高效率磨粒加工技术发展及关键技术（三）

魔神

    

　　5)高速孟负荷荒磨

　　重负荷荒磨是以较大的法向修磨压力快速切除加工余量为目的的磨削方法，适用于钢坯的修磨，铸、锻件的清理以及钢板的粗磨等，磨除金属量一般占钢坯质量的3%～7%。一般不需要修整砂轮，磨削速度通常在50～l00m/s，法向磨削力一般在2.5～15kN，金属磨除率达1000kg/h，磨削功率一般为100～150kW，个别达到300kW。该技术近年发展较快，砂轮线速度已普遍达到80m/s，有的高达120m/s。磨削法向力可达10000～12000N，甚至高达30000N ;材料磨除率可达500～600kg/h，最高可达1000kg/h。重负荷荒磨机床已基本实现自动化，法向压力可随进给速度的变化而自动调整并能保持砂轮转速恒定，大大提高了荒磨生产效率。东北大学从?0年代开始进行高速重负荷钢坯荒磨实验研究，建立了完整的高速重负荷荒磨理论体系，近年还研制开发了用于钢坯自动修磨的并联机器人，最大修磨压力达2520N～5000N，最大金属磨除率达1780g/min。重负荷荒磨的技术特点包括:(1)磨削压力、砂轮速度和金属磨除率高、磨削功率大，要求机床具有足够的刚度和强度;(2)使用高强度、高硬度和粗粒度的重负荷荒磨砂轮。一般均采用树脂结合剂和棕刚玉、微晶刚玉、烧结刚玉和错刚玉等高韧性磨料，超硬级硬度，且砂轮不需要修整;(3)采用干式磨削方式。

　　6)砂带磨削

　　砂带磨削作为一种在材料表面精密加工中有着，“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型涂附磨削工艺，在现代制造工业中，其已经被当作与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。在工业发达国家，砂带磨削应用已经十分普遍，砂带磨床抓有量已经逐步接近砂轮磨床，其产值比几乎为1:1。

　　自上世纪60年代以来，静电植砂技术等取得新进展，使美、英、日、德等国砂带制造技术和砂带磨床都取得长足进步。拥有量已接近砂轮磨床、其产值比美国为49:51，德国45:55，日本25:75，砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上，涂附磨具加工已成为发达国家获得高额经济效益的重要手段。美国三家著名砂带集团开发四万多种规格的砂带，55家公司生产砂带磨削机床。目前，全世界国家每年生产近40万台砂带磨床和近9500万平方米砂带。砂带磨削目前正沿着强力、高速、高效和精密方向发展，如日本在90年代初利用电泳吸附现象研制成功超微磨粒砂带，加工如精密陶瓷、石英、硅片等脆性材料的精度可达十几个纳米，并能实现塑性方式磨削。美国生产的一种砂带磨床可以完成5台铣床的工作量，以往用硬质合金端铣刀加工铸铁轴承体，每件加工时间为4.8min，采用强力砂带磨床，加工时间减少到0.8min，一年可节约加工费4.5万美元。

　　我国砂带磨削研究及涂附磨具制造起步较晚。近年部分高校和科研院校开展了砂带磨削技术研究与开发。“七五”期间由郑州三磨所、华中理工大学和湖南大学共同完成了“砂带磨削工艺的试验研究”的攻关课题。东北大学试验研究了金属线材、叶片型面等的砂带磨削;重庆大学先后完成“摆线砂带磨齿工艺”、“高精度平面砂带磨削工艺”等项目，近期又对电解砂带复合磨削新工艺进行研究，目前开展了对发动机连杆端面和西气东输石油管道焊缝强力砂带磨削方面的研究。湖南大学系统研究了砂带磨削温度，1992通过190柴油机缸盖平面强力砂带磨削工艺试验国家鉴定。华中理工大学开展了五坐标联动数控砂带磨削叶片型面研究。华东纺织大学最近研究提出应用超微磨粒电泳吸附砂带实现脆性材料塑性磨削，以期突破砂带磨削的精度限制，实现纳米加工。我国第二砂轮厂和上海砂轮厂先后从德、意、瑞士等国引进砂带制造成套技术和设备，年产砂带分别为5×106m2和6×106m2。

　　3高效率磨粒加工关键技术

　　1)高效磨削砂轮

　　高效磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高效磨削时的切削力等。高效磨削砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出50%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2(电镀镍基结合剂为345～449N/mm2)。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。为了保证砂轮在整个使用寿命中保持锋利，砂轮的结构需有利于磨粒分裂。要达到砂轮自锋利的目的，除了应尽量降低结合剂的比例外，还要优化磨粒的空间分布。为此对砂轮应有一套完善的修整技术。砂轮修整是决定磨削质量的关键因素之一，不同的修整方法具有不同的特点，因而应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料等因素，以选择最佳修整方案。

　　主轴及其轴承技术

　　高效率磨床主轴单元的性能在很大程度上决定了高效率磨削加工的极限，因而，为实现高效率磨削加工，对砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求主轴有足够的刚度，回转精度高，热稳定性好，可靠，功耗低，寿命长等。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，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。主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。磁浮轴承的最高表面速度可达200m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转精度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。