類似車削加工的磨削加工

Complete Grinding Solutions公司使用由Studer公司生產(chǎn)的S41萬能磨床，對采用堅硬材料制成的部件進(jìn)行高速剝皮磨削加工

采用數(shù)控銑床的高速機(jī)械加工是指：切削工具在較高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行快速的淺切削，以實現(xiàn)較高的材料去除率(高于采用粗加工操作時的材料去除率)。同樣地，采用剝皮磨削是為了在需要進(jìn)行外徑磨削的圓筒形零件上實現(xiàn)較高的材料去除率。然而，這種高速磨削工藝與類似的銑削存在一定的差異，即該操作不僅具有較高的磨輪速度，而且它所進(jìn)行的都是相對較深的軋制。它之所以能夠?qū)崿F(xiàn)此類加工，是因為所用的砂輪極薄，并且施加于工件上的磨削力極小，這與切入式磨削(采用更寬的砂輪)形成了鮮明對比，尤其是前者的磨輪周速可達(dá)到80～180?m/s(在一般的外圓磨削加工中，周速通常為40～50?m/s)。

事實上，剝皮磨削類似于在車床上進(jìn)行的單刃車削，這是因為：與車床工具的磨輪類似，在剝皮磨削工藝中使用的磨輪是在X和Z軸上進(jìn)行移動，從而在工件上磨削出輪廓線、各種直徑尺寸和其他特性。當(dāng)配合使用了適當(dāng)?shù)哪ポ喖夹g(shù)，并輸送了高壓純礦物油冷卻液后，高速磨輪能夠在堅硬的材料(諸如碳化物、陶瓷、多晶金剛石，甚至是玻璃)上實現(xiàn)較高的材料去除率。

近期，本刊記者拜訪了該磨削工廠的一家新機(jī)構(gòu)，并獲知Complete Grinding Solutions公司通過采用高速剝皮磨削工藝，使旗下數(shù)臺已經(jīng)足夠靈活的萬能數(shù)控磨床更加靈活實用。

剝皮磨削工藝的吸引力

Complete Grinding Solutions公司總裁Beat Maurer與合作伙伴兼副總裁Raphael Obrecht于2005年共同創(chuàng)立了該公司。在此之前，Maurer在瑞士的一家磨床原始設(shè)備制造商——Studer公司效力了25年，從最初的學(xué)徒逐漸積累經(jīng)驗，并最終在磨削技術(shù)專業(yè)取得了工程學(xué)位。隨后，他搬去了美國，并在那兒繼續(xù)為該公司效力了16年，直到與Obrecht(先前也在Studer公司工作過)共同創(chuàng)立了Complete Grinding Solutions公司。

2013年，該公司從原先位于Springboro的辦公地點(diǎn)搬遷到了附近的一個占地面積為9600?ft2(1?ft2=0.093?m2)的地方，并且此處具有溫控措施。該工廠有七臺產(chǎn)自Studer公司的磨床(以聯(lián)合磨削集團(tuán)為代表，該集團(tuán)位于美國Miamisburg)，可以進(jìn)行內(nèi)徑/外徑磨削、復(fù)雜形狀的內(nèi)部磨削、螺紋磨削和非圓磨削。由于這是一個加工工廠，因此該公司為各個行業(yè)的客戶提供廣泛的小批量磨削加工，包括航空航天、汽車、計算機(jī)、醫(yī)療、石油/采礦、注塑成型、可再生能源、以及工具和模具行業(yè)等。

這家工廠有12名員工，主營高難度的、要求精密公差的磨削加工(它同時還提供咨詢和產(chǎn)品開發(fā)服務(wù))。舉例來說，它能夠?qū)罄m(xù)市場中的柴油噴射器嘴進(jìn)行內(nèi)徑磨削加工，使它的同心度達(dá)到±20 μinch。按照Maurer的說法，這一公差通常僅能通過珩磨加工來實現(xiàn)。此外，Complete Grinding Solutions公司還專門研究了對特殊材料的磨削加工，而這主要得益于其所采用的剝皮磨削工藝。其中一個例子便是公司為磨削工具的原始設(shè)備制造商，制造了用于內(nèi)徑磨削工具的定制碳化物刀桿。Maurer指出，碳化物的硬度要比硬化鋼高出大約10倍之多，這就使得該種材料更適用于這種類型的磨削工具——因為它無需傾斜刀桿便可實現(xiàn)快速的進(jìn)給率。此外，由于碳化物具有較強(qiáng)的耐磨損性，因此也延長了工具的使用壽命。對碳化物刀桿的外徑進(jìn)行的剝皮磨削加工只需花費(fèi)幾分鐘的時間，相比之下，使用傳統(tǒng)的低速磨削加工則需要花費(fèi)大約20?min的時間。

Complete Grinding Solutions公司通常使用帶有內(nèi)部冷卻液輸送功能的CVD金剛石修整板

工廠采用了Studer公司生產(chǎn)的S41萬能立式磨床來進(jìn)行高速剝皮磨削加工。Maurer表示，該磨床能夠進(jìn)行一系列加工操作，包括內(nèi)徑/外徑磨削、凸輪磨削、螺紋磨削和非圓螺紋磨削。它同時還具有足夠的硬度和一些設(shè)計要素，使得它更適合進(jìn)行高速的剝皮磨削加工。此類要素包括一臺Granitan S103礦物鑄造機(jī)床——與傳統(tǒng)的鑄鐵機(jī)床相比，該機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)更充分的減振，并且具有更穩(wěn)定的熱工特性。

此外，S41的StuderGuide導(dǎo)軌系統(tǒng)還具有由灰口鑄鐵制成的縱向和橫向滑板，并且此類滑板是直接在機(jī)床底座中塑模成型的。它們的磨光面比較獨(dú)特，采用了耐磨的Granitan S200材料，使其具有較高的負(fù)載能力，以及更強(qiáng)的減振性能。導(dǎo)軌由直線電動機(jī)供電，此類電動機(jī)具有直接測量系統(tǒng)，精度為10?nm。Maurer說：“當(dāng)設(shè)置該機(jī)床進(jìn)行剝皮磨削加工后，它能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)50?mm3/s的材料去除率，而與之相比，傳統(tǒng)的低速外圓磨削工藝通常僅能實現(xiàn)2.5～5?mm3/s的材料去除率。”

與切入式磨削不同的是，剝皮磨削通常具有一個較寬的異形砂輪。正如車削使用的是單刃工具一樣，剝皮磨削使用了一個薄片砂輪在X和Z軸上移動，來實現(xiàn)對零件輪廓的充分磨削。因此，單個砂輪能夠磨削出各種尺寸、輪廓線和其他特性。對該工藝的編程也不再令人為難了。Maurer指出，在該機(jī)床上能夠?qū)镜妮喞獙崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)編程，并且可以使用StuderWin Contour軟件來對更復(fù)雜的幾何體進(jìn)行編程。

Complete Grinding Solutions公司采用了金屬結(jié)合劑砂輪（寬度為5 mm，直徑為400 mm）進(jìn)行高速剝皮磨削加工

在大部分情況下，都不會在粗軋制后進(jìn)行精軋制。通常，一次強(qiáng)力磨削都會去除所有必需去除的材料，然后實現(xiàn)高質(zhì)量的表面修整。通過觀察圖2的砂輪輪廓，便可得出結(jié)論，這些砂輪的寬度為5?mm，直徑為400?mm。砂輪面具有一個10°的導(dǎo)程角，在這里進(jìn)行粗加工/材料去除操作，隨后形成平坦曲線，制造出一個高質(zhì)量的磨光面。因此，砂輪的一次軋制可同時實現(xiàn)粗磨削和精磨削。大部分砂輪磨損發(fā)生在兩個區(qū)域的過渡交角，這說明無論是對淺磨削軋制或深磨削軋制而言，磨損率都是相同的。工廠主要采用的是產(chǎn)自Tesch公司的金屬結(jié)合劑砂輪。

由于接觸面積較小，故切向和法向磨削力也都較小。此外，當(dāng)砂輪速度增加時，這兩種磨削力會以指數(shù)方式減小。舉例來說，當(dāng)砂輪的周速為35?m/s，且Tesch材料去除率為1.0?mm3/mm時，切向力為1?N/mm。而當(dāng)砂輪速度為100?mm3/mm，且材料去除率維持不變時，切向力僅為0.2?N/mm。

較小的磨削力意味著在剝皮磨削加工中，對較長的、直徑相對較小的工件而言，無需采用固定中心架來提供額外的支撐。此外，在剝皮磨削加工中產(chǎn)生的熱量也隨著切屑散發(fā)掉了，這樣就能防止工件發(fā)生燃燒，同時也有助于增加磨削速度。

高壓油冷卻液的輸送能夠確保將油運(yùn)輸至工件和快速轉(zhuǎn)輪之間的接觸區(qū)域，為此處提供充分的潤滑

Maurer說，剝皮磨削加工減小了磨削力度，這就意味著砂輪無需頻繁進(jìn)行修整。通常，用于對碳化物進(jìn)行剝皮磨削加工的砂輪，需要在加工了500～1000個零件后，進(jìn)行修整。這是個好消息，因為即使是采用了S41的碳化硅旋轉(zhuǎn)修整盤的結(jié)合劑砂輪，對其進(jìn)行的修整操作也會花上一天時間。

也就是說，選擇并輸送適當(dāng)?shù)睦鋮s液，對實現(xiàn)高效的高速剝皮磨削來說，也是十分重要的。Complete Grinding Solutions公司使用純礦物油作為冷卻液。Maurer指出，有必要采用這種方式對磨輪的切削刃提供充足的潤滑，因為油/水乳膠無法提供這種潤滑作用。此外，需要在高壓狀態(tài)下輸送冷卻液，以用于剝皮磨削。只有這樣，才能確保冷卻液能夠到達(dá)砂輪和工件之間的接觸區(qū)域。盡管配備了傳統(tǒng)低壓系統(tǒng)的磨床或許能夠提供5?bar(72.5?psi)的壓力，并且具有100?gal的儲罐，但與之相比，S41則提供了50?bar(725?psi)的壓力和500?gal的儲罐，用于進(jìn)行高速剝皮磨削加工。

S41上還設(shè)置了一個冷卻裝置，以保持冷卻液處于低溫狀態(tài)，另外還配備了冷卻液過濾系統(tǒng)和油霧過濾系統(tǒng)來收集油霧，使機(jī)構(gòu)保持安全和清潔狀態(tài)

由于采用了純礦物油作為冷卻液，因此S41磨床配備了一個完整的火災(zāi)探測和滅火系統(tǒng)。當(dāng)將要發(fā)生火災(zāi)時，機(jī)床內(nèi)部布設(shè)的橡膠管將會發(fā)生破裂，并觸發(fā)一個閥門，通過工作區(qū)域內(nèi)的多個擴(kuò)散式噴嘴將大量CO2釋放出來，從而實現(xiàn)滅火。

小工廠 大技術(shù)

Maurer說，很少能見到像Complete Grinding Solutions公司這種規(guī)模的工廠，采用這種類型的高速剝皮磨削工藝。他承認(rèn)這是一項重大投資，但同時也肯定了這項投資的正確性，因為它為公司帶來了競爭優(yōu)勢，使得工廠能夠進(jìn)行復(fù)雜的加工操作，而這是其他工廠所不能匹敵的。該工廠的故事正如本雜志中所描繪的其他故事一樣：它下定決心采用了先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)和工藝，來進(jìn)行各種具有挑戰(zhàn)性的工作，并最終在同行業(yè)之中脫穎而出。