砂帶磨削在工業(yè)中的應(yīng)用

砂帶磨削在工業(yè)中的應(yīng)用

0砂帶磨削新型工藝砂帶的磨損幾乎可以用來加工所有的技術(shù)材料。作為一種新型工藝，它被稱為“千分尺”和“冷態(tài)疲勞”。砂帶磨損是一種與砂帶磨損相同的重要加工方法。綜觀近幾年來國(guó)內(nèi)外各類機(jī)床及工具展覽會(huì)和國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)的學(xué)術(shù)會(huì)議,結(jié)合砂帶磨削在國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的應(yīng)用狀況,可以看出砂帶磨削在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用,有著廣泛的應(yīng)用及廣闊的發(fā)展前景。1砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展概況國(guó)外的砂帶磨削發(fā)展得非常迅速,自20世紀(jì)60年代以來,特別是靜電植砂技術(shù)及涂附磨具技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,歐、美、日等在砂帶制造技術(shù)和砂帶磨床制造技術(shù)上都取得了巨大的進(jìn)步。在砂帶制造技術(shù)方面,隨著許多特殊涂附磨料及涂附形式的出現(xiàn),產(chǎn)生了如金剛石、立方氮化硼、鋯剛玉、陶瓷磨料、復(fù)合磨料、堆積磨料等各類砂帶,使得砂帶已經(jīng)能用于干磨和高速、大吃刀量的重磨削領(lǐng)域,以及高精密零件的磨削加工領(lǐng)域。日本已開發(fā)出了用軟剛帶作為基底的金剛石砂帶,可有效加工難加工的高硬度材料,如單晶硅片。在國(guó)際上知名的砂帶品牌有美國(guó)的3M、Norton,德國(guó)的Hermes、VSM、Klingspor,韓國(guó)的DEER,日本的牛頭等。在砂帶磨床方面,不僅有磨削寬度超過5m的巨型平面磨床,還有牙醫(yī)用的小型修齒機(jī),使得砂帶磨床的結(jié)構(gòu)與形式繁多。另外,隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,像六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床、機(jī)器人砂帶磨削中心、砂帶磨削FMS、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的數(shù)控砂帶磨床都已經(jīng)得到應(yīng)用。砂帶磨削現(xiàn)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家獲得高額經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)的重要手段,且砂帶磨削量已占磨削總加工量一半以上。國(guó)內(nèi)的砂帶磨削技術(shù)是在20世紀(jì)70年代末才開始得以真正發(fā)展,隨著國(guó)內(nèi)的改革開放,砂帶磨削技術(shù)引起了各行業(yè)、各研究單位和各企業(yè)的日益重視,加之砂帶制造技術(shù)的發(fā)展及砂帶品種的增加,使得砂帶磨削設(shè)備的研究和生產(chǎn)也得到了較大的發(fā)展。砂帶磨削正向著強(qiáng)力、高速、高效和高精方向發(fā)展。磨床結(jié)構(gòu)從單一磨頭向大型、組合(多磨頭、多功能、多工位)形式發(fā)展。在加工工藝方面,與特種加工相結(jié)合的復(fù)合加工是砂帶磨削很有前途的發(fā)展方向之一,如與超聲振動(dòng)結(jié)合形成的超聲砂帶精密磨削,與電化學(xué)加工結(jié)合形成的電解砂帶磨削等是砂帶磨削的重要發(fā)展方向。另一方面,自動(dòng)化技術(shù)在砂帶磨削中的應(yīng)用,尤其是數(shù)控砂帶磨床及自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用,使砂帶磨削的加工效率和精度有了很大的提高,使得砂帶磨削已經(jīng)進(jìn)入精密和超精密加工行列。砂帶本身在不斷的發(fā)展和完善中。在砂帶結(jié)構(gòu)方面,近年出現(xiàn)了堆積磨料砂帶、金字塔型砂帶、空心球型砂帶、復(fù)層砂帶、高彈性砂帶、防跑偏砂帶、不等厚砂帶、粒度復(fù)合砂帶等。2國(guó)內(nèi)砂帶磨削技術(shù)的比較高性能砂帶磨削技術(shù)以其獨(dú)特的工藝、廣泛的用途、較強(qiáng)的適應(yīng)性能得到了廣泛推廣,但國(guó)內(nèi)砂帶磨削的發(fā)展與國(guó)外相比仍存在較大差距,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。2.1磨料開發(fā)存在的問題目前,國(guó)產(chǎn)砂帶壽命一般在2~4h,而國(guó)外砂帶的壽命可達(dá)到8~12h。從磨料品種來看,國(guó)內(nèi)使用最多的兩類磨料是SiC和Al2O3,而金剛石磨料、陶瓷氧化鋁磨料、復(fù)合磨料等磨料的開發(fā)基本是空白。磨料粒度偏粗(微粉級(jí)磨料的砂帶還沒有)限制了砂帶在精密和超精密加工中的應(yīng)用。此外,國(guó)內(nèi)砂帶寬度明顯小于國(guó)外砂帶的寬度,國(guó)內(nèi)最寬砂帶在2m左右,而國(guó)外可達(dá)5m。國(guó)內(nèi)鋯剛玉砂帶還不普及。因此,開發(fā)新磨料、新基材、新粘結(jié)劑及表面涂層材料來改善磨粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)、砂帶性能和質(zhì)量,提高使用壽命是砂帶磨削應(yīng)用推廣的一個(gè)關(guān)鍵問題。2.2砂帶磨削精度對(duì)比近年來,國(guó)外將砂帶磨削用于精密、超精密加工,精度已達(dá)微米級(jí),表面粗糙度Ra已達(dá)到0.01~0.025μm;而國(guó)產(chǎn)320號(hào)砂帶的磨削精度只能達(dá)到10~20μm。產(chǎn)生差異的原因有兩個(gè),一方面是國(guó)內(nèi)機(jī)床的切深微進(jìn)給精度較低,普通機(jī)床最小微進(jìn)給在10~20μm之間,某些數(shù)控機(jī)床的微進(jìn)給可控制到5μm;另一方面,砂帶磨削為彈性加工,彈性變形使得砂帶磨削精度降低,因此對(duì)磨削深度的微量控制問題的解決是提高砂帶磨削精度的先決條件。2.3砂帶磨削表面的形貌研究砂帶磨削技術(shù)已在國(guó)內(nèi)許多單位得到了推廣和應(yīng)用,并取得了一定的成績(jī),解決了許多生產(chǎn)中存在的問題,但對(duì)砂帶磨削過程的基礎(chǔ)理論研究、砂帶及砂帶磨削熱和磨削力的研究、砂帶磨削表面的形貌研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。因此,今后的研究應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,從理論上分析研究砂帶磨粒的磨削過程,推動(dòng)砂帶磨削技術(shù)的應(yīng)用。2.4砂帶磨削技術(shù)國(guó)外已成功將砂帶磨削用于強(qiáng)力磨削,以實(shí)現(xiàn)大切除量和高金屬去除率磨削。3M公司生產(chǎn)的砂帶對(duì)鑄鐵在砂帶寬度方向上的切削率已達(dá)到870cm3/(cm·min),EmeersonElectric公司的砂帶磨床對(duì)鑄鐵件一次切深可達(dá)5~10mm,其加工效率比銑削加工提高了5~10倍。目前國(guó)內(nèi)最高切深的砂帶磨削是由重慶三磨海達(dá)磨床有限公司研制的砂帶磨床實(shí)現(xiàn)的,該磨床可對(duì)40Mn2高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)成的連桿端頭進(jìn)行單次4.5mm深度的強(qiáng)力磨削加工。因此,今后應(yīng)加強(qiáng)研究和推廣砂帶的強(qiáng)力高效磨削技術(shù),發(fā)揮砂帶潛在的加工能力,提高切削效率,解決一些難加工材料和高脆硬度材料粗加工的問題。2.5砂帶磨削技術(shù)目前,國(guó)外砂帶磨床已有較快發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)百家砂帶磨床專業(yè)制造公司每年向市場(chǎng)提供20多萬(套)臺(tái)砂帶磨床。砂帶磨削工藝及設(shè)備已從初期的機(jī)床附件發(fā)展到與砂輪磨床相匹敵的整機(jī),并和CAX、NC、CNC等現(xiàn)代技術(shù)緊密結(jié)合,出現(xiàn)了六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床、機(jī)器人砂帶磨削中心、砂帶磨削FMS、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的數(shù)控砂帶磨床等先進(jìn)技術(shù)和裝備。國(guó)內(nèi)砂帶磨床發(fā)展較緩慢,在研究、試驗(yàn)和開發(fā)手段上比起國(guó)外都有不小的差距,我國(guó)目前砂帶磨床與砂輪磨床產(chǎn)量比大約為1∶10。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)各類行業(yè)每年對(duì)砂帶磨床的需求總量約為2~3萬臺(tái),但由于受國(guó)外砂帶磨床產(chǎn)品的沖擊,國(guó)內(nèi)目前多數(shù)砂帶磨床制造廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)含量及規(guī)模還有待改進(jìn)和加強(qiáng)。3砂帶磨削的關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)國(guó)內(nèi)外砂帶磨削技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的分析,結(jié)合我國(guó)在砂帶磨削技術(shù)上與國(guó)外的差距,筆者認(rèn)為,砂帶磨削的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。3.1砂帶磨削完整材料的去除砂帶磨削具有復(fù)合加工的特點(diǎn),其機(jī)理較復(fù)雜,涵蓋了較多科學(xué)基礎(chǔ)問題,盡管多年來各國(guó)學(xué)者對(duì)砂帶磨削機(jī)理做了較深的研究,但目前,砂帶磨削完整的材料去除基本理論還沒有建立起來。因?yàn)楸砻嫱暾?、亞表面層損傷、零件幾何形狀以及磨削和拋光加工生產(chǎn)能力等輸出參數(shù)受很多因素的影響。因此,有必要深入開展砂帶磨削加工機(jī)理及相關(guān)工藝的研究。只有通過對(duì)砂帶磨削的磨削機(jī)理和磨削工藝的研究,揭示各種磨削過程、磨削現(xiàn)象的本質(zhì),找出其變化規(guī)律,才能確定最佳的磨削范圍,獲取最佳的磨削參數(shù)。3.2砂帶磨削技術(shù)的評(píng)價(jià)砂帶是砂帶磨削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和重要標(biāo)志,能否制造高品質(zhì)的砂帶已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家砂帶磨削技術(shù)高低的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的砂帶生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)該在如下5個(gè)方面加大研究和開發(fā)力度,爭(zhēng)取獲得有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)砂帶。(1)非金屬材料基復(fù)合材料國(guó)外在紙漿中加入添加劑,并通過浸漬和表明涂附處理,使紙基砂帶的基體用紙達(dá)到了砂帶的要求;布基砂帶中的棉纖維逐漸被聚酯纖維和尼龍纖維所代替,聚酯纖維由于其斷裂強(qiáng)度高、耐熱耐水性好、耐磨性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為重負(fù)荷砂帶的優(yōu)良基體材料。國(guó)外最新出現(xiàn)的聚酯超強(qiáng)化薄膜基金剛石砂帶、電鍍金剛石或立方氮化硼的金屬基砂帶、銅與纖維復(fù)合基金剛石砂帶等產(chǎn)品,在加工非金屬材料(陶瓷和硅晶體等)方面呈現(xiàn)出優(yōu)異的磨削性能。由于我國(guó)國(guó)產(chǎn)紙?jiān)趶?qiáng)度、均勻性、耐水性等方面達(dá)不到砂帶生產(chǎn)要求,因此我們進(jìn)一步開展這方面的研究是很有意義的。(2)國(guó)內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用隨著高分子材料工業(yè)的發(fā)展,人工合成的漿料如丙烯酸乳液與水溶性酚醛樹脂漿料、丁苯膠乳液與水溶性酚醛樹脂漿料、PVA溶液和聚醋酸乙烯乳液漿料、抗靜電漿料等漿料都被國(guó)外企業(yè)較好地應(yīng)用到了砂帶生產(chǎn)中。這些漿料在我國(guó)盡管有一些應(yīng)用,但在工藝上與國(guó)外比起來差距不小。(3)其它粘結(jié)劑對(duì)砂帶品質(zhì)的影響高分子粘結(jié)劑的應(yīng)用和發(fā)展促進(jìn)了砂帶磨削的發(fā)展和進(jìn)步。強(qiáng)力高效砂帶磨削的性能與砂帶所使用的粘結(jié)劑密切相關(guān),國(guó)產(chǎn)砂帶使用壽命短的一個(gè)重要因素就是粘結(jié)劑不能滿足要求,因此有必要對(duì)砂帶使用的粘結(jié)劑如水溶性酚醛樹脂、水溶性脲醛樹脂、水溶性醇醛樹脂、水溶性白乳膠、油溶性醇醛酸清漆及環(huán)氧樹脂等進(jìn)行耐水性、耐油性、耐熱性等的改性研究和試驗(yàn),以提高我國(guó)的砂帶品質(zhì)。(4)其他微晶結(jié)構(gòu)燒結(jié)陶瓷磨料隨著砂帶磨削加工對(duì)象的不斷擴(kuò)展,傳統(tǒng)的磨料已經(jīng)不能滿足要求,近年來隨著工藝的改進(jìn),鋯剛玉磨料和微晶結(jié)構(gòu)燒結(jié)陶瓷磨料等已經(jīng)成為砂帶磨料的重要發(fā)展方向。Norton公司最近又推出了微晶結(jié)構(gòu)燒結(jié)陶瓷磨料的第二代產(chǎn)品(TG磨料)。它保留了微晶結(jié)構(gòu)燒結(jié)陶瓷磨料的特點(diǎn),在磨料形狀上有了新突破,具有很細(xì)的棒狀晶態(tài)結(jié)構(gòu),適用于緩進(jìn)給磨削及加工鎳鉻鐵和鈦合金等難加工材料。據(jù)報(bào)道,TG磨料的材料去除率為鋯剛玉的4倍以上,壽命為剛玉的10倍以上。世界各大砂帶生產(chǎn)廠商都有自己的鋯剛玉磨料和微晶結(jié)構(gòu)燒結(jié)陶瓷磨料的砂帶產(chǎn)品,而國(guó)內(nèi)還處于試制和起步階段。我們應(yīng)該重視并發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并與此相關(guān)的復(fù)合磨料、堆積磨料。(5)特殊砂帶的開發(fā)應(yīng)注意的問題近年國(guó)外出現(xiàn)了一種經(jīng)表面涂層處理過的超涂層砂帶,其構(gòu)成除了基材、磨料、底膠和復(fù)膠外,還有一層具有特殊功能的涂層,它使得砂帶具有特殊的性能,如阻止磨屑與工件的再焊或磨粒的粘結(jié),降低磨削界面剪切力、減少磨料磨損、消除靜電吸附、防止砂帶填塞、增加磨削表面散熱、提高砂帶切除率等。這對(duì)磨削不銹鋼、鈦合金等難磨材料有特殊的優(yōu)越性。但我國(guó)在這類特殊砂帶的開發(fā)上還基本處于空白,此類砂帶完全依賴進(jìn)口。因此,我們應(yīng)該在這方面引起重視。面對(duì)國(guó)內(nèi)砂帶市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng),國(guó)內(nèi)的砂帶生產(chǎn)企業(yè)在不斷加大研發(fā)產(chǎn)品的力度、提高產(chǎn)品質(zhì)量并積極開拓市場(chǎng)的同時(shí),還應(yīng)該積極加強(qiáng)相互之間及其與國(guó)外知名砂帶制造廠商的交流合作,主要是技術(shù)的研究與合作、新產(chǎn)品開發(fā)中技術(shù)的獲取與運(yùn)用、技術(shù)在價(jià)值鏈中的運(yùn)用和技術(shù)營(yíng)銷等幾個(gè)方面。3.3砂帶磨損(1)復(fù)定位精度和分辨率開展對(duì)高精度、大剛性、高速度、高穩(wěn)定性的主軸系統(tǒng)和并聯(lián)砂帶機(jī)床結(jié)構(gòu)的研究,進(jìn)行大剛度、高穩(wěn)定性、高耐磨性的支撐部件、精密導(dǎo)軌副、進(jìn)給反饋系統(tǒng)、磨削變形控制補(bǔ)償技術(shù)的研究并進(jìn)行機(jī)床的大剛性、高重復(fù)定位精度和高分辨率技術(shù)及對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染的磨削液(冷卻劑)和新的冷卻方法及冷卻裝置等方面的研發(fā)。例如,國(guó)外主軸單元技術(shù)的發(fā)展很快,有些公司專門提供具有各種功能的主軸單元部件,這種主軸單元部件可以方便地配置到加工中心、超高速磨削機(jī)床上。近年來高速和超高速磨床越來越多地用電主軸作為其主軸單元部件,最近美國(guó)西屋電氣公司聯(lián)合EmeersonElectric公司推出的砂帶磨削中心,其主軸單元就是電主軸,其功率為90kW,最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min,電機(jī)響應(yīng)時(shí)間短。目前,國(guó)內(nèi)主軸單元的速度大約為10000r/min,且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待于檢驗(yàn)和提高。(2)砂帶磨削機(jī)床仿真優(yōu)化的方法將砂帶磨削機(jī)理研究和CAD/CAE/CAT技術(shù)相結(jié)合,建立砂帶磨削基礎(chǔ)研究的新理論體系、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和判據(jù),對(duì)磨削過程的磨粒與工件的相互作用(力、熱等)及工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試、仿真及優(yōu)化;利用有限元方法及測(cè)試技術(shù)對(duì)砂帶磨床及其高速主軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、溫度場(chǎng)、噪聲控制等的分析、仿真、測(cè)試及驗(yàn)證,解決高速重載磨削條件下砂帶磨削機(jī)床的關(guān)鍵部件、主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題;同時(shí)開展對(duì)砂帶磨床的并行設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、魯棒性設(shè)計(jì)、6σ設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及PLM技術(shù)集成的開發(fā)與研究工作,提高我國(guó)砂帶磨床的設(shè)計(jì)與制造的品質(zhì),縮短其進(jìn)入市場(chǎng)的周期。(3)基于高精度數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效、高精度磨削砂帶磨將高速、超高速及高精作為砂帶磨削技術(shù)的主要發(fā)展方向,這對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有很高要求,因此加強(qiáng)對(duì)高精度數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā),通過對(duì)磨削加工過程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究,解決磨削過程中信號(hào)識(shí)別、信息采集、數(shù)據(jù)處理、反饋控制等技術(shù)問題,從而實(shí)現(xiàn)高效、高精度磨削砂帶磨床的自動(dòng)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行砂帶磨削設(shè)備系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與制造,開發(fā)CNC砂帶磨削機(jī)床、砂帶磨削機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)控砂帶磨床、砂帶磨削FMS等,實(shí)現(xiàn)我國(guó)砂帶磨削設(shè)備的柔性化及自動(dòng)化。3.4超精密砂帶磨削技術(shù)高速高效強(qiáng)力砂帶磨削在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快。據(jù)報(bào)道,在德國(guó)目前砂帶磨削最高線速度已達(dá)100m/s。我國(guó)對(duì)高效強(qiáng)力砂帶磨削的研究已有多年的歷史,如重慶大學(xué)和湖南大學(xué)在20世紀(jì)90年代初中期便進(jìn)行了50~60m/s的高速砂帶磨削工藝實(shí)驗(yàn),但這些高效強(qiáng)力砂帶磨削技術(shù)大多只是實(shí)驗(yàn)而已,技術(shù)還不夠成熟。在實(shí)際應(yīng)用中,砂帶線速度一般還是15~40m/s。近年來,國(guó)外將砂帶磨削用于精密、超精密加工,精度已達(dá)微米級(jí),表面粗糙度Ra已達(dá)到0.01~0.025μm。目前,國(guó)內(nèi)砂帶磨削正朝著超精密方向發(fā)展,如超聲砂帶磨削技術(shù),這是一項(xiàng)由清華大學(xué)開發(fā)的新型精密砂帶復(fù)合加工方法。該技術(shù)將超聲振動(dòng)與開式砂帶磨削相結(jié)合,應(yīng)用這種技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤進(jìn)行研拋加工,表面粗糙度Ra可達(dá)0.01μm,所用砂帶是日本的W3氧化鋁磨料的聚酯砂帶。3.5砂帶磨削設(shè)備的發(fā)展砂帶磨削技術(shù)優(yōu)異性的發(fā)揮,很大程度依賴于砂帶磨床本身,因而磨床設(shè)計(jì)及制造是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作。目前我國(guó)在這方面并沒有相關(guān)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),而發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、日本等均在砂帶磨床方面制定了相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),這也是他們的砂帶磨削設(shè)備在其國(guó)內(nèi)得到廣泛支持和推廣的重要原因之一。在砂帶磨床的設(shè)計(jì)中,磨頭是最關(guān)鍵的,其結(jié)構(gòu)方案、參數(shù)選擇及主要零部件的制造精度和剛度等