面临硬切削挑战的磨削加工的前景

研磨者

面临硬切削挑战的磨削加工的前景

近年来，国外兴起一种称之为硬切削(Hard turning)的新工艺，对传统的磨削方法提出挑战并产生一定冲击，同时还引发了一场硬切削是否会取代磨削的争议。磨削加工的前景如何?下个世纪是否有新的发展?对我们生产磨床的厂家而言，对这一发展动向肯定是感兴趣的，因为它关系到我们今后的发展与生存。 硬切削(Hard turning)的概念是什么? 硬切削是指使用CBN实体刀具、CBN刀头或陶瓷刀具来加工淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬钢、灰铸铁、球墨铸铁、粉末冶金和特殊材料。当然，也有一些材料如青铜等不适合采用硬切削。用硬切削可进行车削、表面加工、攻螺纹、铣削、开槽、靠模加工、车削锥面。据美国有关文章报导，硬切削使工件光洁度始终保持16μm。在正常条件下，光洁度能达到6～8μm。目前，硬切削这种新工艺正在许多工业部门采用，如汽车制造厂用这种方法对传动轴、各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工；飞机制造厂用这种方法制造副翼齿轮和起落架，从油田到钢厂到处可以看到硬切削方法的应用。机床、工具、重型卡车、农业机具、医用设备、罐头模具、汽车零件都把硬切削作为其生产过程的一个组成部份。 采用硬切削工艺的优点： 硬切削成本低廉，一般仅为磨削的四分之一； 用硬切削不需用专用刀具、专用机械和夹具，而磨削则要求使用磨床，硬切削则可在现有的NC或CNC车削中心上进行； 生产率高，因为CBN刀具的切削速度可高达274m/min以上，使生产率大大提高，节省了大量时间。 由于CBN刀具的成本近年来已大大降低，从而为硬切削的推广应用创造了条件。成本不仅指刀具成本，而是每只零件的制造成本，以较长的刀具寿命和每个切削刀头的低成本，CBN为硬加工提供了一条最经济的途径。如美国有一家公司以前用粗磨来加工一种硬质齿轮的端面，后改用硬切削作为粗加工，再进行精磨，成本减少40%。如果把粗磨和精磨都改为硬切削，那么加工时间、夹具成本、刀具成本以及能耗都可下降，而生产率却可提高，并使每只零件的成本下降55%。美国另一家生产压力环的工厂，原工艺都是磨削，包括内圆磨削、端面磨削、外圆磨削和球面磨削四道工序，改用硬切削后，只用VNMA332和CNMA432两把刀具，使加工速度提高10倍。 此外，在废物处理和环保方面，硬切削优于磨削。磨削会产生磨屑和冷却液的混合物，这是不能再利用的废物，会污染环境。硬切削产生的废屑则可再利用，这对重视环境保护的今天来讲特别重要。 近年来，工厂的空间备受重视，与CBN刀具相比，砂轮比较大而且笨重，因此难以贮存。CBN刀具很小，而且不必再增加新机床就可用于硬切削，从而节省了工厂的空间。 硬切削的迅速发展是建立在过去几年CBN刀具技术进步的基础上，90年代初只能在少数几种CBN刀具中选择用于硬切削。目前，用户的选择多了10倍。再者，速度也大大提高，90年代初对铸铁的最大切削速度约为152m/min，现在最高切削速度达1524m/min，大多数连续的硬质钢切削速度在90～150m/min，进给量0.05～0.2mm/r，切削深度达到0.1～0.5mm。CBN的适用性扩大，过去不能用于脆性工件，现在对硬度不一的工件都能进行加工。 鉴于硬切削有上述许多优点，国外有关专家认为这项新技术代表了今天，也预示着明天。有的还发出了\"你为何还采用磨削\"的问题。 但是，高速机械加工和硬切削真的会取代磨削吗?磨削专家认为不会，因为磨床具有自身的一些优势，磨削精度较高，对公差要求较严的加工非磨削莫属。磨削时可以加上在线测量，在加工时间可闭合循环，这种方法在其它机床上难以实现。而最重要的一点，近几年新材料层出不穷。替代了许多传统的材料。实践证明，磨削是加工这类新型材料的好方法。因此，今后磨削加工仍是不可缺少的。诚然，对一般材料而言，磨削可能会遇到铣削、铰削、车削等方法强有力的竞争。但对诸如陶瓷、金属陶瓷复合材料、晶须加强材料以及高温超级合金之类的新一代材料而言，硬切削决不是磨削的对手，而且必须用磨削进行加工。例如，磨削是加工在喷气飞机发动机中使用的超级合金工件的唯一方法，也是加工用陶瓷合金、陶瓷和玻璃制成的汽车和光学元件的唯一方法。新型材料一般都具有硬脆、耐磨、耐热等特点，聚合型材料都是晶须加强材料，对这些材料来讲，磨削是绝对需要的加工手段。对耐热和耐磨损的陶瓷涂料而言，面临更为复杂的问题，即要同时磨削陶瓷和金属。 随着生产发展和技术进步，对磨床提出了许多新的要求，如美国磨削协会提出如下要求： 主轴转速要达到25000r/min，可以9144m/min(152.4m/s)甚至更高的速度进行磨削；磨头主轴设计刚性好，机床体积较小，轻便，加工区体积328cm2，可加工各种形状的工件，范围广的和精密控制的拖板定位系统，采用模块化设计和较多的标准件，与CNC相连的修整系统，可跟踪砂轮尺寸，修整器位置以及砂轮对工件的位置；具有能监控机床状态，机床动平衡、主轴和电动机状态以及砂轮状态的传感器，监控修整时金刚石与CBN砂轮间的接触，监督CBN砂轮与工件之间的接触，以提高效率。该协会还希望具有对小工件进行缓进给成形磨削的能力，希望用平面磨床替代平面铣床。 该协会还对21世纪的磨削提出展望，21世纪的磨床将采用磁性悬浮主轴，在15kW功率范围内，转速达到40000r/min，而占地面积很小，水基静压轴承可以使用水基切削液，能进行连续修整的高感应大气孔陶瓷结合剂砂轮，用于加工陶瓷的金属结合剂金刚砂轮可进行电解修整。一些公司对高速磨削作了许多试验，目前CBN砂轮的线速已达150～250m/s，并以声速作了试验，下个世纪，高速磨削将更广泛地得到应用。CNC控制将更完善，比如能处理在缓进给磨削陶瓷时的摆线磨削，恒定的常用进给量磨削使砂轮最优化，能减少磨削时间的切入式和纵向进给磨削，在平面磨床上作外圆磨削，以及一个坐标轴或几个坐标轴的进给量补偿，以便使磨削循环最佳化。