CNC坐标磨床

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摘  要将全干式切削加工应用到CNC坐标磨床上，给出了实现加工的技术要求和技术参数。关　键　词干切技术；CBN砂轮；坐标磨床；磨削  Abstract：The advantages of dry machining technology used in CNC jig grinding machine are analyzed in the paper. The technical demands and  technical  parameters are described in order to realize machining.Key wordsDry  Machining Technology;  CBN Grinding Wheel;  Jig Grinding Machine;  Grinding 引　言全干式切削法[1]，也叫高速干式切削法，它是让主轴在非常高的转速下运转(通常在20000～60000RPM)，用高强度刀具、很少的吃刀量进行超高速切削，它通过机床超高速运转和切削条件的改变来完成无油化加工，效率非常高。目前，该加工方法作为绿色加工技术在国内外研究中备受重视。以前，金属加工行业中使用切削液已形成习惯，普遍认为切削液是取得良好加工表面、提高刀具寿命所必须的。也有许多人认为变湿切为干切，费用可能会更高。其实两种看法都不对。对于多数金切件，干切应该是"标准加工环境"。在高速下干切淬硬材料不仅可能，而且更经济，关键是要知道如何正确地选择刀具、机床和切削方法。尽管切削液在有些场合还是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大发展，情况也在不断的变化。新的硬质合金牌号特别是那些涂层牌号[2]，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合用切削液。CNC坐标磨床多为国外进口机床。作为精密加工中的关键设备,其在国内的应用也日渐增多。在使用过程中，CNC坐标磨床普遍采用湿磨加工方法。实际上，CNC坐标磨床使用干式切削同样可以取得良好的加工效果。一、在CNC坐标磨床上使用全干式切削的技术优势1、 CNC坐标磨床的特点CNC坐标磨床采用超硬磨料磨具，应用高速、高效、高精度磨削新工艺，是现代机械制造中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的关键设备。以美国穆尔公司（Moore）生产的Moore 450CPR坐标磨床和瑞士豪泽公司（Hauser）生产的Hauser S35-400坐标磨床为例，可以看出CNC坐标磨床的特点。(1)高速  电动磨削砂轮转速可达2500-90000RPM；气动磨削可达160000RPM以上(2)高精度  最小进给量为0.0001mm，分辨率为0.00001mm；定位精度全程0.002mm(3)全闭环控制  采用GE/FANUC六轴（X、Y、Z、U、W、C）四联动全闭环数控系统； (4)具备多功能测量系统  MSS、Auto-Size等(5)采用超硬磨料磨具   如CBN砂轮等(6)机床具有高刚度、良好的抗震性、热稳定性CNC坐标磨床的特点表明机床完全具备采用全干式磨削加工的条件。2、在CNC坐标磨床上使用全干式切削的技术优点（1）用全干式切削加工操作成本也是比较低的，因为它避免了冷却液的管理和处理费用，并且还有利于环境保护和操作者的健康。没有切削剂，有利于操作、检测和监控。（2）CBN砂轮是一种新型超硬磨具，用这种砂轮来替代传统的刚玉砂轮，磨削比可提高100-150倍，金属切削率可提高50-100倍。采用CBN砂轮进行精磨和超精磨削加工，可获得粗糙度0.05微米以下的良好表面质量，且无表面磨削缺陷。由于超硬磨料如CBN具有低的导热系数和高的压缩强度，其晶粒硬度[3]可达8000-9000HV，而且在1200℃以上也不会和铁系金属产生化学反应，经受得了由于高切削速度产生的切削热，故磨削加工中无需切削液对砂轮进行冷却。相反，由于干切产生的高温使工件材料硬度降低较多，较高的温度使工件材料软化，刀具工件间硬度差增大使切削加工更易进行，切削效率更高。（3）一般所采用的湿磨法，无论如何注入切削液，切削液都不可能在磨削的同时进入磨削面，因而无法降低磨削点位置的磨削热。切削液只能使砂轮和零件的磨削点在磨削走过后瞬时受到冷却，同时切削液对零件的磨削点起淬火作用，因而事实上加大了磨削裂纹的产生。在CNC坐标磨床上使用全干式切削，利用砂轮的高速运转可以减少刀具与工件发热区的接触时间和接触面积，撕裂下来的切屑以极快的速度脱离工件、把热量带走，能有效控制热传导，防止磨削裂纹产生，提高砂轮的使用寿命。二、在CNC坐标磨床上使用全干式切削的技术特点1、干式切削对磨床的要求           采用干式切削加工时，选定正确的机床和恰当的装备是很重要的。因为速度特别快，材料又常常较硬，干式切削加工时切削温度很高，机床必须刚性足、马力大。试验表明，磨床刚度低使CBN砂轮处于振动状态下工作,使CBN砂轮磨损增大,且磨损不均.磨床刚度低,则不能充分发挥CBN砂轮高的磨削效率,使磨削比降低,而磨削比降低意味着磨削加工成本大幅的提高。磨床刚度低易产生严重的粘屑,而使CBN砂轮不能进行正常磨削,而需修整后才能进行磨削工作。磨床刚度低易发生振动,尤其是磨屑粘附时,振动会更加严重,对加工表面产生振纹和烧伤,使表面粗糙度急剧增加,工件表面质量严重恶化。2、磨削用量的选择（1）CBN砂轮速度 在CNC坐标磨床上使用CBN砂轮进行全干式切削加工时，要选用高的砂轮速度，以充分发挥CBN砂轮的切削能力。在较高的砂轮速度下，不仅能显著提高CBN的磨削效率，提高磨削比，而且能降低磨削力，减少功率消耗，改善工件磨削表面的粗糙度。砂轮速度越高，工件表面粗糙度越好，使切向和法向磨削力下降，这样就减少了单个磨粒上承受的力，因而砂轮磨损减少、磨削热降低。在Hauser S35-400坐标磨床上，一般取CBN砂轮速度为1200 m/min。（2）工件速度与轴向进给速度的选择   由于工件速度对于磨削效果影响较小，一般可在0.1-1.2m/min范围选择。采用细粒度CBN砂轮进行精磨时，可适当提高工件速度。轴向进给速度在行星磨削方式下一般可选取0.5-1.8m/min，在擦磨方式下一般可选取4-12m/min。（3）磨削深度选择   CBN砂轮比较锋利，砂轮自锐性好，可以选择较大的磨削深度，在行星磨削方式下一般可选取0.0005-0.002mm，此时加工参数中无屑磨削次数应大于30次；在擦磨方式下一般可选取0.01-0.03mm,无屑磨削次数一般取2-5次。3、磨削热的控制金属磨削时，工件受砂轮的切割和推挤发生弹性变性和塑性变形，使切屑分离，产生大量的热量。 从传热学角度讲，磨削过程中刀具的温升主要受如下条件影响：热量=接触面积×传热系数×温差×时间式中： 减少吃刀量=减少刀具与热源的接触面积； 加大冷却介质的流速=增大传热系数； 降低冷却介质的温度=增大温差；提高机床转速=缩短刀具与热源的接触时间。 因此，干式切削中提高刀具的运转速度、减少吃刀量对降低温升和刀具磨损具有重要意义。4、磨削裂纹的防止措施磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，磨削时，零件表面的温度[4]可能高达820～840℃或更高。淬火钢中的残余奥氏体，在磨削时受磨削热的影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集中于表面，引起零件局部体积膨胀，加大了零件表面应力，导致磨削应力集中，继续磨削则容易加速磨削裂纹的产生；此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。另一方面，在磨床上磨削工件时，对工件既是压力，又是拉力，助长了磨削裂纹的形成。所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。如下措施可有效防止磨削裂纹的产生：（1）从以上分析知道，产生磨削裂纹的根本原因在于淬火件的马氏体组织是一种膨胀状态，有应力存在，要减少和消除这种应力，工件应进行去应力回火即淬火后应马上进行回火处理。有时经过一次回火后仍可能产生磨削裂纹，这时可以进行二次回火或人工时效，这个方法非常有效。如果零件硬度要求不高，而零件外观表面要求较高时，可以将回火温度提高到400℃以上回火，即调质处理，这时零件表面将不会再出现磨削裂纹现象。（2） 刚出炉的工件，必须待工件自然冷却至常温后才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，最好让工件自然时效一段时间，消除应力后再进行磨削，这也会收到很好的效果。（3）干磨时，选用粒度较大、锋利的砂轮，增加磨削次数，减少背吃刀量，减小工作台移动速度，可减少磨削裂纹。结　束　语本文分析了在CNC坐标磨床上使用全干式切削加工的优势，并从全干式切削对磨床的要求、磨削用量的选择、磨削热的控制和磨削裂纹的防止措施方面介绍其技术特点。随着现代科技知识的飞速发展，干切技术必将成为切削加工的一个重要发展方向。研究CNC坐标磨床的干式切削技术，对现代精密加工技术有着意义深远的影响。