高速磨削技術(shù)

    由于超高速磨削砂輪轉(zhuǎn)速極高,對(duì)機(jī)床功率及性能、砂輪強(qiáng)度、振動(dòng)、平衡、氣流擾動(dòng)、安全防護(hù)和冷卻液注入等工藝措施提出了特殊要求.因此與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)有:

    (1)超高速磨削砂輪技術(shù).

    高速超高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性、高的動(dòng)平衡精度、抗裂性、良好的阻尼特性、高的剛度和良好的導(dǎo)熱性,而且其機(jī)械強(qiáng)度必須能承受高速超高速磨削時(shí)的切削力等.高速超高速磨削時(shí)砂輪主軸高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力會(huì)導(dǎo)致普通砂輪迅速破碎,因此必須采用基體本身的機(jī)械強(qiáng)度、基體和磨粒之間的結(jié)合強(qiáng)度均極高的砂輪.

    超高速砂輪中間是一個(gè)高強(qiáng)度材料的基體圓盤(pán),大部分實(shí)用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼.在基體周?chē)鷥H僅粘覆一薄層磨料.粘覆磨料使用的結(jié)合劑有樹(shù)脂、金屬和電鍍3種,其中以單層電鍍用的最多.這是因?yàn)樗恼辰Y(jié)強(qiáng)度高,易于做出復(fù)雜的形狀,使用中不需要修整,而且基體可以重復(fù)使用.近幾年,美國(guó)諾頓(Norton)公司還使用銅焊接法替代電鍍研制出砂輪的磨粒突出比已達(dá)到70%~80%,結(jié)合劑抗拉強(qiáng)度超過(guò)了1533N/mm2,獲得更大的結(jié)合劑強(qiáng)度和容屑空間.

    高速超高速砂輪可以使用剛玉、碳化硅、CBN、金剛石磨料.結(jié)合劑可以用陶瓷、樹(shù)脂或金屬結(jié)合劑等.樹(shù)脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪,使用速度可達(dá)125m/s.單層電鍍CBN砂輪的使用速度可達(dá)250m/s,試驗(yàn)中已達(dá)340m/s.陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速度可達(dá)200m/s.同其他類(lèi)型的砂輪相比,陶瓷結(jié)合劑砂輪易于修整.與高密度的樹(shù)脂和金屬結(jié)合劑砂輪相比,陶瓷結(jié)合劑砂輪可以通過(guò)變化生產(chǎn)工藝獲得大范圍的氣孔率.特殊結(jié)構(gòu)擁有40%的氣孔率.陶瓷結(jié)合劑砂輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使得修整后容屑空間大,修銳簡(jiǎn)單,甚至在許多應(yīng)用情況可以不修銳.

    在高速磨削中,一種新型的微晶氧化鋁磨粒即SG(SeededGel)磨粒已經(jīng)引起人們的高度注意,SG磨粒不僅具有高的硬度而且還具有良好的韌性,它的加工能力介于剛玉和CBN磨粒之間,由于SG磨粒在磨削加工中,輔助切削刃本身能發(fā)生自銳,所以磨削力和磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量明顯降低,同時(shí)也減少了砂輪的磨損,從而提高材料的去除率和砂輪的修整間隔時(shí)間,SG磨粒和CBN磨粒相比不僅成本低,而且對(duì)磨削機(jī)床沒(méi)有任何特殊的要求,砂輪的修整也和傳統(tǒng)磨粒砂輪的修整方法相同.在砂輪速度為125m/s磨削回火鋼的試驗(yàn)中比材料去除率已達(dá)100mm/(mm﹒s).

    此外,還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性.開(kāi)發(fā)高精度、高剛度和良好的動(dòng)平衡性能的砂輪與主軸的連接方式很必要.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)需有利于磨粒分裂,優(yōu)化磨粒的空間分布.對(duì)于某些高速磨削,不但要有高的磨削效率,而且還要有高的磨削質(zhì)量,為此對(duì)砂輪應(yīng)有一套完善的修整技術(shù).

    (2)超高速磨床主軸及其軸承技術(shù)

    超高速磨削用主軸單元的性能在很大程度上決定了超高速磨床所能達(dá)到的最高磨削速度極限,因而,為實(shí)現(xiàn)高速超高速磨削,砂輪驅(qū)動(dòng)和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高.主軸的高速化要求足夠的剛度,回轉(zhuǎn)精度高,熱穩(wěn)定性好,可靠,功耗低,壽命長(zhǎng)等.要滿足這些要求,主軸的制造及動(dòng)平衡,主軸的支撐(軸承),主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑和冷卻,系統(tǒng)的剛性等是很重要的.為減少由于磨削速度的提高而增加的動(dòng)態(tài)力,要求砂輪主軸及主軸電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行極其精確,且振動(dòng)極小.

    超高速磨削的砂輪主軸轉(zhuǎn)速一般在10000r/min以上,所傳遞的磨削功率通常為幾十千瓦,因此要求主軸軸承的轉(zhuǎn)速特征值非常高,還必須具有很高的回轉(zhuǎn)精度和剛度,以保證砂輪圓周上的磨粒能均勻地參加切削,并能抵御超高速回轉(zhuǎn)時(shí)不平衡質(zhì)量造成的振動(dòng).

    主軸軸承可采用陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承或液體動(dòng)靜壓軸承等.陶瓷球軸承具有重量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn).其缺點(diǎn)是制造難度大,成本高,對(duì)拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感.磁浮軸承的最高表面速度可達(dá)200m/s,可能成為未來(lái)超高速主軸軸承的一種選擇.目前磁浮軸承存在的主要問(wèn)題是剛度與負(fù)荷容量低,所用磁鐵與回轉(zhuǎn)體的尺寸相比過(guò)大,價(jià)格昂貴.空氣靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)精度高,沒(méi)有振動(dòng),摩擦阻力小,經(jīng)久耐用,可以高速回轉(zhuǎn)等特點(diǎn).用于高速、輕載和超精密的場(chǎng)合.液體動(dòng)靜壓軸承,無(wú)負(fù)載時(shí)動(dòng)力損失太大,主要用于低速重載主軸.

    高速超高速磨削的另一個(gè)特點(diǎn)是其主軸的無(wú)功功率損失隨轉(zhuǎn)速的增大而呈非線性增長(zhǎng).例如,將磨削速度由80m/s增大至180m/s時(shí),主軸的無(wú)功功率會(huì)由不足20%升高至90%以上.高速范圍內(nèi)電機(jī)以恒功率方式工作,主軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩減小,無(wú)功功率的升高將導(dǎo)致磨削轉(zhuǎn)矩減小.因此,在增大主軸轉(zhuǎn)速時(shí)必須考慮降低無(wú)功功率損失,以保證主軸有足夠的轉(zhuǎn)矩用于磨削.

    (4)磨削液及其供給技術(shù)

    磨削表面質(zhì)量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削熱的影響.盡管人們開(kāi)發(fā)了液氮冷卻、噴氣冷卻、微量潤(rùn)滑和干切削等,但磨削液仍然是不可能完全被取代的冷卻潤(rùn)滑介質(zhì).磨削液分為兩大類(lèi):油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液).油基磨削液潤(rùn)滑性優(yōu)于水基磨削液,但水基磨削液冷卻效果好.

    高速磨削時(shí),氣流屏障阻礙了磨削液有效地進(jìn)入磨削區(qū),還可能存在薄膜沸騰的影響.因此,采用恰當(dāng)?shù)淖⑷敕椒?增加磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效部分,提高冷卻和潤(rùn)滑效果,對(duì)于改善工件質(zhì)量,減少砂輪磨損,極其重要.常用的磨削液注入方法有:手工供液法和澆注法、高壓噴射法、空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣ā⑸拜唭?nèi)冷卻法、利用開(kāi)槽砂輪法等.在超高速條件下,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削區(qū)的冷卻,沖走切屑,磨削液的噴注必須有足夠大的動(dòng)量,以沖破砂輪周?chē)母咚贇饬?使磨削液抵達(dá)磨削區(qū).故與普通磨削相比,磨削液的流量、壓力均成倍增加.此外,為了保證超高速磨削的表面質(zhì)量,提高磨削液的利用率,減少磨削液中殘留雜質(zhì)對(duì)加工質(zhì)量及機(jī)床系統(tǒng)的不良影響,必須采用一套高效高過(guò)濾精度的磨削液過(guò)濾系統(tǒng).從噴嘴噴注在砂輪上的磨削液,會(huì)在強(qiáng)大離心力作用下形成嚴(yán)重的油霧.所以超高速磨床還要把磨削區(qū)封閉起來(lái),并要及時(shí)抽出油霧,然后利用離心和靜電的方法進(jìn)行油氣分離.

    具有極高磨削效率的超高速磨床,一分鐘會(huì)產(chǎn)生幾公斤的磨屑.能夠及時(shí)干凈地把這些磨屑從磨削液中過(guò)濾出來(lái)也是一個(gè)很重要的問(wèn)題.目前,多用離心機(jī)或硅藻土過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)磨削液進(jìn)行集中處理.

    (5)砂輪、工件安裝定位及安全防護(hù)技術(shù).

    高速及超高速磨削砂輪動(dòng)能很大,必須設(shè)置高強(qiáng)度半封閉或封閉的砂輪防護(hù)罩,罩內(nèi)最好敷設(shè)緩沖材料,以吸收或減少砂輪碎塊的二次彈射.

    (6)磨削狀態(tài)檢測(cè)及數(shù)控技術(shù)

    高速超高速磨削加工中,由于砂輪線速度極高,砂輪由于超高速引起的破碎現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生,砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是關(guān)系到磨削工作能否順利進(jìn)行和保證加工質(zhì)量和零件表面完整性的關(guān)鍵;在超高速加工中,砂輪與工件的對(duì)刀精度,砂輪與修整輪的對(duì)刀精度將直接影響到工件的尺寸精度和砂輪的修整質(zhì)量,因此,在超高速磨削加工中,在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證磨削加工質(zhì)量和提高加工生產(chǎn)率的重

要因素.目前,聲發(fā)射技術(shù)已成功用于超高速磨削的無(wú)損檢測(cè),利用磨削過(guò)程中產(chǎn)生的各種聲發(fā)射源,如砂輪與工件彈性接觸、砂輪粘接劑破裂、砂輪磨粒與工件磨擦、工件表面裂紋和燒傷、砂輪與修整輪的接觸等均可發(fā)射彈性波.這些因素和工件材料、磨削條件、砂輪表面的狀態(tài)等因素都有著密切的關(guān)系.這些因素的改變必然會(huì)引起聲發(fā)射信號(hào)的幅值、頻譜等方面發(fā)生變化,這就使得我們可以通過(guò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的變化來(lái)對(duì)磨削狀態(tài)進(jìn)行判別.因此利用聲發(fā)射技術(shù)可監(jiān)測(cè)磨削裂紋和磨削燒傷、砂輪破碎砂輪磨損、砂輪與工件接觸、砂輪與修整輪接觸,并取得了令人滿意的效果.此外,工件尺寸精度、形狀精度、位置精度和加工表面質(zhì)量的在線監(jiān)控技術(shù),高精度、高可靠性、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)試技術(shù)與儀器都是高速超高速磨削所必不可少的關(guān)鍵技術(shù)

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