高效率的强力成形磨削技术

图1 数控强力成形磨床布局结构示意图

高效、高精度、低成本

强力成形磨削技术从20世纪60年代后期开始被投入应用，是一项先进的工艺技术，它是在砂轮线速度保持常规磨削情况不变的情况下加大切深量、工作台作缓速运动、一次进给的磨削方法。至今，强力成形磨削技术日臻成熟与完善，已广泛应用于航天航空、汽车、机械等行业。

强力成形磨削机床的布局结构如图1所示，其加工工艺特点主要表现为：有较大的切削深度，砂轮一次切入量可达几毫米到十几毫米；其二，由于磨削切削深度大，磨削力和磨削热都很大，这样限制了工件的进给速度，一般纵向进给速度为30～250mm/min；其三，强迫冷却——因为磨削切削深度大，砂轮同时工作的磨粒多，每一个磨粒都是一个切削刃，由于切削长度长，屑成丝状金属，在撕裂变形过程中产生很大的热量，甚至可以将磨屑熔化形成焊珠并使零件表面烧伤，因此冷却液应必须以一定的压力和流量送入磨削区，起到强迫冷却作用，将砂轮所产生的的热量迅速带走，同时冲掉附着在砂轮表面上的一部分丝状磨屑。由此也可见强力成形磨削相对普通往复磨削的优点：生产效率高，平均是一般普通磨削的3～5倍；工件成形快，可以从毛坯直接加工到成品，不需要预加工，简化了工序，节省了工时，降低了成本；成形精度高，表面质量好；可以实现自动化磨削循环等。

自主研发

随着制造技术和控制技术的不断发展，国际上的强力成形磨削机床日新月异，产品具有越来越高的技术含量和性价比，在我国，以杭州机床集团公司的产品为代表的强力成形磨削机床也已打破了以往我国此类高端数控机床完全依赖进口的局面，极大地提高了我国制造业，尤其是航空航天和汽车制造业的装备水平。

目前，杭州机床集团公司的数控强力成形磨床已形成系列产品——台面宽度规格200～500mm，长度630～2500mm，其中以MKLD7140数控强力双磨头磨床和MKL7150×16/2七轴五联动的数控叶冠圆弧强力成形磨床最具代表性。

该系列机床采用T形高刚性结构布局，立柱中腰移动是专利技术(专利号：ZL03 2 30376.9)；主轴系统高刚性轴承采用热平衡技术和国内首创的气封技术，砂轮恒线速控制；X、Y、Z三轴结构工艺性先进，机床定位精度和重复定位精度高，执行德国VDI/DGQ3441技术标准；产品兼备多种修正技术，如金刚滚轮台式或在线连续修正、二轴联动笔形或盘形修正等；数控系统配置西门子802D/810D/840D系统不等，可实现自动磨削循环；冷却冲洗系统压力8bar(1bar=105Pa),流量132～367L/min；工作精度高，表面粗糙度Ra≤0.63μm，成形表面轮廓度&pulsmn;0.005mm。

图2 MKL7150×10数控强力成形磨床局部及其加工的汽车转向齿条零件 

图3 六工位液压夹具局部

汽车零件加工案例

MKLD7140数控强力双磨头磨床和MKL7150×16/2七轴五联动的数控叶冠圆弧强力成形磨床等磨床可用于加工飞机发动机叶片枞树根与锁片槽、汽轮机叶片榫齿、柴油机连杆结合齿、剪板机剪刃、刀具锯片齿等，在汽车制造业可用于转向齿条齿、摇臂扇形齿、齿条活塞中齿等多种零件的加工，以下简单举例说明。

汽车转向齿条齿

转向齿条的圆柱体一侧有宽度200mm左右的齿条，齿深5～10mm，国外先进的加工方法是采用强力成形磨削，与常规的铣削、插齿或拉削工艺方法相比，其明显的优点是刀具成本低，加工柔性好、效率高，零件表面质量好，加工精度高等。随着国内汽车与零部件制造业日趋国产化，零件加工品质的不断提高，强力成形磨削技术也日益被人们所推崇。湖北飞宁公司选用MKL7150×10数控强力成形磨床加工汽车转向齿条齿(图2)，采用台式金刚滚轮修正器，兼备台式金刚碟形应用Y、Z轴联动实现成形修正；采用六工位液压夹具(图3)，一次装夹6件；数控系统为西门子840D系统。在磨削过程中，除工件装卸外，均可数控执行自动完成加工，磨削工作循环是“粗磨－修正砂轮－精磨”，工艺上采用工件整体淬硬，垂直总进给量6.5mm，直接磨出成形齿，单件加工时间约4min。

汽车转向摇臂轴扇形齿

汽车转向摇臂轴扇形齿的齿部模数为8～10m，一般加工工艺是齿形滚削或插削后渗炭淬火，比较先进的工艺是淬火后采用成形磨齿以提高齿形精度和粗糙度并延长使用寿命。扇形齿的成形切削是根据直齿渐开线齿轮的啮合原理而成的，所以可以将工件摇臂轴一端安装在与数控分度头连接的液压卡盘上，另一端顶尖支承，使工件与成形砂轮之间做啮合摆动来进行磨削。砂轮的修正方式采用台式金刚石滚轮，滚轮齿形与扇形齿啮合相配，工步过程为“装工件－修正砂轮－磨齿形－卸工件”，之后进入下一个循环。在此加工过程中，齿部粗加工后留磨削余量单面0.2mm左右，单件加工工时约5min。

汽车转向齿条活塞中齿

汽车转向齿条活塞中齿的齿部是与摇臂轴扇形齿相啮合的，所以一般性工艺与摇臂轴扇形齿相同，但若要与磨齿工艺的扇形齿相啮合则必须使用数控强力成形磨床，主机规格可以与摇臂轴同型号MKL7132×6或MKL7140×10，配置四工位液压夹具，台式金刚滚轮砂轮修正器，滚轮齿与活塞中齿可啮合相配。工件齿部粗加工后单面留磨削余量0.2mm左右，砂轮修整成形，纵向进给200mm/min左右，一次磨削加工成形，工步过程为“装工件－修正砂轮－磨齿形－卸工件”，然后进入下一个循环，单件加工工时1min左右。

从以上的加工案例中，不难看出，强力成形磨削工艺的生产效率比普通往复磨削要高很多，而且工件不需预加工，不仅节省了工时，也降低了成本，是汽车零部件制造中非常值得推广应用的一种先进的工艺技术。 

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