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磨削加工技术的发展趋势

发布时间:

2013-08-12 14:04

  磨削是指用磨料或磨具去除材料的加工工艺方法,一般来讲,按照砂轮线速度ν的高低将其进行分类,把砂轮速度低于45 m/s的磨削称为普通磨削,把砂轮速度高于45 m/s的磨削称为高速磨削,把砂轮速度高于150 m/s的磨削称为超高速磨削。

  磨削与车、铣削在常规加工材料上竞争可能难分高下,但对于陶瓷、复合材料、超耐高温合金等新一代材料就只能用磨削加工了。尽管硬车削已经替代了很多磨削加工,但由于粘结技术的进步、高级磨料的应用,磨削依然保持强势。作为先进制造技术中的重要领域,磨削加工技术已在机械、国防、航空航天、微加工、芯片制造等众多领域得到广泛应用。磨削加工的发展趋势正朝着采用超硬磨料、磨具,高速、高效、高精度磨削工艺及柔性复合磨削、绿色生态磨削方向发展。

  一、精密及超精密磨削

  采用超硬磨料磨具进行精密及超精密磨削是磨削技术发展的主要方向。由于精密、超精密磨削加工材料去除率较低,因此能够获得高精度和高表面质量的加工表面。当前精密磨削是指被加工零件的加工精度在1~0.1μm、加工表面粗糙度为Ra0.04~0.016μm;超精密磨削一般是指加工精度达到或高于0.1μm、加工表面粗糙度值不大于Ra0.01μm,目前,超精密加工技术正从微米、亚微米级向纳米级发展。

  1. 精密及超精密磨削机理

  精密磨削一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮,主要用金刚石修整刀具以极小而又均匀的微进给(10~15 mm/min)对砂轮进行精细修整,以获得众多的等高微刃,加工表面的磨痕较细,加工过程中,由于微切削、滑移、摩擦等综合作用,加工工件达到了小的表面粗糙度值和高的精度要求。超精密磨削则采用较小的修整导程和较小的背吃刀量修整砂轮,靠超细微磨粒等高微刃的磨削作用进行磨削加工。精密与超精密磨削的机理与普通磨削有些许不同之处:

  (1)超微量切除;

  (2)微刃的等高切削作用;

  (3)单颗粘磨削加工过程;

  (4)连续磨削加工过程。

  2.未来的研究方向

  精密和超精密磨削技术虽然在各个方面已取得了优异的成绩,已成为先进制造技术中重要的组成部分,但是随着科技的进步,在一定程度上仍然不能满足社会的需求。因此,我们仍需在以下几个方面做进一步的研究:

  (1)超精密磨削理论及加工工艺,重点放在磨粒的切削过程以及影响加工精度和加工表面完整性的因素,并研究相应的最有效的解决办法;

  (2)开发高精度、高性能、高自动化的磨床及测量装置;

  (3)进一步开发新型材料,以满足精密及超精密加工的要求并能获得更高的加工精度。如超微粉烧结金属、超微粉陶瓷、非结晶半导体陶瓷、新型高分子材料等。

  二、高效磨削技术

  高效磨削是一种先进的制造技术,在其不断的发展中达到了一个崭新的水平。所谓高效磨削,是指加大磨削负荷或提高砂轮线速度,增加单位时间金属比切除率和单位时间的金属去除量,以达到和车削、铣削那样高的金属切除率,或者甚至更高。高效磨削主要包括高速磨削、缓进给磨削、高效深磨和砂带磨削,现已成为磨削加工技术发展的总体趋势。高效磨削技术的大力推广可有效地提高磨削效率、如工质量、砂轮耐用度,并降低生产成本。

  1.高速磨削

  高速磨削是相对于普通磨削而言的,一般指砂轮线速度高于45 m/s的磨削技术。现在国内外对于高速磨削砂轮的线速度一般采用50~80 m/s,工件进给速度在1 000~10 000 m/min。高速磨削工艺一般不适用于加工大平面或圆柱形表面的精加工,主要用于沟槽和缺口件磨削及切入磨削。高速磨削过程本质的特点是:随着砂轮速度提高,单位时间内通过磨削区的磨粒数量增多,每颗磨粒切下的切屑厚度减小,切削力大幅度地减小。实践表明,采用高速磨削有以下优点:

  (1)由于砂轮速度增大,一定体积的工件有更多的切削刃来切削,所以磨粒的未变形切削厚度减小,磨削力减小;

  (2)高速磨削时,由于磨粒的未变形切削厚度减小,因而磨粒不容易破碎和脱落,从而砂轮的磨损减小;

  (3)在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下,可加大磨削深度或工件速度,因而可以有效地提高磨削效率;

  (4)切削变形程度小,每颗磨粒切削后的残留切痕深度减小,可改善表面粗糙度及减小尺寸、形状误差。

  2.缓进给磨削

  缓进给磨削是继高速磨削之后发展起来的一种高效加工方法,对成型表面的加工有显著的成效。缓进给磨削是强力磨削的一种,又称深切缓进给磨削或蠕动磨削。缓进给磨削与普通磨削的不同在于采用增大磨削深度、降低磨削速度、砂轮与工件有较大的接触面积和高的速度比,达到很高的金属切除率。磨削工件时,只需经过一次或数次行程即可磨到所需的形状和尺寸精度。由于砂轮的磨削深度大,致使砂轮与工件的接触面积加大,有效抑制了磨削时振动的产生,磨削出的工件表面质量优于普通的磨削加工方法。

  3.高效深磨

  高效深磨这一概念首次是由德国Bremen大学的Werner教授于1980年创立的,目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位。高效深切磨削是在高速磨削与缓进给磨削的基础上形成的磨削工艺,是现代磨削技术的高峰,它是以加大磨削深度、提高砂轮速度及工件进给速度,从而获得高的磨除率以及高的磨削精度的磨削工艺。高效深磨的砂轮速度在100~250 m/s,工件进给速度在0.5~10 m/min,磨削深度在0.1~ 30 mm。高效深磨与普通磨削的不同在于,高效深磨可以通过一个磨削行程完成以前多道工序才能完成的粗、精加工,获得高于普通磨削100~1 000倍的金属去除率,并能获得类似于普通磨削的加工表面质量。

  高效深切磨削具有加工时间短(约为0.1~10s)、磨削力大、磨削速度高等特点,除了具备超高速磨削的技术外,还要求机床具有高的刚度。

  4.砂带磨削

  砂带磨削几乎能加工所有的工程材料,从一般的家庭生活到工业生产的各个领域无所不用。砂带磨削作为一种有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型磨削工艺,已经被当做与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法,在世界制造业中发挥着越来越重要的作用,并有着广泛的应用及发展前景。

  砂带磨削是以砂带为磨具并辅之以接触轮(或亚磨板)、张紧轮、驱动轮等磨头主体以及张紧快换机构、调偏机构等功能部件共同完成对工件的加工过程。具体来讲就是砂带套在驱动轮、张紧轮的外表面上,并使砂带张紧和高速运行,以产生的相对摩擦运动,对工件表面进行磨削加工的一种磨削加工方法。砂带磨削是综合了磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工工艺,其磨削效率和精度都非常高,且磨削速度相对稳定。同时,砂带磨削成本低,安全可靠,易于操作,并有着广阔的工艺灵活性和适应性。如今,砂带磨削正朝着强力、高速、高效和精密方向发展。在加工工艺方面,与特种加工相结合的复合加工方法是砂带磨削很有前途的发展方向之一。

  三、绿色磨削

  绿色磨削是一种综合考虑资源优化利用和环境影响最小的磨削加工系统。实现绿色磨削是国家绿色制造目标与可持续发展战略的要求,也是21世纪国际制造业发展的趋势。作为先进磨削技术,绿色磨削要在发展新型磨削技术的基础上,融合绿色生产技术、信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于磨削工艺设计、实施、管理等全过程,以实现清洁、低耗、高效、优质加工,提高磨削工艺的先进性和绿色性。目前,具有较高绿色性能的少磨削液磨削、干式半干式磨削、快速点磨削、冷风磨削、液氮冷却磨削等等先进磨削技术相继得到世界各国的重视并开展了深入的研究。

  四、超高速磨削技术

  砂轮线速高于45m/s的磨削技术称为高速磨削。早在20世纪60年代,砂轮的线速度Vs已提高到了60m/s,70年代又提高到80m/s,但其后的十几年由于受到砂轮回转破裂速度的制约和工件烧伤问题的困扰,砂轮线速度始终没有大的提高。直到80年代后期,随着立方氮化硼砂轮的更广泛的应用,并对磨削机理进行了更加深入的研究,发现在高磨除率的情况下,随着砂轮线速度VS的增大,磨削力在Vs=100m/s前后的某个区域出现陡降,这一趋势随着磨除率的进一步增大还将继续,工件表面温度也随之出现回落。这也就是说明,在越过产生热损伤的磨削用量区之后,磨削用量的进一步增大,不仅不会使热损伤加剧,反而使热损伤不再发生,从而为发展高速磨削奠定了理论基础。超高速磨削虽未规定严格的界限,但通常把砂轮线速度高于150 m/s的磨削称为超高速磨削。超高速磨削既能获得高效率,又能达到高精度,能对各种材料和形状的工件进行高效率精密加工,堪称先进制造学科的前沿技术。

  1. 超高速磨削机理

  在超高速磨削加工过程中,许多现象可通过最大磨屑厚度这一参数来解释。在保持其他参数不变的条件下,随着Vs的大幅度提高,在单位时间内参与切削的磨粒数增多,导致每个磨粒切下的最大磨屑厚度变小,磨屑变得非常细薄,即超高速磨削是每颗磨粒的切削厚度变薄。实验表明,其截面积仅为普通磨削条件下的几十分之一,使得每颗磨粒承受的磨削力大大变小,总的磨削力也大大减小。超高速磨削时,由于磨削速度极高,单个磨屑的形成过程极短。若通过调整参数使磨屑厚度保持不变,由于单位时间内参与切削的磨粒数增加,磨除的磨屑增多,磨削效率会大大提高。在极短的时间内完成的磨屑的高应变率(可近似认为等于磨削速度)形成过程与普通磨削有很大差别,主要表现为工件表面的弹性变形层变浅,磨削沟痕两侧因塑牲流动而形成的隆起高度变小,磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小,工件表层硬化及残余应力减小。由于超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度大大加快,加上应变率响应的温度滞后,导致磨削表面磨削温度降低,因此能越过容易发生磨削烧伤的区域。

  2. 超高速磨削特点

  超高速磨削与普通磨削相比,具有以下显著的优势:

  (1)磨削效率高。超高速磨削时,单位时间内通过磨削区的磨粒数增多,如保持每颗磨粒的切深与普通磨削一样,其切入进给量可以大大增加,金属去除率得到提高,磨削效率大幅度提高。其材料去除率可与切削、铣削相比,为此,磨削加工既可以作为精加工也可以作为粗加工,可以大大减少机床种类,简化工艺流程。

  (2)加工精度高。在进给量不变的条件下,超高速磨削的磨屑厚度更薄,在磨削效率不变时,法向磨削力随磨削速度的增大而大幅度减小,继而减小磨削过程中的变形,提高工件的加工精度。

  (3)可以得到高质量、小粗糙度值的工件表面。

  在材料磨除率不变的条件下,提高磨削速度可以减小单颗磨粒的切削厚度,使磨削划痕变浅,表面塑性隆起高度减小,同时由于应变率响应的温度滞后影响,使残留在工件表面上的应力减小,因而能明显减小磨削表面粗糙度值,在加工低刚度工件时,易于保证加工精度。

  (4)砂轮耐用度大幅提高,有利于实现磨削加工自动化。超高速磨削时,单颗磨粒的切削力较小,使每颗磨粒的可切削时间相对延长。在磨削力不变的条件下,以磨削速度200 m/s磨削时,砂轮寿命比以80 m/s磨削时提高一倍,而在磨削效率不变条件下,砂轮寿命可提高7.8倍。砂轮寿命与磨削速度成对数关系增长,使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时,磨削速度由30 m/s提高到160 m/s,砂轮磨削比由900提高到5 100,有利于实现自动化磨削。

  (5)可磨削难加工材料。超高速磨削可实现硬脆材料的延性域磨削,使陶瓷材料的磨削加工成为了现实,并且能够获得极好的磨削表面质量和极高的磨削效率:例如,在采用金刚石砂轮以Vs=160 m/s的速度磨削氮化硅陶瓷,其磨削效率比Vs=80 m/s时提高一倍。同时,超高速磨削对高塑性和难磨材料也能获得良好的磨削效果。如镍基耐热合金、钛合金、铝及铝合金在超高速磨削条件下,由于磨屑形成时间短,塑性变形较小,因而使这种材料的加工变得容易得多。

  (6)拥有巨大的经济效益和社会效益。超高速磨削加工极大地缩短了加工时间,提高了劳动生产率,同时减少了能源的消耗和噪声的污染。在超高速磨削加工中,由于砂轮的使用寿命延长,降低了加工成本,又由于超高速磨削中大部分热量被磨屑带走,加工表面温度较低,减小了冷却液的需求量,污染也相应减小。

  五、结语

  高速磨削能大幅提高生产效率和加工质量,对难磨材料的加工也实现了突破性的进展。高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视,并已开始进入实用化阶段。我国在高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距,大力加强高速磨削技术的研究、推广和应用,对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。

  高速磨削技术虽然已经取得了可喜的成果,但其前景更为广阔。欲将磨削速度进一步提高,主要从以下几方面继续进行研究:(1)进一步开发计算机磨削仿真技术,试图运用分子动力学解释磨屑去除原理,对超高速磨削机理进行深入研究;(2)发展大功率的高速主轴;(3)开发适合超高速磨削的新型砂轮;(4)优化冷却润滑系统;(5)大力开发数控化、智能化磨床;(6)高速磨削向超音速迈进。