高速高效磨削加工工藝及其設(shè)備

    在機械加工領(lǐng)域，切削、磨削加工是應用最廣泛的加工方法。其發(fā)展總趨勢是高效、高精度、高柔性和強化環(huán)保意識。提高磨削加工效率一直是磨削領(lǐng)域所關(guān)注的重要目標。目前，磨削加工的應用研究方向是提高表面質(zhì)量和高速、高效。
1.高速高效磨削加工工藝
    高效磨削包括超高速磨削、高效深磨、緩進給磨削和砂帶磨削。高效磨削的各種磨削工藝效率和磨削用量范圍如表1所示。高效磨削技術(shù)的推廣應用將大幅度提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，并降低成本。
表1 各種磨削工藝的效率及參數(shù)范圍比較
（1）超高速磨削 
    超高速磨削時，砂輪線速度大于150m/s。在超高速磨削加工過程中，保持其它參數(shù)不變，隨著砂輪速度的大幅提高，單位時間內(nèi)磨削區(qū)域的磨粒數(shù)增加，每顆磨粒切下的磨屑厚度變小，則超高速磨削時每顆磨粒切削厚度變薄。實驗表明其截面積僅為普通磨削條件下的幾十分之一，這導致每顆磨粒承受的磨削力大大變小，總磨削力也大大下降。超高速磨削時磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進給速度均大大加快，加上應變率響應的溫度滯后的影響，會使工件表面磨削溫度有所降低，因而能越過容易發(fā)生磨削燒傷的區(qū)域，而極大擴展了磨削工藝參數(shù)的應用范圍。超高速磨削可以大幅度提高磨削效率，延長砂輪壽命和改善表面粗糙度。超高速磨削可以對硬脆性材料實現(xiàn)磨削，對高塑性等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。同時由于超高速磨削縮短了加工時間，因而減少了能量的消耗，降低了噪聲的污染。
（2）高效深磨
    在高效深磨技術(shù)中，砂輪的速度為100～250m/s，進給速度為0.5～10m/min，切深為0.1～30mm。高效深磨是緩進給磨削和超高速磨削的結(jié)合。高效深磨可以通過一個磨削行程，同時完成車、銑、磨等多道工序組成的粗精加工過程，獲得遠高于普通磨削加工的金屬去除率，表面質(zhì)量也可達到普通磨削水平。
（3）緩進給磨削
    緩進給磨削是采用增大磨削深度、降低進給速度、形成砂輪與工件有較大的接觸面積和高的速度比，達到高的金屬磨除率目的。緩進給磨削是一種能夠快速磨去大量材料并加工出精密零件的加工方法。緩進給磨削與銑削過程相似，切削深度遠遠大于普通平面磨削。緩進給磨削深度一般在2.5～6.35mm之間。這樣的磨削深度和砂輪與工件之間大的接觸面積抑制了加工振動的產(chǎn)生，使所磨削的零件表面質(zhì)量大大優(yōu)于其他磨削工藝方法。
（4）砂帶磨削
    砂帶磨削工藝是將環(huán)形砂帶套在接觸輪和張緊輪的外圓上。在張緊狀態(tài)下，使高速旋轉(zhuǎn)的砂帶表面與工件的加工表面相接觸，并在一定的壓力作用下，產(chǎn)生的相對摩擦運動對工件表面進行磨削加工的一種工藝方法。砂帶磨削效率是銑削的10倍，普通砂輪磨削的5至20倍。
2.高速高效磨削設(shè)備
（1）高速高效磨削用砂輪
    高速高效磨削砂輪的特點是耐磨性好、動平衡度和抗裂性高、阻尼特性和導熱性良好。其機械強度能承受高速、超高速磨削時所產(chǎn)生的切削力。高速高效磨削砂輪可以用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料等制成。結(jié)合劑可以使用陶瓷、樹脂或金屬結(jié)合劑等。砂輪的結(jié)構(gòu)必須有利于磨粒分裂，以保證砂輪在整個使用過程中保持鋒利要達到砂輪自銳的目的，除了應盡量降低結(jié)合劑的比例外，還要優(yōu)化磨粒的空間分布。在進行某些高速磨削過程中，要求保持高的磨削效率和良好的磨削質(zhì)量。砂輪修整是決定磨削質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，不同的修整方法具有不同的特點，應用中需考慮綜合加工條件、工件材料、砂輪材料等因素，以選擇最佳修整方案。
（2）高速主軸
    高速高效磨削用主軸單元的性能，在很大程度上決定了高速磨床所能達到的最高磨削速度極限。因此，為實現(xiàn)高速高效磨削，對砂輪驅(qū)動和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求主軸有足夠的剛度、回轉(zhuǎn)精度高、熱穩(wěn)定性好、可靠、功能消耗低、使用壽命長等。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡、主軸的支撐、主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻以及系統(tǒng)的剛性等是非常重要的。為減小由于磨削速度的提高而增加的動態(tài)力，要求砂輪主軸及主軸電動機系統(tǒng)運行極其精確，且振動極小。
（3）高速高效磨床
    高速高效磨削用的磨床具有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率、高度自動化和可靠的磨削過程，還具有高精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性等特點。高速高效磨床應盡可能組合多種磨削功能，以實現(xiàn)在一臺磨床上能完成所有的磨削工序。其工作臺要求有很高的進給速度和運動加速度。磨床支撐構(gòu)件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺等部件的支撐基礎(chǔ)件，應具有良好的靜剛度、動剛度和熱剛度。
（4）高速高效用磨削液
    在高速條件下，為了實現(xiàn)對磨削區(qū)的冷卻，沖走切屑，噴注的磨削液必須有足夠的動能，以沖破砂輪周圍的高速氣流，使磨削液抵達磨削區(qū)，因此，磨削液的流量、壓力應比普通磨床成倍增加。選擇正確的磨削液注入方法可以增加磨削液進入磨削區(qū)的有效部分，提高冷卻和潤滑效果，改善工件質(zhì)量和減少砂輪磨損。磨削液的過濾系統(tǒng)應具有高過濾精度，以保證磨削工件的表面質(zhì)量，提高磨削液的利用率，減少磨削液中殘留雜質(zhì)對加工質(zhì)量及機床系統(tǒng)的不利影響。
3.實現(xiàn)高速高效磨削的主要途徑
    要想實現(xiàn)高速高效磨削，主要有以下幾種方法：一是提高砂輪速度。砂輪速度的提高，減小了磨削力，降低比磨削能，改善了切屑的形成。當砂輪速度達到超高速后，工件表面的溫度隨著砂輪速度的提高而降低。二是提高工件速度。提高工件速度可以避開臨界溫度，進入高速高效磨削區(qū)，工件表面的溫度急劇下降，不會出現(xiàn)熱破壞溫度，砂輪能很快離開已磨削過的磨削表面，大部分的熱量進入切屑和冷卻液中。三是合理選擇砂輪。CBN磨料具有硬度高、抗磨損能力大、高化學穩(wěn)定性的特點，是高速高效磨削的理想磨料。濃度大的砂輪有較多的動態(tài)切削刃和較薄的切屑，使材料切除率大時磨削力減小。電鍍立方氮化硼砂輪具有大的濃度，有最大的容屑空間，是最佳選擇。