2022年磨削技术的发展及关键技术.docx

精品学习资源磨削技术的进展及关键技术周志雄，邓朝晖，陈根余，宓海青（湖南高校，长沙市，4100821 磨削技术进展概述一般来讲，按砂轮线速度 Vs 的高低将磨削分为一般磨削 Vs45 m/s 、高速磨削45 Vs150 m/s 、超高速磨削 Vs 150 m/s ；按磨削精度将磨削分为一般磨 削、精密磨削 加工精度 1 m0.1m、表面粗糙度 Ra0.2 m 0.1 m、超精密磨削 加工精度 0.1m ,表面粗糙度 Ra0.025 m；按磨削效率将磨削分为一般磨削、高效磨削；高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、 高效深切磨削 HEDG、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削；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国家进展很快，如德国的 Aa chen 高校、 Bremm高校、美国的 Connecticut高校等，有的在试验室完成了 Vs 为 250 m/ s 、350 m/s 、400 m/s 的试验；据报道，德国Aachen高校正在进行目标为 500 m/s 的磨削试验 讨论；在有用磨削方面，日本已有Vs=200 m/s 的磨床在工业中应用；我国对高速磨削及磨具的讨论已有多年的历史，如湖南高校在70 岁月末期便进行了 80m/s、1 20 m/s的磨削工艺试验；前几年，某高校也方案开展250 m/s 的磨削讨论 但至今尚未见到这 方面的报道 ，所以说有些高速磨削技术仍只是试验而已，尚未走出试验室，技术仍远没有成熟，特殊是超高速磨削的讨论仍开展得 很少；在实际应用中，砂轮线速度Vs 一般仍 是 4560 m/s ；国内外都采纳超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微M级以下切深磨削的讨论，以获得亚微 M级的尺寸精度；微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至 4 m；日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一样的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，成效很好；超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达 0.025m；日本开发了电解在线修整 ELID 超精密镜面磨削技术，使得用超微小 或超微粉 超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削；作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高的平面度；电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳M磨削技术；欢迎下载精品学习资源随着磨削技术的进展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例；据1997 年欧洲机床展览会 E MO的调查数据说明， 25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的 加工技术，车削只占 23%， 钻削占 22%，其它占 8%；而磨床在企业中占机床的比例高达 42%，车床占 23%，铣床占 22%，钻 床占 14%；我国从 19491998 年，开发生产的通用磨床有 1800 多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量的 13%左右；可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置；为什么磨削技术会不断地进展？主要缘由如下：(1) 加工精度高由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多，切削刃多且几何外形不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切 削、工件硬度的变化不很敏锐；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高的加工精 度；(2) 加工效率高如缓进给深磨，一次磨削深度可达到025 mm，如将砂轮修整成所需外形，一次便可磨出所需的工件外形；而当Vs 进一步提高后，其加工效率就 更高；(3) 工程材料不断进展很多材料 如陶瓷材料、玻璃材料等 在工业中的应用不断扩大，有些材料只能采纳磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相 适应；(4) 新的磨料磨具如人造金刚石砂轮、 CBN砂轮的显现，扩大了磨削加工的应用范畴；(5) 相关技术的进展如砂轮制造技术、掌握技术、运动部件的驱动技术、支撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的进展；总之，磨削技术进展很快，在机械加工中起着特别重要的作用；目前，磨削技术的进展趋势 是，进展超硬磨料磨具，讨论精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺 技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床；2 磨削的关键技术讨论就磨削而言，特殊就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及的内容广泛， 不仅包括 磨削本身的技术，也集中了其它相关的技术；关键技术介绍如下：2.1 磨削机理及磨削工艺的讨论通过对磨削机理和磨削工艺的讨论，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质，找出其变化规律 ，例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的形成过欢迎下载精品学习资源程、磨削烧伤、磨削 表面完整性等的影响因素和条件；不同工件材料 特殊是难加工材料和特殊功能材料 和磨削 条件的正确磨削参数；磨具的磨损，新型磨具材料的磨削性能等，只有通过磨削机理和磨削工艺的讨论，才能确定正确的磨削范围，猎取正确的磨削参数；对一般磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深化的讨论；在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面，针对不同的工程材料 如陶瓷和玻璃 国 内外开展了一些讨论，但仍很不全面，尚未形成完整的理论体系，仍需进行广泛的讨论，找出其内在的规律；可见，需要进一步讨论的重点有，磨削过程、磨削现象（如磨削力、磨削温度、磨削烧伤及裂纹等）的研 究；磨削工艺参数优化的讨论；不同材料（常用材料）的磨削机理的讨论； 磨削过程的运算机模拟与仿真的讨论；2.2 高速、高精度主轴单元制造技术主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统的精度、稳固性 及应用范畴，其动力学性能及稳固性对高速高效磨削、精密超精密磨削起着关键的作用；提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特殊是在砂轮直径受到限制的场 合（如内圆磨削）；因而，适应于高精度、高速及超高速磨床的主轴单元是磨床 的关键部件；而对于高速高精度主轴单元系统，应当是刚性好，回转精度高，运转时温升小、稳固性好、牢靠，功耗低，寿命长，同时，成本也应适中；要满意这些要求，主轴的制造及动平稳，主轴的支撑 轴承 ，主轴系统的润滑和冷却， 系统的刚性等是很重要的；国外主轴单元技术的进展很快，有些公司特地供应各种功能的主轴单元部件， 这种主轴单元 部件可以便利地配置到加工中心、超高速切削机床上；近年来高速和超高速磨床越来越多地 用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和Ingersoll公司推出的加工中心，其主轴单元就是用的电主轴，其功率为65 kW， 最高转速达 15 000 r/min，电机的响应时间很短；在 EMO97 上，电主轴是机床制造技术中最热门的功能部件，参展商达36 家；美国 Landis 公 司的超高速曲轴、凸轮轴磨床的砂轮主轴，也都用电主轴；目前，国内主轴单元的速度大约在10 000 r/min以下，且其精度、刚性及稳固性有待于考查 和提高；同时，缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元 电主轴 ；需要进一步讨论的重点如下：大功率、高转速和高精度的驱动系统的讨论与开发；高刚性、高精度、高转速重负荷的轴承或支承件的讨论与开发；高速、高刚性、高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术；2.3 精密、高速进给单元制造技术欢迎下载精品学习资源进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等；进给单元是使砂轮保持正常工作 的必要条件，也是评判高速、高效及超高速磨床性能的重要指标之一， 因此，要求进给单元 运转敏捷，辨论率高，定位精度高，没有爬行，有较大的移动范畴 既要适合空行程时的快 进给，又要适应加工时的小进给或者微进给 ，既要有较大的加速度，又要有足够大的推力 ，刚性高，动态响应快，定位精度好；数控机床普遍采纳旋转电机 交直流伺服电机 与滚动丝杠组合的轴向进给方案；但随着高速高精度加工的进展，国内外都普遍采纳了直线伺服电机直接驱动 技术，高动态性能的直线电机结合数字掌握技术，可达到较高的调整质量，也可 满意上述要求，如德国西门子公司就在 CIMT'97 作了直线电机 120 m/min 高速进给的表演，而该公司的直线电机最大进给速度可达200 m/min,其最大推力可达6600 N，最大位移距离为 504 mm；又如日本三井精机公司生产的高速工具磨床，主轴上下移动 行程 25 mm采纳直线电机后，可达400 次/min ，是原先的 2 倍，加工效率提高 34 倍；我国国产数控进给系统 特殊是高速、高精度进给系统 与国外相 比仍有很大的差距，其快速进给的速度一般为24 m/min ；可见，为了适应精密、高速及超高 速磨床的进展，在以下几个方面应重点讨论：高速精密沟通伺服系统及电机的讨论；直线伺服电机的设计与应用的讨论；高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的讨论；高精度导轨、新型导轨摩擦副的讨论；能适应超精密磨削的高灵敏度、超微进给机构和超低摩擦系数的导轨副的讨论；2.4 砂轮制造及其新技术随着工程材料的进展及其应用， CBN砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广泛，而砂轮的许 用线速度也要求较高，一般在 80 m/s 以上；单层电镀 CBN砂轮的线速度可达 250 m/s ，进展超 高速磨削也需要 150 m/s 以上的砂轮，但国内 80120 m/s 的 CBN砂轮仍在研制之中；此外，砂轮的设计，其截面外形的优化、粘结剂的结合强度及其适用性、砂轮 基体的材料、砂轮的制造技术 特殊是对微细磨料磨具的制造技术 等都是特别重要的，仍需对一些关键技术进行攻关：砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及其优化；砂轮新型粘结剂 特殊是适用于制造微细磨料磨具的粘结剂 的讨论；新型磨料的制备工艺，如可使磨料简单产生新的切削刃；新型砂轮的制造工 艺，既要使砂轮具有足够的容屑空间，也要有更好的凸出性；适合于超精密磨削的超微粉砂轮的制备技术；2.5 机床支承技术及帮助单元技术机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术；帮助单元技术包括快速工件装夹 技术，高效冷却润滑液过滤系统、机床安全装置、切屑处理及工件清洁技术、主轴及砂轮的 动平稳技术等；欢迎下载精品学习资源磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件；要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度；对于一些精密、超高速磨床，国内外都有采纳聚合物混凝土 人造花岗 岩 来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采纳铸铁整体铸造而成，仍有采纳钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的成效；应在以下几个方面（特殊是下一代磨床的设计）加强讨论：新型材料及结构的支承构件的优化设计及制造技术的讨论；砂轮动平稳技术的讨论；磨削液过滤系统的讨论；安全防护装置的设计制造技术的讨论；精密自动跟刀架及支承件的讨论；2.6 砂轮在线修整技术在磨削过程中，砂轮由于磨钝和磨损，需要进行准时修整，特殊是对超细磨料砂轮 而言，更 需频繁修整；一般砂轮修整比较简单；人造金刚石砂轮和CBN砂轮的修整 特殊是在线修整 是个难题；超硬磨料砂轮的修圆及磨料开刃是两个很重要的问题；目前，国内一些学者正在讨论激光修 整砂轮和电解修整砂轮，以期解决高效有用的修整问题；重要的关键问题有二：新的、高效有用的砂轮修整技术及其装置；砂轮在线修整技术；2.7 环境友好的相关磨削技术磨削过程中，冷却液的作用主要是冷却和润滑、将磨削热从工件表面带走、冲刷掉磨削时留 在工件和砂轮表面上的切屑；但是，鉴于冷却液对环境污染的负面影响，磨削时应尽可能少用冷却液或不用冷却液，因此，应开展对以下关键技术的讨论：对环境不产生污染的冷却剂；新的冷却方法及冷却装置；2.8 磨削过程的检测掌握技术磨削过程的检测与掌握，主要是通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程进行实时监控， 例如对砂轮的磨损及破旧情形进行监测和掌握，对工件的尺寸、外形与位置精度和加工表面 质量进行监控；这需要讨论新的有用的传感器、检测与监控方法；有些学者提出，将新型非接触式传感器（声发射传感器）安装在砂轮的基体上，通过信号接 收器接收信号并对其进行分析处理，以掌握砂轮所受的力，从而监控砂轮的磨损状况；但尚未见到更具体的试验报道；国内也开发了一些非接触式测量传感器及磨削过程的在线监测、监控技术等， 但与国外差距 很大；国内应以有用化为目标，进行相关测试技术的讨论，讨论精度高、牢靠性好、有用性 强的测试技术与设备；同时，加强对砂轮磨损及破旧、欢迎下载精品学习资源砂轮修整状态，工件的加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行讨论，开展自适应掌握及智能掌握的讨论；其关键技术有砂轮的磨损及破旧的监控技术；工件的尺寸精度、外形精度、位置精度和加工表面质量的在线监控技术；精度高、牢靠性好、有用性强的测试技术与仪器；2.9 磨削过程的仿真与虚拟随着运算机技术及模拟技术的进展，利用运算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿 真是一个 重要的讨论课题；利用运算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分析和猜测不同条件下磨削效 果和磨床的性能，但仿真必需建立在有充分试验数据的基础之上；目前能使用砂轮地貌模型对砂轮进行仿真，能对磨屑形成过程、能量转 换、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真，仍开发了分析和仿真磨削过程的软件工具；虚拟磨床是虚拟制造技术中的一个新的讨论领域，可以建立一个逼真的虚拟磨削环境；总之，我们的讨论一方面要跟踪国际科学讨论的前沿，更要有创新，要符合自己的国情，所讨论的成果要能够应用于生产，以推动我国机械工业的进步；欢迎下载