• 高速陶瓷砂輪的發展動態與研發
    2018-06-02

    報告人:山東雙立磨具有限公司總經理 劉方貴?

    一、概要:

    一直以來,磨削都在朝著“超精密,高效率”的方向發展。隨著中國汽車工業,風電工業,軸承工業的發展,各大廠商對磨削效率、精度以及加工成本提出了更高的要求?;诖?,普通固結磨具產品的磨削速度在不斷攀升,目前在一些汽車蝸桿齒輪,內圓磨削等等領域,63m/s的磨削速度已經逐漸被引入到批量生產,80m/s的更高磨削速度的固結產品也暫露頭角,高速磨具產品將為這些領域的磨削帶來新的革命。
    高速陶瓷砂輪能否被超硬砂輪全部替代?目前在汽車發動機的曲軸,凸輪軸磨削,磨具產品正逐漸從普通固結磨具往超硬磨具方向發展。但由于超硬磨具存在一些局限,超硬磨具對于機床的主軸轉速和剛性有嚴格的要求,并非所有磨床都能轉換。CBN砂輪的冷卻液不能用普通的冷卻液,CBN砂輪的修整需要特制的金剛滾輪來完成等等。所以普通砂輪在當今的金屬加工領域的位置仍然不可替代,因而對普通固結磨具產品的高速研究也一直吸引著業界的注意。

    二.高速磨削的研究進程及市場分析

    高速磨削的歷史較長,早在上個世紀四十年代,國外就開始試驗高速磨削工藝,美國諾頓砂輪制造公司60年代就制造出砂輪線速度超60m/s的高速砂輪,到70年代逐步提高到90m/s,80年代末已制造出最高線速度為120m/s的高速磨床。日本在上世紀60年代末首先在汽車和軸承行業采用高速磨床,到70年代中期已生產和應用線速度達80m/s的高速磨床。目前,發達國家磨床砂輪的線速度普遍采用60m/s以上的高速,最高的甚至達到250m/s。德國的高速磨床發展同樣迅速,該國的ELB、BLOHM公司等廠家均大力發展高速磨床,產品已比較成熟。德國阿亨大學對高速磨削有系統、深入的研究,最高的線速度達到500m/s的超高水平??傮w說來,這些工業發達國家通用磨床上都普遍采用了60m/s的高速砂輪,并積極研究和推廣線速度超高的高速磨削。

    中國的高速磨削起步不算太晚,上世紀70年代初已開始研制高速磨床,但成果較小。

    ?1974年磨床行業召開了一次全國高速磨削會議,會議決定在全國逐步推廣高速磨床并由磨床生產廠聯合設計高速磨床。

    ?1976年,磨床行業有關廠家在杭州機床廠集中進行聯合設計,設計出好幾款產品,線速度達到60m/s。

    ?1992年,貴州遵義長征第八電器廠因需要加工一種高初磁導率玻莫合金(IJ 50)的材料,要求杭機提供一臺高速磨床。于是,在MM7132A精密平磨的基礎上為該單位改裝了1臺高速平磨,砂輪線速度達到60m/s以上,使用情況較好,獲得了較好的經濟效益。

    ?2005年,高速磨床的生產逐步由改裝的專機產品轉為正規產品,定型號為MMS7132。

    2002年左右曾設計并試驗成功HZ-74/1和MKS7130兩臺超高速平磨,這兩臺機床是杭機與湖南大學合作的性質開發的,砂輪最高線速度前者為120m/s,后者更高達314m/s。湖南大學做超高速磨削的試驗時,達到了比較理想的磨削效果。這是中國在超高速磨削領域取得的最好成績,說明我們在此領域也是可以有所作為的。

    2012年國家重大專項課題之一高速微晶陶瓷磨料蝸桿砂輪由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司、白鴿磨料磨具有限公司、秦川機床工具集團股份公司聯合研發。

    國內高速磨床的產量很少,應用不普及,到目前為止,磨床行業只有MMS7132A一種型號和規格,最高線速度60m/s。該機床是在MM7132A精密平磨基礎上改制,加大磨頭電機的功率,采用變頻裝置提高轉速。加厚了砂輪防護罩殼,并提高了工作臺的往復速度(35m/min),加大了冷卻液流量。砂輪選用高速砂輪。

    近幾年進口國外高速磨床卻非常多,甚至出現了刮齒機。這部分配套砂輪全部依靠進口。高速磨床進口已超過300--400臺。進口磨床廠家市場見到的有:瑞士萊斯豪爾公司(Reishauer)、瑞士Reishauer、公司瑞士Oerlilion-Maag公司、意大利Samputensili公司、德國Kapp公司、日本唐津公司、德國Niles公司;進口砂輪廠家不斷增加,高端砂輪生產廠家無一例外進入中國市場,并新建了多家工廠。國內制作廠家秦川機床廠、 重慶機床廠、上海機床廠等。

    三、磨削的分類

    根據砂輪線速度磨削可以分為:

    普通磨削(V≤45米/秒)

    高速磨削(45米/秒≤V≤150米/秒)

    超高速磨削(V≥150米/秒)

    其他分類本文不再贅述。

    四、高速磨削的優勢分析:

    高速同普通速度相比較有以下特點:

    1.可以提高生產效率1-3倍; 可以大大提高磨削效率。

    2.工件的表面粗糙度參數值降低30-50%;提高加工工件的表面質量

    3.砂輪的壽命提高1倍左右; 提高砂輪的耐用度。

    4.磨削力下降40%左右,加工的精度相應也提高 ?

    進行高速磨削的必要性

    材料去除率即Q'w反映的是砂輪的磨削效率

    Q'w = π*Dw*Vp [mm3/s/mm]

    其中:Dw [mm]-工件直徑, Vp [mm/s]-磨削進給速度

    Q'w與砂輪的磨削進給速度成正比,即通過加大進給速度來提高磨削效率。但是,加大進給速度會導致切屑厚度增大、粗糙度變差、磨削負載和磨削溫度上升,以及工件變形等不良后果。

    磨屑厚度與砂輪的線速度成反比,與進給速度(切深)成正比。提高砂輪的磨削線速度,單位時間內參與磨削的磨粒數量顯著增加,磨屑厚度變小,由此產生的磨削力也必將大大降低,工件變形減少,精度提高,工件的表面粗糙度得到改善。由此可見,進行超高速磨削,可以:

    1).大幅度提高磨削效率,減少設備數量;

    2).減少工件變形,提高零件加工精度;

    3).改善加工工件表面質量;

    4).砂輪的使用壽命延長。

    五、使用高速砂輪進行高速磨削的關鍵技術

    高速主軸

    1).高速磨削由于回轉速度極高,要求砂輪主軸及主軸電機系統運行極其精確,回轉精度高;

    2).無論是工件夾持系統還是砂輪主軸系統,整個磨削系統都需要很好的剛性;

    3).高速磨削時,砂輪啟動、加速、減速、停止等速度的改變對電機主軸影響巨大,因此,主軸需要足夠大功率和扭矩

    冷卻系統

    高速磨削會產生很高的磨削熱,工件的表面質量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削產生的熱量影響。因此冷卻液的流量需要足夠大,同時流速盡可能與砂輪的速度和方向保持一致,以保證充分的冷卻;冷卻系統同時還需要很高的壓力,通常需要配置高壓沖洗噴嘴,以防止砂輪表面被切屑堵塞,造成砂輪負載過大。

    六、高速固結磨具砂輪的關鍵技術

    高速固結砂輪要考慮砂輪的回轉速度和爆裂速度,以及適合高速磨削的陶瓷結合劑系統,該結合劑系統必須能夠提供優異的散熱性和必要的形狀保持性。

    砂輪回轉速度和爆裂速度

    1).最高工作速度Vmax(MOS):由生產廠商提供,并約定使用方在使用砂輪時不能超過最高工作速度。

    2.最高回轉速度Vpr:砂輪出廠之前,以高于砂輪的最高工作速度進行回轉測試,確保砂輪在回轉速度下不會爆裂(Vpr = 1.3*Vmax)

    3).爆裂速度Vbr:砂輪的極限速度。(Vbr = 1.73*Vmax)。

    適合高速磨削的陶瓷結合劑系統

    磨削過程中需要砂輪提供優異的散熱性,從而有效提高工件表面質量,更有效地降低燒傷、殘余應力、擁有更高的磨削效率、更有效地提高冷卻液的流動性,從而達到散熱和減少砂輪表面堵塞的目的等。

    七、 高速砂輪的研發思路?

    1)磨料處理。可以對磨料表面進行處理,以提高與結合劑的聯接強度,提高磨料表面潔凈度。新型磨料的推廣和使用。

    2)結合劑。這是開發高速砂輪核心中的核心。具體包括提高結合劑的粘結強度,提高結合劑的包覆性。 新材料的利用,特別是陶瓷行業的新材料,跨界嫁接。

    3)結構設計。不同產品采取不同的結構設計方式。

    4)砂輪工藝技術的變革。雙立磨具目前的工藝技術可以平衡嚴于國標80% 。

    5)跨行業嫁接。陶瓷行業材料和工藝等。陶瓷行業造粒成型、低溫快燒、毛胚增強劑等都有很大的借鑒意義。

    總之,高速、高效、高精密磨削是今后磨削加工的熱點,它可以大幅度提高磨削效率,減少工件變形,提高工件加工精度和表面質量,同時減少修整,延長砂輪的使用壽命。將為磨削帶來二次革命。同時國內高速磨床的制造和應用有了一定的發展,進口高速磨床快速增多,高端、高速砂輪進口量不斷增加,外來建廠企業快速增加,讓我們磨料磨具企業在行業協會、磨料磨具專家委員會的帶領下攜手合作,為民族企業發展貢獻力量。

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