高速磨削的技術(shù)關(guān)鍵

 1. 高速主軸
    高速磨削時對砂輪主軸的基本要求與高速銑削時相似，各種主軸的類型、結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點缺點可參見“高速切削的技術(shù)關(guān)鍵”的“高速主軸”。
    與高速銑不同之處在于直徑一般大于銑刀的直徑。由于制造和調(diào)整裝夾等誤差，更換砂輪或者修整砂輪后甚至在停車后重新起動時，砂輪主軸必須進行動態(tài)平衡。所以高速磨削主軸須有連續(xù)自動動平衡系統(tǒng)，以便能把由動不平衡引起的振動降低到最小程度、保證獲得低的工件表面粗糙度。
    目前市場上有許多不同的動平衡系統(tǒng)產(chǎn)品，主要有下列兩類：機電動平衡系統(tǒng)和電波動平衡系統(tǒng)。

（1）機電動平衡系統(tǒng)如圖1所示，它由兩塊內(nèi)裝電子驅(qū)動元件并可在軸上相對轉(zhuǎn)動的平衡重塊3，緊固法蘭2和信號無線傳輸單元1組成。整個平衡系統(tǒng)構(gòu)成一個完整的部件，裝在磨床主軸4內(nèi)，如圖2所示。進行動平衡時，主軸的動不平衡振幅值由振動傳感器測出，動不平衡的相位則通過裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)的電子元件測量。相應(yīng)的電子控制信號驅(qū)動兩平衡塊1作相對轉(zhuǎn)動，從而達到平衡的目的。這種平衡裝置的精度很高，平衡后的主軸殘余振動幅值可控制在0.1～lμm。該系統(tǒng)的平衡塊在斷電時仍保持在原位置上不動，所以停機后重新起動時主軸的平衡狀態(tài)不會發(fā)生變化。

 

電液平衡系統(tǒng)的原理如圖3所示，振動傳感器裝在主軸箱上，帶有噴口的法蘭裝在主軸端部，一個具有三個或四個空腔的平衡環(huán)固定在轉(zhuǎn)子上。進行平衡時，控制系統(tǒng)根據(jù)振動不平衡的幅值和相位向相應(yīng)的空腔噴射液體。該液體一般為磨削用的冷卻潤滑液，萬一空腔有泄漏也不會影響機床正常工作。主軸停止轉(zhuǎn)動后，噴入空腔的液體仍然保留在原來的地方，主軸重新起動時，平衡狀態(tài)不會發(fā)生變化。為了維持主軸和砂輪一直處于最佳平衡狀態(tài)，則可啟動自動平衡程序，對主軸進行連續(xù)啟動平衡。

 

高速磨制的另一個特點是主軸功率損失隨轉(zhuǎn)速的提高呈超線性增長，如圖4所示。當切削速度由80m/s提高到180m/s時，主軸的無功功率從不到20％增至90％以上。構(gòu)成無功功率的三個分量中，由冷卻潤滑液引起的損耗占最大比重。主要原因在于提高切削速度時，砂輪與冷卻潤滑滾之間的摩擦急劇加大，另外把冷卻潤滑液的質(zhì)量加速到更高的速度也需要消耗能量。由于高速范圍內(nèi)電機驅(qū)動是以恒功率方式工作，因而當主軸轉(zhuǎn)速提高時。主軸的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少。同時主軸的無功功率急劇增加，使主軸可用的切削轉(zhuǎn)矩大幅度減少。因此，在提高主軸轉(zhuǎn)速時，必須考慮主軸是否還有足夠的轉(zhuǎn)矩用于切削。換言之，主軸功率不高時，即使提高主軸轉(zhuǎn)速也不能提高材料切除率。為此必須設(shè)法降低無功功率。實驗證明，無功功率不但與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且還與砂輪的直徑有關(guān)。圖5是用不同砂輪直徑時，各種切削速度下的無功功率。當切削速度為400m／s時，若采用直徑為350mm的砂輪，無功功率損耗為17kW，而用直徑為275mm的砂輪，功率損耗可降至13.5kW。也就是說，采用較小的砂輪時，可以有更多份額的功率用于磨削過程。

 磨床結(jié)構(gòu) 
    高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，還須滿足如下的特殊要求：
l）盡可能組合多種磨削功能，實現(xiàn)在一臺磨床上能完成全部的磨削工序。
2）高動態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性。
3）高度自動化和可靠的磨削過程。
    提高生產(chǎn)率一般有兩種途徑：一是降低切削過程的時間；二是縮短輔助時間。在工件形狀比較簡單且加工步驟較少時，提高切削速度，減少切削時間是一種十分有效的措施。但當工件形狀復(fù)雜，加工步驟很多時，除了減少切削時間外，還須縮短輔助時間才能達到提高生產(chǎn)率的目的。
    圖6是德國Schaudt公司生產(chǎn)的高速曲軸磨床（型號CR41CBN）。主軸箱裝在十字滑臺上，滑臺的導(dǎo)軌為液體靜壓支承，以提高支承面的阻尼和剛性�；�臺由液體靜壓絲杠驅(qū)動，以降低摩擦阻力和提高滑臺的動態(tài)特性。工件軸由伺服電機驅(qū)動并裝有精密角度編碼測量系統(tǒng)，構(gòu)成了數(shù)控的C軸。磨床主軸為電主軸，可進行無級變速。所用的砂輪磨料為立方氮化硼，切削速度可達165m／s。在該磨床上加工曲軸時，曲軸毛坯不必進行車、銑等粗加工，精鍛或精鑄后的曲軸坯件可直接由磨削加工到最終尺寸。

2．高速

 

由于該

 

圖8是德國Jung公司生產(chǎn)的高速平面

 

3. 高速磨削砂輪

 

圖10是優(yōu)化后的砂輪基體外形，優(yōu)化的部位有法蘭接合部，基體輪廓和螺釘孔的數(shù)量與分布。優(yōu)化的基體沒有單獨的大的法蘭孔，而是用多個小的螺孔代替，以充分降低基體在法蘭孔附近的應(yīng)力�；�體外緣的尺寸則主要根據(jù)應(yīng)用場合而定。除了機械強度外，還必須考慮砂輪曲軸向剛度。

 

    高速磨削砂輪的磨粒主要是立方氮化硼和金剛石，所用的結(jié)合劑有多孔陶瓷和電鍍鎳。隨著高速磨削的進一步推廣和科研的深入，新型的磨粒和結(jié)合劑也在不斷地出現(xiàn)。
    普通的立方氮化硼砂輪的磨粒多為結(jié)實的八面體，磨削過程中，磨粒的形狀保持不變。由于磨粒磨損導(dǎo)致磨粒與工件的接觸面增大，從而使磨削力不斷增加，最后導(dǎo)致必須進行修整。瑞士的Winterthur公司最近研制出一種新的立方氮化硼磨粒，它的基本形狀是四面體，在磨削力增大到一定程度時會產(chǎn)生分裂，從而形成新的鋒利的切削刃。這種磨粒呈規(guī)則的幾何形狀，在制造時特意設(shè)計了許多與起始切削刃平行的分裂面。由于這種磨粒的形狀有明顯的負前角，所以切削過程中十分鋒利。磨削合金工具鋼對可有效地降低切削力和切削溫度，在保持砂輪壽命不變時，可以提高材料的切除率和工件的精度。
    電鍍結(jié)合砂輪是高速磨削時最為廣泛采用的一種砂輪。砂輪表面只有一層磨粒，其厚度接近磨粒的平均粒度，制造時通過電鍍的方式將磨粒粘在基體上，所以這種砂輪十分有利于高速磨削。另外，電鍍結(jié)合的砂輪磨粒的突出高度很大，能夠容納大量切屑，而且不易形成鈍刃切削，對高速切削十分有利。此外，單層磨粒的電鍍砂輪的生產(chǎn)成本較低。由于砂輪的輪廓只取決于基體的形狀，所以可制成外形復(fù)雜的砂輪，與普通砂輪相比，電鍍砂輪不需燒結(jié)時所用的模具，單件小批生產(chǎn)時也不會增加制造成本。
    在使用過程中，電鍍結(jié)合砂輪的優(yōu)點是只有一層磨粒，因而不需進行修整，從而可節(jié)省昂貴的修整裝置和難以掌握的修整工時。它的缺點在于使用時必須進行精心調(diào)整，以減少砂輪與主軸間的不同軸度。其次電鍍結(jié)合砂輪在使用的初期其切削特性在不斷變化，工件的表面質(zhì)量不很穩(wěn)定，為了解決這一問題，新砂輪在裝上機床上必須首先進行細致的人工磨礪，使砂輪的切削面在使用時立即進入穩(wěn)態(tài)切削，并可改善砂輪的回轉(zhuǎn)精度以降低工件的粗糙度。
    除電鍍結(jié)合砂輪外，高速磨削也有用多孔陶瓷結(jié)合劑砂輪。這種結(jié)合劑為純粹的人造材料，它的主要成分是再結(jié)晶玻璃。由于它具有很高的強度，所以制造砂輪時結(jié)合劑的用量很少，從而減少了結(jié)合劑在砂輪中所占的容積比例。理論上講，結(jié)合劑不產(chǎn)生切削作用，所以它的比例越小越好。采用這樣的新型合成結(jié)合劑制造立方氮化硼砂輪時，所需爐溫比常規(guī)砂輪低，可以保證不影響CBN的強度和硬度。
    為了保證砂輪在整個使用壽命中保持鋒利，砂輪的結(jié)構(gòu)須有利于磨粒分裂，維持自礪過程，要達到砂輪自鋒利的目的，除了盡量降低結(jié)合劑的比例外，還要優(yōu)化磨粒的空間分布。圖11是帶自然孔的普通砂輪與帶人造孔的新型砂輪結(jié)構(gòu)的對比，后者磨粒間的氣孔由發(fā)孔劑生成，在相同的面積內(nèi)，可以明顯地減少磨粒的數(shù)量。當切削力不變時，分攤在每一磨粒上的力相應(yīng)增加，利于促進磨粒分裂和砂輪自礪的形成。通過計算機程序可算出各種磨粒分裂時作用在單個磨粒上的力，從而可準確地確定結(jié)合劑的比例。

 

4．冷卻潤滑系統(tǒng)

 

    冷卻潤滑液的在噴嘴出口的速度與噴嘴的幾何尺寸無關(guān)，只取決于泵的壓力。在一定的泵壓力下、根據(jù)體積守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速度ω1。圖13示出在不同泵壓力下冷卻潤滑液能達到的出口速度，為了有良好的清洗砂輪作用，應(yīng)使液流出口速度高于砂輪圓周速度，例如切削速度為120m/s時，泵的壓力就應(yīng)大于70×105Pa。否則，不僅清洗作用減弱，而且由于冷卻潤滑液與砂輪接觸時，要靠砂輪帶動液流加速，產(chǎn)生了對砂輪的制動作用。從圖4也可看到，由于砂輪速度提高，由清洗砂輪液流產(chǎn)生的制動力及摩擦力引起的功率損耗隨之加大，進一步說明應(yīng)對冷卻潤滑系統(tǒng)重視。

 

    回顧迄今所進行的高速磨削的探索，當實驗的磨削速度超過150m/s時，都未能取得全部預(yù)期的效果。究其原因冷卻潤滑系統(tǒng)是一個主要因素。大多數(shù)實驗中雖然使用了大流量冷卻潤滑液，但是所用的泵壓力普遍偏低，多數(shù)不超過20×105Pa，所以離沖洗砂輪所需的壓力相差甚遠。由于砂輪的容屑空間得不到清洗，在磨削過程中極易堵塞、引起磨粒發(fā)熱磨損和切削力增加。由此可見，高速磨削時，提高冷卻潤滑系統(tǒng)泵壓力的重要性。

    在推廣采用高速磨削過程中，往往對冷卻潤滑系統(tǒng)未給予足夠的重視，但它的優(yōu)劣，常常能夠決定整個磨削過程的成敗。
    冷卻潤滑系統(tǒng)由冷卻潤滑液、泵、過濾器等組成，對高精度磨削還需有溫度控制系統(tǒng)以確保冷卻潤滑液的溫度恒定。
    冷卻潤滑液的功能是提高磨削的材料切除率，延長砂輪的使用籌命，降低工件表面粗糙度。它在磨削過程中必須完成四大任務(wù)，即潤滑、冷卻、清洗砂輪和傳送切屑。故它必須滿足以下的技術(shù)要求：
1）較高的熱容量和導(dǎo)熱率，以提高冷卻效率。
2）能承受較高的壓力。
3）良好的過濾性能，防腐蝕性和附著力。
4）較高的穩(wěn)定性，不起泡，不變色。
5）對健康無害，易于清洗。
6）有利于環(huán)境保護，易于處理。
    高速磨削時的冷卻得是來供應(yīng)系統(tǒng)（泵、管路和水箱）必須同樣進行優(yōu)化。圖12是砂輪在周向清洗冷卻時的受力情況。當砂輪圓周速度接近冷卻液的出口速度時（圖12c），液流束帖附在砂輪約1/12的圓周上，就冷卻與潤滑而言，這種條件下效果最好。但此時清洗砂輪的效果很小，因為液流束與砂輪的相對速度接近于零。為了能夠沖走殘留在結(jié)合劑空穴中的切屑，冷卻潤滑的出口速度ω1必須大于砂輪的圓周速度υs，故就沖洗效果而言，圖a最佳，圖b次之，圖c則較差。冷卻潤滑液對砂輪的制動力G的計算式列于圖中，在相同的噴射角α1下，圖c引起的制動力最大，圖a則可能出現(xiàn)助推力。
    高速磨削砂輪必須滿足下列要求：
l）砂輪基體的機械強度必須能承受高速磨削時的切削力。
2）高速磨削時的安全可靠性。
3）外觀鋒利。也就是說，磨粒突出高度要大，以便能容納大量的長切屑。
4）結(jié)合劑必須具有很高的耐磨性，以減少砂輪的磨損。
    高速磨削砂輪的基體設(shè)計必須考慮高轉(zhuǎn)速時離心力的作用，并根據(jù)應(yīng)用場合進行優(yōu)化。為了提高砂輪的通用化程度，必須統(tǒng)一砂輪與法蘭的連接部位的形狀和尺寸，并根據(jù)強度要求進行優(yōu)化。
    圖9是砂輪基體的一個有限元在高速旋轉(zhuǎn)時的受力狀況�；�體內(nèi)各點的應(yīng)力和應(yīng)變可通過數(shù)值方法進行計算。根據(jù)基體的強度要求，它在旋轉(zhuǎn)時的徑向和切向的應(yīng)力盡可能相等，以此找出基本的最佳輪廓。德國亞琛大學的Konig教授在1990年對切削速度為500m/s時的砂輪基體最佳孔附近的應(yīng)力可降低到25%，基體邊緣的應(yīng)變降低到35％。磨床，它的基本結(jié)構(gòu)與普通平面磨床相似，所不同的是切削速度可達125m／s，工作臺的往復(fù)運動可以達到1000st／min。此種機床特別適合于加工精度要求很高的較薄的工件。因為薄工件易變形，故需減小磨削力。提高磨削速度是一種有效的方法，但磨削速度不可能無限制地提高，它受功率損失和振動的制約。圖中的機床工作臺由直線電機驅(qū)動，其往復(fù)頻率提高到普通磨床的十倍以上。在切削余量相同時，由于往復(fù)領(lǐng)率提高。每次往復(fù)的切入深度相應(yīng)減少，從面減少了磨削力，也有利于控制工件的尺寸精度。磨床的X、Z和C軸為數(shù)控聯(lián)動，故加工連桿軸頸時，只需由X和C軸聯(lián)動插補即可，而不必像普通磨床那樣，磨削連桿軸頸時需把曲軸裝夾在偏心夾具上，在加工不同方位曲拐時，只需主軸箱在Z向作相應(yīng)移動，而不需重新更換夾具或移至其他有相應(yīng)夾具的磨床上去加工。因此采用高性能的曲軸磨床可大幅度地縮短切削時間、并把輔助時間降低至最低程度。該機床采用先進的數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，以確保聯(lián)動插補加工的形狀精度和位置精度，并采用在線測量系統(tǒng)以保證各軸頸的尺寸精度。圖7為在該機床上加工的曲軸圓度誤差，精度接近lμm，遠低于一般設(shè)計要求的3μm。