面向綠色制造的快速點磨削技術

  磨削加工是一種高效的切削加工方法，其加工精度高和能加工高硬度零件等優(yōu)點，有時是其他切削加工方法所不能替代的。由于加工時需要在砂輪和工件表面之間加人磨削液來起潤滑、冷卻和消塵作用，需要大量使用磨削液，廢液污染環(huán)境，而且磨料磨具本身的制造、磨料在加工中的消耗、磨削加工所造成能源及材料的消耗等都對環(huán)境和資源產(chǎn)生了嚴重的影響。面對人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要，實施綠色制造已經(jīng)勢在必行。近年來出現(xiàn)的快速點磨削技術(Qulck一poiniGrinding)特點鮮明，特別是磨削力極小，磨削溫度低，接近冷態(tài)加工，可實現(xiàn)少、無磨削液的干式或準干式加工，砂輪使用壽命長，符合綠色制造的發(fā)展趨勢。
1 快速點磨削的工作原理
    快速點磨削是由德國Jnuker公司于1949年開發(fā)的新型超高速磨削技術，集中了數(shù)控車削技術、CBN超硬磨料、超高速磨削等先進技術，具有高效率、高柔性、高精度、磨削溫度低、砂輪壽命長和工序集中的特點，主要用于軸類零件的加工。它采用超薄CBN或人造金剛石超硬磨料砂輪，是新一代數(shù)控車削和超高速磨削的極佳結(jié)合，是目前超高速磨削最先進的技術形式之一。
    快速點磨削工藝的工作原理：在磨削工件外圓時，砂輪與工件以點接觸進行磨削。砂輪對工件的磨削加工類似于一個微小的刀尖對工件的車削加工，磨削力和磨削熱都非常小，并且砂輪總是保持同一吃進狀態(tài)。砂輪的進給和磨削速度在磨削軸頸時可通過編制程序使其保持不變。而傳統(tǒng)的磨削方法，砂輪與工件是線接觸磨削，砂輪與工件的接觸時間長，磨削力和磨削熱都非常大，并且不能做到砂輪的進給和磨削速度在磨削軸頸時保持不變。
    數(shù)控快速點磨削時，要求砂輪軸線與工件軸線之間有一個微小擺角α(如土0.5°)。目的是使砂輪與工件間以一點接觸，在數(shù)控裝置控制下砂輪軸向精確進給，完成整個外圓表面的磨削。勇克公司開發(fā)的數(shù)控快速點磨機依靠可傾斜轉(zhuǎn)動的萬能磨削軸座，使砂輪軸線與工件軸線間有三種位置關系：位置1：擺角為0°，砂輪軸線與工件軸線平行并等高(砂輪中置)，這時可對工件的端面進行磨削，與傳統(tǒng)磨削方法相同；位置2：擺角為一5°(逆時針轉(zhuǎn)動)，砂輪軸線轉(zhuǎn)角后上移(砂輪上置)，使砂輪左端面與工件外圓的接觸點和工件軸線等高。砂輪從尾座頂尖向主軸頂尖方向進給磨削，可對工件外圓進行點磨；位置3：擺角為+5°(順時針轉(zhuǎn)動)，砂輪軸線轉(zhuǎn)角后下移(砂輪下置)。目的仍是使砂輪左端面與工件外圓的接觸點和工件軸線等高，砂輪從主軸頂尖向尾座頂尖方向進給磨削，同樣可對工件外圓進行點磨。
    兩個方向擺角的目的是根據(jù)被加工外圓表面的側(cè)面是否有干涉面(砂輪擺角使其端面可能與工件臺肩側(cè)面相碰)來進行選擇。擺角a(也稱點磨變量角)的大小要適當控制，太小，接觸點的面積將增大，會與傳統(tǒng)的磨削效果一樣；過大，砂輪接觸點磨削工件時在砂輪逐漸磨損后向砂輪中心截面處移動，會使工件的磨削半徑增加過大，影響工件的加工精度。
    數(shù)控快速點磨時要求進給精確，因此必須在數(shù)控裝置的控制下來進行。 
   目前快速點磨削工藝已在國外汽車工業(yè)、工具制造業(yè)中得到應用，我國一汽大眾汽車有限公司和上海大眾汽車有限公司已引進了這一工藝和設備，用于汽車發(fā)動機凸輪軸等軸類零件的加工，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。
2 快速點磨削的特點
    點磨削是利用超高線速度(120-205m/s)的單層CBN薄砂輪(寬度僅幾毫米)來實現(xiàn)的。點磨削主要有以下特點：
(1)在磨削工件外圓時，砂輪與工件軸線并不是始終處于平行狀態(tài)，而是在水平和垂直兩個方向旋轉(zhuǎn)一定角度，以實現(xiàn)砂輪和工件在理論上的點接觸，通過數(shù)控系統(tǒng)來控制這兩個方向的角度數(shù)值(點磨變量角)以及在X、Y的軌跡來實現(xiàn)對不同形狀表面的點磨加工；
(2)點磨削用提高磨削速度(砂輪速度可達90~160m/s)的方法來提高加工效率，而CBN磨料的高硬度、高耐磨性為提高磨削速度提供了可能，以這種速度磨削，切除率高、砂輪壽命長，同時切削時變形速度超過熱量傳導速度，大量變形能轉(zhuǎn)化成的熱量隨切屑被帶走，而來不及傳到工件和砂輪上，提高了加工精度和加工表面質(zhì)量，砂輪表面溫度幾乎不升高；
(3)快速點磨削砂輪采用超硬磨料CBN或人造金剛石超薄砂輪，厚度只有4~6mm，這可以降低砂輪的造價，提高砂輪制造質(zhì)量。薄砂輪還降低砂輪的重量和不平衡度，大大降低運轉(zhuǎn)時施加在軸上的離心力。同時砂輪壽命長(最長可使用一年)，修整頻率低(每次修整可磨削加工20萬件)；
(4)為減少砂輪與工件間的磨削接觸區(qū)，在加工時砂輪軸線在水平方向與工件軸線形成一定的傾角，這使砂輪與工件之間的接觸變成點接觸(這也是點磨削名稱的由來)。這樣減小了磨削接觸區(qū)的面積，不存在磨削封閉區(qū)，更利于磨削熱的散發(fā)；
(5)在磨削外圓時，材料去除主要是靠砂輪側(cè)邊完成，周邊僅起光磨作用。同時由于砂輪與工件間的磨削接觸區(qū)成點接觸，使磨削力大大減小，這實際上等于增加了機床的剛度，減小了磨削產(chǎn)生的振動，使磨削平穩(wěn)，同時提高了砂輪的壽命和加工質(zhì)量；
(6)Junker公司數(shù)控快速點磨削機床采用了多項專利技術，如砂輪三點定位安裝系統(tǒng)、砂輪主軸電平衡自動控制系統(tǒng)、精密導軌系統(tǒng)及砂輪在線修整系統(tǒng)等，以保證機床的加工性能。
3 面向綠色制造的快速點磨削
    綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標是使產(chǎn)品從設計、加工制造、使用到報廢的整個壽命周期中，對環(huán)境負面影響較小，資源利用率較高，并使經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)化。基于這一觀點，快速點磨削與一般磨削方法相比較，具有優(yōu)良的綠色特性：
(1)砂輪與工件處于點接觸狀態(tài)(接觸面積最小)，實際磨削速度更高，磨削力大大減小，比磨削能小。由于磨削力極小，工件安裝夾緊方便，甚至不用夾緊，因此被稱為“頂尖磨削”、“削皮磨削”。砂輪使用壽命長(最長可達1年)。Junker公司的點磨削機床磨削比超過1600，最高可達6000，修整率低(每次修整最多可加工20萬件)，并且采用快速安裝定位系統(tǒng)，砂輪安裝快速簡便，生產(chǎn)效率比普通磨削提高6倍。因此快速點磨工藝能有效節(jié)省加工時間和能源動力的消耗，也大幅度降低了超硬磨料資源的消耗；
(2)由于采用CNC兩坐標聯(lián)動實現(xiàn)復雜回轉(zhuǎn)體零件表面磨削，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，有更大的柔性。它還可以對淬硬鋼加工，使熱處理后的工件車、磨工序合并，更進一步提高了加工效率和零件位置精度。由于加工工序的簡化，減少了人力、物力及能源和資源的消耗，減少了加工成本，大幅度提高了制造工藝的綠色度；