無心外圓磨床的研究.pdf

1、2002 年7月15 日 出版 國外金屬加工 2002 年第3期 無心外圓磨床的研究 俄 c 八 B a兩 c等著 李洪鋼譯 (江蘇錫山市錢橋金球大樓) 采用導(dǎo)輪的無心外圓磨床已被有效地采 用在成批和大批量生產(chǎn)中，以高生產(chǎn)率制造 著多品種的各種精度等級的制件。其中包括 精密制件。 這種磨削方法的廣泛推廣， 取決于一系 列磨削過程的原則性特點。 例如， 在加工時工 件的自 定心，可達到精度比用兩頂尖及用卡 盤裝夾內(nèi)孔磨外圓時的高。摩擦轉(zhuǎn)動裝置可 保證自由接近磨削區(qū)。 可去除較多的余量， 例 如，由于在一次加工時工件可相對較大長度 的砂輪切削表面移動。 近年來， 由于建立了帶多坐標 NC 系統(tǒng)的

2、無心外圓磨床， 無心磨床的工件性能得到顯 著擴大。這種無心外圓磨床可用來控制加工 和修正磨輪及導(dǎo)輪， 其磨削速度可達12 0 m/ 5。該過程可采用納米加工工藝。 本文概述無心外圓磨床的現(xiàn)代化趨勢， 介紹前景研究科學(xué)的分析和實現(xiàn)該加工方法 的新法研究有關(guān)的資料。這些資料一部分選 自 雜志 (Abr asives: Cntel . less gr inding/ coated abrasives)和INT S 2000展覽會(芝加哥)。 1無心磨削的穩(wěn)定性和安全性 的保證 無心外圓磨削過程進行的穩(wěn)定性大多取 決于工件旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的破壞 伴隨著 “ 打滑”江件的圓周速度提高到砂輪 的速

3、度) ， 從而導(dǎo)致工件從磨削區(qū)擠出， 進而 甚至?xí)?dǎo)致砂輪的破裂。 另外， 工件在加工過 60 程開始時不旋轉(zhuǎn)， 暫時扭矩未達到所需值， 而 造成在不轉(zhuǎn)動的工件表面上形成切口，從而 在橫截面內(nèi)工件的形狀變壞。 圖 1有導(dǎo)輪的無心外圓磨削示意圖 在分析傳統(tǒng)無心磨削方式 (圖 1 )和借助 計算機計算和實驗研究的圖表基礎(chǔ)上，給出 了可確定工件定位和磨削條件的參數(shù)遠擇的 實際推薦。工件在無心外圓磨床上旋轉(zhuǎn)的穩(wěn) 定性與一系列參數(shù)有關(guān)， 屬于這些參數(shù)(見圖 1 ) 的有托板的斜面角0 ; 表征半徑為r 的工件 軸線在加工過程中的配置角丫 二 。 +p; 法向 切削分力P、 和切向切削分力Pr; 在托板和

4、導(dǎo) 輪上的 法向 反力R I ， 、 R。 和 摩擦力腳 。R H 、 內(nèi)RB (腳 ;和林 。 為摩擦系數(shù));工件的重量G。 現(xiàn)已確定，影響工件旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的恒參 數(shù)是表征具體工件定位條件的e 角和， 角 (所謂無心外圓磨床的幾何形狀調(diào)整)，而變 參數(shù)是在托板和導(dǎo)輪上引起的切削分力和摩 擦力。 并且， 在導(dǎo)輪上的摩擦力方向與加工條 件有關(guān)， 可能是不同的。 當(dāng)幾何形狀的調(diào)整給定時，工件旋轉(zhuǎn)的 L 一 孟 靚二二 滬 一 萬劊 翻r i / 浮l/ 1 娜 _呼亨幣 月l 矛 1 1! 1 1 沉 雇 對 漢 月 丫 豹 沈1 9 ， 1 叮 (/ 沙匕尹 尸 / /匕 氣/ 1例 尸 產(chǎn) 鄉(xiāng)

5、尸/ ”介 丫 叮州 ，! 1， .d /1/么 圖 2評定工件旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的計算圖表a - -(k=0.2 ; 協(xié) 。 二 0. 15 ) ; b一(k 二 0. 4; 卜 H 穩(wěn)定性條件取決于比值k=P r / P、 和摩擦系數(shù) 值卜 “ 、 林 B 。 從圖Za 中已 表明， 當(dāng)0.35) 協(xié) 。 ) 0. 巧時工件穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的界限隨著摩擦系數(shù) 林 。 的減小 (例如在采用金屬導(dǎo)輪時)， 界限偏 移到托板斜面角0較大值的區(qū)域。類似規(guī)律 性(見圖Zb ) 已被俄羅斯研究人員所揭示。 對圖 1所示方式，現(xiàn)已確定在托板和導(dǎo) 輪上摩擦系數(shù)之間的下列關(guān)系: 所蔽 巖湍分 遵守這關(guān)系可保證工件的旋轉(zhuǎn)直到

6、接近 砂輪， 即可防止在被加工表面上形成切口。 在無心外圓磨床上常采用不同材料的導(dǎo) 輪，因此在每種具體情況必須從加工過程的 穩(wěn)定性觀點預(yù)先評估導(dǎo)輪一工件摩擦副的功 能條件。 在有關(guān)文獻中描述了以無心外圓磨床為 基礎(chǔ)的試驗臺， 它可模擬工件被導(dǎo)輪摩擦傳 動。在該文獻中還列出了在加工軸承鋼和其 它鋼種工件時的摩擦試驗和導(dǎo)致磨損試驗的 結(jié)果。導(dǎo)輪為鋼質(zhì)導(dǎo)輪和樹脂、 陶瓷、 聚氨醋 和橡膠結(jié)合劑導(dǎo)輪。在試驗臺上檢測了在不 斷測量摩擦系數(shù)林 。 時工件相對砂輪的滑動 速度v。 特別有趣的是當(dāng)滑動速度的符號變化 時， 摩擦系數(shù)呈跳躍式變化的實驗數(shù)據(jù)(見圖 3)。 當(dāng) 。 二 0 時沒有滑動， 也就是產(chǎn)生工

7、件沿 導(dǎo)輪的滾動。 v 的正值符合工件 “ 超前” 導(dǎo) 輪， 從而伴隨著引起相對工件旋轉(zhuǎn)向的滑 動摩擦力。v 的負值符合工件的“ 滯后” ， 這 =0. 15; 。 =。+0) 巨盯口口口 口口 口 口口 . 認甲 一 硯2 口口口口 巨口口口口 口口 區(qū) 才 峨!嘴口 戶 硯 口認 琴 j l _ 月 魂一卜 州 口J 11 一:; 口口 口付 個 “ !” 1 1 口口 圖3在導(dǎo)輪上擦系 數(shù)林 H對 工件滑動速度v 的變化 時滑動摩擦力沿工件旋轉(zhuǎn)方向定向。從圖3 中可看出，存在著決定工件相對導(dǎo)輪滑動速 度的提高和下降特性之間的滯后現(xiàn)象。 同樣已確定， 當(dāng) 無滑動時林 。 值達到最大 值，

8、因為導(dǎo)輪的磨粒被擠人工件的表面內(nèi)， 從 而伴隨著引起最大的咬合力。 在有關(guān)文獻中列出了根據(jù)一系列因素 (法向切削分力、 工件材料、 導(dǎo)輪的修整速度、 導(dǎo)輪的材料和結(jié)合劑等) 實驗確定導(dǎo)輪摩擦 特性的結(jié)果。 其中包括已確定， 有相同粒度的 導(dǎo)輪在修整速度 300mm/ mi n 時， 在陶瓷結(jié)合 劑情況娜二 a :=0.4， 在橡膠結(jié)合劑情況伽m .:二 0.34， 在樹脂結(jié)合劑時為0.2 5 。 在聚氨脂結(jié)合 劑時內(nèi)m a :實際上與導(dǎo)輪的粒度無關(guān) (伽m a :二 0.2一 0.3)。對鋼導(dǎo)輪， 卜 。 m .、 =0. 17。 實驗表明，陶瓷和樹脂結(jié)合劑的導(dǎo)輪的 磨損量大于橡膠和聚氨醋結(jié)合

9、劑導(dǎo)輪一個數(shù) 量級。隨著橡膠和聚氨醋結(jié)合劑的導(dǎo)輪的粒 度增大， 它們的磨損量增加不大。由于強烈磨 損， 不推薦采用陶瓷和樹脂結(jié)合劑的導(dǎo)輪。 導(dǎo)輪的磨損量與法向磨削分力和滑動速度 沙 匕 州 方 可 促 禪匆口 a) 圖4在導(dǎo)輪上的滑動速度v 3沖 凡， !引.一 日一 川叮 Z !1 價禪2因翔口瓜萬 b ) (a)和摩擦系 數(shù)林 B (b ) 對法向磨削分力凡的變化 顯著有關(guān)。圖4所示為橡膠結(jié)合劑的導(dǎo)輪的滑 動速度和摩擦系數(shù)與法向磨削分力的 關(guān)系。 利用關(guān)于帶不同特性的導(dǎo)輪的摩擦系數(shù) 值的實驗數(shù)據(jù)，可保證圖2 示例的計算圖表 的實際應(yīng)用，它可確定在無心外圓磨床上的 安全工作區(qū)。 特殊的堅固結(jié)

10、合劑， 故達到很好的效果。 用砂帶的無心磨削具有一系列優(yōu)點。 提高機床使用的安全性。 提高加工生產(chǎn)率， 2利用砂帶的無心磨削 由于專門研究無心磨削的完善，提出了 利用砂帶替代砂輪。在圖5所示的這種加工 方式時，柱形工件2靠摩擦傳動在托板6 上 旋轉(zhuǎn)和移動。摩擦傳動是靠導(dǎo)輪 1 的軸線偏 轉(zhuǎn)一中 角實現(xiàn)的，砂帶3靠接觸輪5被壓緊 在柱形工件上， 并借助滾輪4 拉緊。 利用砂帶 代替砂輪的磨削， 其調(diào)整參數(shù)是6角、 ， 角、 中 角以及導(dǎo)輪和砂帶的圓周速度。 這種方式早先被采用初加工棒料和用來 精磨和拋光小零件，現(xiàn)在廣泛用來制造任意 的制件， 其中包括薄零件、 高精密零件和對表 面質(zhì)量要求高的零件

11、以及用來加工余量大的 零件。 由于采用現(xiàn)代化磨料、 砂帶工作表面新 的涂層方法 (包括通過有序配置磨粒) 和采用 使這點的不僅是砂帶的速度高(達5 0 m/ 5) 和 穩(wěn)定， 軸向進給速度顯著高(達18m/ min ) ， 而 且砂粒還可有效的定向。 無需修整工具。 因為 砂帶與砂輪的區(qū)別是沒有不平衡度，可顯著 減小振動水平，由于在高速切削時可較好的 分散被散出的熱量和降低單位負荷， 故可減 小熱變形。所有這些可促使提高加工精度。 可控制加工表面的質(zhì)量，并在一臺無心 外圓磨床上可采用一組不同的砂帶。由于砂 帶和接觸輪的更換簡便，故無心外圓磨床易 于重調(diào)。 在無心外圓磨床上的磨削速度的進一步 提

12、高，這趨勢是由于采用新的工具材料實現(xiàn) 的。 例如， 立方氮化硼砂輪速度可達12m/ s 工 作。下面列出了用陶瓷結(jié)合劑砂輪傳統(tǒng)無心 磨削時 (A )和用立方氮化硼砂輪高速磨削時 (B )的結(jié)果比較數(shù)據(jù)， 工序為粗磨凸輪軸的軸 頸， 余量為4mm: j o 6 勺 1 n U O ， 山 1 加工方法 磨削速度， m/ s 磨削時間， 5 加工指標 直徑偏差， 卜 m 圓度， 卜 m 表面粗糙度(Rz)， 林 m AB 840 圖5利用砂帶的無心磨削示意圖 無心精磨時在采用有特殊涂層的陶瓷結(jié) 合劑砂輪在一系列情況可保證速度的提高。 62 3納米工藝中的無心磨削 在機器制造業(yè)中， 對專用來制造特別

13、精 密的軸承和光纖通信器材的元件的超精密無 心外圓磨床的需求日 益增長。這些零件所允 許的圓度誤差為 10一3 5 納米范圍。 為提高類似要求， 在無心外圓磨床上應(yīng) 實現(xiàn)不連續(xù)的進給， 并用納米測量， 從而借助 傳統(tǒng)的電機一絲杠定位系統(tǒng)是不可能達到 的。 必須有新的技術(shù)解決辦法， 其應(yīng)保證無心 外圓磨床的進給機構(gòu)有超剛度無間隙的結(jié)構(gòu) 和定位系統(tǒng)所需的精度。 在有關(guān)文獻中研究了以壓電直線電機基 礎(chǔ)上的無心外圓磨床的超精密進給機構(gòu)的結(jié) 構(gòu)，列出了它們的計算方法和實驗研究試樣 的結(jié)果。對壓電直線電機提出了緊湊性和高 剛度、 大軸向力相結(jié)合的要求， 納米精度應(yīng)保 證在所有的移動范圍內(nèi)。壓電電機應(yīng)消除負

14、 荷的突變， 不經(jīng)受剪應(yīng)力和較大的拉力。目 前 建立的壓電電機， 其剛度為219 0 N/ 卜 m， 行程 長度為30林 m， 輸出力為s k N、 定位精度為 0.005林 m(snm)。 4無心磨削時檢測力的新手段 由于在無心外圓磨床上的加工精度高， 故對檢測手段提出更高的要求。符合這些要 求的例如其作用基于聲發(fā)射的高敏感性儀 器。類似儀器應(yīng)具有 一 lms 的快速動作， 并可 在寬廣的頻率范圍內(nèi)(5 0 一 950kHz)獲得這樣 的信號，即其振幅大大超過在按傳動功率測 量磨削力時獲得的信號。 新型儀器可用來處理在砂輪靠近工件時 精密換向速度的命令; 按切削力適應(yīng)控制過 程;控制循環(huán)，

15、以在修整砂輪時保證最小去除 磨料(0.2 5 林 m以下)， 從而對立方氮化硼砂輪 的無心外圓磨床甚為迫切。 寬廣的信號工件頻率范圍 對用立方氮化 硼砂輪高速磨削特別重要。它是靠用模擬程 序裝置控制的濾波器與復(fù)蓋范圍的結(jié)合實現(xiàn) 了。磨削力檢測系統(tǒng)的高敏感性可瞬時揭示 砂輪單個磨粒與工件或砂輪與修整工具的初 始接觸。早先在加工時和修整砂輪時采用類 似系統(tǒng)， 因其價格高而受到限制， 但近來由 于 完善了結(jié)構(gòu)故它們的價格大大下降。 這種檢測裝置可內(nèi)置在砂輪的平衡部件 內(nèi)。 對粗磨和用單個金剛石修整砂輪的工序， 可將系統(tǒng)的傳感器安裝在砂輪架殼體上或砂 輪的修整機構(gòu)上。當(dāng)對加工質(zhì)量的要求較高 時，或用金剛石滾輪以較小去除磨料量修整 砂輪時， 傳感器可直接安裝在砂輪或金剛石 導(dǎo)輪的主軸上。上述裝置已被美國和英國公 司有效采用在無心磨削軸承套圈時。 基于發(fā)射作用的檢測和控制系統(tǒng)的采 用，可大大提高在無心外圓磨床上的生產(chǎn)率 和加工精度。 這樣， 可斷定新的趨勢出現(xiàn)， 即高生產(chǎn)率 的無心磨削工藝可采用在成批生產(chǎn)中和用來 制造超高精度的零件。 因此， 在建立國產(chǎn)有競 爭力的無心外圓磨床時，不僅必須注意早先