楊洪波,趙恒華,劉偉銳

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)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(jìn)行的加工過程的統(tǒng)稱[1]。雖然硬車削對(duì)普通磨削提出挑戰(zhàn)并產(chǎn)生一定的沖擊,但對(duì)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(zhǎng)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(jì)算機(jī)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(guó)和日本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)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(guó)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(shí)間,成倍的提高機(jī)床生產(chǎn)率[4－7]。之后德國(guó)、美國(guó)、日本等都以不同的方式對(duì)超高速磨削機(jī)理進(jìn)行了探索,獲得了大量的研究成果,直接推動(dòng)了超高速磨削技術(shù)的實(shí)用化。

2 國(guó)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(jī)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(cè)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(jìn)給磨削的強(qiáng)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(dòng)小、噪聲小、機(jī)床具有高剛性和熱穩(wěn)定性,動(dòng)態(tài)性能良好[8]。2006年德國(guó)漢諾威機(jī)床與工藝設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)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(shí)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(guó)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(jī)床展覽會(huì)上霍夫勒公司展出了Rapid125 0 MFM(multi－funktions－maschine,多功能機(jī)床)”機(jī)床,在進(jìn)行齒輪成型的同時(shí)能夠完成鉆孔以及齒頂圓磨削。2010年在美國(guó)國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)上,保寧公司展出了用于加工小型渦輪零件的五軸聯(lián)動(dòng)磨床Aeromat,該機(jī)床具有安裝12個(gè)砂輪的砂輪庫(kù),并自動(dòng)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(guó)際機(jī)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(shí)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(fù)倒棱磨床WAC 715 QUATTRO,即使對(duì)于很硬的材料也能實(shí)現(xiàn)高效率、高精度磨削[9]。

2.2 美國(guó)

美國(guó)Connectient大學(xué)磨削研究與發(fā)展中心[7]有一臺(tái)無心外圓磨床,最高磨削速度達(dá)250 m/s[10]。就機(jī)床的可靠性問題,美國(guó)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(zhǎng)主軸使用壽命,同時(shí)提高了磨削精度和精度保持性[11]。美國(guó)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(guó)用普通磨床高精度磨細(xì)長(zhǎng)軸的簡(jiǎn)單新工藝[12]。2003年美國(guó)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(duì)于型芯桿的粗、精磨可一次裝夾完成[13]。2006年,美國(guó)QED工藝技術(shù)公司M.Tricard等人進(jìn)行了深入的理論分析和大量實(shí)驗(yàn),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(guó)國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)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(dá)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(dá)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(shí)際磨削線速度接近1 000 m/s[16]。2006年在第56屆CIRP大會(huì)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(jī)械磨削新工藝,此工藝方法比化學(xué)機(jī)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(jí)超精密機(jī)床。

2.4 國(guó)內(nèi)

2000年,湖南大學(xué)在中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)(CCMT 2000)[4]上展出了最高線速度達(dá)120 m/s的數(shù)控凸輪軸磨床[15]。2002年開發(fā)了切點(diǎn)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(guó)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(dòng)機(jī)、航天航空、印刷、紡織機(jī)械及其他精密機(jī)械制造業(yè)。同年,又研制出一臺(tái)最高線速度達(dá)314 m/s的超高速數(shù)控磨削試驗(yàn)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)硬脆難加工材料的超高速磨削試驗(yàn)以及超硬砂輪的在線修整修銳工藝試驗(yàn)。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)絲錐市場(chǎng)的需求,2006年漢江機(jī)床公司開發(fā)研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)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(jī)床集團(tuán)公司承擔(dān)了為沈陽機(jī)床集團(tuán)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(shí)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(guó)內(nèi)首臺(tái)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(guó)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(jī)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(jī)”和“Olymball－D600精密球體研磨機(jī)”項(xiàng)目在杭州市通過了中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定和寧波市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)組織的新產(chǎn)品及投產(chǎn)鑒定。2011年險(xiǎn)峰機(jī)床廠在軋輥磨床上采用德國(guó)的DITTEL的M6000型機(jī)電式平衡模塊,此款主要針對(duì)高精度磨床研發(fā)而成,可以對(duì)不平衡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估,可以完成快速精確的不平衡補(bǔ)償[17]。同年,甘肅天水星火機(jī)床有限責(zé)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(dòng)磨削,避免拆卸或安裝過程中的零件破壞、精度降低。同時(shí)縮短了磨削輔助時(shí)間,大大提高了生產(chǎn)效率[18]。

3 磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著高強(qiáng)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(kuò)大磨削的應(yīng)用范圍和促進(jìn)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(fù)荷或提高砂輪線速度為手段,增加單位時(shí)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(jìn)給磨削、高效深磨和快速點(diǎn)磨削[20]。

3.1 超高速磨削機(jī)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(shí)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(gè)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(shí)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(huì)大大提高[23]。

3.2 超高速磨削的特點(diǎn)

超高速磨削可以對(duì)脆性材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削[22],對(duì)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(shì):

1)磨粒相對(duì)工件的速度已接近于應(yīng)力波在工件中的傳播速度量級(jí)[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(jìn)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(zhǎng)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(shí),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(shí)現(xiàn)對(duì)硬脆材料的延性域磨削。

3.3 實(shí)現(xiàn)超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)

1)進(jìn)一步提高磨削速度

縮短與國(guó)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(dá)到的極限磨削速度[30]。液體動(dòng)靜壓電主軸是我國(guó)電主軸領(lǐng)域最有希望發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和形成自主品牌的電主軸產(chǎn)品,但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在速度、精度及制造工藝方面還需進(jìn)一步提升和完善[31]。

3)進(jìn)一步研究超高速磨削機(jī)理與工藝

研究超高速磨削機(jī)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(kù),利用虛擬仿真技術(shù),開發(fā)超高速磨削的計(jì)算機(jī)仿真軟件,以期指導(dǎo)超高速磨削的生產(chǎn)實(shí)踐。

4 結(jié)語

磨削加工在機(jī)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(qiáng)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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