面向綠色制造的快速點磨削技術(shù)

  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(yán)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(shù)(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(zhǔn)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(shù)，集中了數(shù)控車削技術(shù)、CBN超硬磨料、超高速磨削等先進(jìn)技術(shù)，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(jìn)的技術(shù)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(jìn)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(jìn)狀態(tài)。砂輪的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(guān)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(jìn)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(jìn)給磨削，可對工件外圓進(jìn)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(jìn)給磨削，同樣可對工件外圓進(jìn)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(jìn)行選擇。擺角a(也稱點磨變量角)的大小要適當(dāng)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(jìn)給精確，因此必須在數(shù)控裝置的控制下來進(jìn)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(yīng)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(jìn)了這一工藝和設(shè)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(jì)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(dá)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(dǎo)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(shù)，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(dǎo)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(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計、加工制造、使用到報廢的整個壽命周期中，對環(huán)境負(fù)面影響較小，資源利用率較高，并使經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)化�；�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(dá)1年)。Junker公司的點磨削機床磨削比超過1600，最高可達(dá)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(biāo)聯(lián)動實現(xiàn)復(fù)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(jìn)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；