高速超高速磨削技术的应用

 

      高效深磨技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100-250m/s)、高进给速(0.5-10 m/min) 和大切深(0.1-30mm) 为一体的高效率磨削技术. 高效深磨概念是由德国Bremen 大学Werner 教授于1980年创立. 目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位.高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合. 与普通磨削不同的是高效深磨可以通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率( 磨除率比普通磨削高100-1000倍)，表面质量也可达到普通磨削水平. 高效深切磨削工艺开始是使用树脂结合剂氧化铝砂轮，以80-100 m/ s的高速来进行钻头螺旋沟槽的深磨. 由于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度，生产效率大幅度提高. 后来又进一步在CBN 砂轮基础上开发出200-300m/s的超高速深磨磨床.

      高效深切磨削具有加工时间短( 一般为0. 1-10 s) 、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备超高速磨削技术要求外，还要求机床具有高的刚度. 一般高效深磨要求机床主轴驱动功率比缓进给磨削大3-6倍. 如用400mm砂轮至少需要50kW的功率.

 

      提高砂轮速度有助于减少磨削表面粗糙度，可实现高效率超高速精密磨削. 超高速外圆磨削是使用150-200m/s及以上的砂轮周速和CBN砂轮，配以高性能CNC 系统和高精度微进给机构，对主轴、曲轴等零件外圆回转表面进行超高速精密磨削加工的方法. 它既能够保证高的加工精度，又可获得高的加工效率.

      这一技术在日本已成功应用于汽车工业部门. 例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC 超高速外圆磨床来磨削加工余量达5 mm 的球墨铸铁凸轮轴，比磨除率可达174mm³/ (s﹒mm) ，砂轮磨削比可达33500. 以表面粗糙度Rz=3微米为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转. 丰田工机GZ0型CNC 超高速外圆磨床装备了Toyo da State Bearing 轴承，用200m/s的薄片CBN 砂轮对回转体零件进行一次性纵向轨迹磨削完成整个工件的柔性加工.这些对生产管理和降低成本均具有重要意义. 德国Guhring Automation 公司RB625 超高速外圆磨床上，使用CBN 砂轮，也可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2kg金属.超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度.

 

      快速点磨削( Quick-point Grinding) 是由德国Junker 公司Erwin Junker 先生于1994 年开发并取得专利的一种先进的超高速磨削技术. 它集成了超高速磨削、CBN超硬磨料及CNC 柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展. 该工艺主要用于轴、盘类零件加工.其CBN 或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以超高速度磨削，可以合并车磨工序. 它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，成为超高速磨削的主要技术形式之一.

      德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位. 目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用，尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等.这些零件大都包括入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率.

      快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下:

      ①快速点磨削通过数控系统控制砂轮轴线在垂直方向与工件轴线的偏角为±0.5°，在水平方向根据工件母线特征在0-30°范围内变化，最大限度减小砂轮/工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩干涉. 砂轮动平衡可在机自动完成，径向跳动精度在0.002 mm 内.

      ②快速点磨削采用厚度为4-6 mm 的超硬磨料薄砂轮，并采用”三点定位安装系统”专利技术快速安装，重复定位精度高，并可解决离心力造成的涨孔问题.

      ③为获得高磨除率和不使砂轮产生过大离心力，工件也作高速相对旋转(最高可达12000 r/min) ，实际磨削速度是砂轮和工件两者速度的叠加达到200-250m/s.

       ④磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完成，而周边仅起光磨作用. 因此，砂轮圆周磨损极慢，使用寿命长( 最长可达1年) ，磨削比可达16000-60000，一片”快速点磨”砂轮可磨去数吨钢，砂轮修整率低(每次修整可加工2×10⁵个零件) ，生产效率比普通磨削提高6倍.

       ⑤装有两坐标数控金刚石滚轮修整器，在砂轮宽度方向磨损达10% 以上时自动精确修整，避免过早修整以控制成本.

       ⑥砂轮与工件接触面积小，磨削力大大降低、磨削热少，同时砂轮薄、冷却效果好，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现 冷态!加工，提高了加工精度和表面质量.

      ⑦由于磨削力极小，靠顶尖摩擦力即能使方便夹紧工件，被称为”顶尖磨削”和”削皮磨削”.

      ⑧由于采用CNC 实现复杂表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工. 它还可以使车磨工序合并，进一步提高加工效率.

      ⑨使用高速磨削油喷注进行冷却. 由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元.

用快速点磨削方法磨削主轴，装夹一次可完成外圆、轴肩、沟槽和紧固螺纹4个部位的磨削;磨凸轮轴，装夹一次可完成轴颈、止推面肩部和端部外径3个部位的全部磨削，尺寸精度达到IT6，Ra≤0. 8微米，周期时间150s，与传统工艺比较，大大节约了成本.

      随着现代高科学技术及产业化发展，工程陶瓷、功能陶瓷、单晶硅、红蓝宝石和光学玻璃等硬脆材料获得日益广泛的应用. 用超硬磨料在高速或超高速条件下对硬脆材料进行磨削加工已成为几乎唯一的加工手段. 在普通磨削条件下，磨粒浸入工件较深，磨屑主要料脆性断裂形式完成. 超高速磨削单位时间内参加磨削的磨粒数大大增加，单个磨粒的切削厚度极薄，容易使陶瓷、玻璃等硬脆材料以塑性变形形式产生磨屑，大大提高磨削表面质量和效率. 因此超高速磨削能实现对硬脆材料的延性域磨削. 例如，在采用金刚石砂轮以160 m/ s 的磨削速度磨削氮化硅陶瓷，其磨削效率比80 m/ s 提高一倍，砂轮寿命为80 m/ s 和30m/ s 时的1.56倍和7倍.并且可获得良好的表面质量.

      镍基耐热合金、钛合金、高温合金、高强度合金钢等难磨材料在普通磨削条件下的磨削加工性极差. 磨削时砂轮钝化迅速、磨削温度高、表面质量差. 而在超高速磨削条件下，磨屑变形速度接近静态塑性变形应力波传播速度，材料变形应变率极高，塑性变形滞后，相当于材料塑性减小，降低了加工硬化倾向、表面粗糙度数值和残余应力，从而可实现延性材料的”脆性”加工. 例如用200 m/s 磨削纯铝时，工件表层硬度为50 HV，表面粗糙度Ra2.2微米; 磨削速度为280 m/s 时，工件表层硬度为45 HV，Ra 1.8m.可见，当磨削速度大于200 m/ s( 纯铝静态应力波的传播速度约为200 m/ s) 时，加工硬化及表面粗糙度数值下降，表面质量提高. 所以，在超高速磨削条件下，硬、脆、高韧性、高塑性材料也可以获得良好的磨削加工性能. 在42届国际生产工程研究学会年会的磨削委员会主题报告中就明确指出，对耐热合金、铝合金难加工材料的高性能加工应是超高速磨削技术的重要应用领域.