高精度公差的磨削加工

wangyuansi

机床本身并不是达到高精度磨削加工的唯一秘方，砂轮和粒度、砂轮修整系统、软件系统、操作员的智能等因素都对高精度产品的加工生产起着关键的作用。

磨削加工成为人们越来越乐于使用的加工方式。为了满足今天的高精度加工标准，磨削加工有时甚至已经成为唯一的加工方式。随着CBN砂轮价格的不断下降，磨床已成为一种更加商品化的产品。通过充分采用更新型的磨料粒度，磨床及磨削工艺有了进一步的提高和改进。现在，整个市场基本上被更加精密的磨床所垄断。但是，机床本身并不是达到高精度磨削加工的唯一秘方，砂轮和粒度、砂轮修整系统、软件系统、操作员的智能等因素都对高精度产品的加工生产起着关键的作用。下面我们分别对上述这些影响磨床加工质量的因素加以介绍。

砂轮和粒度

美国国家标准技术研究院（NIST）主要致力于高性能磨削工艺的研究。最近，NIST的研究人员正在寻求一种采用单层磨料（SLA）砂轮的高速磨削工艺。在一个加工案例中，他们采用一个254mm直径的SLA砂轮，对其以14000 r/min的转速和186m/s的表面线速度运行时的情况进行了研究。结果发现，随着磨削时间的增加，砂轮上裸露的磨粒增多，磨损面扩大，出现连续的微粒磨钝现象，磨削温度和磨削力度也随之上升，但没有磨粒碎裂或脱落的情况发生。机械工程师们试图了解进给量和速度如何影响SLA砂轮的磨损，以便找到因平面区域磨损增加所造成的潜热损坏的模式，预测可有效调节生产工艺的变量。

为此，研究人员绘制了砂轮表面的显微结构图。随着砂轮以不同进给量和不同速度运行造成的磨损程度的增加，显示出其磨粒大小、形状和分布的变化。图表显示，某些砂轮的磨粒数量超过了实际所需要的数量，而且磨粒应扩散分布，而不是在砂轮表面“结壳”。NIST经研究证实：当使用SLA砂轮时，不应该以同样的进给量和速度去磨削每一个零件，因为理想的切削参数会随着砂轮磨损程度的不同而不断变化。应区别对待不同的加工零件，并适当地调节变量，这样就可以大大降低每一零件的加工成本，也不会浪费未经使用的大量砂轮磨粒。

要想获取足够的信息预测砂轮的切削参数，这就要求SLA砂轮磨粒的形状和尺寸必须是规则的。如果用户知道砂轮的显微结构图，而且砂轮的表面是一致的，那么就可以对切削变量进行编程，以补偿砂轮的磨损参数。

砂轮修整系统

研究表明，CNC数控修整装置及发声传感器的使用，降低了磨削周期时间。最新的修整技术已经应用到相对比较特殊的机床、砂轮设计或生产应用之中。例如，ELID磨削是一种在加工过程中使用电解修整砂轮和常规机械磨削相结合的新颖磨削方法。在有选择地使用结合剂的基础上，能实现高效磨削和镜面磨削。同样，用于金刚砂轮和CBN超级磨料的新型玻璃状粘结剂，对那些特殊应用领域中使用的砂轮修整系统提出了新的要求。

客户对于砂轮有非常明确的要求，比如更好的尺寸公差、锥度和正圆度，特别是在汽车工业和轴承应用领域。因此，希望能将材料的磨削率提高到16.39cm3/min，同时使Cpk值保持在1.33或更好的水平。确保轴承零件更好的正圆度和表面光洁度非常重要，它将有助于减少摩擦力，降低噪音和咔嗒声，延长使用寿命。

圣戈班公司就重点对经过改进的多孔性砂轮过进行了研究。

不管采用普通的磨料还是用CBN材料，凡是在精密的汽车磨削加工应用领域，砂轮都应采用玻璃状粘结剂胶合制成，这可以使磨料具有更佳的粘结力，获得更高的磨削比。砂轮的多孔性可以使砂轮将更多的磨削冷却液带到切屑弧区，而且也能给磨削切屑保留更大的空间，这样可降低磨削区内零件与切屑之间的相互摩擦。砂轮中磨料的体积通常用组织（普通磨料）或浓度（金刚砂或CBN材料）来描述。一般而言，凡是在接触面积较大以及对金相结构损坏灵敏度较高的应用领域，如蠕动进给磨削、双盘或高合金钢一类的材料，应使用组织疏松或浓度较低（磨料体积较小）的砂轮。圣戈班公司新的普通磨料技术能够获得较疏松的砂轮组织，而不需要采用人工多孔性方式。

美国Truing Systems公司生产修整砂轮用金刚砂滚子和砂轮修整块，其产品的公差达到0.5 mm，具有很高精度的球形尺寸,使用标准也由过去的Ra16提高到现在的Ra4。在20世纪90年代，硬质材料的车削加工曾一度占领磨削加工的市场，但现在的情况恰好相反。我们可将这一变化归因于CBN材料的价格下降，以及磨削加工更适于较硬材料的加工。

Truing Systems公司通过削减修整周期来降低磨削周期时间，提高砂轮的一致性。此外，粗糙的材料会加剧砂轮的磨损，因此要求采用一种更粗糙的修整系统。

Truing Systems公司的金刚砂滚子是为特定的项目而设计的，其中包括砂粒的类型、大小、浓度、粘结材料以及油石数量。在一个滚子上可能会有多达6种不同类型的金刚砂和浓度。滚子和砂轮的定位依赖于机床的精度。

密歇根州的Tru Tech公司针对高精度CNC数控磨床制定了一套非常严格的标准，这些磨床是为磨削圆柱体零件而设计的。其特点如下：

□ 主轴速度可调，转速范围为2000～5000 r/min，可用于各种表面的精加工；
□ 机床的定位采用步进马达，而不是伺服电机。这种马达编码器的分辨率很高，机床可按0.00003 mm增量级编辑。
□ 在线砂轮修整可以允许砂轮在主轴上整形修整，砂轮具有更好的表面光洁度和更长的使用寿命。

该公司采用3轴磨床，配有一个砂轮，可在一个零件上磨削加工多种形状。只需采用一个程序和一次调试装夹，该磨床就能用一个1A1砂轮磨削加工多个台阶、半径、角度、反锥斜角和钻点。

Tru Tech公司磨床的上述特征使得其磨削的正圆度精度可以达到0.0004 mm。所有标准型零件直径之间的偏心度保持在0.0008 mm公差范围之内，高精密型零件的偏心度公差在0.00003 mm之内。

Tru Tech公司的3轴砂轮修整系统可保证磨床的高精度磨削性能。

软件系统

软件可以帮助几乎没有任何操作经验的新操作员在机床上工作，而且大部分工件的加工程序可以在5min之内编制完成。Tru Tech公司的软件具有自我培训的功能和内置“帮助”录像，通过录像指导操作员进行编程、调试、设置及预防性维修等工作，而不需离开机床。这一软件使公司在交叉培训雇员的过程中灵活性大大提高，降低了培训费用。在磨削加工行业，要找到一名技术熟练的操作工很难。Tru Tech公司制造了配有良好用户界面软件的高精度磨床，任何人都能很快学会操作，解决了熟练操作工缺乏的问题。

动态刚性和热稳定性

动态刚性和热稳定性是影响UGT公司Studer磨床精度的两个关键问题。UGT公司用人造花岗石（这种材料主要由花岗石块与环氧树脂粘结制成）代替铸铁，从而降低了机床的振动，提高了机床内部的热稳定性。Studer磨床一直用于较高精度的轴承磨削加工。在过去，UGT公司使用流体动力轴承，但现在却改用高精度、角接触式球轴承。当速度发生变化时，能提供很高的精度和更大的灵活性。然而，在某些专用机床上，例如在加工喷油嘴的专用机床上就使用流体动力轴承。在磨削卡盘时，其正圆度公差在0.2～0.4mm之间，Studer机床上装有专门设计的线性电机驱动，它可以使加工精度达到10nm。采用线性电机的优点是切削加工时间较短，节约定位时间，线性电机能够以30m/min的速度和3m/s2加速度高速移动。

美国的汽车和卡车制造商在伞齿轮组件加工中，更多地倾向于采用磨削加工工艺。老方法是机加工、热处理、然后研磨，新方法是机加工、热处理、磨削加工。用老方法研磨一套齿轮组合件时，小齿轮和大齿轮之间的配合不可分离，任何一个齿轮都不能任意更换。如果采用磨削加工方法，小齿轮和大齿轮都可以互换，并且很容易混合装配在一起，因为磨削加工的齿侧几何形状和齿隙误差非常小，零件与零件之间的互换性很好。

Bevel Gear Technology公司发现，采用研磨法的废品率很高。而采用磨削加工时，齿轮上的正公差可以很容易纠正，并且可以使废品率趋于零。在前轮驱动的汽车元件中，螺旋伞齿轮和正齿轮的精加工同样倾向于采用磨削加工。这是因为通过这些齿轮传动的扭矩增加，特别是在较高的传动速度范围实现降低噪音的需求。

热问题也是一个应该考虑的主要问题。纽约州的Gleason 公司的设计思想是以自动消除尺寸变化的方式来防止热影响，或者不让热影响造成的尺寸变化企及到工作区域。另外，还可以采用普通的冷却液温度控制法和对主要机械零件采用复杂的温度补偿法。