先进磨削技术的应用

发布日期：2011-11-25 兰生客服中心浏览：2868

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当我从Curt Reed公司的车间内走过时，我清楚地看到，这家专门从事磨削加工的企业，其一切目标均从长远的利益考虑。其整洁干净的3000ft2(1ft2=0.093m2)厂房坐落在Connecticut州的Wallingford地区，车间内安装了两台来自Studer公司的万能CNC数控磨床和一台Zeiss公司的CMM坐标测量机，总价值约为125万美元。这些先进的设备让Reed先生能够充分地展示他的才能和发挥外圆磨床的作用，为国防、航天、汽车及模具加工行业提供广泛的服务。一家小型企业在资本设备方面作出这样的投资，说明其对前景充满信心，对客户保证履行诺言。Reed先生的客户们宁愿将其看作是提供精密磨削服务的长期合作伙伴，而不是作为一个权宜之计的临时供货商，这一点对他来说是非常重要的。

图1 这家加工车间采用最新一代的万能CNC数控磨床，专门为国防、航天和汽车行业提供高精度外圆磨削和成形磨削加工服务

图2 这台磨床上的B轴砂轮加工磨头有30种不同的配置形式。在这个车间内的S40型磨床配有两个并列的砂轮，除了外圆磨削用砂轮以外，还留有一个可安装互换高速主轴的位置，用于磨削加工凸轮一类的内圆和外圆形状

Reed先生于2000年创建了Precision Grinding Solutions公司。此前，他曾经在一家大型消费品制造厂的工具车间工作了15年。他在那里获得了使用Studer S40型万能CNC数控磨床的丰富经验和使用CBN砂轮的高精度工具的磨削技术。最初，他建立的Precision Grinding Solutions公司主要为United Grinding Technologies’(UGT联合磨削技术)Studer集团公司提供应用工程服务。有了UGT集团公司作为其早期的主要客户以后，他才有机会进一步涉及到Studer公司的磨削技术，从而遇到了各种类型的客户，其中有一部分最终成为Reed先生的核心客户。这才使Reed先生抓住机会于2004年开始提供他自己的磨削加工服务。

在这些早先的客户中，其中有一家在磨削加工坦克发动机高压透平密封的过程中碰到了困难。Reed先生因为使用另一家车间的S40型磨床而获得的经验，证明他可以承接该公司这个零件的磨削加工，于是他在自己建立的业务中，赢得了这笔生意。

Precision Grinding Solutions公司专门从事成形磨削加工、轮廓磨削加工和外圆磨削加工等业务。该加工车间主要为一级供货商和二级供货商提供磨削服务，因为他们经常需要磨削加工很多由超级合金材料、不锈钢、碳化物和陶瓷等材料制成的复杂零件或表面采用硬质处理的等离子喷涂零件。

安全的加工车间

Reed先生的加工车间特别适合于高精度磨削加工。该车间以前是一个从事印刷业务的工作车间，对温度非常敏感，需要对环境温度进行精密的控制。其制冷能力为5t的Leibert气候控制系统可以使温度控制在±1oF范围之内，而且还可以使室内保持适当的湿度。

该车间第一台购置的设备是Studer S40型万能外圆磨床。该磨床上配有C轴加工头，用于高速成形磨削加工；还配有一个B轴砂轮磨头、旋转式砂轮修整器、二氧化碳自动灭火器和HEPA油雾过滤收集装置。Studer设备由美国UGT联合磨削技术集团公司提供，该公司坐落在Ohio州的Miamisburg市。随着其业务的发展，该车间又添置了一台Studer S31型万能CNC磨床，它的中心线要比S40型磨床短一些。

在这些机床上使用的B轴砂轮磨头，可达到0.0001o的分辨率，能够配置30种不同的内圆磨和外圆磨砂轮。Reed先生车间内的S40型磨床，在其砂轮磨头的一侧装有两个并列的外圆磨砂轮。这两个砂轮的直径分别为400mm和500mm，可以在平直或以角度接近的位置上使用。砂轮磨头的另一侧留有安装Fisher主轴的位置，主轴的转速范围为12 000~120 000r/min，用于磨削加工零件的内圆。S31型磨床在砂轮磨头的两侧分别装有两个直径为500mm的砂轮，并留有一个安装内圆磨主轴的位置，用于磨削加工内圆的主轴也可用于磨削加工不圆的表面或者在零件的外围磨削凸轮的轮廓。

Reed先生说：“他使用矿物油作为冷却介质，代替水溶液，因为矿物油对磨削加工具有很好的性能和优点，有助于磨床保持清洁。每台磨床上都装有专用冷却液过滤和冷却装置，该装置由Transor Filter USA公司提供。其中一个冷却过滤装置的容量为1000L；另一个冷却过滤装置的容量为1200L。这些装置的尺寸适合于这类大型磨床的操作特性，因为它们要求提供较大容量的冷却液。根据记录数据，至今为止，这台S40型磨床上的Trasfor冷却过滤装置已经工作了11000h，系统中使用的矿物油还从未更换过。在冷却液通过1μm的过滤系统前，该装置中的磁性分离器可以清除冷却液中的一部分污染物。由这两个过滤冷却系统产生的热量，通过工厂屋顶的天花板排放到室外，以免使车间内的环境温度提高。”

Reed先生补充说，“对于工件的精密磨削加工而言，矿物油的冷却与其过滤同样重要。Transor冷却过滤装置将20oC的冷却液输送到磨床上，以冷却机床的基座和工件。如果不能将零件保持在同一温度的情况下磨削加工，那么要磨削阀门零件，并使其圆柱度保持在1μm的水平是不可能的。”

就Reed先生的加工车间而言，不管在什么时候使用矿物油作为磨削加工的冷却液，机床都必须配置自动灭火系统。他曾经看到过一些较大的生产厂忽略了这个重要的安全问题，因为他们只将注意力集中到初期的成本费用与潜在的利润上。Reed先生确信，因添置这样的防火系统而增加成本是值得的，即使这一系统只使用一次。事实上，该系统曾经使用过一次，不但拯救了他的S40型磨床，而且也挽救了他的工厂。在调试设置过程中，因为一个软件问题，导致砂轮与砂轮修整器碰撞，碰坏了砂轮修整器，并且引起了一个火花。如果没有安装这一灭火系统的话，整个工厂将付之一炬。但这一次故障只造成机床中的一些熔断丝熔化烧毁。

图3 Precision Grinding Solutions公司的S40型万能CNC数控磨床经过改造以后，可允许其C轴和Z轴同时运动，磨削加工图中所示的凸轮正弦波轮廓外形。磨床的高速磨削主轴是固定的，而其砂轮磨头则在Z轴方向上振荡，并使凸轮按顺时针方向缓慢旋转

外来加工件

Reed先生对自由形状的凸轮外形磨削加工已达到了纯熟的地步。凸轮外形的成形磨削加工常常是这样进行的：首先让工件在C轴方向上作旋转运动，同时让砂轮在X轴方向上作振荡运动。Reed先生车间内的S40型磨床已经过改造，可利用其C轴和Z轴方向上的同时运动进行成形磨削加工。也可以使用一种特殊的StuderForm脱机编程软件包进行操作。之所以改造这台磨床，是因为该车间承接了一个直径350mm正向凸轮的外协件磨削加工。其圆形凸轮的外形很像一个正弦波。

通常，该车间磨削加工轴承零件。在采访期间，该车间正在磨削加工摄像系统精密聚焦组件中使用的轴承配件，而这个摄像系统用于军用直升机的武器点火导航系统。该车间磨削加工轴承的滚道、内透镜座的表面、配件的内圆和外圆。然后将零件进行电镀，镀上一层氮化铬，使其表面硬度增加到86HRC。该车间曾碰到过这样的问题：有时候，在电镀过程中产生的热量会使零件变形，这必然会导致价格昂贵的零件报废。然而Reed先生发现了一种方法，采用超级磨料制成的砂轮可以磨削加工坚硬的镀层，使变形的零件恢复到原来的形状。至今，该加工车间已经为其客户节约了40套零件。

高端检验能力

几乎所有磨削加工后的工件都采用由Zeiss公司提供的Accura CMM坐标测量机检测。在某些情况下，该加工车间比客户具有更为精确的测量能力。在拥有这样高精度测量仪器的条件下，加工车间与客户之间对磨削加工的有关精度问题，就再也不会发生互相指责的现象。事实上，在零件组装过程中，有些客户还使用这些测量数据。举例来说，有一家客户采用了干涉配合法组装这些零件。为了达到完美的配合，凡是发送到客户的配件，采用激光刻制ID识别号，这样可使配件按照每个测量数据配对组装。

除了CMM坐标测量机的螺旋式扫描和切向接近功能之外，Reed先生非常赞赏其Calypso软件的友好用户接口。工件夹具往往安装在CMM测量机工作台之上，以满足目前生产的需要。他可以很容易地采用这种方法安装零件，并快速地调取适当的检测用程序。所有的测量数据集中储存在PDF文件之中，每天将这些文件刻录到CD光盘上。然后将CD光盘储藏到车间外的保险库内。

Reed先生还利用这种高端检测设备承包外协测量任务，以帮助更快速地回收CMM坐标测量机的投资。他承认要安排时间承接外协测量的任务越来越困难，因为车间一直很忙碌。

图4 上图所示为这个车间的CMM坐标测量机，它现正在检测一个涡轮轴。这是一台符合标准的测量机，有时候超过其客户的测量功能。该车间甚至还承包外协工件的测量任务，以帮助更快地回收CMM坐标测量机的投资

风险和挑战

使Reed先生感到紧张的部分原因是由于其接到了特别棘手的加工任务。但只要零件适合于机床的加工，他就会很少会拒绝这样的加工任务。他承认只见到过一次的零件，要正确地确定其加工价格可能是非常困难的。然而，他会作出这样的假设：他以后还会看到这样的工作，并知道他将会找到一种更有效的操作方法，也许会在这样的工作中赚取更多金钱。即使不会重复出现这样的工作，但是在加工这类零件中所获得的知识，也可以完全应用于同一类型的加工工作中。

然而，在筹划如何磨削加工复杂零件时，其所面临的挑战是难以找到能够承担这类工作的技术人员。最近，在第一班工作时，由Reed先生本人操作运行机床；第二班工作时，由另一名雇员负责机床的操作。由于其在车间中有很多工作，因此很难安排时间和培训新的雇员。这是在美国的许多小型加工车间里所碰到的共同问题。

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