磨削研究所和洛阳拖拉机厂合作进行 50m /s高速磨削试验 , 在机床改装和工艺等方面获得一定效果。
1975年 ,河南省南阳机床厂试制成功MS1332型80m/s高速外圆磨床 , 至1977年 , 全国已有 17个省市 770台磨床采用 50m /s高速磨削技术,湖南大学已在实验室内成功地对 100m /s和 120m /s高速磨削进行试验。
目前 , 实验室磨削速度已达 150m /s左右。
在高速磨削机床方面 , 我国与国外的主要差距在于机床的关键功能部件的研究开发落后于市场需求 ,如转速 2000 r /m in以上的大功率刚性主轴 , 无刷环形扭矩电机 , 大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未完全掌握。
在高速磨削砂轮材料方面我国已取得了很大的发展 , 特别是人造金刚石、立方氮化硼砂轮在磨削中的推广应用 , 使得高速磨削技术有了新的发展 , 并逐步和其它高效磨削技术相结合于一体。
3 高速磨削技术的发展趋势由于对高速磨削极限的研究取得突破性进展 , 高速磁悬浮轴承开始进入实用阶段 , 高回转强度的超硬磨料磨具日益普及,主轴系统在先平衡技术不断完善,使高速磨削加工技术必将迈上一个新台阶 ,从磨削速度上看,这是一个人们一直追求的目标。
可以相信,亚音速乃至超音速磨削已经不会太遥远了。
同时高速磨削也必将与其它各种磨削技术相结合。
作为先进制造技术的一项全新实用技术,高速磨削技术将继续克服当前存在的某些技术障碍 ,得到更快的发展,体现在以下几个主要方面 :(1)在高速机床领域具有小质量、大功率的高转速主轴 ,与其配套的高速轴承技术、高速电机技术、高速主轴的润滑系统 ,及监控技术等将随之快速发展。
(2)磨削砂轮方面也将随着高速磨削技术发展的需要得到新的发展。
(3)高速磨削机理的理论研究、仿真研究和虚拟研究等工作将得到进一步深入开展,高速磨削过程的物理本质与变化规律将被进一步弄清。
4高速磨削相关技术分析我国的高速磨削技术与国外相比尚有较大距,其主要原因是我国高速磨削相关技术不能满足更高线速度的要求。
4.1高速主轴系统高速主轴系统是高速磨削技术最重要的关键技术之一,目前主轴转速在15000～30000r/min的加工中心越来越普及,更高的超高速主轴系统也正在研制开发中。
高速主轴由于转速极高,主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形,高速运转磨擦热和大功率内装电机产生的热会产生高温和热变形。
因此对主轴的结构重量、刚性、热稳定性及主轴监测系统等方面提出了更高的要求。
高速主轴系统的核心是高速精密轴承。
因滚动轴承有很多优点,故目前国外大多数高速磨床采用的是滚动轴承。
为了提高极限转速,主要采取如下措施:第一,提高制造精度等级,但这样会使轴承价格成倍增长。
第二,合理选择材料,如利用陶瓷材料作滚动体,但缺点是制造难度大、成本高、热膨胀系数小,对拉伸应力和缺口应力较感。
第三,改进轴承结构,德国FAG轴承公司开发了HS70和HS719系列的新型高速主轴轴承,它将现有的球直径约缩小至70%,增加了球数,从而提高了轴承结构的刚性,若润滑合理,其连续工作dn值可达250万。
采用空心滚动体可减少滚动体质量,从而减少离心力和陀螺力矩。
为减少外圈所受的应力,还可以使用拱形球轴承,高速旋转时,球与外圈两点接触。
由于应力分散,轴承寿命可大大提高。
高速磨削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承。
润滑和散热等新技术,目前高速主轴主要采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承,空气轴承和液体动静压轴承等,主轴轴承的润滑对主轴转速的提高起着重要作用,高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。
近年来 , 随着液体动静压混合轴承的出现与发展 , 它在高速精密磨床中的应用也受到人们关注。
若合理选择有关参数可使轴承在零速到最大转速 , 以及在最小到最大偏心范围内 ,都有较大的承载能力,这是其它轴承所不能比拟的。
4. 2 磨料磨具应用方面作为高速磨削用砂轮,应具有高强度、高抗冲击强度、耐热性、微破碎性、杂质含量低等优点。
金刚石和立方氮化硼 (CBN )磨料因其独特的优异性能被制成各种磨具和切削工具 ,在各种材料的加工中得到了广泛的应用。
同时超硬磨料磨具以耐用度高和性能保持好等优点 , 而成为CNC 磨床和磨削加工中心的必备工具。
在钢基轮盘上镀附单层超硬磨料的砂轮不仅是适应高速磨削的唯一磨具 , 还是解决高精度复杂形状成型磨削的有效途径。
金刚石和 CBN 等超硬磨料的使用大大推进了高速磨削技术的发展。
因此 , 从世界磨床发展趋势看 , 金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮在磨削中占有越来越大的比重。
上世纪 90年代 , 陶瓷或树脂结合剂 CBN 砂轮、金刚石砂轮线速度可达 125m /s, 有的可达 150 m /s, 而单层电镀 CBN砂轮的线速度可达 250 m /s左右 , 因此它是很有发展前途的。
金刚石除被用于制造磨具而在硬脆材料的高效磨削加工中得到了普遍的应用外,金刚石修整滚轮的发展应用,也对高效磨削技术进步起了极大的推动作用。
在高速磨削技术中金刚石滚轮的应用正稳步增长。
当前 CBN 砂轮的应用在某些工业化国家中已进入普及阶段 , 即已从工具行业推广到其它金属加工行业 ;从一般磨削发展到缓进给磨削、高精度磨削和高速磨削。
目前 , 日本汽车行业的曲轴和曲轴销已全部采用CBN 砂轮加工 , 在日本工具制造厂的磨削加工车间已很难见到普通磨料的使用。
4. 3 润滑冷却技术润滑冷却技术也是高速磨削的另一个关键技术,针对滚动轴承而言,润滑方法包括油脂润滑、油气润滑、喷注润滑和环下润滑。
冷却液多采用非水溶性油剂,对于因高速磨削造成的油雾应加以分离,混杂在磨削中的磨屑要可靠过滤,磨削液还要经过冷却处理。
为改善主轴系统的热特性,一般采用轴承水冷与轴心水冷的“双水冷却”方法。
试验表明,工作端的热位移比无冷却状态降低70%以上。
4.4高速磨削的安全防护与实时监控系统从总体上看,高速磨削加工的安全保障包括以下几方面:(1)机床操作者及机床周围现场人员的安全保障。
(2)避免机床、刀具、砂轮和工件有关设施的损伤。
(3)识别和避免可能引起重大事故的工况。
机床及磨削过程的监测包括:磨削力监测以控制砂轮磨损;机床功率监测可间接获得砂轮磨损信息;主轴转轴监测;砂轮破损监测;主轴轴承状况监测等。
高效磨削时磨削热问题的研究*1为使产生的磨削热最小 ,应力求磨削比能最小。
因此高效磨削只着眼于利用砂轮在高速下的动态锋利效应来降低磨削比显然是不够的。
因为除了速度因素以外 ,诸如砂轮结构 (开槽与否 )、工作面地貌以及用量组合条件等都可对磨削比能产生显著影响。
根据不同加工要求优化磨具工作面地貌以及根据优化后的地貌进一步优化用量的组合条件 ,可以明显提高磨具的锋利度 ,大幅度降低磨削比能。
国外静电植砂的高效砂带磨被公认是实施这一对策取得成功的范例 ,但在高效砂轮磨削中却见不到运用这一对策的研究报告。
因此,研制单层钎焊超硬磨料砂轮就成为一个重要的发展方向。
目前国内使用的单层超硬磨料砂轮无一例外都是电镀而成 ,有关单层高温钎焊超硬磨料砂轮的设计和研制至今仍是空白。
电镀砂轮上的镀层金属并不是磨具行业严格意义上的结合剂 ,在镀层金属与基体和磨料的界面上由于不存在牢固的冶金化学结合 ,磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中,因而把持力不大 ,在负荷较重的高效磨削作业中 ,砂轮容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。
另外也正因为不存在牢固的冶金化学结合 ,为了增加把持力,就必须增加镀层厚度 ,减少磨粒的出露高度 ,这又带来容屑空间变小、砂轮容易发生堵塞的弊端。
