高速磨削的技術(shù)關(guān)鍵

 1. 高速主軸
    高速磨削時(shí)對(duì)砂輪主軸的基本要求與高速銑削時(shí)相似，各種主軸的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)可參見(jiàn)“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(chē)后重新起動(dòng)時(shí)，砂輪主軸必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡。所以高速磨削主軸須有連續(xù)自動(dòng)動(dòng)平衡系統(tǒng)，以便能把由動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)降低到最小程度、保證獲得低的工件表面粗糙度。
    目前市場(chǎng)上有許多不同的動(dòng)平衡系統(tǒng)產(chǎn)品，主要有下列兩類(lèi)：機(jī)電動(dòng)平衡系統(tǒng)和電波動(dòng)平衡系統(tǒng)。

（1）機(jī)電動(dòng)平衡系統(tǒng)如圖1所示，它由兩塊內(nèi)裝電子驅(qū)動(dòng)元件并可在軸上相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡重塊3，緊固法蘭2和信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸單元1組成。整個(gè)平衡系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的部件，裝在磨床主軸4內(nèi)，如圖2所示。進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，主軸的動(dòng)不平衡振幅值由振動(dòng)傳感器測(cè)出，動(dòng)不平衡的相位則通過(guò)裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)的電子元件測(cè)量。相應(yīng)的電子控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩平衡塊1作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)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(dòng)幅值可控制在0.1～lμm。該系統(tǒng)的平衡塊在斷電時(shí)仍保持在原位置上不動(dòng)，所以停機(jī)后重新起動(dòng)時(shí)主軸的平衡狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。

 

電液平衡系統(tǒng)的原理如圖3所示，振動(dòng)傳感器裝在主軸箱上，帶有噴口的法蘭裝在主軸端部，一個(gè)具有三個(gè)或四個(gè)空腔的平衡環(huán)固定在轉(zhuǎn)子上。進(jìn)行平衡時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)振動(dòng)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(rùn)滑液，萬(wàn)一空腔有泄漏也不會(huì)影響機(jī)床正常工作。主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，噴入空腔的液體仍然保留在原來(lái)的地方，主軸重新起動(dòng)時(shí)，平衡狀態(tài)不會(huì)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(dòng)自動(dòng)平衡程序，對(duì)主軸進(jìn)行連續(xù)啟動(dòng)平衡。

 

高速磨制的另一個(gè)特點(diǎn)是主軸功率損失隨轉(zhuǎn)速的提高呈超線(xiàn)性增長(zhǎng)，如圖4所示。當(dāng)切削速度由80m/s提高到180m/s時(shí)，主軸的無(wú)功功率從不到20％增至90％以上。構(gòu)成無(wú)功功率的三個(gè)分量中，由冷卻潤(rùn)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(shí)，砂輪與冷卻潤(rùn)滑滾之間的摩擦急劇加大，另外把冷卻潤(rùn)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(jī)驅(qū)動(dòng)是以恒功率方式工作，因而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高時(shí)。主軸的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少。同時(shí)主軸的無(wú)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(shí)，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(shí)，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(wú)功功率。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)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(shí)，各種切削速度下的無(wú)功功率。當(dāng)切削速度為400m／s時(shí)，若采用直徑為350mm的砂輪，無(wú)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(shuō)，采用較小的砂輪時(shí)，可以有更多份額的功率用于磨削過(guò)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(mǎn)足如下的特殊要求：
l）盡可能組合多種磨削功能，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)磨床上能完成全部的磨削工序。
2）高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性。
3）高度自動(dòng)化和可靠的磨削過(guò)程。
    提高生產(chǎn)率一般有兩種途徑：一是降低切削過(guò)程的時(shí)間；二是縮短輔助時(shí)間。在工件形狀比較簡(jiǎn)單且加工步驟較少時(shí)，提高切削速度，減少切削時(shí)間是一種十分有效的措施。但當(dāng)工件形狀復(fù)雜，加工步驟很多時(shí)，除了減少切削時(shí)間外，還須縮短輔助時(shí)間才能達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。
    圖6是德國(guó)Schaudt公司生產(chǎn)的高速曲軸磨床（型號(hào)CR41CBN）。主軸箱裝在十字滑臺(tái)上，滑臺(tái)的導(dǎo)軌為液體靜壓支承，以提高支承面的阻尼和剛性�；�臺(tái)由液體靜壓絲杠驅(qū)動(dòng)，以降低摩擦阻力和提高滑臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性。工件軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并裝有精密角度編碼測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)成了數(shù)控的C軸。磨床主軸為電主軸，可進(jìn)行無(wú)級(jí)變速。所用的砂輪磨料為立方氮化硼，切削速度可達(dá)165m／s。在該磨床上加工曲軸時(shí)，曲軸毛坯不必進(jìn)行車(chē)、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(guó)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(méi)有單獨(dú)的大的法蘭孔，而是用多個(gè)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(chǎng)合而定。除了機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(shí)的八面體，磨削過(guò)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(jìn)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(shí)會(huì)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(shí)特意設(shè)計(jì)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(fù)前角，所以切削過(guò)程中十分鋒利。磨削合金工具鋼對(duì)可有效地降低切削力和切削溫度，在保持砂輪壽命不變時(shí)，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(shí)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(shí)通過(guò)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(duì)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(shí)所用的模具，單件小批生產(chǎn)時(shí)也不會(huì)增加制造成本。
    在使用過(guò)程中，電鍍結(jié)合砂輪的優(yōu)點(diǎn)是只有一層磨粒，因而不需進(jìn)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(shí)。它的缺點(diǎn)在于使用時(shí)必須進(jìn)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(wèn)題，新砂輪在裝上機(jī)床上必須首先進(jìn)行細(xì)致的人工磨礪，使砂輪的切削面在使用時(shí)立即進(jìn)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(qiáng)度，所以制造砂輪時(shí)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(shí)，所需爐溫比常規(guī)砂輪低，可以保證不影響CBN的強(qiáng)度和硬度。
    為了保證砂輪在整個(gè)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(guò)程，要達(dá)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(duì)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(dāng)切削力不變時(shí)，分?jǐn)傇诿恳荒チＩ系牧ο鄳?yīng)增加，利于促進(jìn)磨粒分裂和砂輪自礪的形成。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序可算出各種磨粒分裂時(shí)作用在單個(gè)磨粒上的力，從而可準(zhǔn)確地確定結(jié)合劑的比例。

 

4．冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)

 

    冷卻潤(rùn)滑液的在噴嘴出口的速度與噴嘴的幾何尺寸無(wú)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(rùn)滑液能達(dá)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(shí)，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(rùn)滑液與砂輪接觸時(shí)，要靠砂輪帶動(dòng)液流加速，產(chǎn)生了對(duì)砂輪的制動(dòng)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(dòng)力及摩擦力引起的功率損耗隨之加大，進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)對(duì)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)重視。

 

    回顧迄今所進(jìn)行的高速磨削的探索，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的磨削速度超過(guò)150m/s時(shí)，都未能取得全部預(yù)期的效果。究其原因冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)是一個(gè)主要因素。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中雖然使用了大流量冷卻潤(rùn)滑液，但是所用的泵壓力普遍偏低，多數(shù)不超過(guò)20×105Pa，所以離沖洗砂輪所需的壓力相差甚遠(yuǎn)。由于砂輪的容屑空間得不到清洗，在磨削過(guò)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(jiàn)，高速磨削時(shí)，提高冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)泵壓力的重要性。

    在推廣采用高速磨削過(guò)程中，往往對(duì)冷卻潤(rùn)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(gè)磨削過(guò)程的成敗。
    冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)由冷卻潤(rùn)滑液、泵、過(guò)濾器等組成，對(duì)高精度磨削還需有溫度控制系統(tǒng)以確保冷卻潤(rùn)滑液的溫度恒定。
    冷卻潤(rùn)滑液的功能是提高磨削的材料切除率，延長(zhǎng)砂輪的使用籌命，降低工件表面粗糙度。它在磨削過(guò)程中必須完成四大任務(wù)，即潤(rùn)滑、冷卻、清洗砂輪和傳送切屑。故它必須滿(mǎn)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(guò)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(duì)健康無(wú)害，易于清洗。
6）有利于環(huán)境保護(hù)，易于處理。
    高速磨削時(shí)的冷卻得是來(lái)供應(yīng)系統(tǒng)（泵、管路和水箱）必須同樣進(jìn)行優(yōu)化。圖12是砂輪在周向清洗冷卻時(shí)的受力情況。當(dāng)砂輪圓周速度接近冷卻液的出口速度時(shí)（圖12c），液流束帖附在砂輪約1/12的圓周上，就冷卻與潤(rùn)滑而言，這種條件下效果最好。但此時(shí)清洗砂輪的效果很小，因?yàn)橐毫魇�與砂輪的相對(duì)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(rùn)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(rùn)滑液對(duì)砂輪的制動(dòng)力G的計(jì)算式列于圖中，在相同的噴射角α1下，圖c引起的制動(dòng)力最大，圖a則可能出現(xiàn)助推力。
    高速磨削砂輪必須滿(mǎn)足下列要求：
l）砂輪基體的機(jī)械強(qiáng)度必須能承受高速磨削時(shí)的切削力。
2）高速磨削時(shí)的安全可靠性。
3）外觀鋒利。也就是說(shuō)，磨粒突出高度要大，以便能容納大量的長(zhǎng)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(jì)必須考慮高轉(zhuǎn)速時(shí)離心力的作用，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)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(qiáng)度要求進(jìn)行優(yōu)化。
    圖9是砂輪基體的一個(gè)有限元在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的受力狀況。基體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變可通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)基體的強(qiáng)度要求，它在旋轉(zhuǎn)時(shí)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(guó)亞琛大學(xué)的Konig教授在1990年對(duì)切削速度為500m/s時(shí)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(dá)125m／s，工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到1000st／min。此種機(jī)床特別適合于加工精度要求很高的較薄的工件。因?yàn)楸」ぜ�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(wú)限制地提高，它受功率損失和振動(dòng)的制約。圖中的機(jī)床工作臺(tái)由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shí)，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(dòng)，故加工連桿軸頸時(shí)，只需由X和C軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)即可，而不必像普通磨床那樣，磨削連桿軸頸時(shí)需把曲軸裝夾在偏心夾具上，在加工不同方位曲拐時(shí)，只需主軸箱在Z向作相應(yīng)移動(dòng)，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(shí)間、并把輔助時(shí)間降低至最低程度。該機(jī)床采用先進(jìn)的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以確保聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工的形狀精度和位置精度，并采用在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)以保證各軸頸的尺寸精度。圖7為在該機(jī)床上加工的曲軸圓度誤差，精度接近lμm，遠(yuǎn)低于一般設(shè)計(jì)要求的3μm。