面向绿色制造的快速点磨削技术

  磨削加工是一种高效的切削加工方法，其加工精度高和能加工高硬度零件等优点，有时是其他切削加工方法所不能替代的。由于加工时需要在砂轮和工件表面之间加人磨削液来起润滑、冷却和消尘作用，需要大量使用磨削液，废液污染环境，而且磨料磨具本身的制造、磨料在加工中的消耗、磨削加工所造成能源及材料的消耗等都对环境和资源产生了严重的影响。面对人类社会可持续发展的需要，实施绿色制造已经势在必行。近年来出现的快速点磨削技术(Qulck一poiniGrinding)特点鲜明，特别是磨削力极小，磨削温度低，接近冷态加工，可实现少、无磨削液的干式或准干式加工，砂轮使用寿命长，符合绿色制造的发展趋势。
1 快速点磨削的工作原理
    快速点磨削是由德国Jnuker公司于1949年开发的新型超高速磨削技术，集中了数控车削技术、CBN超硬磨料、超高速磨削等先进技术，具有高效率、高柔性、高精度、磨削温度低、砂轮寿命长和工序集中的特点，主要用于轴类零件的加工。它采用超薄CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，是目前超高速磨削最先进的技术形式之一。
    快速点磨削工艺的工作原理：在磨削工件外圆时，砂轮与工件以点接触进行磨削。砂轮对工件的磨削加工类似于一个微小的刀尖对工件的车削加工，磨削力和磨削热都非常小，并且砂轮总是保持同一吃进状态。砂轮的进给和磨削速度在磨削轴颈时可通过编制程序使其保持不变。而传统的磨削方法，砂轮与工件是线接触磨削，砂轮与工件的接触时间长，磨削力和磨削热都非常大，并且不能做到砂轮的进给和磨削速度在磨削轴颈时保持不变。
    数控快速点磨削时，要求砂轮轴线与工件轴线之间有一个微小摆角α(如土0.5°)。目的是使砂轮与工件间以一点接触，在数控装置控制下砂轮轴向精确进给，完成整个外圆表面的磨削。勇克公司开发的数控快速点磨机依靠可倾斜转动的万能磨削轴座，使砂轮轴线与工件轴线间有三种位置关系：位置1：摆角为0°，砂轮轴线与工件轴线平行并等高(砂轮中置)，这时可对工件的端面进行磨削，与传统磨削方法相同；位置2：摆角为一5°(逆时针转动)，砂轮轴线转角后上移(砂轮上置)，使砂轮左端面与工件外圆的接触点和工件轴线等高。砂轮从尾座顶尖向主轴顶尖方向进给磨削，可对工件外圆进行点磨；位置3：摆角为+5°(顺时针转动)，砂轮轴线转角后下移(砂轮下置)。目的仍是使砂轮左端面与工件外圆的接触点和工件轴线等高，砂轮从主轴顶尖向尾座顶尖方向进给磨削，同样可对工件外圆进行点磨。
    两个方向摆角的目的是根据被加工外圆表面的侧面是否有干涉面(砂轮摆角使其端面可能与工件台肩侧面相碰)来进行选择。摆角a(也称点磨变量角)的大小要适当控制，太小，接触点的面积将增大，会与传统的磨削效果一样；过大，砂轮接触点磨削工件时在砂轮逐渐磨损后向砂轮中心截面处移动，会使工件的磨削半径增加过大，影响工件的加工精度。
    数控快速点磨时要求进给精确，因此必须在数控装置的控制下来进行。 
   目前快速点磨削工艺已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用，我国一汽大众汽车有限公司和上海大众汽车有限公司已引进了这一工艺和设备，用于汽车发动机凸轮轴等轴类零件的加工，并取得了显著的经济效益。
2 快速点磨削的特点
    点磨削是利用超高线速度(120-205m/s)的单层CBN薄砂轮(宽度仅几毫米)来实现的。点磨削主要有以下特点：
(1)在磨削工件外圆时，砂轮与工件轴线并不是始终处于平行状态，而是在水平和垂直两个方向旋转一定角度，以实现砂轮和工件在理论上的点接触，通过数控系统来控制这两个方向的角度数值(点磨变量角)以及在X、Y的轨迹来实现对不同形状表面的点磨加工；
(2)点磨削用提高磨削速度(砂轮速度可达90~160m/s)的方法来提高加工效率，而CBN磨料的高硬度、高耐磨性为提高磨削速度提供了可能，以这种速度磨削，切除率高、砂轮寿命长，同时切削时变形速度超过热量传导速度，大量变形能转化成的热量随切屑被带走，而来不及传到工件和砂轮上，提高了加工精度和加工表面质量，砂轮表面温度几乎不升高；
(3)快速点磨削砂轮采用超硬磨料CBN或人造金刚石超薄砂轮，厚度只有4~6mm，这可以降低砂轮的造价，提高砂轮制造质量。薄砂轮还降低砂轮的重量和不平衡度，大大降低运转时施加在轴上的离心力。同时砂轮寿命长(最长可使用一年)，修整频率低(每次修整可磨削加工20万件)；
(4)为减少砂轮与工件间的磨削接触区，在加工时砂轮轴线在水平方向与工件轴线形成一定的倾角，这使砂轮与工件之间的接触变成点接触(这也是点磨削名称的由来)。这样减小了磨削接触区的面积，不存在磨削封闭区，更利于磨削热的散发；
(5)在磨削外圆时，材料去除主要是靠砂轮侧边完成，周边仅起光磨作用。同时由于砂轮与工件间的磨削接触区成点接触，使磨削力大大减小，这实际上等于增加了机床的刚度，减小了磨削产生的振动，使磨削平稳，同时提高了砂轮的寿命和加工质量；
(6)Junker公司数控快速点磨削机床采用了多项专利技术，如砂轮三点定位安装系统、砂轮主轴电平衡自动控制系统、精密导轨系统及砂轮在线修整系统等，以保证机床的加工性能。
3 面向绿色制造的快速点磨削
    绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使产品从设计、加工制造、使用到报废的整个寿命周期中，对环境负面影响较小，资源利用率较高，并使经济效益和社会效益协调化。基于这一观点，快速点磨削与一般磨削方法相比较，具有优良的绿色特性：
(1)砂轮与工件处于点接触状态(接触面积最小)，实际磨削速度更高，磨削力大大减小，比磨削能小。由于磨削力极小，工件安装夹紧方便，甚至不用夹紧，因此被称为“顶尖磨削”、“削皮磨削”。砂轮使用寿命长(最长可达1年)。Junker公司的点磨削机床磨削比超过1600，最高可达6000，修整率低(每次修整最多可加工20万件)，并且采用快速安装定位系统，砂轮安装快速简便，生产效率比普通磨削提高6倍。因此快速点磨工艺能有效节省加工时间和能源动力的消耗，也大幅度降低了超硬磨料资源的消耗；
(2)由于采用CNC两坐标联动实现复杂回转体零件表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形的加工，有更大的柔性。它还可以对淬硬钢加工，使热处理后的工件车、磨工序合并，更进一步提高了加工效率和零件位置精度。由于加工工序的简化，减少了人力、物力及能源和资源的消耗，减少了加工成本，大幅度提高了制造工艺的绿色度；