強(qiáng)力成形磨削概述及我國(guó)強(qiáng)力成形削的發(fā)展與應(yīng)用 （一）

杭州機(jī)床集團(tuán)公司 姚 峻 駱廣進(jìn)

強(qiáng)力成形磨削概述及我國(guó)強(qiáng)力成形削的發(fā)展與應(yīng)用 （一）

杭州機(jī)床集團(tuán)公司 姚 峻 駱廣進(jìn)

強(qiáng)力成形磨削也稱(chēng)為緩進(jìn)給成形磨削，是一種先進(jìn)的磨削工藝。這種先進(jìn)工藝是上世紀(jì)60年代由德國(guó)ELB磨床公司發(fā)明，在隨后半個(gè)多世紀(jì)的應(yīng)用中，風(fēng)靡全球，長(zhǎng)盛不衰，并且技術(shù)不斷進(jìn)步。有關(guān)技術(shù)資料表明，德國(guó)的ELB磨床公司率先開(kāi)發(fā)了緩進(jìn)給成形磨削先進(jìn)工藝并在較短時(shí)間內(nèi)推出技術(shù)上比較成熟的機(jī)床，從而使這項(xiàng)先進(jìn)加工工藝得以在工業(yè)界推廣。此后，德國(guó)的BLOHM公司、JUNG公司、aba公司、瑞士的MAEGERLE公司都相繼開(kāi)發(fā)出采用緩進(jìn)給的輪廓成形技術(shù)，還進(jìn)一步推廣到美國(guó)、法國(guó)、意大利、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，大大拓寬了平面磨床的加工領(lǐng)域，成功地使平面磨削的加工范疇跳出 “平面”，而成為表面磨削，也就是英文 “surface”的概念，可以磨削形狀輪廓各異的工件。從平面到表面，這實(shí)在是一個(gè)具有重要意義的工藝革命，是一大技術(shù)創(chuàng)新。隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，緩進(jìn)給強(qiáng)力成形磨削技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展，并不斷擴(kuò)大和拓展應(yīng)用領(lǐng)域，把這種先進(jìn)工藝推廣到包括航天、航空、汽車(chē)、精密機(jī)械加工等工業(yè)部門(mén)，成為加工諸多新型的難加工材料的重要手段。對(duì)緩進(jìn)給強(qiáng)力成形磨削而言，某一個(gè)工件的成功磨削就能拓展一個(gè)領(lǐng)域，就能為這個(gè)領(lǐng)域的用戶(hù)承擔(dān)交鑰匙工程，在提供先進(jìn)裝備的同時(shí)還提供了先進(jìn)的加工工藝，為用戶(hù)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家在強(qiáng)力磨削推廣應(yīng)用方面已做了大量工作，為我們的發(fā)展提供了許多可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐。

1 強(qiáng)力成形磨削概述

1.1 強(qiáng)力成形磨削的概念

強(qiáng)力磨削是以增大進(jìn)給量或磨削深度為手段的一種高效磨削方法，可以分為大進(jìn)給和緩進(jìn)給兩種。強(qiáng)力成形磨削指的就是緩進(jìn)給深切成形磨削，屬于強(qiáng)力磨削的一種。緩進(jìn)給成形磨削工藝是以很低的工作臺(tái)速度 （10mm/min～500mm/min）、很大的切削深度 （磨削深度可達(dá)十幾毫米，甚至幾十個(gè)毫米），用一次或數(shù)次進(jìn)給完成工件磨削的先進(jìn)工藝。采用這種工藝可直接由鑄鍛件毛坯不需經(jīng)過(guò)其它加工，一次磨出工件所要求的表面幾何形狀和尺寸要求。因此，強(qiáng)力成形磨削可以替代部分銑削、車(chē)削、刨削，尤其適合于加工各種成形表面和溝槽以及難加工的耐熱合金材料，還可以磨削工程陶瓷等非金屬硬脆材料。因此，在現(xiàn)代工業(yè)中它的應(yīng)用范圍十分廣泛。

1.2 強(qiáng)力成形磨削的優(yōu)點(diǎn)

（1）生產(chǎn)效率高

與普通往復(fù)式磨削相比，由于強(qiáng)力成形磨削的進(jìn)給量大，每次或每轉(zhuǎn)的切削深度比普通磨削大100～1000倍，砂輪與工件接觸弧比常規(guī)往復(fù)式磨削長(zhǎng)10~20倍，因此在單位時(shí)間內(nèi)同時(shí)參加磨削的磨粒切削刃的數(shù)目相應(yīng)增加，從而提高了金屬切除率。一般說(shuō)來(lái)，強(qiáng)力成形磨削的加工效率是普通磨削的3～5倍以上。

（2）砂輪磨損小，耐用度提高，保證良好的工件成形精度

在進(jìn)行常規(guī)往復(fù)式磨削時(shí)，由于工作臺(tái)每次行程砂輪就要與工件邊緣撞擊一次，因此砂輪很快會(huì)磨損。而在進(jìn)行強(qiáng)力成形磨削時(shí)，由于工作臺(tái)行程僅一次或數(shù)次，砂輪與工件邊緣撞擊次數(shù)少，因此砂輪磨損要小得多。而且，因工作臺(tái)速度低，砂輪慢慢切入工件，大大改善了磨削條件，最終提高了工件的成形精度。由于砂輪輪廓形狀保持性長(zhǎng)，使加工零件的精度比較穩(wěn)定，表面粗糙度一般可達(dá)Ra0.32μm。加工后零件的表面殘余應(yīng)力比普通磨削小30%～50%。

（3）節(jié)省加工費(fèi)用

采用強(qiáng)力成形磨削，可以直接由鑄鍛件毛坯一次磨削成形，減少了前道工序，從而縮短了加工時(shí)間，節(jié)省了加工費(fèi)用。

（4）可以加工難加工材料

強(qiáng)力成形磨削方式應(yīng)用廣泛，適用于磨削各種復(fù)雜型面、溝槽，特別是難切削加工的耐熱合金零件，比如形狀復(fù)雜的渦輪葉片根部型面。

1.3 強(qiáng)力深切緩進(jìn)給磨削對(duì)機(jī)床的要求

（1）由于切入量大，要求機(jī)床磨頭電機(jī)功率比往復(fù)式磨床大，一般至少在10kW以上，許多成形磨床的磨頭電機(jī)功率高達(dá)數(shù)百kW。

（2）砂輪回轉(zhuǎn)速度，要能夠根據(jù)工件材質(zhì)和砂輪大小對(duì)砂輪主軸實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。通常，變速范圍為 500r/min～5000r/min。

（3）工作臺(tái)的速度通常應(yīng)在20mm/min～500mm/min范圍內(nèi)穩(wěn)定，且無(wú)爬行，應(yīng)設(shè)有快速返程裝置。

機(jī)床的工作臺(tái)縱向驅(qū)動(dòng)，可用液壓驅(qū)動(dòng)，也可采用機(jī)電一體化原理，傳動(dòng)方式有多種，有滾珠絲杠和伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、同步齒型帶傳動(dòng)，近年來(lái)還出現(xiàn)直線電機(jī)傳動(dòng)等形式。但是，用得最普遍的是采用滾珠絲杠和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（4）強(qiáng)力成形磨床的機(jī)床總體剛性要好，能承受比普通往復(fù)式磨床大得多的磨削力。

（5）機(jī)床應(yīng)具有良好的冷卻功能，必須采用高壓水泵對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。為了安全防護(hù)起見(jiàn)，這類(lèi)機(jī)床均采用全封閉防護(hù)罩殼。

1.4 強(qiáng)力成形磨削的工藝要點(diǎn)

（1）強(qiáng)力成形磨削的砂輪磨料選擇

強(qiáng)力成形磨削要選用疏松的大氣孔砂輪，因?yàn)椴捎么髿饪咨拜?，有利于從砂輪表面去除磨屑?/p>

強(qiáng)力成形磨削用的砂輪一般采用陶瓷結(jié)合劑砂輪，因?yàn)檫@種砂輪結(jié)合強(qiáng)度高，輪廓保持性好，并能形成氣孔。與此同時(shí)，陶瓷結(jié)合劑還具有良好的耐熱、耐水和耐腐蝕的性能，適于使用各種冷卻液。

強(qiáng)力成形磨削用砂輪磨料粒度的選擇取決于被磨削表面的粗糙度要求、工件型面精度、R的大小以及砂輪修整方式。砂輪硬度在強(qiáng)力成形磨削的加工工藝中是一個(gè)很重要的技術(shù)參數(shù)。對(duì)于緩進(jìn)給的強(qiáng)力成形磨削來(lái)講，要求砂輪有很好的自銳性能。如果砂輪硬度較高，自銳性差，很容易使零件表面燒傷。因此，一般強(qiáng)力成形磨削選用的砂輪，要比常規(guī)往復(fù)磨削砂輪軟。

（2）強(qiáng)力成形磨削砂輪輪廓的成形與修整

在進(jìn)行強(qiáng)力成形磨削時(shí)，砂輪輪廓的成形和修整技術(shù)十分關(guān)鍵。成形砂輪的常用的修整器有單點(diǎn)金剛筆、鋼擠輪、金剛石滾輪等，近年來(lái)修整盤(pán)的應(yīng)用日趨廣泛。單點(diǎn)金剛石修整筆可用于直線、角度和成形修整，通常放置在磨頭的上方。修整速度由變速電機(jī)作無(wú)級(jí)調(diào)速。在數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用前，多采用機(jī)械式仿形修整，最著名的是英國(guó)Diaform仿形修整器。隨著CNC技術(shù)在機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，通過(guò)三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)按工件輪廓形狀修整砂輪就十分方便。

在強(qiáng)力成形磨削中，應(yīng)用最多的當(dāng)屬金剛石修整滾輪。這種成形修整方法具有使用壽命長(zhǎng)、修整速度快、型面精度保持性好以及修整力小、砂輪型面不易被軋碎等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)金剛石滾輪的安裝位置分為二種，一種是裝在磨頭上，稱(chēng)為頂置式修整；另一種是裝在工作臺(tái)上，稱(chēng)為底置式修整。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外采用了連續(xù)修整砂輪方法，簡(jiǎn)稱(chēng)為CD修整法。采用這種修整法，砂輪不是在磨削周期之間修整，而是在磨削過(guò)程中用金剛石滾輪進(jìn)行連續(xù)不斷的修整。金剛石修整滾輪和砂輪始終保持接觸，使砂輪始終處于銳利狀態(tài)，從而提高了工件的輪廓精度和加工效率。

（3）強(qiáng)力成形磨削的冷卻

在進(jìn)行強(qiáng)力成形磨削時(shí)，由于產(chǎn)生的磨削熱量大，因此消除大量磨削熱是提高磨削質(zhì)量和效率的必要手段。實(shí)踐證明，磨削熱中絕大部分熱量都要由冷卻液帶出，因而必須增大冷卻水的流量和壓力以提高冷卻效果。

（4） 磨削方式

強(qiáng)力成形磨削有二種磨削方式，即順磨和逆磨。工件運(yùn)動(dòng)方向和砂輪旋轉(zhuǎn)方向不一致的稱(chēng)為逆磨。在一般情況下，多選用順磨。

2 國(guó)內(nèi)強(qiáng)力成形磨削技術(shù)的發(fā)展

2.1 國(guó)內(nèi)緩進(jìn)給成形磨床的發(fā)展較遲緩

盡管早在上個(gè)世紀(jì)的70年代就試制出緩進(jìn)給成形磨床，如北京第四機(jī)床廠、天津市磨床廠、航空部的新藝機(jī)械廠等廠家曾相繼開(kāi)發(fā)出一批不同檔次的緩進(jìn)給成形磨床。天津市磨床廠制造的MKL7132、MKL7175等型號(hào)的數(shù)控緩進(jìn)給成形磨床等產(chǎn)品，可用于瓦楞輥、機(jī)車(chē)連桿齒型等的加工；新藝機(jī)械廠生產(chǎn)的數(shù)控緩進(jìn)給成形磨主要用于量刃具行業(yè)磨削游標(biāo)卡尺等工件的磨削加工。杭州機(jī)床廠在上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)成功一批專(zhuān)用的強(qiáng)力成形磨床。漢江機(jī)床廠也能生產(chǎn)少量的專(zhuān)用成形磨床，用于轉(zhuǎn)子槽等工件的磨削。但這些產(chǎn)品從總體上看，技術(shù)水平、工藝應(yīng)用、自動(dòng)化程度尤其是砂輪成形修整技術(shù)、機(jī)床控制水平等關(guān)鍵技術(shù)，與國(guó)外水平存在較大差距，致使這類(lèi)機(jī)床在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)基本依賴(lài)進(jìn)口。

2.2 機(jī)床制造廠與用戶(hù)之間的 “踢球”矛盾

長(zhǎng)期來(lái)，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有技術(shù)過(guò)硬的強(qiáng)力成形磨床產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，強(qiáng)力成形磨床就難以在國(guó)內(nèi)得到較廣泛的推廣應(yīng)用。制造廠從自身產(chǎn)銷(xiāo)角度出發(fā)，不愿先投入開(kāi)發(fā)成本，一味要求用戶(hù)先定貨，才能投入研發(fā)力量；而用戶(hù)廠則從自己經(jīng)濟(jì)效益考慮，要求看到機(jī)床實(shí)物才肯下單，以避免采用新工藝的風(fēng)險(xiǎn)。在采用國(guó)產(chǎn)機(jī)床不確定因素較多的情況下，寧愿花費(fèi)較多的資金進(jìn)口。在這樣的情況下，生產(chǎn)與使用雙方處于膠著狀態(tài)，強(qiáng)力成形磨床的發(fā)展速度自然很慢。

強(qiáng)力成形磨床是工藝性極強(qiáng)的機(jī)床，制造廠要投入大量的人力物力，每一只關(guān)鍵零件的加工就代表了某一個(gè)行業(yè)的技術(shù)突破。在國(guó)家沒(méi)有出臺(tái)支持鼓勵(lì)機(jī)床行業(yè)發(fā)展政策的時(shí)候，機(jī)床制造廠攻關(guān)的積極性不高。

2.3 近年來(lái)以杭機(jī)為代表的國(guó)產(chǎn)強(qiáng)力成形磨走上發(fā)展快車(chē)道

近年來(lái)，國(guó)家逐步重視裝備制造業(yè)的發(fā)展，出臺(tái)了一系列扶植機(jī)床工業(yè)發(fā)展的政策和措施。國(guó)內(nèi)以杭機(jī)為代表的強(qiáng)力成形磨生產(chǎn)廠抓住這個(gè)難得的歷史機(jī)遇，積極調(diào)整磨床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品的技術(shù)含量，跳出平面磨床狹窄的 “平面”空間，走向更廣闊的 “表面”輪廓成形加工的新天地。

2001年以后，杭州機(jī)床集團(tuán)公司化大力開(kāi)發(fā)出一批高檔的數(shù)控強(qiáng)力成形磨床，如MKLD7140雙磨頭強(qiáng)力成形磨、能加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的七軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控的MKL7150×16/2型強(qiáng)力成形磨、MKH450成形磨削加工中心以及通用性較好的MKL7132、MKL7120×6等型號(hào)的強(qiáng)力成形，用于磨削汽車(chē)轉(zhuǎn)向齒、轉(zhuǎn)子槽、工量具、瓦楞輥、鋼鐵行業(yè)的剪刃、輕工行業(yè)的剃須刀等，占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)數(shù)控強(qiáng)力成形磨床制造領(lǐng)域的制高點(diǎn)，其中的許多機(jī)床都是國(guó)內(nèi)首臺(tái)機(jī)床，打破了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我們的限制和壟斷。這些機(jī)床的生產(chǎn)除了創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益以外，其社會(huì)效益非常好，正是由于我們能自行制造高檔次的強(qiáng)力成形磨床，才大大抑制了進(jìn)口同類(lèi)機(jī)床的高價(jià)，為國(guó)內(nèi)用戶(hù)節(jié)省了大筆的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，而且其中一些品種國(guó)外對(duì)我們是限制進(jìn)口的。這些機(jī)床與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，技術(shù)水平接近，可以替代進(jìn)口，而產(chǎn)品售價(jià)僅是同類(lèi)進(jìn)口機(jī)床的1/3~1/5，在機(jī)床性?xún)r(jià)比上有較大的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、沈陽(yáng)黎明航發(fā)集團(tuán)、株洲南方航空動(dòng)力公司、上海寶鋼等一批高端用戶(hù)，在國(guó)內(nèi)外招投標(biāo)項(xiàng)目中紛紛選用杭機(jī)的產(chǎn)品，用于加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密零件、難切削零件的成形加工，打破了國(guó)外廠商的技術(shù)壟斷。

圖1 MKLD7140雙磨頭強(qiáng)力成形磨

圖2 國(guó)內(nèi)首臺(tái)MKH450成形磨削加工中心

圖3 七軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控的MKL7150×16/2型強(qiáng)力成形磨

（未完待續(xù)）