砂帶磨削在工業(yè)中的應用

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。綜觀近幾年來國內外各類機床及工具展覽會和國際生產工程學會的學術會議,結合砂帶磨削在國內外各行業(yè)的應用狀況,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,有著廣泛的應用及廣闊的發(fā)展前景。1砂帶磨削技術的發(fā)展概況國外的砂帶磨削發(fā)展得非常迅速,自20世紀60年代以來,特別是靜電植砂技術及涂附磨具技術的出現和發(fā)展,歐、美、日等在砂帶制造技術和砂帶磨床制造技術上都取得了巨大的進步。在砂帶制造技術方面,隨著許多特殊涂附磨料及涂附形式的出現,產生了如金剛石、立方氮化硼、鋯剛玉、陶瓷磨料、復合磨料、堆積磨料等各類砂帶,使得砂帶已經能用于干磨和高速、大吃刀量的重磨削領域,以及高精密零件的磨削加工領域。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。在國際上知名的砂帶品牌有美國的3M、Norton,德國的Hermes、VSM、Klingspor,韓國的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,使得砂帶磨床的結構與形式繁多。另外,隨著自動化技術的發(fā)展,像六軸五聯(lián)動數控砂帶磨床、機器人砂帶磨削中心、砂帶磨削FMS、并聯(lián)機構的數控砂帶磨床都已經得到應用。砂帶磨削現已成為發(fā)達國家獲得高額經濟利潤的重要手段,且砂帶磨削量已占磨削總加工量一半以上。國內的砂帶磨削技術是在20世紀70年代末才開始得以真正發(fā)展,隨著國內的改革開放,砂帶磨削技術引起了各行業(yè)、各研究單位和各企業(yè)的日益重視,加之砂帶制造技術的發(fā)展及砂帶品種的增加,使得砂帶磨削設備的研究和生產也得到了較大的發(fā)展。砂帶磨削正向著強力、高速、高效和高精方向發(fā)展。磨床結構從單一磨頭向大型、組合(多磨頭、多功能、多工位)形式發(fā)展。在加工工藝方面,與特種加工相結合的復合加工是砂帶磨削很有前途的發(fā)展方向之一,如與超聲振動結合形成的超聲砂帶精密磨削,與電化學加工結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,自動化技術在砂帶磨削中的應用,尤其是數控砂帶磨床及自適應控制技術的應用,使砂帶磨削的加工效率和精度有了很大的提高,使得砂帶磨削已經進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。在砂帶結構方面,近年出現了堆積磨料砂帶、金字塔型砂帶、空心球型砂帶、復層砂帶、高彈性砂帶、防跑偏砂帶、不等厚砂帶、粒度復合砂帶等。2國內砂帶磨削技術的比較高性能砂帶磨削技術以其獨特的工藝、廣泛的用途、較強的適應性能得到了廣泛推廣,但國內砂帶磨削的發(fā)展與國外相比仍存在較大差距,主要體現在以下幾個方面。2.1磨料開發(fā)存在的問題目前,國產砂帶壽命一般在2~4h,而國外砂帶的壽命可達到8~12h。從磨料品種來看,國內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、復合磨料等磨料的開發(fā)基本是空白。磨料粒度偏粗(微粉級磨料的砂帶還沒有)限制了砂帶在精密和超精密加工中的應用。此外,國內砂帶寬度明顯小于國外砂帶的寬度,國內最寬砂帶在2m左右,而國外可達5m。國內鋯剛玉砂帶還不普及。因此,開發(fā)新磨料、新基材、新粘結劑及表面涂層材料來改善磨粒的結構形態(tài)、砂帶性能和質量,提高使用壽命是砂帶磨削應用推廣的一個關鍵問題。2.2砂帶磨削精度對比近年來,國外將砂帶磨削用于精密、超精密加工,精度已達微米級,表面粗糙度Ra已達到0.01~0.025μm;而國產320號砂帶的磨削精度只能達到10~20μm。產生差異的原因有兩個,一方面是國內機床的切深微進給精度較低,普通機床最小微進給在10~20μm之間,某些數控機床的微進給可控制到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已在國內許多單位得到了推廣和應用,并取得了一定的成績,解決了許多生產中存在的問題,但對砂帶磨削過程的基礎理論研究、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遠落后于國外。因此,今后的研究應在現有基礎上,從理論上分析研究砂帶磨粒的磨削過程,推動砂帶磨削技術的應用。2.4砂帶磨削技術國外已成功將砂帶磨削用于強力磨削,以實現大切除量和高金屬去除率磨削。3M公司生產的砂帶對鑄鐵在砂帶寬度方向上的切削率已達到870cm3/(cm·min),EmeersonElectric公司的砂帶磨床對鑄鐵件一次切深可達5~10mm,其加工效率比銑削加工提高了5~10倍。目前國內最高切深的砂帶磨削是由重慶三磨海達磨床有限公司研制的砂帶磨床實現的,該磨床可對40Mn2高強度結構鋼構成的連桿端頭進行單次4.5mm深度的強力磨削加工。因此,今后應加強研究和推廣砂帶的強力高效磨削技術,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砂帶磨削技術目前,國外砂帶磨床已有較快發(fā)展,發(fā)達國家數百家砂帶磨床專業(yè)制造公司每年向市場提供20多萬(套)臺砂帶磨床。砂帶磨削工藝及設備已從初期的機床附件發(fā)展到與砂輪磨床相匹敵的整機,并和CAX、NC、CNC等現代技術緊密結合,出現了六軸五聯(lián)動數控砂帶磨床、機器人砂帶磨削中心、砂帶磨削FMS、并聯(lián)機構的數控砂帶磨床等先進技術和裝備。國內砂帶磨床發(fā)展較緩慢,在研究、試驗和開發(fā)手段上比起國外都有不小的差距,我國目前砂帶磨床與砂輪磨床產量比大約為1∶10。據統(tǒng)計,我國各類行業(yè)每年對砂帶磨床的需求總量約為2~3萬臺,但由于受國外砂帶磨床產品的沖擊,國內目前多數砂帶磨床制造廠家生產的產品技術含量及規(guī)模還有待改進和加強。3砂帶磨削的關鍵技術根據國內外砂帶磨削技術的現狀和發(fā)展趨勢的分析,結合我國在砂帶磨削技術上與國外的差距,筆者認為,砂帶磨削的關鍵技術主要體現在以下5個方面。3.1砂帶磨削完整材料的去除砂帶磨削具有復合加工的特點,其機理較復雜,涵蓋了較多科學基礎問題,盡管多年來各國學者對砂帶磨削機理做了較深的研究,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。因為表面完整性、亞表面層損傷、零件幾何形狀以及磨削和拋光加工生產能力等輸出參數受很多因素的影響。因此,有必要深入開展砂帶磨削加工機理及相關工藝的研究。只有通過對砂帶磨削的磨削機理和磨削工藝的研究,揭示各種磨削過程、磨削現象的本質,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。3.2砂帶磨削技術的評價砂帶是砂帶磨削技術發(fā)展的關鍵和重要標志,能否制造高品質的砂帶已經成為衡量一個國家砂帶磨削技術高低的標準。我國的砂帶生產企業(yè)及相關研究機構應該在如下5個方面加大研究和開發(fā)力度,爭取獲得有自主知識產權的高品質砂帶。(1)非金屬材料基復合材料國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度高、耐熱耐水性好、耐磨性優(yōu)良的優(yōu)點,已經成為重負荷砂帶的優(yōu)良基體材料。國外最新出現的聚酯超強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、銅與纖維復合基金剛石砂帶等產品,在加工非金屬材料(陶瓷和硅晶體等)方面呈現出優(yōu)異的磨削性能。由于我國國產紙在強度、均勻性、耐水性等方面達不到砂帶生產要求,因此我們進一步開展這方面的研究是很有意義的。(2)國內外開發(fā)應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外企業(yè)較好地應用到了砂帶生產中。這些漿料在我國盡管有一些應用,但在工藝上與國外比起來差距不小。(3)其它粘結劑對砂帶品質的影響高分子粘結劑的應用和發(fā)展促進了砂帶磨削的發(fā)展和進步。強力高效砂帶磨削的性能與砂帶所使用的粘結劑密切相關,國產砂帶使用壽命短的一個重要因素就是粘結劑不能滿足要求,因此有必要對砂帶使用的粘結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)氧樹脂等進行耐水性、耐油性、耐熱性等的改性研究和試驗,以提高我國的砂帶品質。(4)其他微晶結構燒結陶瓷磨料隨著砂帶磨削加工對象的不斷擴展,傳統(tǒng)的磨料已經不能滿足要求,近年來隨著工藝的改進,鋯剛玉磨料和微晶結構燒結陶瓷磨料等已經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構燒結陶瓷磨料的第二代產品(TG磨料)。它保留了微晶結構燒結陶瓷磨料的特點,在磨料形狀上有了新突破,具有很細的棒狀晶態(tài)結構,適用于緩進給磨削及加工鎳鉻鐵和鈦合金等難加工材料。據報道,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。世界各大砂帶生產廠商都有自己的鋯剛玉磨料和微晶結構燒結陶瓷磨料的砂帶產品,而國內還處于試制和起步階段。我們應該重視并發(fā)展具有自主知識產權并與此相關的復合磨料、堆積磨料。(5)特殊砂帶的開發(fā)應注意的問題近年國外出現了一種經表面涂層處理過的超涂層砂帶,其構成除了基材、磨料、底膠和復膠外,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,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。這對磨削不銹鋼、鈦合金等難磨材料有特殊的優(yōu)越性。但我國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口。因此,我們應該在這方面引起重視。面對國內砂帶市場激烈的競爭,國內的砂帶生產企業(yè)在不斷加大研發(fā)產品的力度、提高產品質量并積極開拓市場的同時,還應該積極加強相互之間及其與國外知名砂帶制造廠商的交流合作,主要是技術的研究與合作、新產品開發(fā)中技術的獲取與運用、技術在價值鏈中的運用和技術營銷等幾個方面。3.3砂帶磨損(1)復定位精度和分辨率開展對高精度、大剛性、高速度、高穩(wěn)定性的主軸系統(tǒng)和并聯(lián)砂帶機床結構的研究,進行大剛度、高穩(wěn)定性、高耐磨性的支撐部件、精密導軌副、進給反饋系統(tǒng)、磨削變形控制補償技術的研究并進行機床的大剛性、高重復定位精度和高分辨率技術及對環(huán)境不產生污染的磨削液(冷卻劑)和新的冷卻方法及冷卻裝置等方面的研發(fā)。例如,國外主軸單元技術的發(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,最高轉速達15000r/min,電機響應時間短。目前,國內主軸單元的速度大約為10000r/min,且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待于檢驗和提高。(2)砂帶磨削機床仿真優(yōu)化的方法將砂帶磨削機理研究和CAD/CAE/CAT技術相結合,建立砂帶磨削基礎研究的新理論體系、設計準則和判據,對磨削過程的磨粒與工件的相互作用(力、熱等)及工藝參數進行計算機動態(tài)測試、仿真及優(yōu)化;利用有限元方法及測試技術對砂帶磨床及其高速主軸進行動力學、溫度場、噪聲控制等的分析、仿真、測試及驗證,解決高速重載磨削條件下砂帶磨削機床的關鍵部件、主軸系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題;同時開展對砂帶磨床的并行設計、可靠性設計、魯棒性設計、6σ設計、綠色設計、虛擬樣機設計及PLM技術集成的開發(fā)與研究工作,提高我國砂帶磨床的設計與制造的品質,縮短其進入市場的周期。(3)基于高精度數控系統(tǒng)和伺服驅動系統(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的主要發(fā)展方向,這對機床控制系統(tǒng)和數字伺服驅動系統(tǒng)的控制精度、動態(tài)響應特性有很高要求,因此加強對高精度數控系統(tǒng)和伺服驅動系統(tǒng)的研發(fā),通過對磨削加工過程自動實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究,解決磨削過程中信號識別、信息采集、數據處理、反饋控制等技術問題,從而實現高效、高精度磨削砂帶磨床的自動化。在此基礎上進行砂帶磨削設備系統(tǒng)化設計與制造,開發(fā)CNC砂帶磨削機床、砂帶磨削機器人、并聯(lián)機構數控砂帶磨床、砂帶磨削FMS等,實現我國砂帶磨削設備的柔性化及自動化。3.4超精密砂帶磨削技術高速高效強力砂帶磨削在一些工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展很快。據報道,在德國目前砂帶磨削最高線速度已達100m/s。我國對高效強力砂帶磨削的研究已有多年的歷史,如重慶大學和湖南大學在20世紀90年代初中期便進行了50~60m/s的高速砂帶磨削工藝實驗,但這些高效強力砂帶磨削技術大多只是實驗而已,技術還不夠成熟。在實際應用中,砂帶線速度一般還是15~40m/s。近年來,國外將砂帶磨削用于精密、超精密加工,精度已達微米級,表面粗糙度Ra已達到0.01~0.025μm。目前,國內砂帶磨削正朝著超精密方向發(fā)展,如超聲砂帶磨削技術,這是一項由清華大學開發(fā)的新型精密砂帶復合加工方法。該技術將超聲振動與開式砂帶磨削相結合,應用這種技術對計算機硬盤進行研拋加工,表面粗糙度Ra可達0.01μm,所用砂帶是日本的W3氧化鋁磨料的聚酯砂帶。3.5砂帶磨削設備的發(fā)展砂帶磨削技術優(yōu)異性的發(fā)揮,很大程度依賴于砂帶磨床本身,因而磨床設計及制造是一項非常關鍵的工作。目前我國在這方面并沒有相關的行業(yè)技術標準,而發(fā)達工業(yè)國家如德國、美國、日本等均在砂帶磨床方面制定了相關技術和產品標準,這也是他們的砂帶磨削設備在其國內得到廣泛支持和推廣的重要原因之一。在砂帶磨床的設計中,磨頭是最關鍵的,其結構方案、參數選擇及主要零部件的制造精度和剛度等