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1、引言 机械制造工业为国民经济建设提供机械装备。机械装备中绝大部分零件在生产过程中都需要切削加工，如通过车、铣、刨、钻、磨等方面，最后使零件获得合格的形状、尺寸和精度。而磨削加工是用来提高零件精度的重要工艺方法之一。随着工业技术的发展，对产品质量的要求越来越高，磨削工艺在机械加工中起着极为重要的作用。从某种意义上讲，一个国家的磨削工艺水平标志着这个国家机械加工的水平。随着机械产品质量的不短提高，磨削工艺也将不短发展和完整。1 磨削技术发展概述 我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史,如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s,1 20 m/s的磨削工艺实验;前几年,某大学也计划开展250 m/
2、s的磨削研究(但至今尚未见到这 方面的报道),所以说有些高速磨削技术还只是实验而已,尚未走出实验室,技术还远没有 成熟,特别是超高速磨削的研究还开展得很少.在实际应用中,砂轮线速度Vs一般还 是4560 m/s. 一般来讲,按砂轮线速度Vs的高低将磨削分为普通磨削(Vs45 m/s),高速磨削 (45Vs150 m/s),超高速磨削(Vs150 m/s).按磨削精度将磨削分为普通磨削,精密磨削(加工精度1 m0.1 m,表面粗糙度Ra0.2 m0.1 m),超精密磨削(加工精帡0.1 m , 表面粗糙度Ra0.025 m).按磨削效率将磨削分为普通磨削,高效磨削.高效磨 削包括高速磨削,超高速
3、磨削,缓进给磨削,高效深切磨削(HEDG ,砂带磨削,快速短行程 磨削,高速重负荷磨削. 高速高效磨削,超高速磨削在欧洲,美国和日本等一些工业发达国家发展很快,如德国的Aa chen大学,Bremm大学,美国的Connecticut大学等,有的在实验室完成了Vs为250 m/ s,350 m/s,400 m/s的实验.据报道,德国Aachen大学正在进行目标为500 m/s的磨削实验 研究.在实用磨削方面,日本已有Vs=200 m/s的磨床在工业中应用. 国内外都采用超精密磨削,精密修整,微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究,以 获得亚微米级的尺寸精度.微细磨料磨削,用于超精密镜面磨削的
4、树脂结合剂砂轮的金刚石 磨粒平均直径可小至4 m.日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致 的微小切刃,对硬脆材料进行精密磨削加工,效果很好.超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要 用于磨削难加工材料,精度可达0.025 m.日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨 削技术,使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能,可实现硬脆材料的高精度, 高效率的超精密磨削.作平面研磨运动的双端面精密磨削技术,其加工精度,切除率都比研 磨高得多,且可获得很高的平面度.电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨削技术. 随着磨削技术的发展,磨床在加工机床中也占有相当大的比例.据1997年欧洲机
5、床展览会(E MO)的调查数据表明,25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术,车削只占23%, 钻削占22%,其它占8%;而磨床在企业中占机床的比例高达42%,车床占23%,铣床占22%,钻 床占14%.我国从19491998年,开发生产的通用磨床有1800多种,专用磨床有几百种,磨床 的拥有量占金属切削机床总拥有量的13%左右.可见,磨削技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要的位置.为什么磨削技术会不断地发展 主要原因如下: (1)加工精度高 由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点,如砂轮上参 与切削的磨粒多,切削刃多且几何形状不同;仅在较小的局部产生加工应力;磨具对断续切 削,工件
6、硬度的变化不很敏感;砂轮可实现在线修锐等,因而可使加工件获得很高的加工精 度. (2)加工效率高 如缓进给深磨,一次磨削深度可达到025 mm,如将砂轮修 整成所需形状,一次便可磨出所需的工件形状.而当Vs进一步提高后,其加工效率则 更高. (3)工程材料不断发展 许多材料(如陶瓷材料,玻璃材料等)在工业中的应用不断扩大,有些材料只能采用磨削加工 ,需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相适应. (4)新的磨料磨具 如人造金刚石砂轮,CBN砂轮的出现,扩大了磨削加工的 应用范围. (5)相关技术的发展 如砂轮制造技术,控制技术,运动部件的驱动技术, 支撑技术等,促进了磨削技术及磨削装备的发展. 总之
7、,磨削技术发展很快,在机械加工中起着非常重要的作用.目前,磨削技术的发展趋势 是,发展超硬磨料磨具,研究精密及超精密磨削,高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺 技术,研制高精度,高刚性的自动化磨床. 就磨削而言,特别就高速高效磨削,精密及超精密磨削而言,其涉及的内容广泛,不仅包括 磨削本身的技术,也集中了其它相关的技术.关键技术介绍如下:1.1磨削的工艺特点及应用研究磨削加工是零件精加工的主要方法。磨削时可采用砂轮、油石、磨头、砂带等作磨具，而最常用的磨具是用磨料和粘结剂做成的砂轮。通常磨削能达到的精度为IT7IT5，表面粗糙度Ra值一般为0.80.2m。磨削的加工范围很广，不仅可以加工内外圆
8、柱面、内外圆锥面和平面，还可加工螺纹、花键轴、曲轴、齿轮、叶片等特殊的成形表面。从本质上来说，磨削加工是一种切削加工，但和通常的车削、铣削、刨削等相比却有以下的特点：1磨削属多刃、微刃切削砂轮上每一磨粒相当于一个切削刃，而且切削刃的形状及分布处于随机状态，每个磨粒的切削角度、切削条件均不相同。2加工精度高磨削属于微刃切削，切削厚度极薄，每一磨粒切削厚度可小到数微米，故可获得很高的加工精度和低的表面粗糙度值。3磨削速度大一般砂轮的圆周速度达20003000m/min，目前的高速磨削砂轮线速度已达到60250m/s。故磨削时温度很高，磨削区的瞬时高温可达8001000，因此磨削时必须使用切削液。4
9、加工范围广磨粒硬度很高，因此磨削不但可以加工碳钢、铸铁等常用金属材料，还能加工一般刀具难以加工的高硬度、高脆性材料，如淬火钢、硬质合金等。但磨削不适宜加工硬度低而塑性大的有色金属材料。磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，已广泛用于各种表面的精密加工。许多精密铸造成形的铸件、精密锻造成形的锻件和重要配合面也要经过磨削才能达到精度要求。因此，磨削在机械制造业中的应用日益广泛。1.2 高速,高精度主轴单元制造技术 主轴单元包括主轴动力源,主轴,轴承和机架几个部分,它影响着加工系统的精度,稳定性 及应用范围,其动力学性能及稳定性对高速高效磨削,精密超精密磨削起着关键的作用. 提高砂轮线速度主要是提高砂
10、轮主轴的转速,特别是在砂轮直径受到限制的场合(如内圆磨 削).因而,适应于高精度,高速及超高速磨床的主轴单元是磨床的关键部件.而对于高 速高精度主轴单元系统,应该是刚性好,回转精度高,运转时温升小,稳定性好,可靠,功 耗低,寿命长,同时,成本也应适中.要满足这些要求,主轴的制造及动平衡,主轴的支撑 (轴承),主轴系统的润滑和冷却,系统的刚性等是很重要的. 国外主轴单元技术的发展很快,有些公司专门提供各种功能的主轴单元部件,这种主轴单元 部件可以方便地配置到加工中心,超高速切削机床上.近年来高速和超高速磨床越来越多地 用电主轴作为其主轴单元部件,如美国福特公司和Ingersoll公司推出的加工中
11、心,其主轴 单元就是用的电主轴,其功率为65 kW,最高转速达15 000 r/min,电机的响应时间很短; 在EMO97上,电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件,参展商达36家;美国Landis公 司的超高速曲轴,凸轮轴磨床的砂轮主轴,也都用电主轴. 目前,国内主轴单元的速度大约在10 000 r/min以下,且其精度,刚性及稳定性有待于考验 和提高.同时,缺乏高速,高精度,大功率的主轴单元(电主轴).需要进一步研究的重点如 下:大功率,高转速和高精度的驱动系统的研究与开发;高刚性,高精度,高转速重负 荷的轴承或支承件的研究与开发;高速,高刚性,高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制 造技术.
12、1.3 精密,高速进给单元制造技术 进给单元包括伺服驱动部件,滚动单元,位置监测单元等.进给单元是使砂轮保持正常工作 的必要条件,也是评价高速,高效及超高速磨床性能的重要指标之一,因此,要求进给单元 运转灵活,分辨率高,定位精度高,没有爬行,有较大的移动范围(既要适合空行程时的快 进给,又要适应加工时的小进给或者微进给),既要有较大的加速度,又要有足够大的推力 ,刚性高,动态响应快,定位精度好. 数控机床普遍采用旋转电机(交直流伺服电机)与滚动丝杠组合的轴向进给方案.但随着高 速高精度加工的发展,国内外都普采用了直线伺服电机直接驱动技术,高动态性能的直线 电机结合数字控制技术,可达到较高的调整
13、质量,也可满足上述要求,如德国西门子公司就 在CIMT97作了直线电机120 m/min高速进给的表演,而该公司的直线电机最大进给速度可达 200 m/min, 其最大推力可达6600 N,最大位移距离504 mm.又如日本三井精机公司生产 的高速工具磨床,主轴上下移动(行程25 mm)采用直线电机后,可达400次/min,是原来的2 倍,加工效率提高34倍.我国国产数控进给系统(特别是高速,高精度进给系统)与国外相 比还有很大的差距,其快速进给的速度一般为24 m/min.可见,为了适应精密,高速及超高 速磨床的发展,在以下几个方面应重点研究:高速精密交流伺服系统及电机的研究;直线伺服电机的
14、设计与应用的研究;高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研究;高精度导轨,新型导轨摩擦副的研究;能适应超精密磨削的高灵敏度,超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的研究.1.4 砂轮制造及其新技术 随着工程材料的发展及其应用,CBN砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广泛,而砂轮的许 用线速度也要求较高,一般在80 m/s以上.单层电镀CBN砂轮的线速度可达250 m/s,发展超 高速磨削也需要150 m/s以上的砂轮,但国内80120 m/s的CBN砂轮仍在研制之中. 此外,砂轮的设计,其截面形状的优化,粘结剂的结合强度及其适用性,砂轮基体的材料, 砂轮的制造技术(特别是对微细磨料磨具的制造技术)等
15、都是非常重要的,仍需对一些关键技 术进行攻关:砂轮基体材料及制造技术的开发,设计及其优化;砂轮新型粘结剂(特别是适用于制造微细磨料磨具的粘结剂)的研究;新型磨料的制备工艺,如可使磨料容易产生新的切削刃;新型砂轮的制造工艺,既要使砂轮具有足够的容屑空间,也要有更好的凸出性;适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术.1.5 机床支承技术及辅助单元技术 机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术.辅助单元技术包括快速工件装夹 技术,高效冷却润滑液过滤系统,机床安全装置,切屑处理及工件清洁技术,主轴及砂轮的 动平衡技术等. 磨床支承构件是砂轮架,头架,尾架,工作台等部件的支撑基础件.要求它有良好
16、的静刚度 ,动刚度及热刚度.对于一些精密,超高速磨床,国内外都有采用耕合物混凝土(人造花岗 岩)来制造床身和立柱的,也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,还有采用钢板焊接 件,并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性,这些都收到了很好的效果. 应在以下几个方面(特别是下一代磨床的设计)加强研究:新型材料及结构的支承构件的优化设计及制造技术的研究;砂轮动平衡技术的研究;磨削液过滤系统的研究;安全防护装置的设计制造技术的研究;精密自动跟刀架及支承件的研究.1.6 砂轮在线修整技术 在磨削过程中,砂轮由于磨钝和磨损,需要进行及时修整,特别是对超细磨料砂轮而言,更 需频繁修整.普通砂轮修整比较容易;人造金刚石砂轮和CBN砂轮的
