磨削技术的现状和未来发展趋势

杨洪波,赵恒华,刘伟锐

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)

磨削是用硬磨料颗粒作为切削工具进行的加工过程的统称[1]。虽然硬车削对普通磨削提出挑战并产生一定的冲击,但对于陶瓷、硬质合金、玻璃等非金属脆性材料则唯一地依靠磨削加工[2]。一般来讲,磨削加工按线速度vs可以分为普通磨削(Vs＝30~40 m/s)、高速磨削(45≤Vs<150 m/s)和超高速磨削(Vs≥150 m/s)[3]。相比一般的传统磨削,超高速磨削可以提高效率、降低生产成本、延长齿轮寿命、获得良好的加工表面品质。近20年来,随着材料、信息、微电子、计算机等现代科学技术的迅速发展,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的国家迅速发展。

1 超高速磨削理论依据

超高速磨削理论基于德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)提出的超高速切削理论[4]。早在1931年,萨洛蒙博士就首先提出了“超高速加工”的概念,他创作了著名的萨洛蒙(Salomon)曲线[4],超高速切削可以越过“高温死谷”,大幅度缩短切削时间,成倍的提高机床生产率[4－7]。之后德国、美国、日本等都以不同的方式对超高速磨削机理进行了探索,获得了大量的研究成果,直接推动了超高速磨削技术的实用化。

2 国内外磨削技术的现状

2.1 欧洲

欧洲超高速磨削技术的发展起步比较早,一直处于领先地位。2005年,伊瓦格(EWAG)公司研制推出了RS15工具磨床,用于加工和修磨聚晶金刚石(PCD)、硬质合金、高速钢等刀具。该机床还配备有投影仪,工件加工过程中一次装夹完成磨削和测量,从而保证了加工精度并提高了生产率。美盖勒(MAGERLE)公司研制的MFP系列精密五轴数控成形磨床是大余量缓进给磨削的强力成形磨床,配备了其公司研发的静压导轨技术,磨削加工中振动小、噪声小、机床具有高刚性和热稳定性,动态性能良好[8]。2006年德国汉诺威机床与工艺设计学会M.Reichstein等人合作研究发现陶瓷结合剂蜗杆砂轮在磨削齿轮齿侧时表现出良好的工艺稳定性、加工品质和小的残余应力。同年,英国Cinetic Landis公司P.Comley等人论证了汽车曲轴材料去除率磨削加工的可行性及有效性。2007年,在汉诺威EMO欧洲机床展览会上霍夫勒公司展出了Rapid125 0 MFM(multi－funktions－maschine,多功能机床)”机床,在进行齿轮成型的同时能够完成钻孔以及齿顶圆磨削。2010年在美国国际制造技术展览会上,保宁公司展出了用于加工小型涡轮零件的五轴联动磨床Aeromat,该机床具有安装12个砂轮的砂轮库,并自动更换不同组合的砂轮,以适应不同的加工精度和工艺要求。2011年汉诺威欧洲国际机床展上,万特公司展示了WBM 205 CDR端面磨削磨床,此磨床是用于磨削超硬材料的单、双端面并使工件自转的端面磨床,实现在线修整ROTODRESS是该磨床最主要的特性,即使采用微颗粒砂轮也能保证工件很高的表面品质。周边负倒棱磨床WAC 715 QUATTRO,即使对于很硬的材料也能实现高效率、高精度磨削[9]。

2.2 美国

美国Connectient大学磨削研究与发展中心[7]有一台无心外圆磨床,最高磨削速度达250 m/s[10]。就机床的可靠性问题,美国Landis公司在所有的外圆磨床主轴上采用了静压轴承,可以消除主轴磨损,延长主轴使用寿命,同时提高了磨削精度和精度保持性[11]。美国俄亥俄州托莱大学的陈波教授和沈阳大学的陈莫莫教授系统讲述了美国用普通磨床高精度磨细长轴的简单新工艺[12]。2003年美国哈挺公司开发了可磨削各种型面及圆滑连接的Kel＿Vista高精度数控内、外圆磨床[7],对于型芯杆的粗、精磨可一次装夹完成[13]。2006年,美国QED工艺技术公司M.Tricard等人进行了深入的理论分析和大量实验,采用稳态磁流体喷射抛光光学零件表面成功解决等角自由曲面峭壁内凹形状的光学零件难光整加工的问题[14]。2010年美国国际制造技术展览会上,克林贝格(KELLENBERGER)公司展出新产品KEL－VERA RS250/400型数控磨床,主要用于大尺寸零件卡盘装夹下的切入磨削。

2.3 日本

近20年来,日本的高速、超高速磨削技术发展迅速。日本广泛采用CBN砂轮代替一般砂轮[10],其目的是达到加工的高效率化、省力和无人化[10]。近年来,日本成功研制出磨削速度为400 m/s的超高速平面磨床,最高线速度达395 m/s[15]。Shinizu等人为了获得超高速磨削速度改制了磨床[4],使工件和砂轮间的实际磨削线速度接近1 000 m/s[16]。2006年在第56届CIRP大会上,日本慈城大学工程系的周力波等人研究出单晶硅底层无缺陷化学机械磨削新工艺,此工艺方法比化学机械抛光(CMP)更容易得到好的表面品质。2010年,日本 YASDA公司、Sodick公司、Makino公司展出亚微米级超精密机床。

2.4 国内

2000年,湖南大学在中国数控机床展览会(CCMT 2000)[4]上展出了最高线速度达120 m/s的数控凸轮轴磨床[15]。2002年开发了切点追踪高速磨削曲轴新工艺与软件,从根本上解决了偏心圆、曲轴等零件工序分散加工造成的加工效率低及重复定位误差大的难题。2006年,国家高效磨削工程技术研究中心研制出非圆截面轮廓精密磨削技术,主要用于轴类零件加工,广泛应用于汽车发动机、航天航空、印刷、纺织机械及其他精密机械制造业。同年,又研制出一台最高线速度达314 m/s的超高速数控磨削试验平台,可实现硬脆难加工材料的超高速磨削试验以及超硬砂轮的在线修整修锐工艺试验。为适应国内丝锥市场的需求,2006年汉江机床公司开发研制了国内第一台SK722数控丝锥磨床,主要加工直槽磨牙丝锥,可采用单线或多线砂轮磨削,可直接在淬火后没有螺纹的丝锥坯体上磨出螺纹。2007年,杭州机床集团公司承担了为沈阳机床集团研发制造MKL713 2×8/2型数控鼠牙盘磨床的任务,经过两年时间刻苦摸索和攻关,成功解决了鼠牙盘端面齿数控成形磨床诸多关键技术,并于2010年初成功制造出国内首台鼠牙盘端面齿数控成形磨床,现已提供给用户使用。2008年由湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心、浙江工业大学超精密加工研究中心、宁波凯泰智邦机械有限公司、杭州智邦纳米技术有限公司、湖大海捷制造技术有限公司共同开发的“Olymball－E600精密球体高效研磨机”和“Olymball－D600精密球体研磨机”项目在杭州市通过了中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定和宁波市经济委员会组织的新产品及投产鉴定。2011年险峰机床厂在轧辊磨床上采用德国的DITTEL的M6000型机电式平衡模块,此款主要针对高精度磨床研发而成,可以对不平衡进行监测和评估,可以完成快速精确的不平衡补偿[17]。同年,甘肃天水星火机床有限责任公司在轧辊磨床上采用带箱磨削装置,磨削过程中不需要再拆卸箱架,只需找正带箱滚径上的母线和侧母线,完成带箱滚径直线度调节后,即可拖动磨削,避免拆卸或安装过程中的零件破坏、精度降低。同时缩短了磨削辅助时间,大大提高了生产效率[18]。

3 磨削技术的发展趋势

随着高强度、高硬度、高耐磨性等新型材料的出现,磨削加工呈现精密加工的属性,超硬砂轮的出现为扩大磨削的应用范围和促进高效磨削的发展创造了条件,因此高效磨削工艺的发展就显得尤其重要和迫切。

高效磨削是以增大磨削负荷或提高砂轮线速度为手段,增加单位时间金属磨除率,以期与车削、铣削那样高的金属切除率相媲美,甚至更高[19],它主要包括超高速磨削、缓进给磨削、高效深磨和快速点磨削[20]。

3.1 超高速磨削机理

超高速磨削过程中,若保持其它参数不变,增大砂轮线速度vs,单位时间内参与工作的磨粒数增加,则每颗磨粒切下的磨屑厚度变薄[4],导致每个磨粒承受的磨削力大大变小[7],总的磨削力也大大降低[21]。若调整参数使最大磨屑厚度保持不变[22],由于单位时间内参与工作的磨粒数增加,磨除的磨屑增多,磨削效率会大大提高[23]。

3.2 超高速磨削的特点

超高速磨削可以对脆性材料实现延性域磨削[22],对难磨材料也有好的磨削表现[15],比之普通磨削显示出极大的优势:

1)磨粒相对工件的速度已接近于应力波在工件中的传播速度量级[24],致使工件变形区域明显减小,磨削力和比磨削能小[24]。若平均每颗磨粒的切深与普通磨削一样,则进给量vf大幅度提高,金属去除率Z得到提高,磨削效率大幅度提高[25,26]。

2)超高的磨削速度使单颗磨粒受力小,砂轮磨损小,延长了砂轮的使用寿命[27]。

3)磨削表面粗糙度值随砂轮速度的提高而降低[27],磨削热量多被磨屑带走,使工件表面温度降低,而且受力和受热变质层变薄[27],从而得到高表面品质、低粗糙度值的加工表面[28]。

4)超高速磨削时,变形区材料在近乎绝热剪切条件下完成切削,使难磨材料的磨削性能改善[29],可以实现对硬脆材料的延性域磨削。

3.3 实现超高速磨削的关键技术

1)进一步提高磨削速度

缩短与国外超高速磨削速度的差距,使超高速磨削在工业生产中成为可能。

2)发展超高速磨削用主轴单元制造技术

超高速磨削用主轴单元的性能决定超高速磨床所能达到的极限磨削速度[30]。液体动静压电主轴是我国电主轴领域最有希望发展自主知识产权和形成自主品牌的电主轴产品,但国内产品在速度、精度及制造工艺方面还需进一步提升和完善[31]。

3)进一步研究超高速磨削机理与工艺

研究超高速磨削机理与工艺主要包括:研究工件材料(特别是难加工材料)的超高速磨削过程和磨削现象,揭示磨削的内在规律,建立完善的超高速磨削基础理论体系,建立相应的高速磨削数据库,利用虚拟仿真技术,开发超高速磨削的计算机仿真软件,以期指导超高速磨削的生产实践。

4 结语

磨削加工在机械制造业中应用非常广泛,在汽车和航空航天等领域的应用尤其重要[32],随着高硬度,高强度,高耐磨性,高功能性的新型材料的广泛应用,磨削技术正朝着高速高效、低表面粗糙度、精密、智能化方向发展[32]。随着新型超高速磨削砂轮的应用与发展,高速大功率主轴单元制造,新型磨削液及砂轮修整等相关技术以及磨削数控化和智能化等技术的发展,高速和超高速磨削技术的发展前景将非常广阔。

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