高速强力磨削在机械加工中的发展与应用

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高效率是国内外机械加工的主要发展方向之一。提高效率的重要方法，是提高切削，磨削速度及增大进给量。目前高速磨削已广泛应用于生产，普遍认为50－80m/s的高速磨削是经济可行的。最高磨削速度已达到120m/s，试验室的速度已达到210－250m/s。现在有的工件的实际磨削速度可以提高到300m/s。目前正朝着高速度磨削、强力磨削，高速强力磨削力一向发展。
1　高速磨削
　　高速磨削是指砂轮线速度在45米/秒以上的磨削力一法。高速磨削是提高磨削效率的重要途经之一。
1.1高速磨削的特点
　　(1)它与普通磨削相比，可以提高生效率1-3倍;
　　(2)由于磨削速度的提高，工件表面在磨粒犁耕后所形成的隆起高度减小，因而使磨削的表面粗糙度减小;
　　(3)砂轮的寿命提高1倍左右;
　　(4)磨削力下降40%左右，加工的精度相应也提高。
1.2高速磨削必须采取的措施
　　(1)使用高速砂轮;
　　(2)使用高速磨床;
　　(3)采用自动上料、自动检测装置以减小辅助时间。
1.3高速磨削的发展与应用
　　近年来，国内外高速磨床品种已有外圆磨床、曲轴磨床、凸轮磨床，轴承磨床、平面磨床，内圆磨床等。工业发达的国家在推广采用45-60m/s的高速磨削，80－150m/s的高速磨削已在一些国家开始应用。我国已生产磨削速度为50－80m/s的外圆磨床、凹轮磨床和轴承磨床等。
　　目前国外高速磨削采用较多的是轴承行业磨削轴承环内外沟，在发动机行业高速磨削也得到广泛应用，如，美国AIM公司磨削V8发动机曲轴连杆颈用高速磨削，英国的Newall公司高速磨削锻钢4拐汽车曲轴。不少国家磨削曲轴还采用多砂轮高速磨削(用三、四个，甚至七、八个砂轮同时磨)，大大提高了磨削效率。
　　高速磨削对于多数牌号的钢材是适用的，但对磨削时易产生裂纹的材料，如钦合金，耐热合金则不适用。对于某些材料，如，不锈钢，当砂轮线速度高于45m/s时，磨削效率反而下降。
　　由于高速磨削对机床、砂轮、冷却和安全技术力一面都有特殊要求，这将增加机床成本。因此，目前高速磨削还只是在少数工件上使用。
2　强力磨削
强力磨削是指大进给量或大磨削深度，以提高金属去除率的力一法。
2.1　主要特点
(1)它可以代替一部分车削、铣削和刨削等;
(2)强力磨削应用适当时，可以直接从毛坯磨成成品，粗精加工一次完成;
(3)加工效率可提高4－5倍;
(4)可以减少加工设备，节省由于不同加工工序所需要的装卸调整等辅助时间;
　　(5)它不受工件表面条件(如锈、硬点、断续表面等)以及材料硬度，韧性的限制;
　　(6)加工精度和表面粗糙度小。
2.2 强力磨削的应用
　 目前国内外强力磨削已应用到平面磨、外圆磨等磨床上。强力磨削采用较多的是主轴圆台平面磨床。切入式外用圆磨床及端面外圆磨床。磨床功率73.5－110.3kW；主轴平面磨床最大功率为220.5kW，可能出现730kW的机床，生产率达到500－600cm /min,每小进金属切除率（270-320）kg，一次切深最大可达37mm。
强力磨削在兵器工业中也得到了广泛的应用。美国的M60A1中型坦克车体两侧安装12个扭力轴的倾斜基面是与车体底部浇涛在一起的，用一般切削力一法难以加工，采用强力磨削解决了加工困难，是用两合Merairg强力磨床同时在两侧加工，去除余量为6. 35mm，每台磨床功率为110.25kW，采用直径为762mm，厚度为203mm的多级砂轮。
美国华特弗里特兵工厂加工105mm坦克加农炮的炮门握柄采用强力磨削，毛坯是4340炮钢(即40GNiMoA)，硬度HKC42，以前采用普通车削、切檀和磨削加工，需要分五次加工，时间为75min，现在用强力磨削一次加工完成，时间只需7-l0min; 175mm野战炮的紧塞轴用力磨削加工，毛坯为4340钢锻体，一般加工力一法需车直径、车檀和倒角，时间为3小时巧分钟，改用强力磨削只需40min，磨削时所采用的砂轮线速度为38m/s.
3　高速强力磨削
这是具有上述两种磨削特点的方法
3.1　高速强力磨削的应用
可用于磨削外圆及平面，主要是用切入式磨削法磨削圆柱形零件外圆型面、沟槽、多直径台阶。可将一般车削及磨削工序合并为一道工序。工件的余量一般在1.3－2.5mm，表面粗糙度Ra为超过6.3微分，精度不超过±0.076mm。目前高速强力磨削已在生产中得到一些应用。例如:磨削汽车齿轮轴、转向节、万向节及耐热合金透平叶片根部榫齿轮等。
上述高速磨削及强力磨削多在精密铸造，锻件的大批量生产或中小批类似零件生产和自动化程度较高的机床上推广使用。
3.2　高速强力磨削的不是及其解决的措施
由于磨削速提高，功能增大，出现了振动加剧，热量增加等问题，常可采用下列措施来解决。
(1)砂轮力一面主要是提高强度。①采用细粒度磨料;②采用结合性能强的结合剂，如，加硼陶瓷结合剂，硼玻璃结合剂等;③采用中心孔局部增强砂轮或改变砂轮结构，如，无中心孔砂轮和砂瓦组合砂轮。立力一氮化硼砂轮已有应用。砂轮修整多采用金刚石滚轮。
(2)机床力一面主要是加强刚性。采用静压轴承、静压导轨、改进主轴和床身刚性，采用砂轮平衡和自动平衡装置。
(3)冷却力一面。为了粉碎气流采用特殊冷却喷咀，使气流产生偏析;采用高压冷却，增加冷却液流量和容量。研究新成份油剂冷却或在水剂中加入添加剂以提高冷却效果。
(4)安全防护力一面普遍是加厚砂轮罩壳厚度，采用半封闭或全封闭罩壳，罩壳内填充塑料，橡胶衬垫，采用自动关闭砂轮罩壳等。
4 结束语
总之，高速及强力磨削作为一项新兴的加工工艺，其发展历史还很短暂，涉及到的相关技术还较多，存在的难题也较多。但相信在广大科技人员的不断探讨、研究之下，高速及强力磨削高效率的新兴机械加工工艺会日益完善，必将广泛地应用于生产实践中。

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位于瑞士Etziken的Ewag公司是国际知名和领先的精密工具磨床开发与生产企业。在这一领域，Ewag以其有竞争力的研发工作创建了创新的磨削理念，对工具磨削技术的重大影响而著称。公司一直与汽车、航天、医疗、电子和手表制造业的用户紧密合作，不断积累在用户所用刀具开发方面的经验。当今的发展趋势集中在三个方面：
　　·刀具日益复杂
　　·对公差要求日益严格
　　·PCBN和PCB刀具的使用不断增加
　　在Ewag的产品中已经体现了这类要求。关于复杂性和公差要求，介绍一种新的理念(ewamatic line concept)。
　　如上所述，刀具生产中不断降低成本的压力改变了刀具的几何形态。由于要将不同的单个加工循环整合成一道工序，例如加工台阶孔，要一次加工出整个孔，同时还要提高孔的表面质量。这就要相应提高刀具的复杂程度及切削刃的质量要求。
　　这样，机床就要相应增加能完成全部加工所需的砂轮数量。由于对公差要求较高，需一次装夹完成外圆磨削作业，也就是说，在磨台阶前，先要磨削工件的外圆，使几何形状或大致形状成形。这一过程一般采粗磨和精研方法。因此，要加工出台阶的几何形状，需要用两个砂轮磨削。分度头的选择也是一样，需要最高转速为1000r／min的无级变速工件分度头。在Ewag公司，两种不同系统可供选用：
　　◆ 直接驱动转位分度头
　　◆ 直接驱动分度并可转换成外圆磨削模式的分度头

　　对于切屑槽和后角磨削、台阶、前角和尖部的磨削等后序作业，通常需要增加3到5个砂轮。其解决办法或是采用砂轮更换系统或是采用Ewag开发的转塔式砂轮架。Ewag的系统在生产中的定位精度和砂轮更换速度方面，具有明显优势。
　　根据经验，Ewag的解决方案精度更高，速度更快。在“更换砂轮时”，Ewag系统只用2秒钟，而其它砂轮
更换系统要完成同样任务则需要8～10秒。这样，当使用6个砂轮加工时，仅更换时间就可减少36秒。转塔式磨头对污物(抗污染)不太敏感，而其它砂轮更换统则需在更换砂轮前用人工方法吹除和清理。与之相比，Ewag方法是密封的，可完全防止磨屑润滑剂进人。
　　如上所述，公差会明显加大。当前，最常见公差范围为±0.002mm，这一公差显然是受到当前机床理念的影响。对于制造过程，则需要极高精度的机床系统及测量过
程。
　　Ewag的方法是，所有直线坐标都配置分辩率为0.0001mm的高精度直接驱动系统。机床理念是：极高刚度，无振动和导轨系统表面都要刮研。
　　磨削刀具时，需考虑的最复杂因素，如砂轮磨损和砂轮压力造成的变化，需要用序中测量法进行连续检测。因此系统配置了高精度三维测头。这种测头可以检测尺寸，因而能控制所需的补偿。该测头还可以用于预先检测和检测刀具交叉点和/或冷却内孔。
　　利用该测量系统，Ewag机床还能检查和补偿机床上的热膨胀。在进行此项工作时，测头要在夹紧系统上的一个专用球作基准点不断进行校准。
　　高精度磨削工件，需要使用适当的砂轮。磨削时，砂轮尺寸是连续变化的，对此类砂轮尺寸或磨损的修
正必需予以补偿，即机床也必须做好准备相应。
　　Ewag的标准砂轮修整系统可以修正砂轮前面和外径及0-25度的砂轮外缘。修整循环之后就自动执行补偿
程序。这一过程要经测量系统检测予以验证。这一过程可保证此机床上加工的全部工件尺寸与公差是相同的。