楊洪波,趙恒華,劉偉銳

(遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧撫順113001)

磨削是用硬磨料顆粒作為切削工具進行的加工過程的統(tǒng)稱[1]。雖然硬車削對普通磨削提出挑戰(zhàn)并產(chǎn)生一定的沖擊,但對于陶瓷、硬質(zhì)合金、玻璃等非金屬脆性材料則唯一地依靠磨削加工[2]。一般來講,磨削加工按線速度vs可以分為普通磨削(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]。相比一般的傳統(tǒng)磨削,超高速磨削可以提高效率、降低生產(chǎn)成本、延長齒輪壽命、獲得良好的加工表面品質(zhì)。近20年來,隨著材料、信息、微電子、計算機等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業(yè)發(fā)達的國家迅速發(fā)展。

1 超高速磨削理論依據(jù)

超高速磨削理論基于德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(Carl Salomon)提出的超高速切削理論[4]。早在1931年,薩洛蒙博士就首先提出了“超高速加工”的概念,他創(chuàng)作了著名的薩洛蒙(Salomon)曲線[4],超高速切削可以越過“高溫死谷”,大幅度縮短切削時間,成倍的提高機床生產(chǎn)率[4－7]。之后德國、美國、日本等都以不同的方式對超高速磨削機理進行了探索,獲得了大量的研究成果,直接推動了超高速磨削技術(shù)的實用化。

2 國內(nèi)外磨削技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 歐洲

歐洲超高速磨削技術(shù)的發(fā)展起步比較早,一直處于領(lǐng)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剛石(PCD)、硬質(zhì)合金、高速鋼等刀具。該機床還配備有投影儀,工件加工過程中一次裝夾完成磨削和測量,從而保證了加工精度并提高了生產(chǎn)率。美蓋勒(MAGERLE)公司研制的MFP系列精密五軸數(shù)控成形磨床是大余量緩進給磨削的強力成形磨床,配備了其公司研發(fā)的靜壓導(dǎo)軌技術(shù),磨削加工中振動小、噪聲小、機床具有高剛性和熱穩(wěn)定性,動態(tài)性能良好[8]。2006年德國漢諾威機床與工藝設(shè)計學(xué)會M.Reichstein等人合作研究發(fā)現(xiàn)陶瓷結(jié)合劑蝸桿砂輪在磨削齒輪齒側(cè)時表現(xiàn)出良好的工藝穩(wěn)定性、加工品質(zhì)和小的殘余應(yīng)力。同年,英國Cinetic Landis公司P.Comley等人論證了汽車曲軸材料去除率磨削加工的可行性及有效性。2007年,在漢諾威EMO歐洲機床展覽會上霍夫勒公司展出了Rapid125 0 MFM(multi－funktions－maschine,多功能機床)”機床,在進行齒輪成型的同時能夠完成鉆孔以及齒頂圓磨削。2010年在美國國際制造技術(shù)展覽會上,保寧公司展出了用于加工小型渦輪零件的五軸聯(lián)動磨床Aeromat,該機床具有安裝12個砂輪的砂輪庫,并自動更換不同組合的砂輪,以適應(yīng)不同的加工精度和工藝要求。2011年漢諾威歐洲國際機床展上,萬特公司展示了WBM 205 CDR端面磨削磨床,此磨床是用于磨削超硬材料的單、雙端面并使工件自轉(zhuǎn)的端面磨床,實現(xiàn)在線修整ROTODRESS是該磨床最主要的特性,即使采用微顆粒砂輪也能保證工件很高的表面品質(zhì)。周邊負倒棱磨床WAC 715 QUATTRO,即使對于很硬的材料也能實現(xiàn)高效率、高精度磨削[9]。

2.2 美國

美國Connectient大學(xué)磨削研究與發(fā)展中心[7]有一臺無心外圓磨床,最高磨削速度達250 m/s[10]。就機床的可靠性問題,美國Landis公司在所有的外圓磨床主軸上采用了靜壓軸承,可以消除主軸磨損,延長主軸使用壽命,同時提高了磨削精度和精度保持性[11]。美國俄亥俄州托萊大學(xué)的陳波教授和沈陽大學(xué)的陳莫莫教授系統(tǒng)講述了美國用普通磨床高精度磨細長軸的簡單新工藝[12]。2003年美國哈挺公司開發(fā)了可磨削各種型面及圓滑連接的Kel＿Vista高精度數(shù)控內(nèi)、外圓磨床[7],對于型芯桿的粗、精磨可一次裝夾完成[13]。2006年,美國QED工藝技術(shù)公司M.Tricard等人進行了深入的理論分析和大量實驗,采用穩(wěn)態(tài)磁流體噴射拋光光學(xué)零件表面成功解決等角自由曲面峭壁內(nèi)凹形狀的光學(xué)零件難光整加工的問題[14]。2010年美國國際制造技術(shù)展覽會上,克林貝格(KELLENBERGER)公司展出新產(chǎn)品KEL－VERA RS250/400型數(shù)控磨床,主要用于大尺寸零件卡盤裝夾下的切入磨削。

2.3 日本

近20年來,日本的高速、超高速磨削技術(shù)發(fā)展迅速。日本廣泛采用CBN砂輪代替一般砂輪[10],其目的是達到加工的高效率化、省力和無人化[10]。近年來,日本成功研制出磨削速度為400 m/s的超高速平面磨床,最高線速度達395 m/s[15]。Shinizu等人為了獲得超高速磨削速度改制了磨床[4],使工件和砂輪間的實際磨削線速度接近1 000 m/s[16]。2006年在第56屆CIRP大會上,日本慈城大學(xué)工程系的周力波等人研究出單晶硅底層無缺陷化學(xué)機械磨削新工藝,此工藝方法比化學(xué)機械拋光(CMP)更容易得到好的表面品質(zhì)。2010年,日本 YASDA公司、Sodick公司、Makino公司展出亞微米級超精密機床。

2.4 國內(nèi)

2000年,湖南大學(xué)在中國數(shù)控機床展覽會(CCMT 2000)[4]上展出了最高線速度達120 m/s的數(shù)控凸輪軸磨床[15]。2002年開發(fā)了切點追蹤高速磨削曲軸新工藝與軟件,從根本上解決了偏心圓、曲軸等零件工序分散加工造成的加工效率低及重復(fù)定位誤差大的難題。2006年,國家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制出非圓截面輪廓精密磨削技術(shù),主要用于軸類零件加工,廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機、航天航空、印刷、紡織機械及其他精密機械制造業(yè)。同年,又研制出一臺最高線速度達314 m/s的超高速數(shù)控磨削試驗平臺,可實現(xiàn)硬脆難加工材料的超高速磨削試驗以及超硬砂輪的在線修整修銳工藝試驗。為適應(yīng)國內(nèi)絲錐市場的需求,2006年漢江機床公司開發(fā)研制了國內(nèi)第一臺SK722數(shù)控絲錐磨床,主要加工直槽磨牙絲錐,可采用單線或多線砂輪磨削,可直接在淬火后沒有螺紋的絲錐坯體上磨出螺紋。2007年,杭州機床集團公司承擔了為沈陽機床集團研發(fā)制造MKL713 2×8/2型數(shù)控鼠牙盤磨床的任務(wù),經(jīng)過兩年時間刻苦摸索和攻關(guān),成功解決了鼠牙盤端面齒數(shù)控成形磨床諸多關(guān)鍵技術(shù),并于2010年初成功制造出國內(nèi)首臺鼠牙盤端面齒數(shù)控成形磨床,現(xiàn)已提供給用戶使用。2008年由湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心、浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心、寧波凱泰智邦機械有限公司、杭州智邦納米技術(shù)有限公司、湖大海捷制造技術(shù)有限公司共同開發(fā)的“Olymball－E600精密球體高效研磨機”和“Olymball－D600精密球體研磨機”項目在杭州市通過了中國機械工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定和寧波市經(jīng)濟委員會組織的新產(chǎn)品及投產(chǎn)鑒定。2011年險峰機床廠在軋輥磨床上采用德國的DITTEL的M6000型機電式平衡模塊,此款主要針對高精度磨床研發(fā)而成,可以對不平衡進行監(jiān)測和評估,可以完成快速精確的不平衡補償[17]。同年,甘肅天水星火機床有限責任公司在軋輥磨床上采用帶箱磨削裝置,磨削過程中不需要再拆卸箱架,只需找正帶箱滾徑上的母線和側(cè)母線,完成帶箱滾徑直線度調(diào)節(jié)后,即可拖動磨削,避免拆卸或安裝過程中的零件破壞、精度降低。同時縮短了磨削輔助時間,大大提高了生產(chǎn)效率[18]。

3 磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著高強度、高硬度、高耐磨性等新型材料的出現(xiàn),磨削加工呈現(xiàn)精密加工的屬性,超硬砂輪的出現(xiàn)為擴大磨削的應(yīng)用范圍和促進高效磨削的發(fā)展創(chuàng)造了條件,因此高效磨削工藝的發(fā)展就顯得尤其重要和迫切。

高效磨削是以增大磨削負荷或提高砂輪線速度為手段,增加單位時間金屬磨除率,以期與車削、銑削那樣高的金屬切除率相媲美,甚至更高[19],它主要包括超高速磨削、緩進給磨削、高效深磨和快速點磨削[20]。

3.1 超高速磨削機理

超高速磨削過程中,若保持其它參數(shù)不變,增大砂輪線速度vs,單位時間內(nèi)參與工作的磨粒數(shù)增加,則每顆磨粒切下的磨屑厚度變薄[4],導(dǎo)致每個磨粒承受的磨削力大大變小[7],總的磨削力也大大降低[21]。若調(diào)整參數(shù)使最大磨屑厚度保持不變[22],由于單位時間內(nèi)參與工作的磨粒數(shù)增加,磨除的磨屑增多,磨削效率會大大提高[23]。

3.2 超高速磨削的特點

超高速磨削可以對脆性材料實現(xiàn)延性域磨削[22],對難磨材料也有好的磨削表現(xiàn)[15],比之普通磨削顯示出極大的優(yōu)勢:

1)磨粒相對工件的速度已接近于應(yīng)力波在工件中的傳播速度量級[24],致使工件變形區(qū)域明顯減小,磨削力和比磨削能小[24]。若平均每顆磨粒的切深與普通磨削一樣,則進給量vf大幅度提高,金屬去除率Z得到提高,磨削效率大幅度提高[25,26]。

2)超高的磨削速度使單顆磨粒受力小,砂輪磨損小,延長了砂輪的使用壽命[27]。

3)磨削表面粗糙度值隨砂輪速度的提高而降低[27],磨削熱量多被磨屑帶走,使工件表面溫度降低,而且受力和受熱變質(zhì)層變薄[27],從而得到高表面品質(zhì)、低粗糙度值的加工表面[28]。

4)超高速磨削時,變形區(qū)材料在近乎絕熱剪切條件下完成切削,使難磨材料的磨削性能改善[29],可以實現(xiàn)對硬脆材料的延性域磨削。

3.3 實現(xiàn)超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)

1)進一步提高磨削速度

縮短與國外超高速磨削速度的差距,使超高速磨削在工業(yè)生產(chǎn)中成為可能。

2)發(fā)展超高速磨削用主軸單元制造技術(shù)

超高速磨削用主軸單元的性能決定超高速磨床所能達到的極限磨削速度[30]。液體動靜壓電主軸是我國電主軸領(lǐng)域最有希望發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)和形成自主品牌的電主軸產(chǎn)品,但國內(nèi)產(chǎn)品在速度、精度及制造工藝方面還需進一步提升和完善[31]。

3)進一步研究超高速磨削機理與工藝

研究超高速磨削機理與工藝主要包括:研究工件材料(特別是難加工材料)的超高速磨削過程和磨削現(xiàn)象,揭示磨削的內(nèi)在規(guī)律,建立完善的超高速磨削基礎(chǔ)理論體系,建立相應(yīng)的高速磨削數(shù)據(jù)庫,利用虛擬仿真技術(shù),開發(fā)超高速磨削的計算機仿真軟件,以期指導(dǎo)超高速磨削的生產(chǎn)實踐。

4 結(jié)語

磨削加工在機械制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛,在汽車和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用尤其重要[32],隨著高硬度,高強度,高耐磨性,高功能性的新型材料的廣泛應(yīng)用,磨削技術(shù)正朝著高速高效、低表面粗糙度、精密、智能化方向發(fā)展[32]。隨著新型超高速磨削砂輪的應(yīng)用與發(fā)展,高速大功率主軸單元制造,新型磨削液及砂輪修整等相關(guān)技術(shù)以及磨削數(shù)控化和智能化等技術(shù)的發(fā)展,高速和超高速磨削技術(shù)的發(fā)展前景將非常廣闊。

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