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面临硬切削挑战的磨削加工的前景

  近年来,国外兴起一种称之为硬切削(Hard turning)的新工艺,对传统的磨削方法提出挑战并产生一定冲击,同时还引发了一场硬切削是否会取代磨削的争议。磨削加工的前景如何?下个世纪是否有新的发展?对我们生产磨床的厂家而言,对这一发展动向肯定是感兴趣的,因为它关系到我们今后的发展与生存。

  硬切削(Hard turning)的概念是什么?

  硬切削是指使用CBN实体刀具、CBN刀头或陶瓷刀具来加工淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬的工件。用硬切削这种新工艺可以切削淬硬钢、灰铸铁、球墨铸铁、粉末冶金和特殊材料。当然,也有一些材料如青铜等不适合采用硬切削。用硬切削可进行车削、表面加工、攻螺纹、铣削、开槽、靠模加工、车削锥面。据美国有关文章报导,硬切削使工件光洁度始终保持16μm。在正常条件下,光洁度能达到6~8μm。目前,硬切削这种新工艺正在许多工业部门采用,如汽车制造厂用这种方法对传动轴、各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工;飞机制造厂用这种方法制造副翼齿轮和起落架,从油田到钢厂到处可以看到硬切削方法的应用。机床、工具、重型卡车、农业机具、医用设备、罐头模具、汽车零件都把硬切削作为其生产过程的一个组成部份。

  采用硬切削工艺的优点:

  1.硬切削成本低廉,一般仅为磨削的四分之一;

  2.用硬切削不需用专用刀具、专用机械和夹具,而磨削则要求使用磨床,硬切削则可在现有的NC或CNC车削中心上进行;

  3.生产率高,因为CBN刀具的切削速度可高达274m/min以上,使生产率大大提高,节省了大量时间。

  由于CBN刀具的成本近年来已大大降低,从而为硬切削的推广应用创造了条件。成本不仅指刀具成本,而是每只零件的制造成本,以较长的刀具寿命和每个切削刀头的低成本,CBN为硬加工提供了一条最经济的途径。如美国有一家公司以前用粗磨来加工一种硬质齿轮的端面,后改用硬切削作为粗加工,再进行精磨,成本减少40%。如果把粗磨和精磨都改为硬切削,那么加工时间、夹具成本、刀具成本以及能耗都可下降,而生产率却可提高,并使每只零件的成本下降55%。美国另一家生产压力环的工厂,原工艺都是磨削,包括内圆磨削、端面磨削、外圆磨削和球面磨削四道工序,改用硬切削后,只用VNMA332和CNMA432两把刀具,使加工速度提高10倍。

  此外,在废物处理和环保方面,硬切削优于磨削。磨削会产生磨屑和冷却液的混合物,这是不能再利用的废物,会污染环境。硬切削产生的废屑则可再利用,这对重视环境保护的今天来讲特别重要。

  近年来,工厂的空间备受重视,与CBN刀具相比,砂轮比较大而且笨重,因此难以贮存。CBN刀具很小,而且不必再增加新机床就可用于硬切削,从而节省了工厂的空间。

  硬切削的迅速发展是建立在过去几年CBN刀具技术进步的基础上,90年代初只能在少数几种CBN刀具中选择用于硬切削。目前,用户的选择多了10倍。再者,速度也大大提高,90年代初对铸铁的最大切削速度约为152m/min,现在最高切削速度达1524m/min,大多数连续的硬质钢切削速度在90~150m/min,进给量0.05~0.2mm/r,切削深度达到0.1~0.5mm。CBN的适用性扩大,过去不能用于脆性工件,现在对硬度不一的工件都能进行加工。

  鉴于硬切削有上述许多优点,国外有关专家认为这项新技术代表了今天,也预示着明天。有的还发出了“你为何还采用磨削”的问题。

  但是,高速机械加工和硬切削真的会取代磨削吗?

  磨削专家认为不会,因为磨床具有自身的一些优势,磨削精度较高,对公差要求较严的加工非磨削莫属。磨削时可以加上在线测量,在加工时间可闭合循环,这种方法在其它机床上难以实现。而最重要的一点,近几年新材料层出不穷。替代了许多传统的材料。实践证明,磨削是加工这类新型材料的好方法。因此,今后磨削加工仍是不可缺少的。诚然,对一般材料而言,磨削可能会遇到铣削、铰削、车削等方法强有力的竞争。但对诸如陶瓷、金属陶瓷复合材料、晶须加强材料以及高温超级合金之类的新一代材料而言,硬切削决不是磨削的对手,而且必须用磨削进行加工。例如,磨削是加工在喷气飞机发动机中使用的超级合金工件的唯一方法,也是加工用陶瓷合金、陶瓷和玻璃制成的汽车和光学元件的唯一方法。新型材料一般都具有硬脆、耐磨、耐热等特点,聚合型材料都是晶须加强材料,对这些材料来讲,磨削是绝对需要的加工手段。对耐热和耐磨损的陶瓷涂料而言,面临更为复杂的问题,即要同时磨削陶瓷和金属。

  随着生产发展和技术进步,对磨床提出了许多新的要求,如美国磨削协会提出如下要求:

  主轴转速要达到25000r/min,可以9144m/min(152.4m/s)甚至更高的速度进行磨削;磨头主轴设计刚性好,机床体积较小,轻便,加工区体积328cm2,可加工各种形状的工件,范围广的和精密控制的拖板定位系统,采用模块化设计和较多的标准件,与CNC相连的修整系统,可跟踪砂轮尺寸,修整器位置以及砂轮对工件的位置;具有能监控机床状态,机床动平衡、主轴和电动机状态以及砂轮状态的传感器,监控修整时金刚石与CBN砂轮间的接触,监督CBN砂轮与工件之间的接触,以提高效率。该协会还希望具有对小工件进行缓进给成形磨削的能力,希望用平面磨床替代平面铣床。 该协会还对21世纪的磨削提出展望,21世纪的磨床将采用磁性悬浮主轴,在15kW功率范围内,转速达到40000r/min,而占地面积很小,水基静压轴承可以使用水基切削液,能进行连续修整的高感应大气孔陶瓷结合剂砂轮,用于加工陶瓷的金属结合剂金刚砂轮可进行电解修整。一些公司对高速磨削作了许多试验,目前CBN砂轮的线速已达150~250m/s,并以声速作了试验,下个世纪,高速磨削将更广泛地得到应用。CNC控制将更完善,比如能处理在缓进给磨削陶瓷时的摆线磨削,恒定的常用进给量磨削使砂轮最优化,能减少磨削时间的切入式和纵向进给磨削,在平面磨床上作外圆磨削,以及一个坐标轴或几个坐标轴的进给量补偿,以便使磨削循环最佳化。


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