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樹脂砂輪的發展歷史。

1、磨削技術發展概述

一般來講,按砂輪線速度Vs的高低將磨削分為普通磨削(Vs<45m/s)、高速磨削(45≤Vs<150m/s)、超高速磨削(Vs≥150m/s)。按磨削精度將磨削分為普通磨削、精密磨削(加工精度1μm~0.1μm、表面粗糙度Ra0.2μm~0.1μm)、超精密磨削(加工精度<0.1μm,表面粗糙度Ra≤0.025μm)。按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、緩進給磨削、高效深切磨削(HEDG)、砂帶磨削、快速短行程磨削、高速重負荷磨削。

高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業發達國家發展很快,如德國的Aachen大學、Bremm大學、美國的Connecticut大學等,有的在實驗室完成了Vs為250m/s、350m/s、400m/s的實驗。據報道,德國Aachen大學正在進行目標為500m/s的磨削實驗研究。在實用磨削方面,日本已有Vs=200m/s的磨床在工業中應用。

我國對高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史,如湖南大學在70年代末期便進行了80m/s、120m/s的磨削工藝實驗;前幾年,某大學也計劃開展250m/s的磨削研究(但至今尚未見到這方面的報道),所以說有些高速磨削技術還只是實驗而已,尚未走出實驗室,技術還遠沒有成熟,特別是超高速磨削的研究還開展得很少。在實際應用中,砂輪線速度Vs一般還是45~60m/s。

國內外都采用超精密磨削、精密修整、微細磨料磨具進行亞微米級以下切深磨削的研究,以獲得亞微米級的尺寸精度。微細磨料磨削,用于超精密鏡面磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒平均直徑可小至4μm。日本用激光在研磨過的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致的微小切刃,對硬脆材料進行精密磨削加工,效果很好。超硬材料微粉砂輪超精密磨削主要用于磨削難加工材料,精度可達0.025μm。日本開發了電解在線修整(ELID)超精密鏡面磨削技術,使得用超細微(或超微粉)超硬磨料制造砂輪成為可能,可實現硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨運動的雙端面精密磨削技術,其加工精度、切除率都比研磨高得多,且可獲得很高的平面度。電泳磨削技術也是一種新的超精密及納米磨削技術。

隨著磨削技術的發展,磨床在加工機床中也占有相當大的比例。據1997年歐洲機床展覽會(EMO)的調查數據表明,25%的企業認為磨削是他們應用的最主要的加工技術,車削占23%,鉆削占22%,其它占8%;而磨床在企業中占機床的比例高達42%,車床占23%,銑床占22%,鉆床占14%。我國從1949~1998年,開發生產的通用磨床有1800多種,專用磨床有幾百種,磨床的擁有量占金屬切削機床總擁有量的13%左右。可見,磨削技術及磨床在機械制造業中占有極其重要的地位。

為什么磨削技術會不斷地發展?主要原因如下:

加工精度高。由于磨削具有其它加工方法無法比擬的特點,如砂輪上參與切削的磨粒多,切削刃多且幾何形狀不同;僅在較小的局部產生加工應力;磨具對斷續切削、工件硬度的變化不很敏感;砂輪可實現在線修銳等,因而可使加工件獲得很高的加工精度。

加工效率高。如緩進給深磨,一次磨削深度可達到0~25mm,如將砂輪修整成所需形狀,一次便可磨出所需的工件形狀。而當Vs進一步提高后,其加工效率則更高。

工程材料不斷發展。許多材料在工業中的應用不斷擴大,有些材料只能采用磨削加工,需要有新的磨削技術及磨削工藝與之相適應。

新的磨料磨具如人造金剛石砂輪、CBN砂輪的出現,擴大了磨削加工的應用范圍。

相關技術的發展。如砂輪制造技術、控制技術、運動部件的驅動技術、支撐技術等,促進了磨削技術及磨削裝備的發展。

總之,磨削技術的快速發展,在機械加工中起著非常重要的作用。目前,磨削技術的發展趨勢是,發展超硬磨料磨具,研究精密及超精密磨削、高速高效磨削機理并開發其新的磨削工藝技術,研制高精度、高剛性的自動化磨床。

2、磨削的關鍵技術研究

就磨削而言,特別就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言,其涉及的內容廣泛,不僅包括磨削本身的技術,也集中了其它相關的技術。關鍵技術介紹如下:

2.1、磨削機理及磨削工藝的研究

通過對磨削機理和磨削工藝的研究,揭示各種磨削過程、磨削現象的本質,找出其變化規律,例如,磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度的分布、切屑的形成過程、磨削燒傷、磨削表面完整性等的影響因素和條件;不同工件材料和磨削條件的最佳磨削參數;磨具的磨損,新型磨具材料的磨削性能等,只有通過磨削機理和磨削工藝的研究,才能確定最佳的磨削范圍,獲取最佳的磨削參數。對普通磨削而言,在磨削機理和磨削工藝方面已開展了廣泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削機理和磨削工藝方面,針對不同的工程材料國內外開展了一些研究,但還很不全面,尚未形成完整的理論體系,還需進行廣泛的研究,找出其內在的規律。可見,需要進一步研究的重點有,①磨削過程、磨削現象的研究;②磨削工藝參數優化的研究;③不同材料的磨削機理的研究;④磨削過程的計算機模擬與仿真的研究。

2.2、高速、高精度主軸單元制造技術

主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架幾個部分,它影響著加工系統的精度、穩定性及應用范圍,其動力學性能及穩定性對高速高效磨削、精密超精密磨削起著關鍵的作用。

提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉速,特別是在砂輪直徑受到限制的場合 。因而,適應于高精度、高速及超高速磨床的主軸單元是磨床的關鍵部件。而對于高速高精度主軸單元系統,應該是剛性好,回轉精度高,運轉時溫升小、穩定性好、可靠,功耗低、壽命長、同時,成本也應適中。要滿足這些要求,主軸的制造及動平衡,主軸的支撐,主軸系統的潤滑和冷卻,系統的剛性等是很重要的。

國外主軸單元技術的發展很快,有些公司專門提供各種功能的主軸單元部件,這種主軸單元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削機床上。近年來高速和超高速磨床越來越多地用電主軸作為其主軸單元部件,如美國福特公司和英格索爾(Ingersoll)公司推出的加工中心,其主軸單元就是用的電主軸,其功率為65kW,最高轉速達15,000r/min,電機的響應時間很短;在EMO'97上,電主軸是機床制造技術中最熱門的功能部件,參展商達36家;美國Landis公司的超高速曲軸、凸輪軸磨床的砂輪主軸,也都用電主軸。

目前,國內主軸單元的速度大約在10,000r/min以下,且其精度、剛性及穩定性有待于考驗和提高。同時,缺乏高速、高精度、大功率的主軸單元。需要進一步研究的重點如下:①大功率、高轉速和高精度的驅動系統的研究與開發;②高剛性、高精度、高轉速重負荷的軸承或支承件的研究與開發;③高速、高剛性、高精度的砂輪主軸和工件頭架主軸的制造技術。

2.3、精密、高速進給單元制造技術

進給單元包括伺服驅動部件、滾動單元、位置監測單元等。進給單元是使砂輪保持正常工作的必要條件,也是評價高速、高效及超高速磨床性能的重要指標之一。因此,要求進給單元運轉靈活,分辨率高,定位精度高,沒有爬行,有較大的移動范圍,既要有較大的加速度,又要有足夠大的推力,剛性高,動態響應快,定位精度好。

數控機床普遍采用旋轉電機(交直流伺服電機)與滾動絲杠組合的軸向進給方案。但隨著高速高精度加工的發展,國內外都普遍采用了直線伺服電機直接驅動技術,高動態性能的直線電機結合數字控制技術,可達到較高的調整質量,也可滿足上述要求,如德國西門子公司就在CIMT'97作了直線電機120m/min高速進給的表演,而該公司的直線電機最大進給速度可達200m/min,其最大推力可達6600N,最大位移距離為504mm。又如日本三井精機公司生產的高速工具磨床,主軸上下移動采用直線電機后,可達400次/min,是原來的2倍,加工效率提高3~4倍。我國國產數控進給系統與國外相比還有很大的差距,其快速進給的速度一般為24m/min。可見,為了適應精密、高速及超高速磨床的發展,在以下幾個方面應重點研究:①高速精密交流伺服系統及電機的研究;②直線伺服電機的設計與應用的研究;③高速精密滾珠絲杠副及大導程滾珠絲杠副的研究;④高精度導軌、新型導軌摩擦副的研究;⑤能適應超精密磨削的高靈敏度、超微進給機構和超低摩擦系數的導軌副的研究。

2.4、砂輪制造及其新技術

隨著工程材料的發展及其應用,CBN砂輪和人造金剛石砂輪的應用越來越廣泛,而砂輪的許用線速度也要求較高,一般在80m/s以上。單層電鍍CBN砂輪的線速度可達250m/s,發展超高速磨削也需要150m/s以上的砂輪,但國內80~120m/s的CBN砂輪仍在研制之中。

此外,砂輪的設計,其截面形狀的優化、粘結劑的結合強度及其適用性、砂輪基體的材料、砂輪的制造技術等都是非常重要的,仍需對一些關鍵技術進行攻關:①砂輪基體材料及制造技術的開發、設計及其優化;②砂輪新型粘結劑的研究;③新型磨料的制備工藝,如可使磨料容易產生新的切削刃;④新型砂輪的制造工藝,既要使砂輪具有足夠的容屑空間,也要有更好的凸出性;⑤適合于超精密磨削的超微粉砂輪的制備技術。

2.5、機床支承技術及輔助單元技術

機床支承技術主要是指機床的支承構件的設計及制造技術。輔助單元技術包括快速工件裝夾技術,高效冷卻潤滑液過濾系統、機床安全裝置、切屑處理及工件清潔技術、主軸及砂輪的動平衡技術等。

磨床支承構件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺等部件的支撐基礎件。要求它有良好的靜剛度、動剛度及熱剛度。對于一些精密、超高速磨床,國內外都有采用聚合物混凝土來制造床身和立柱的,也有的立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成,還有采用鋼板焊接件,并將阻尼材料填充其內腔以提高其抗震性,這些都收到了很好的效果。

應在以下幾個方面加強研究:①新型材料及結構的支承構件的優化設計及制造技術的研究;②砂輪動平衡技術的研究;③磨削液過濾系統的研究;④安全防護裝置的設計制造技術的研究;⑤精密自動跟刀架及支承件的研究。

2.6、砂輪在線修整技術

在磨削過程中,砂輪由于磨鈍和磨損,需要進行及時修整,特別是對超細磨料砂輪而言,更需頻繁修整。普通砂輪修整比較容易;但人造金剛石砂輪和CBN砂輪的修整卻是個難題。

超硬磨料砂輪的修圓及磨料開刃是兩個很重要的問題。目前,國內一些學者正在研究激光修整砂輪和電解修整砂輪,以期解決高效實用的修整問題。重要的關鍵問題有二:①新的、高效實用的砂輪修整技術及其裝置;②砂輪在線修整技術。

2.7、環境友好的相關磨削技術

磨削過程中,冷卻液的作用主要是冷卻和潤滑、將磨削熱從工件表面帶走、沖刷掉磨削時留在工件和砂輪表面上的切屑。但是,鑒于冷卻液對環境污染的負面影響,磨削時應盡可能少用冷卻液或不用冷卻液,因此,應開展對下列關鍵技術的研究:①對環境不產生污染的冷卻劑;②新的冷卻方法及冷卻裝置。

2.8、磨削過程的檢測控制技術

磨削過程的檢測與控制,主要是通過傳感器、分析及信號處理,對磨削過程進行實時監控,例如對砂輪的磨損及破損情況進行監測和控制,對工件的尺寸、形狀與位置精度和加工表面質量進行監控。這需要研究新的實用的傳感器、檢測與監控方法。

有些學者提出,將新型非接觸式傳感器安裝在砂輪的基體上,通過信號接收器接收信號并對其進行分析處理,以控制砂輪所受的力,從而監控砂輪的磨損狀況。但尚未見到更詳細的實驗報道。

國內也開發了一些非接觸式測量傳感器及磨削過程的在線監測、監控技術等,但與國外差距很大。國內應以實用化為目標,進行相關測試技術的研究,研究精度高、可靠性好、實用性強的測試技術與設備。同時,加強對砂輪磨損及破損、砂輪修整狀態,工件的加工精度、加工表面質量等在線監控技術進行研究,開展自適應控制及智能控制的研究。

其關鍵技術有:①砂輪的磨損及破損的監控技術;②工件的尺寸精度、形狀精度、位置精度和加工表面質量的在線監控技術;③精度高、可靠性好、實用性強的測試技術與儀器。

2.9、磨削過程的仿真與虛擬

隨著計算機技術及模擬技術的發展,利用計算機進行磨削基本參數及磨削工藝的仿真是一個重要的研究課題。利用計算機仿真,可以模擬磨削過程,并能分析和預測不同條件下磨削效果和磨床的性能,但仿真必須建立在有充分實驗數據的基礎之上。目前能使用砂輪地貌模型對砂輪進行仿真,能對磨屑形成過程、能量轉換、磨削力變化、磨削區溫度、磨削精度和磨削表面質量進行仿真,還開發了分析和仿真磨削過程的軟件工具。

虛擬磨床是虛擬制造技術中的一個新的研究領域,可以建立一個逼真的虛擬磨削環境。

總之,我們的研究一方面要跟蹤國際科學研究的前沿,更要有創新,要符合自己的國情,所研究的成果要能夠應用于生產,以推動我國機械工業的進步。

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