高精度公差的磨削加工

    磨削加工成為人們?cè)絹?lái)越樂(lè)于使用的加工方式。為了滿足今天的高精度加工標(biāo)準(zhǔn)，磨削加工有時(shí)甚至已經(jīng)成為唯一的加工方式。隨著CBN砂輪價(jià)格的不斷下降，磨床已成為一種更加商品化的產(chǎn)品。通過(guò)充分采用更新型的磨料粒度，磨床及磨削工藝有了進(jìn)一步的提高和改進(jìn)�，F(xiàn)在，整個(gè)市場(chǎng)基本上被更加精密的磨床所壟斷。但是，機(jī)床本身并不是達(dá)到高精度磨削加工的唯一秘方，砂輪和粒度、砂輪修整系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、操作員的智能等因素都對(duì)高精度產(chǎn)品的加工生產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用。下面我們分別對(duì)上述這些影響磨床加工質(zhì)量的因素加以介紹。
砂輪和粒度
    美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)主要致力于高性能磨削工藝的研究。最近，NIST的研究人員正在尋求一種采用單層磨料(SLA)砂輪的高速磨削工藝。在一個(gè)加工案例中，他們采用一個(gè)254mm直徑的SLA砂輪，對(duì)其以14000 r/min的轉(zhuǎn)速和186m/s的表面線速度運(yùn)行時(shí)的情況進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著磨削時(shí)間的增加，砂輪上裸露的磨粒增多，磨損面擴(kuò)大，出現(xiàn)連續(xù)的微粒磨鈍現(xiàn)象，磨削溫度和磨削力度也隨之上升，但沒(méi)有磨粒碎裂或脫落的情況發(fā)生。機(jī)械工程師們?cè)噲D了解進(jìn)給量和速度如何影響SLA砂輪的磨損，以便找到因平面區(qū)域磨損增加所造成的潛熱損壞的模式，預(yù)測(cè)可有效調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝的變量。
    為此，研究人員繪制了砂輪表面的顯微結(jié)構(gòu)圖。隨著砂輪以不同進(jìn)給量和不同速度運(yùn)行造成的磨損程度的增加，顯示出其磨粒大小、形狀和分布的變化。圖表顯示，某些砂輪的磨粒數(shù)量超過(guò)了實(shí)際所需要的數(shù)量，而且磨粒應(yīng)擴(kuò)散分布，而不是在砂輪表面“結(jié)殼”。NIST經(jīng)研究證實(shí)：當(dāng)使用SLA砂輪時(shí)，不應(yīng)該以同樣的進(jìn)給量和速度去磨削每一個(gè)零件，因?yàn)槔硐氲那邢鲄��?shù)會(huì)隨著砂輪磨損程度的不同而不斷變化。應(yīng)區(qū)別對(duì)待不同的加工零件，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)變量，這樣就可以大大降低每一零件的加工成本，也不會(huì)浪費(fèi)未經(jīng)使用的大量砂輪磨粒。
    要想獲取足夠的信息預(yù)測(cè)砂輪的切削參數(shù)，這就要求SLA砂輪磨粒的形狀和尺寸必須是規(guī)則的。如果用戶知道砂輪的顯微結(jié)構(gòu)圖，而且砂輪的表面是一致的，那么就可以對(duì)切削變量進(jìn)行編程，以補(bǔ)償砂輪的磨損參數(shù)。
砂輪修整系統(tǒng)
    研究表明，CNC數(shù)控修整裝置及發(fā)聲傳感器的使用，降低了磨削周期時(shí)間。最新的修整技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到相對(duì)比較特殊的機(jī)床、砂輪設(shè)計(jì)或生產(chǎn)應(yīng)用之中。例如，ELID磨削是一種在加工過(guò)程中使用電解修整砂輪和常規(guī)機(jī)械磨削相結(jié)合的新穎磨削方法。在有選擇地使用結(jié)合劑的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)高效磨削和鏡面磨削。同樣，用于金剛砂輪和CBN超級(jí)磨料的新型玻璃狀粘結(jié)劑，對(duì)那些特殊應(yīng)用領(lǐng)域中使用的砂輪修整系統(tǒng)提出了新的要求。
    客戶對(duì)于砂輪有非常明確的要求，比如更好的尺寸公差、錐度和正圓度，特別是在汽車工業(yè)和軸承應(yīng)用領(lǐng)域。因此，希望能將材料的磨削率提高到16.39cm3/min，同時(shí)使Cpk值保持在1.33或更好的水平。確保軸承零件更好的正圓度和表面光潔度非常重要，它將有助于減少摩擦力，降低噪音和咔嗒聲，延長(zhǎng)使用壽命。
圣戈班公司就重點(diǎn)對(duì)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的多孔性砂輪過(guò)進(jìn)行了研究。
    不管采用普通的磨料還是用CBN材料，凡是在精密的汽車磨削加工應(yīng)用領(lǐng)域，砂輪都應(yīng)采用玻璃狀粘結(jié)劑膠合制成，這可以使磨料具有更佳的粘結(jié)力，獲得更高的磨削比。砂輪的多孔性可以使砂輪將更多的磨削冷卻液帶到切屑弧區(qū)，而且也能給磨削切屑保留更大的空間，這樣可降低磨削區(qū)內(nèi)零件與切屑之間的相互摩擦。砂輪中磨料的體積通常用組織(普通磨料)或濃度(金剛砂或CBN材料)來(lái)描述。一般而言，凡是在接觸面積較大以及對(duì)金相結(jié)構(gòu)損壞靈敏度較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如蠕動(dòng)進(jìn)給磨削、雙盤或高合金鋼一類的材料，應(yīng)使用組織疏松或濃度較低(磨料體積較小)的砂輪。圣戈班公司新的普通磨料技術(shù)能夠獲得較疏松的砂輪組織，而不需要采用人工多孔性方式。
    美國(guó)Truing Systems公司生產(chǎn)修整砂輪用金剛砂滾子和砂輪修整塊，其產(chǎn)品的公差達(dá)到0.5 mm，具有很高精度的球形尺寸,使用標(biāo)準(zhǔn)也由過(guò)去的Ra16提高到現(xiàn)在的Ra4。在20世紀(jì)90年代，硬質(zhì)材料的車削加工曾一度占領(lǐng)磨削加工的市場(chǎng)，但現(xiàn)在的情況恰好相反。我們可將這一變化歸因于CBN材料的價(jià)格下降，以及磨削加工更適于較硬材料的加工。
Truing Systems公司通過(guò)削減修整周期來(lái)降低磨削周期時(shí)間，提高砂輪的一致性。此外，粗糙的材料會(huì)加劇砂輪的磨損，因此要求采用一種更粗糙的修整系統(tǒng)。
    Truing Systems公司的金剛砂滾子是為特定的項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的，其中包括砂粒的類型、大小、濃度、粘結(jié)材料以及油石數(shù)量。在一個(gè)滾子上可能會(huì)有多達(dá)6種不同類型的金剛砂和濃度。滾子和砂輪的定位依賴于機(jī)床的精度。
密歇根州的Tru Tech公司針對(duì)高精度CNC數(shù)控磨床制定了一套非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這些磨床是為磨削圓柱體零件而設(shè)計(jì)的。其特點(diǎn)如下：
主軸速度可調(diào)，轉(zhuǎn)速范圍為2000～5000 r/min，可用于各種表面的精加工；
     機(jī)床的定位采用步進(jìn)馬達(dá)，而不是伺服電機(jī)。這種馬達(dá)編碼器的分辨率很高，機(jī)床可按0.00003 mm增量級(jí)編輯。
     在線砂輪修整可以允許砂輪在主軸上整形修整，砂輪具有更好的表面光潔度和更長(zhǎng)的使用壽命。
    該公司采用3軸磨床，配有一個(gè)砂輪，可在一個(gè)零件上磨削加工多種形狀。只需采用一個(gè)程序和一次調(diào)試裝夾，該磨床就能用一個(gè)1A1砂輪磨削加工多個(gè)臺(tái)階、半徑、角度、反錐斜角和鉆點(diǎn)。
     Tru Tech公司磨床的上述特征使得其磨削的正圓度精度可以達(dá)到0.0004 mm。所有標(biāo)準(zhǔn)型零件直徑之間的偏心度保持在0.0008 mm公差范圍之內(nèi)，高精密型零件的偏心度公差在0.00003 mm之內(nèi)。
     Tru Tech公司的3軸砂輪修整系統(tǒng)可保證磨床的高精度磨削性能。
軟件系統(tǒng)
    軟件可以幫助幾乎沒(méi)有任何操作經(jīng)驗(yàn)的新操作員在機(jī)床上工作，而且大部分工件的加工程序可以在5min之內(nèi)編制完成。Tru Tech公司的軟件具有自我培訓(xùn)的功能和內(nèi)置“幫助”錄像，通過(guò)錄像指導(dǎo)操作員進(jìn)行編程、調(diào)試、設(shè)置及預(yù)防性維修等工作，而不需離開(kāi)機(jī)床。這一軟件使公司在交叉培訓(xùn)雇員的過(guò)程中靈活性大大提高，降低了培訓(xùn)費(fèi)用。在磨削加工行業(yè)，要找到一名技術(shù)熟練的操作工很難。Tru Tech公司制造了配有良好用戶界面軟件的高精度磨床，任何人都能很快學(xué)會(huì)操作，解決了熟練操作工缺乏的問(wèn)題。
動(dòng)態(tài)剛性和熱穩(wěn)定性
    動(dòng)態(tài)剛性和熱穩(wěn)定性是影響UGT公司Studer磨床精度的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。UGT公司用人造花崗石(這種材料主要由花崗石塊與環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)制成)代替鑄鐵，從而降低了機(jī)床的振動(dòng)，提高了機(jī)床內(nèi)部的熱穩(wěn)定性。Studer磨床一直用于較高精度的軸承磨削加工。在過(guò)去，UGT公司使用流體動(dòng)力軸承，但現(xiàn)在卻改用高精度、角接觸式球軸承。當(dāng)速度發(fā)生變化時(shí)，能提供很高的精度和更大的靈活性。然而，在某些專用機(jī)床上，例如在加工噴油嘴的專用機(jī)床上就使用流體動(dòng)力軸承。在磨削卡盤時(shí)，其正圓度公差在0.2～0.4mm之間，Studer機(jī)床上裝有專門設(shè)計(jì)的線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它可以使加工精度達(dá)到10nm。采用線性電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是切削加工時(shí)間較短，節(jié)約定位時(shí)間，線性電機(jī)能夠以30m/min的速度和3m/s2加速度高速移動(dòng)。
    美國(guó)的汽車和卡車制造商在傘齒輪組件加工中，更多地傾向于采用磨削加工工藝。老方法是機(jī)加工、熱處理、然后研磨，新方法是機(jī)加工、熱處理、磨削加工。用老方法研磨一套齒輪組合件時(shí)，小齒輪和大齒輪之間的配合不可分離，任何一個(gè)齒輪都不能任意更換。如果采用磨削加工方法，小齒輪和大齒輪都可以互換，并且很容易混合裝配在一起，因?yàn)槟ハ骷庸さ凝X側(cè)幾何形狀和齒隙誤差非常小，零件與零件之間的互換性很好。
    Bevel Gear Technology公司發(fā)現(xiàn)，采用研磨法的廢品率很高。而采用磨削加工時(shí)，齒輪上的正公差可以很容易糾正，并且可以使廢品率趨于零。在前輪驅(qū)動(dòng)的汽車元件中，螺旋傘齒輪和正齒輪的精加工同樣傾向于采用磨削加工。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些齒輪傳動(dòng)的扭矩增加，特別是在較高的傳動(dòng)速度范圍實(shí)現(xiàn)降低噪音的需求。
    熱問(wèn)題也是一個(gè)應(yīng)該考慮的主要問(wèn)題。紐約州的Gleason 公司的設(shè)計(jì)思想是以自動(dòng)消除尺寸變化的方式來(lái)防止熱影響，或者不讓熱影響造成的尺寸變化企及到工作區(qū)域。另外，還可以采用普通的冷卻液溫度控制法和對(duì)主要機(jī)械零件采用復(fù)雜的溫度補(bǔ)償法。