高效率磨粒加工技术发展及关键技术

1 引言 随着现代工业技术和高性能科技产品对机械零件的加工精度、表面粗糙度、表面完整性、加工效率和批量化质量稳定性的要求越来越高。在世界范围内更加强了磨削理论基础和应用研究，新的磨粒加工方法和先进磨粒加工技术、工具与装备不断涌现，将磨粒加工这一古老的加工工艺技术迅速推向新高度，并成为先进加工制造工艺与装备的重要组成部分。高速/超高速、高效率、自动化/数控化/智能化、超精密等既是当前先进磨粒加工工艺技术的主要内容，也是先进加工制造工艺与装备的重要学科前沿。普通磨削的单位材料去除率不足10 mm3/mm·s，与普通车削、铣削相去甚远。所以，提高磨粒加工效率一直是人们不懈追求的目标。根据磨屑去除机理，材料磨除率可以表示成磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内参与切削的磨粒数三者的乘积。因此，如果要提高磨削效率: 可以采用高速和超高速及宽砂轮磨削来增加单位时间作用的磨粒数; 采用深切磨削以增大磨屑长度; 采用重负荷等强力磨削方式以增大磨屑平均断面积。 单独或综合采用这些方法从而使单位材料去除率较普通磨削有较大提高的工艺技术均为高效率磨粒加工技术。它主要包括:高速、超高速磨削、缓进给深磨、高效深切磨削、强力磨削和强力晰磨、高速重负荷荒磨、砂带磨削、硬脆/难加工材料高效率磨削、高效率研磨和抛光等。其中高速与超高速磨削、缓进给深切磨削、高效深切磨削、砂带磨削和重负荷荒磨技术的发展最为引人注目。 2 高效率磨粒加工技术发展 高速超高速磨削 超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。通常将砂轮线速度大于45m/s的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削。超高速磨削在欧洲、日本和美国等发达国家发展较快。欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早，最初在20世纪60年代末期就开始进行高速超高速磨削的基础研究，当时实验室的磨削速度就已经达到 210～230m/s。1979年德国Bremen大学的P. G. Werner教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1983年德国Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为60kW，转速为10000r/min，砂轮直径为400mm，砂轮圆周速度达到了209m/s。Aachen工业大学实验室磨削速度已达到500m/s，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer公司开发的CBN 砂轮磨削线速度在60m/s以上，并向120～130m/s方向发展。 美国60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1967年诺顿公司在市场上出售线速度为61m/s的砂轮和磨床。到70年代初，60m/s的磨床已有相当数量，70m/s,80 m/s乃至90m/s的磨床也相继出现。1993年，美国的Edgetek Machine公司首次推出的超高速磨床，采用单层CBN砂轮，圆周速度达到了203m/s,用以加工淬硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国 Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床，最高磨削速度250m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的S.Malkin等人，以 149m/s的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的地貌和磨削机理。目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用CBN砂轮。可实现以 160m/s的速度，75mm3/mm·s的磨除率，对高温合金Incone1718进行高效磨削，加工后Ra1～2µm，尺寸公差±13µm 。另外采用直径400mm的陶瓷CBN砂轮，以150～200m/s的速度磨削，可达到RaO.81µm，尺寸公差±2.5～5µm。美国高速磨削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。 日本的超高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。日本70年代中期，就能生产45m/s和60m/s的高速磨床。1985年前后，在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了80m/s，90年代日本推出了120m/s和 250m/s的高速磨床。日本广泛地用CBN砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化。至2000年，日本已进行500m/s的超高速磨削试验。Shinizu等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起;一根作为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨削速度为Vs+Vw的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近l000m/s。这是迄今为止，公开报道的最高磨削速度。 我国高速磨削起步较晚，1958年开始推广高速磨削技术。1964年郑州磨料磨具磨削研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验。1974年郑州磨料磨具磨削研究所进行了50～60m/s的磨削试验，1982年10月，湖南大学进行了60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。八十年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的YLM—1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到80m/s，磨削压力在2500～5000N以上。1995年，汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮，进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。至2000年湖南大学一直在开展高速磨削研究工作。在2000年中国数控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始，湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW，最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床，并先后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、200m/s 电镀CBN超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机制研究、高速钢的高速深磨研究、超高速单颗粒CBN磨削试验研究、高速单颗粒磨削机理研究、超高速磨削温度场研究、磨削摩擦系数的研究、超高速磨削砂轮表面气流场的研究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平。 快速点磨削 快速点磨削(Quick - point Grinding)是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的超高速磨削技术。它集成了超高速磨削,CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。该工艺主要用于轴、盘类零件加工。其CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以超高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，成为超高速磨削的主要技术形式之一。 德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用，尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等。这些零件大都包括切人、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。在齿轮加工、机床制造、纺织与印刷机械制造、陶瓷加工、电子工业中也有广阔应用前景。我国部分汽车制造企业目前也引进了几十台这一工艺设备，并取得了明显效益。但应用领域尚小，仅限于汽车发动机轴类零件的加工。由于国内目前没有开展系统的工艺理论和应用研究，没有掌握其核心技术及理论，不能掌握工艺参数设计和编程技术，不能配套生产砂轮及相关附件，只能就单一零件由国外垄断定制，全部工艺和设备均依赖于进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削机理、规律、磨削质量控制及点磨削工艺等深入系统的理论与实验研究及相关技术信息也未见更多报道。因此，跟踪国际先进技术，深人开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平具有重要意义。国内东北大学已开始进行超高速点磨削机理研究及机床开发。 缓进给磨削 缓进给磨削也称作深切缓进给强力磨削，其特点是采用大的切削深度(1～30mm，比普通磨削大1～1000倍)和很小的工件进给速度(3～300 mm/min，是普通磨削的1/100～1/1000)。缓进给磨削通过增大砂轮切深来增加磨屑长度，以获得高磨除率(高出普通磨削5倍以上)。该方法在平面磨削中占有主导地位，主要用在磨削沟槽和成型表面。近年德、英、美、日和瑞士等国发展了一系列专用缓进给成形磨床，特别是滚珠丝杠和直线电机技术的应用更加促进了缓进给磨削技术的实用化。缓进给磨削的特点如下: 加工效率高。由于磨削深度大增，接触弧长增加，同时参加切削的磨粒数增多，因此可以直接磨削出要求的工件形状，使粗、精加工合并，大大提高了加工效率; 扩大了磨削工艺范围。由于可对毛坯一次加工成形，故可有效解决一些难加工材料加工问题，例如燃气轮机叶片成形表面加工，高温合金、不锈钢、高速钢型面或沟槽的磨削等，其效率比铣削高二十多倍。用CBN砂轮缓进给磨削真空泵转子槽，不仅比铣削效率高，，而且加工质量好，成本节约40%左右; 砂轮冲击损伤小，工件形状精度稳定。由于缓进给和行程次数减少，减轻了砂轮与工件边缘的冲 撞次数和冲撞程度，延长了砂轮的使用寿命，也减小加工表面波纹度的产生; 磨削力大、磨削温度高，切屑长并在磨削区严重变形，易堵塞砂轮。因此缓进给磨削加工时必须充分供给大量切削液，以降低磨削温度，保证磨削表面质量; 加工精度达2～5µm，表面粗糙度Ra0.1～0.4µm。 高效深切磨削(HEDG) 高效深磨(High Eficiency Deep Grinding，HEDG)技术是近几年发展起来的一种集砂轮高速度(100～250m/s)、高进给速度(0.5～10m/min)和大切深 (0.1～30mm)为一体的高效率磨削技术。高效深磨概念是由德国Bremen大学W