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高精度公差的磨削加工
機床本身并不是達到高精度磨削加工的唯一秘方，砂輪和粒度、砂輪修整系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、操作員的智能等因素都對高精度產(chǎn)品的加工生產(chǎn)起著關鍵的作用。
磨削加工成為人們越來越樂于使用的加工方式。為了滿足今天的高精度加工標準，磨削加工有時甚至已經(jīng)成為唯一的加工方式。隨著CBN砂輪價格的不斷下降，磨床已成為一種更加商品化的產(chǎn)品。通過充分采用更新型的磨料粒度，磨床及磨削工藝有了進一步的提高和改進�，F(xiàn)在，整個市場基本上被更加精密的磨床所壟斷。但是，機床本身并不是達到高精度磨削加工的唯一秘方，砂輪和粒度、砂輪修整系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、操作員的智能等因素都對高精度產(chǎn)品的加工生產(chǎn)起著關鍵的作用。下面我們分別對上述這些影響磨床加工質量的因素加以介紹。
砂輪和粒度
美國國家標準技術研究院(NIST)主要致力于高性能磨削工藝的研究。最近，NIST的研究人員正在尋求一種采用單層磨料(SLA)砂輪的高速磨削工藝。在一個加工案例中，他們采用一個254mm直徑的SLA砂輪，對其以14000 r/min的轉速和186m/s的表面線速度運行時的情況進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)，隨著磨削時間的增加，砂輪上裸露的磨粒增多，磨損面擴大，出現(xiàn)連續(xù)的微粒磨鈍現(xiàn)象，磨削溫度和磨削力度也隨之上升，但沒有磨粒碎裂或脫落的情況發(fā)生。機械工程師們試圖了解進給量和速度如何影響SLA砂輪的磨損，以便找到因平面區(qū)域磨損增加所造成的潛熱損壞的模式，預測可有效調節(jié)生產(chǎn)工藝的變量。
為此，研究人員繪制了砂輪表面的顯微結構圖。隨著砂輪以不同進給量和不同速度運行造成的磨損程度的增加，顯示出其磨粒大小、形狀和分布的變化。圖表顯示，某些砂輪的磨粒數(shù)量超過了實際所需要的數(shù)量，而且磨粒應擴散分布，而不是在砂輪表面“結殼”。NIST經(jīng)研究證實：當使用SLA砂輪時，不應該以同樣的進給量和速度去磨削每一個零件，因為理想的切削參數(shù)會隨著砂輪磨損程度的不同而不斷變化。應區(qū)別對待不同的加工零件，并適當?shù)卣{節(jié)變量，這樣就可以大大降低每一零件的加工成本，也不會浪費未經(jīng)使用的大量砂輪磨粒。
要想獲取足夠的信息預測砂輪的切削參數(shù)，這就要求SLA砂輪磨粒的形狀和尺寸必須是規(guī)則的。如果用戶知道砂輪的顯微結構圖，而且砂輪的表面是一致的，那么就可以對切削變量進行編程，以補償砂輪的磨損參數(shù)。
砂輪修整系統(tǒng)
研究表明，CNC數(shù)控修整裝置及發(fā)聲傳感器的使用，降低了磨削周期時間。最新的修整技術已經(jīng)應用到相對比較特殊的機床、砂輪設計或生產(chǎn)應用之中。例如，ELID磨削是一種在加工過程中使用電解修整砂輪和常規(guī)機械磨削相結合的新穎磨削方法。在有選擇地使用結合劑的基礎上，能實現(xiàn)高效磨削和鏡面磨削。同樣，用于金剛砂輪和CBN超級磨料的新型玻璃狀粘結劑，對那些特殊應用領域中使用的砂輪修整系統(tǒng)提出了新的要求。
客戶對于砂輪有非常明確的要求，比如更好的尺寸公差、錐度和正圓度，特別是在汽車工業(yè)和軸承應用領域。因此，希望能將材料的磨削率提高到16.39cm3/min，同時使Cpk值保持在1.33或更好的水平。確保軸承零件更好的正圓度和表面光潔度非常重要，它將有助于減少摩擦力，降低噪音和咔嗒聲，延長使用壽命。
圣戈班公司就重點對經(jīng)過改進的多孔性砂輪過進行了研究。
不管采用普通的磨料還是用CBN材料，凡是在精密的汽車磨削加工應用領域，砂輪都應采用玻璃狀粘結劑膠合制成，這可以使磨料具有更佳的粘結力，獲得更高的磨削比。砂輪的多孔性可以使砂輪將更多的磨削冷卻液帶到切屑弧區(qū)，而且也能給磨削切屑保留更大的空間，這樣可降低磨削區(qū)內零件與切屑之間的相互摩擦。砂輪中磨料的體積通常用組織(普通磨料)或濃度(金剛砂或CBN材料)來描述。一般而言，凡是在接觸面積較大以及對金相結構損壞靈敏度較高的應用領域，如蠕動進給磨削、雙盤或高合金鋼一類的材料，應使用組織疏松或濃度較低(磨料體積較小)的砂輪。圣戈班公司新的普通磨料技術能夠獲得較疏松的砂輪組織，而不需要采用人工多孔性方式。
美國Truing Systems公司生產(chǎn)修整砂輪用金剛砂滾子和砂輪修整塊，其產(chǎn)品的公差達到0.5 mm，具有很高精度的球形尺寸,使用標準也由過去的Ra16提高到現(xiàn)在的Ra4。在20世紀90年代，硬質材料的車削加工曾一度占領磨削加工的市場，但現(xiàn)在的情況恰好相反。我們可將這一變化歸因于CBN材料的價格下降，以及磨削加工更適于較硬材料的加工。
Truing Systems公司通過削減修整周期來降低磨削周期時間，提高砂輪的一致性。此外，粗糙的材料會加劇砂輪的磨損，因此要求采用一種更粗糙的修整系統(tǒng)。
Truing Systems公司的金剛砂滾子是為特定的項目而設計的，其中包括砂粒的類型、大小、濃度、粘結材料以及油石數(shù)量。在一個滾子上可能會有多達6種不同類型的金剛砂和濃度。滾子和砂輪的定位依賴于機床的精度。
密歇根州的Tru Tech公司針對高精度CNC數(shù)控磨床制定了一套非常嚴格的標準，這些磨床是為磨削圓柱體零件而設計的。其特點如下：
□ 主軸速度可調，轉速范圍為2000～5000 r/min，可用于各種表面的精加工;
□ 機床的定位采用步進馬達，而不是伺服電機。這種馬達編碼器的分辨率很高，機床可按0.00003 mm增量級編輯。
□ 在線砂輪修整可以允許砂輪在主軸上整形修整，砂輪具有更好的表面光潔度和更長的使用壽命。
該公司采用3軸磨床，配有一個砂輪，可在一個零件上磨削加工多種形狀。只需采用一個程序和一次調試裝夾，該磨床就能用一個1A1砂輪磨削加工多個臺階、半徑、角度、反錐斜角和鉆點。
Tru Tech公司磨床的上述特征使得其磨削的正圓度精度可以達到0.0004 mm。所有標準型零件直徑之間的偏心度保持在0.0008 mm公差范圍之內，高精密型零件的偏心度公差在0.00003 mm之內。
Tru Tech公司的3軸砂輪修整系統(tǒng)可保證磨床的高精度磨削性能。
軟件系統(tǒng)
軟件可以幫助幾乎沒有任何操作經(jīng)驗的新操作員在機床上工作，而且大部分工件的加工程序可以在5min之內編制完成。Tru Tech公司的軟件具有自我培訓的功能和內置“幫助”錄像，通過錄像指導操作員進行編程、調試、設置及預防性維修等工作，而不需離開機床。這一軟件使公司在交叉培訓雇員的過程中靈活性大大提高，降低了培訓費用。在磨削加工行業(yè)，要找到一名技術熟練的操作工很難。Tru Tech公司制造了配有良好用戶界面軟件的高精度磨床，任何人都能很快學會操作，解決了熟練操作工缺乏的問題。
動態(tài)剛性和熱穩(wěn)定性
動態(tài)剛性和熱穩(wěn)定性是影響UGT公司Studer磨床精度的兩個關鍵問題。UGT公司用人造花崗石(這種材料主要由花崗石塊與環(huán)氧樹脂粘結制成)代替鑄鐵，從而降低了機床的振動，提高了機床內部的熱穩(wěn)定性。Studer磨床一直用于較高精度的軸承磨削加工。在過去，UGT公司使用流體動力軸承，但現(xiàn)在卻改用高精度、角接觸式球軸承。當速度發(fā)生變化時，能提供很高的精度和更大的靈活性。然而，在某些專用機床上，例如在加工噴油嘴的專用機床上就使用流體動力軸承。在磨削卡盤時，其正圓度公差在0.2～0.4mm之間，Studer機床上裝有專門設計的線性電機驅動，它可以使加工精度達到10nm。采用線性電機的優(yōu)點是切削加工時間較短，節(jié)約定位時間，線性電機能夠以30m/min的速度和3m/s2加速度高速移動。
美國的汽車和卡車制造商在傘齒輪組件加工中，更多地傾向于采用磨削加工工藝。老方法是機加工、熱處理、然后研磨，新方法是機加工、熱處理、磨削加工。用老方法研磨一套齒輪組合件時，小齒輪和大齒輪之間的配合不可分離，任何一個齒輪都不能任意更換。如果采用磨削加工方法，小齒輪和大齒輪都可以互換，并且很容易混合裝配在一起，因為磨削加工的齒側幾何形狀和齒隙誤差非常小，零件與零件之間的互換性很好。
Bevel Gear Technology公司發(fā)現(xiàn)，采用研磨法的廢品率很高。而采用磨削加工時，齒輪上的正公差可以很容易糾正，并且可以使廢品率趨于零。在前輪驅動的汽車元件中，螺旋傘齒輪和正齒輪的精加工同樣傾向于采用磨削加工。這是因為通過這些齒輪傳動的扭矩增加，特別是在較高的傳動速度范圍實現(xiàn)降低噪音的需求。
熱問題也是一個應該考慮的主要問題。紐約州的Gleason 公司的設計思想是以自動消除尺寸變化的方式來防止熱影響，或者不讓熱影響造成的尺寸變化企及到工作區(qū)域。另外，還可以采用普通的冷卻液溫度控制法和對主要機械零件采用復雜的溫度補償法。
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