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摘要:砂带磨削作为一门新技术,因其加工效率高,应用范围广,适应性强,使用成本低,操作安全方便等特点,而广受青睐。在国外已得到广泛应用,发展非常迅速,与传统的车削、铣削、砂轮磨削产生了激烈竞争。砂带磨削的生产率比铣削高10倍,比砂轮磨削高4-10倍。砂带磨削日益广泛地应用于工程机械行业,特别适用于加工大型薄板、带材、长径比很大的薄壁孔和外圆。目前砂带磨削技术正随着砂带制造质量的提高和品种的发展而不断地发展。为此,本文介绍砂带磨削技术的概况及其特点,论述砂带磨削技术的发展趋势。
关键词:砂带磨削 工艺 技术 发展
在工程机械行业中,一些要求较高的长轴类零件传统的加工工艺一般为粗车一精车一粗磨一精磨几道工序,零件加工表面的精加工主要依靠在外圆磨床上用砂轮磨削来实现。而对于一些长径比很大的细长杆件,如各类液压缸的活塞杆,采用普通砂轮磨削就会受到加工范围的限制,砂带磨削正以其显著的优势而崭露头脚。
砂带磨削工艺,就是将环形砂带套在接触轮和张紧轮的外圆上,在张紧的状态下,使高速旋转的砂带表面与工件的加工表面相接触,并在一定的压力作用下,以产生的相对摩擦运动(切削运动)对工件表面进行磨削加工的一种工艺方法。
1 砂带磨削的特点
1.1 砂带磨削具有“快削法”之称。砂带磨削效率高,已达到铣削的10倍,普通砂轮磨削的5～20倍。
1.2 砂带磨削还具有“冷态”磨削之称。由于加工时摩擦生热少,且因磨粒散热时间间隔长,可有效地减少工件变形和烧伤,加工精度一般可达到普通砂轮磨床的加工精度,有的尺寸精度已达到±0. 005mm,最高可达到±0.0012mm。
1.3 砂带磨削具有“弹性”磨削之称。由于砂带磨削与工件是柔性接触,具有较好的跑合和抛光作用,工件表面粗糙度可达Ra0.8～0.2μm。
1.4 砂带磨削设备结构简单,制造成本低,接触轮极少磨损,可使砂带保持恒速,传动链短,机床功率利用率可达85%。
1.5 辅助时间少。工件装夹一次定位后,可多次更换砂带完成全部加工,无需象砂轮那样进行平衡及修整工作。
1.6 适应性强,操作简单,安全可靠。
2 砂带磨削装置的主要结构及磨削用量
砂带磨削装置有几种不同的结构。一种是由电机输出轴直接传动砂带的装置,另一种是由电机经磨削主轴传动砂带的装置,还有一种是供内圆磨削使用的装置。
对于第一种装置,它的特点是接触轮直接安装并固定在具有1:5锥度的电机输出轴上,该装置具有砂带张紧及快换操纵机构。因为这种磨削装置可以借助夹持架安装在多种金属切削机床上进行磨削加工,故称其为通用砂带磨削装置。
在这种装置中,张紧轮和接触轮宜采用质地均匀的尼龙材料制成。由于接触轮和张紧轮都是高速旋转的零件,张紧轮的转速可达 5000r/min以上,为保证安全并提高整个装置的工作平稳性,加工后应对这两种零件进行动平衡试验,力求将不平衡重减到最小。
砂带的线速度受允许的最大极限限制,一般选为25m/s。工件每转砂带沿工件轴线的纵向进给量一般控制在砂带宽度的一半以内,精加工时可适当减少一些。另外,磨粒的粒度與磨削的表面粗糙度有直接关系,粒度越小,磨削后的表面粗糙度数值越低。使用时,应保证有充足的冷却润滑液和相应的除尘设备。
3 砂带磨削关键技术
根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析,结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距,作者认为砂带磨削的关键技术主要体现在以下几个主要方面。
3.1 砂带磨削基础研究 砂带磨削具有复合加工的特点,其机理较复杂,蕴含了较多科学基础问题,尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了很深的研究,但是到目前为止各类砂带磨削的材料去除基本机理尽管国内外学者做了较多研究,但目前为止,完整的砂带磨削的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响,对某一企业,有可能对研磨抛光加工工艺运用或者控制得很好,但在加工前却几乎无法预测其加工行为。因此,有必要深入展开砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对磨削机理和磨削工艺的研究,揭示各种磨削过程,磨削现象的本质,找出其变化规律,才能确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。这是我们行业领域一个长期基础研究的基本任务。
3.2 砂带磨料及制品工艺技术改进和开发 砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志,能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素,结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用,我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度,争取获得有自主知识产权的高品质砂带:①新型基体的应用和开发;②合成浆料的应用和开发;③粘结剂的应用与开发;④磨料的应用与开发;⑤砂带表面涂层的应用与开发。
近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带,其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外,还再涂了一层具有特殊功能的涂层,它使得砂带具有特殊的使用性能,如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结,降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白,此类砂带国内使用上完全依赖进口。因此,我们应该在这方面引起重视。
3.3 砂带磨床的现代设计与制造的技术研究 随着信息与自动化技术的日新月异,传统的砂带磨床的设计及制造技术也在改变,尤其面对全球化、交货期与产品生命周期不断缩短、技术集成的主要趋势,这些使得我国的砂带磨床的设计与制造处于一个动荡的技术环境中,具体来说我们需要在以下几方面进行加强和改善:①砂带磨床单元部件研究:开展对高精度、高刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构研究,进行高刚度、高稳定性、高耐磨性的支撑部件,精密导轨副,进给反馈系统,磨削变形控制补偿技术,机床的高刚性、高重复定位精度和高分辨率技术及对环境不产生污染的磨削液(冷却剂)或者新的冷却方法及冷却装置等方面的研发。②砂带磨床的现代设计及制造技术研究:将砂带磨削机理研究和CAD/CAE/CAT技术结合建立砂带磨削基础研究的新理论体系、设计准则和判据,对磨削过程的磨粒与工件的相互作用(力、热等)及工艺参数进行计算机动态测试、仿真及优化;利用有限元方法及测试技术对砂带磨床及其磨削主轴进行动力学、温度场、噪音控制等的分析、仿真、测试及验证,解决高速重载磨削条件下对砂带磨削机床的关键部件、主轴系统和进给系统的优化设计问题;同时开展对砂带磨床的并行设计、可靠性设计、健壮性设计、六西格马设计、绿色设计、虚拟样机设计及PLM技术集成的开发与研究工作,提高我国砂带磨床的设计与制造的品质,缩短其进入市场的周期。③砂带磨削装备的柔性化及自动化:高速、超高速及精密方向作为砂带磨削技术的主要发展方向,要求机床控制系统和数字伺服驱动系统的控制精度,动态响应特性都很高,因此加强对高精度数控系统和伺服驱动系统的研发,通过对磨削加工过程自动实时监控系统的研究,解决磨削过程中信号识别、信息采集、数据处理、反馈控制等技术,从而实现高效、高精度磨削砂带磨床的自动化。在此基础上进行砂带磨削设备系统化设计与制造,开发CNC砂带磨削机床、砂带磨削机器人、并联机构数控砂带磨床、砂带磨削FMS等,实现我国砂带磨削设备的柔性化及自动化。
随着砂带磨削工艺在国内工程机械行业的不断推广使用,以及砂带制造工艺的不断完善和发展,必将出现种类更多的砂带磨床和装置。可以预料,砂带磨削工艺在工程机械制造业中必将得到应有的重视和进一步的发展。
关键词:砂带磨削 工艺 技术 发展
在工程机械行业中,一些要求较高的长轴类零件传统的加工工艺一般为粗车一精车一粗磨一精磨几道工序,零件加工表面的精加工主要依靠在外圆磨床上用砂轮磨削来实现。而对于一些长径比很大的细长杆件,如各类液压缸的活塞杆,采用普通砂轮磨削就会受到加工范围的限制,砂带磨削正以其显著的优势而崭露头脚。
砂带磨削工艺,就是将环形砂带套在接触轮和张紧轮的外圆上,在张紧的状态下,使高速旋转的砂带表面与工件的加工表面相接触,并在一定的压力作用下,以产生的相对摩擦运动(切削运动)对工件表面进行磨削加工的一种工艺方法。
1 砂带磨削的特点
1.1 砂带磨削具有“快削法”之称。砂带磨削效率高,已达到铣削的10倍,普通砂轮磨削的5～20倍。
1.2 砂带磨削还具有“冷态”磨削之称。由于加工时摩擦生热少,且因磨粒散热时间间隔长,可有效地减少工件变形和烧伤,加工精度一般可达到普通砂轮磨床的加工精度,有的尺寸精度已达到±0. 005mm,最高可达到±0.0012mm。
1.3 砂带磨削具有“弹性”磨削之称。由于砂带磨削与工件是柔性接触,具有较好的跑合和抛光作用,工件表面粗糙度可达Ra0.8～0.2μm。
1.4 砂带磨削设备结构简单,制造成本低,接触轮极少磨损,可使砂带保持恒速,传动链短,机床功率利用率可达85%。
1.5 辅助时间少。工件装夹一次定位后,可多次更换砂带完成全部加工,无需象砂轮那样进行平衡及修整工作。
1.6 适应性强,操作简单,安全可靠。
2 砂带磨削装置的主要结构及磨削用量
砂带磨削装置有几种不同的结构。一种是由电机输出轴直接传动砂带的装置,另一种是由电机经磨削主轴传动砂带的装置,还有一种是供内圆磨削使用的装置。
对于第一种装置,它的特点是接触轮直接安装并固定在具有1:5锥度的电机输出轴上,该装置具有砂带张紧及快换操纵机构。因为这种磨削装置可以借助夹持架安装在多种金属切削机床上进行磨削加工,故称其为通用砂带磨削装置。
在这种装置中,张紧轮和接触轮宜采用质地均匀的尼龙材料制成。由于接触轮和张紧轮都是高速旋转的零件,张紧轮的转速可达 5000r/min以上,为保证安全并提高整个装置的工作平稳性,加工后应对这两种零件进行动平衡试验,力求将不平衡重减到最小。
砂带的线速度受允许的最大极限限制,一般选为25m/s。工件每转砂带沿工件轴线的纵向进给量一般控制在砂带宽度的一半以内,精加工时可适当减少一些。另外,磨粒的粒度與磨削的表面粗糙度有直接关系,粒度越小,磨削后的表面粗糙度数值越低。使用时,应保证有充足的冷却润滑液和相应的除尘设备。
3 砂带磨削关键技术
根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析,结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距,作者认为砂带磨削的关键技术主要体现在以下几个主要方面。
3.1 砂带磨削基础研究 砂带磨削具有复合加工的特点,其机理较复杂,蕴含了较多科学基础问题,尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了很深的研究,但是到目前为止各类砂带磨削的材料去除基本机理尽管国内外学者做了较多研究,但目前为止,完整的砂带磨削的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响,对某一企业,有可能对研磨抛光加工工艺运用或者控制得很好,但在加工前却几乎无法预测其加工行为。因此,有必要深入展开砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对磨削机理和磨削工艺的研究,揭示各种磨削过程,磨削现象的本质,找出其变化规律,才能确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。这是我们行业领域一个长期基础研究的基本任务。
3.2 砂带磨料及制品工艺技术改进和开发 砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志,能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素,结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用,我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度,争取获得有自主知识产权的高品质砂带:①新型基体的应用和开发;②合成浆料的应用和开发;③粘结剂的应用与开发;④磨料的应用与开发;⑤砂带表面涂层的应用与开发。
近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带,其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外,还再涂了一层具有特殊功能的涂层,它使得砂带具有特殊的使用性能,如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结,降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白,此类砂带国内使用上完全依赖进口。因此,我们应该在这方面引起重视。
3.3 砂带磨床的现代设计与制造的技术研究 随着信息与自动化技术的日新月异,传统的砂带磨床的设计及制造技术也在改变,尤其面对全球化、交货期与产品生命周期不断缩短、技术集成的主要趋势,这些使得我国的砂带磨床的设计与制造处于一个动荡的技术环境中,具体来说我们需要在以下几方面进行加强和改善:①砂带磨床单元部件研究:开展对高精度、高刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构研究,进行高刚度、高稳定性、高耐磨性的支撑部件,精密导轨副,进给反馈系统,磨削变形控制补偿技术,机床的高刚性、高重复定位精度和高分辨率技术及对环境不产生污染的磨削液(冷却剂)或者新的冷却方法及冷却装置等方面的研发。②砂带磨床的现代设计及制造技术研究:将砂带磨削机理研究和CAD/CAE/CAT技术结合建立砂带磨削基础研究的新理论体系、设计准则和判据,对磨削过程的磨粒与工件的相互作用(力、热等)及工艺参数进行计算机动态测试、仿真及优化;利用有限元方法及测试技术对砂带磨床及其磨削主轴进行动力学、温度场、噪音控制等的分析、仿真、测试及验证,解决高速重载磨削条件下对砂带磨削机床的关键部件、主轴系统和进给系统的优化设计问题;同时开展对砂带磨床的并行设计、可靠性设计、健壮性设计、六西格马设计、绿色设计、虚拟样机设计及PLM技术集成的开发与研究工作,提高我国砂带磨床的设计与制造的品质,缩短其进入市场的周期。③砂带磨削装备的柔性化及自动化:高速、超高速及精密方向作为砂带磨削技术的主要发展方向,要求机床控制系统和数字伺服驱动系统的控制精度,动态响应特性都很高,因此加强对高精度数控系统和伺服驱动系统的研发,通过对磨削加工过程自动实时监控系统的研究,解决磨削过程中信号识别、信息采集、数据处理、反馈控制等技术,从而实现高效、高精度磨削砂带磨床的自动化。在此基础上进行砂带磨削设备系统化设计与制造,开发CNC砂带磨削机床、砂带磨削机器人、并联机构数控砂带磨床、砂带磨削FMS等,实现我国砂带磨削设备的柔性化及自动化。
随着砂带磨削工艺在国内工程机械行业的不断推广使用,以及砂带制造工艺的不断完善和发展,必将出现种类更多的砂带磨床和装置。可以预料,砂带磨削工艺在工程机械制造业中必将得到应有的重视和进一步的发展。