磨削加工新技术的发展

拼搏人生

快速点磨削技术
　　德国Junker 公司十1994 年开发的快速点磨削(Quick-point Grinding )是一种新的高速/超高速磨削技术形式，具有高效率、高柔性、大批量生产及高质量稳定性。主要用于轴类零件加工。目前已在汽车工业、机床及工具制造业、纺织及印刷机械制造业中得到应用。应用该工艺可以通过一次装夹几乎实现轴类件全部表面加工，大大提高了零件加工精度及生产率。我国部分汽车制造企业目前也引进了这一工艺设备，并取得了明显效益。由于国内目前没有开展系统的理论和应用研究，不掌握其核心技术理论、工艺参数设计和编程技术，仅就单一零件加工由国外垄断定制，全部工艺、设备和配套附件均依赖进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削的相关技术信息也鲜见报道。作为教育部重点科学技术研究课题，东北大学从2004 年开始对快速点磨削关键技术及磨削机理开展了基础性的理论与实验研究，并研制开发了实验机床和点磨削超薄CBN 砂轮(见图1 和图2)。
( S# }6 q( k0 T, Z" t) V　　机床采用动静压主轴轴承，轴承工作压力30MPa ，转速达1500Or/min ，能够实现点磨变量角度。和刀在给定范围内变化，X-Z方向联动进给，冷却系统供液压力2MPa 。
　　3.1 快速点磨削的关键技术
　　
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　　数控快速点磨削集成了数控车削、CBN 超硬磨料和超高速磨削技术，可实现对多种形状表面及多种材料的高性能加工。图3 为点磨削加工凸轮轴。快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下：
! y! j5 x5 w1 G/ c　　(1)点磨削加工时，砂轮与工件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平和垂直两个方向偏转α、β角度，以实现砂轮与工件理论上的“点接触”, 最大限度减小砂轮与工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩发生干涉。接触区放大后如图4 阴影部分所示。
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　　点磨削以单向磨削为主，通过数控系统来控制这两个方向的角变量数值，以及在X 、Z 方向采用与CNC 车削相类似的两轴联动数控进给，以实现对不同形状表面的点磨加工。X 方向采用高精度静压圆柱导轨技术(图5) ，以增加阻尼和稳定地实现微米级精确切人进给。Z方向(纵向)进给采用带有预负载的滚珠丝杠和平面浑形涂层导轨。
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　　(2)快速点磨削采用金属结合剂超硬磨料(CBN 或人造金刚石)超薄砂轮，直径一般为300～400mm ，宽度为4 ～6mm ，径向磨料层厚度为5mm 。砂轮架、主轴箱和尾架的调整和安装均采用Junker 公司专利技术“三点定位安装系统”快速完成，重复定位精度高，砂轮径向跳动精度可控制在0.OO2mm 以内，并可补偿高速离心力作用下的砂轮孔径涨大。如图6 所示，更换顶尖时间小于2min ，更换砂轮时间小于2Omin 。为控制由于砂轮高速旋转产生的振动，保证加工质量，在砂轮的每次修整和更换后都要进行动平衡。Junker 公司的点磨机床通过安装在主轴端部的电子自动平衡系统自动完成砂轮在线动平衡。由于砂轮极薄，降低了砂轮重量和不平衡度，并使由砂轮高速旋转在磨削区周围产生的高压空气层对冷却液的阻碍作用下降，同时也减少了高速砂轮的旋转阻力，并且能磨削狭窄及断面尺寸变化较大的型面阎。
　　

; u3 D2 R$ C$ k0 w　　(3)砂轮速度可达90-16Om/s 。为获得高磨除率，同时不使砂轮产生过大的离心力而发生破坏，工件也高速旋转，并与砂轮转向相同，通常在1000r / min 以上，最高可达12O00r /没in 。因此接触点处的实际磨削速度应是砂轮和工件两者线速度的叠加，可达200m/s 以上，以实现更高应变率下材料的去除。
　　(4)与一般磨削方式不同，在磨削外圆时，砂轮磨损主要是在端面沿横向发生，而沿径向磨损很小。实际应用中一般根据砂轮耐用度(加工工件的数量)或磨损状态(砂轮横向磨损宽度是否达到规定值)，通过与工件同轴线安装的金刚石滚轮和油石直接在机床上完成在线修整。修整时，主要是将砂轮在宽度方向磨损后剩存且已经钝化的一层磨粒由金刚石滚轮切除，恢复砂轮圆柱表面形状，再用油石修锐。直到砂轮磨粒径向厚度层全部修整去除，砂轮达到使用寿命。一汽大众汽车有限公司引进快速点磨削技术磨削发动机凸轮轴轴径，采用厚度为5mm 的金属结合剂CBN 砂轮，砂轮修整一次可磨削工件3000 件，每片砂轮可修整20 次[6]
0 c7 g; R4 J/ W' @　　(5)使用高速低粘度磨削油喷注进行冷却，供液压力一般为1～2MPa ，采用如图4 所示的双喷嘴喷注方式。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统、高效率磨屑分离与油气分离装置。
7 Z4 d1 s" _" E$ ?/ I. L1 w* p　　3.2 快速点磨削技术的应用效果
　　快速点磨削的磨削温度低，可实现少、无磨削液加工，能够达到高精度磨削的表面质量和加工精度;由于磨削力极小，用顶尖产生的摩擦力即可带动工件，特别适合刚性较差的细长轴加工，可进行包括工件两端在内的整体加工;快速点磨削砂轮使用寿命相当长，最高磨削比可达60000 ，成为半永久性工具，每次修整最多可加工上万个工件，生产效率比普通磨削提高6 倍，机床利用率高达88 %一95 % , 比传统磨削方法高出3%一8 % ;快速点磨削砂轮的形状精度保持性极好，保证了大批量生产中极高的质量稳定性;一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形的加工，具有更大的柔性和更高的生产率。还可以实现车磨工序合并。我国汽车制造企业用快速点磨削技术加工凸轮轴，只需一台机床即可完成凸轮轴轴颈的全部加工，运行成本降低70%一80% ，加工精度在H6 级以上，表面粗糙度值低于0.8 µm