1、2 0 0 2年第 3期 ( 總第 1 5 1期 ) 無(wú) 心 外 圓磨 床 的發(fā) 展 趨 勢(shì) 無(wú)錫冶金機(jī)械廠 ( 2 1 4 1 5 1 ) 李 良福 摘要本文概述 了無(wú)心外圓磨床的現(xiàn)代化趨勢(shì) ， 分析了有發(fā)展前途的研究科學(xué)和實(shí)現(xiàn)該種加工方法的新法。 關(guān) 鍵詞 無(wú) 心外 圓磨床發(fā) 展 趨勢(shì)新加 工 方法 一 、引言 采用 導(dǎo)輪的無(wú)心外 圓磨床 已被廣 泛采用 于成批 和大批量生產(chǎn) 中 ， 用 以高 生產(chǎn) 率制 造 寬廣 品種 的任 意精度 的制件 ， 其 中包括 精 密制 件 。這種 磨 削方 法 的廣泛 采用 是 由于 其 具 有一 系列 的磨 削 特 點(diǎn) 。例 如 ， 在加工 時(shí)工件 的

2、自定心 ， 可達(dá) 到的加工精度 高于 在兩頂尖和卡盤 內(nèi)外 圓磨時(shí) 的精 度。摩擦傳 動(dòng)裝置 可保證 自由接近磨 削區(qū)?？扇?除較多 的余量 。 近年 來(lái) ， 由于 建立 了帶 多 坐標(biāo) N C系 統(tǒng) 的無(wú) 心 外圓磨床 ， 故 顯著 擴(kuò) 大 了無(wú) 心 磨 床 加 工 的 可能 性 。 這種無(wú)心外 圓磨床 可采 用來(lái)控制 加工和修 正砂 輪與 導(dǎo)輪 ； 磨 削速度 可提 高到 1 2 0 m s ； 該磨 削 過(guò) 程可 采 用 在 納 米 工 藝 中 。 二 、 無(wú)心磨 削的穩(wěn)定性和 安全性 的保證 無(wú)心外 圓磨 削過(guò)程的穩(wěn)定 性大多取決 于工件旋 轉(zhuǎn)的穩(wěn)定 性。旋轉(zhuǎn) 穩(wěn)定性 的破 壞伴 隨著

3、 “ 打 滑” ( 工 件的 圓周速度提高 到砂 輪 的速度 ) ， 從而導(dǎo)致 工件從 磨 削 區(qū)擠 出 而 在 一 系 列 情 況 導(dǎo) 致 砂 輪 的破 裂 。 此 外 ， 在加工 過(guò)程開始時(shí)工件 不旋轉(zhuǎn) ， 暫時(shí)扭矩 未達(dá)到 所需值 。因此 ， 在不動(dòng) 的被加工 表面上形成切 口， 從 而在橫截面 內(nèi)工件 進(jìn)一步成 形的變壞 。 在分析傳統(tǒng)無(wú) 心磨削方 式 ( 圖 1 ) 和借 助計(jì)算 機(jī) 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究 基礎(chǔ) 上 ， 給 出了可 確定 工件 定位 和 圖 1 有 導(dǎo)輪 的無(wú) 心外 圓磨 削示 意 圖 磨削條件參數(shù) 的實(shí)際推薦 。工件在無(wú)心外 圓磨床 上 旋轉(zhuǎn) 的穩(wěn)定性 與一系列參數(shù) 有關(guān)

4、 ， 屬 于這些參數(shù) ( 見 圖 1 ) 的有 ： 托板 的斜面角 0 ； 表征半 徑 為 r 的工件軸 線在加工過(guò)程 中的配 置 角 7=a+J3 ； 法 向切 削 分力 P N和切 向切 削分力 P ； 在托 板和導(dǎo) 輪上 的法 向反力 R H 、 RB和 摩 擦 力 R H 、 R B ( 期 和 為 摩 擦 系 數(shù) ) ； 工件 的重量 G 。 圖 2評(píng) 定 工 件 旋 轉(zhuǎn) 穩(wěn) 定 性 的 計(jì) 算 圖 表 ： a一( k =0 2 ； H=0 1 5 ) ； b一( K=O 4 ： H =0 1 5 ； =a +e ) 現(xiàn) 已確定 ， 影 響工 件旋轉(zhuǎn) 穩(wěn) 定性 的不 變參數(shù)是 表征具

5、 體工 件定 位條件 的 e角 和 7角 ( 所謂 無(wú) 0外 圓磨床 的幾 何形狀調(diào)整 ) ， 而可變參數(shù)是在 托板 和導(dǎo) 輪上引起 的切 削 分力 和摩 擦力 。并且 ， 在導(dǎo) 輪上 的 摩擦力方 向與加工條件有關(guān) 可能 有不同方 向。 當(dāng)幾 何形 狀 的調(diào)整 給定 時(shí) 工件旋 轉(zhuǎn) 的穩(wěn)定性 條件取決 于 比值 k =P P N和摩擦 系數(shù)值 H 、 。 。從 圖 2 a中可見 ， 當(dāng) 0 3 5 B 0 1 5時(shí) ， 工件 穩(wěn)定旋轉(zhuǎn) 的界 限隨著摩 擦 系數(shù) 的減小 ( 例 如在采 用金屬導(dǎo) 輪時(shí) ) ， 這界 限偏 移到 托板 斜 面角 e較 大值 的 區(qū)域 。 類似規(guī)律性 ( 見 圖

6、2 b ) 已被 領(lǐng)先 俄 羅斯 的研 究 人員 所揭示 1 。 對(duì) 圖 1 所示 方式 ， 現(xiàn) 已穩(wěn) 定 在托 板 和導(dǎo)輪 上 的 摩擦 系數(shù)之 間有下列關(guān) 系 1 ： 良 ， 牛D 維普資訊 精密制造與 自動(dòng)化 H 1 2 0 5 ( 1 s i n a- _t H ( c o s O -s i n a ) 遵 守 這關(guān) 系時(shí) 可保 證 工 件 的 旋轉(zhuǎn) 直 到 接 近砂 輪 ， 也就是可 防止在被 加工表 面上形 成切 口。 在無(wú)心外 圓磨 床上 常采 用不 同材 料的導(dǎo) 輪 ， 因 此在每種具 體情況必須從加 工過(guò)程 的穩(wěn)定 性觀點(diǎn)預(yù) 先評(píng)估導(dǎo)輪一工 件摩擦副 的功能條件 。 在文獻(xiàn)

7、2 中描述了以無(wú)心外圓磨床為基礎(chǔ)的 試驗(yàn) 臺(tái) ， 它可模擬 工件 被 導(dǎo)輪 摩擦 傳 動(dòng)。在 該文 獻(xiàn) 中還列 出了在加工 軸承鋼和其 它鋼種工件 時(shí)在 摩擦 試驗(yàn) 和導(dǎo)輪磨損試 驗(yàn)的結(jié)果 。導(dǎo)輪為鋼質(zhì)導(dǎo) 輪和樹 脂 、 陶瓷 、 聚氨酯 和橡膠結(jié) 合劑導(dǎo) 輪。在試驗(yàn) 臺(tái)上檢 測(cè) 了在不斷測(cè)量 摩擦 系數(shù) B時(shí)工件 相對(duì) 砂 輪 的滑 動(dòng)速度u 。 特別有趣 的是 當(dāng)滑動(dòng)速度 的符號(hào) 變化時(shí)摩擦 系 數(shù)跳躍式變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ( 見 圖 3 ) 。 當(dāng)u =0時(shí)沒 有滑動(dòng) ， 也就 是 產(chǎn)生 工 件 沿 導(dǎo)輪 的滾 動(dòng)。u的正 值符合工件“ 超前 ” 導(dǎo) 輪 ， 從 而伴 隨著 引起 相對(duì) 工件

8、 旋轉(zhuǎn) 方 向 的滑 動(dòng) 摩 擦 力 。u的 負(fù) 值 符 合 工 件 的 “ 滯后” ， 這 時(shí)滑動(dòng)摩 擦 力沿 工 件旋轉(zhuǎn) 方 向定 向。從 圖 3中可看 出 ， 存 在著 決定 工 件 滑動(dòng)速 度 相對(duì) 導(dǎo)輪 的增 大和減小特性之 間的滯后現(xiàn)象 。 同樣 已確定 ， 當(dāng)無(wú) 滑 動(dòng)時(shí) B值達(dá) 到最 大 值 ， 因 為導(dǎo)輪的磨粒 被擠 人工 件 的表 面 內(nèi) ， 從 而伴 隨著 引 起最大 的咬合力 。 i l i ， i j l i ： y i丁 -I I I l v ， l ! 一 ，一 2 疋，0 a ，廈2 4 州 f l ： ： ： I j 二 ： 、= i l 圖 3在導(dǎo)輪 上的

9、摩擦 系數(shù) B 對(duì) 工 件滑 動(dòng)速度 u的變 化 在文獻(xiàn) 2 中列出了根據(jù)一系列因素( 法向切削 分力 、 工件材料 、 導(dǎo) 輪 的修整 速 度 、 導(dǎo)輪 的材料和 結(jié) 合劑等 ) 實(shí)驗(yàn)確 定導(dǎo) 輪摩 擦 特性 的結(jié) 果 。其 中包 括 已確定 ， 有 相 同粒度 的導(dǎo) 輪 在修 整速 度 3 0 0 mm mi n 時(shí) ， 在 陶瓷結(jié)合劑情 況 B 一 =0 4， 在橡 膠結(jié)合 劑情 況 -t B 一 =0 3 4 ， 在樹脂 結(jié)合 劑時(shí) 為 0 2 5 。在 聚氨酯 結(jié)合劑時(shí) -t B 一 數(shù)值 實(shí)際上 與導(dǎo) 輪 的粒 度無(wú) 關(guān) ( B 一 = 0 20 3 ) 。對(duì) 鋼導(dǎo)輪 B 一 =0

10、 1 7 。 實(shí)驗(yàn)表 明 ， 陶瓷和 樹脂 結(jié)合 劑導(dǎo) 輪 的磨損量 大 于橡膠 和聚氨酯結(jié)合劑導(dǎo) 輪一個(gè) 數(shù)量級(jí) 。隨著橡膠 和聚氨酯結(jié)合劑 導(dǎo)輪 的粒 度增 大 ， 它 們 的磨損 量增 1 2 加不大。 由于強(qiáng) 烈磨 損 ， 不 推薦 采用 陶 瓷和樹 脂結(jié) 合 劑的導(dǎo)輪 。 42 d f b o o 20 0 3 I o 0 0 2D o 30 O - 圖 4在導(dǎo) 輪上 的滑 動(dòng) 速 度 u ( a ) 和 摩 擦 系 數(shù) f B ( b ) 對(duì) 法 向磨削分 力 P N的變化 導(dǎo)輪 的磨損量 與法 向磨 削分力 和滑動(dòng)速度顯著 有關(guān) 。圖 4所示為橡膠結(jié)合 劑導(dǎo)輪 的滑動(dòng)速度 和摩

11、擦系數(shù)與法 向磨 削分力 的關(guān) 系。 利用不 同特 性導(dǎo) 輪 的摩 擦 系數(shù)實(shí) 驗(yàn)數(shù) 據(jù) ， 可保 證 圖 2所示計(jì) 算 圖表 的實(shí) 際應(yīng) 用 ， 它 可確 定在無(wú) 心 外 圓磨 床上的安全工作 區(qū) 。 三、 采用砂 帶的無(wú)心磨削 由于專 門研 究無(wú)心 磨 削的改 進(jìn) ， 提 出 了利用 砂 帶替代砂 輪 3 。 圖 5所示為這 種加工 的示 意圖 ， 柱 形 工件 2靠摩 擦傳 動(dòng)在托板 6上旋轉(zhuǎn) 和移 動(dòng)。摩擦 傳 動(dòng)是靠 導(dǎo)輪 1的軸 線偏 轉(zhuǎn)一 J 角 實(shí) 現(xiàn)的 。砂帶 3 靠接觸 輪 5被 壓 緊在 柱形 工 件上 ， 并 借助 滾輪 4拉 緊 。在該情 況的調(diào) 整 參數(shù) 是 e角

12、和 角 、 f I 角 以及 導(dǎo) 輪 和 砂 帶 的 圓周 速 度 。 6 圖 5利用砂 帶 的無(wú)心 磨削示 意 圖 這種方式早先 被采用來(lái)初加工 棒料和精磨及拋 光小零件 ， 現(xiàn)在廣泛用來(lái) 制造任意 的零件 ， 其 中包括 薄壁零件 、 高精密零件 和對(duì) 表面質(zhì)量要求 高的零 件 ， 以及用來(lái) 加 工余 量 大 的 零 件。 由于采 用 現(xiàn) 代 化磨 料 、 砂帶工作表面新 的涂層方 法 ( 其 中包括通過(guò)有序 配置磨粒 ) 和采用特殊 的堅(jiān)固結(jié)合劑 ， 故達(dá)到很好 的 效果。 用砂帶 的無(wú)心磨 削有一系列優(yōu)點(diǎn) 。可增加機(jī)床 的使用安全性 ?？商?高加工生產(chǎn)率 。促 使這點(diǎn)的不 僅是砂帶 的

13、速度 高 ( 達(dá) 5 0 m s ) 和穩(wěn) 定 ， 軸 向進(jìn) 給 速 維普資訊 2 0 0 2年第 3期( 總第 1 5 1期) 度顯著高 ( 達(dá) 1 8 m m i n ) ， 而且 砂粒 還 可有 效 的定 向。 無(wú) 需 修 整 工 具 。 因 為 砂 帶 與 砂 輪 的 區(qū)別 是 沒 有 不 平 衡度 ， 可顯著減小振動(dòng) 水平 ， 由于在高速 切削時(shí)可較 好的散 出熱量 和 降 低單 位 負(fù) 荷 ， 故 可 減 小 熱 變形 。 所有這些可促使提 高加工精 度。 可控 制加工 表 面的質(zhì) 量 ， 并 在一 臺(tái)無(wú) 心外 圓磨 床上可采用一組不 同的砂帶 。 由于砂帶 和接 觸輪的 更換簡(jiǎn)便

14、 ， 故無(wú)心外 圓磨 床易于重新 調(diào)整。 四、 進(jìn)一步提高無(wú) , b3 b 圓磨床上 的磨 削速度 這趨勢(shì) 是 由于 采用 新 的工 具 材 料 實(shí) 現(xiàn) 的。例 如 ， 立 方 氮 化 硼 砂 輪 可速 度 達(dá) 1 2 0 m s 工 件 。下 表 列 出了用 陶瓷結(jié)合劑砂 輪傳 統(tǒng)無(wú) 心磨 削時(shí) ( A) 和用立 方氮化硼砂輪 高 速磨 削 時(shí) ( B) 的結(jié) 果 比較數(shù) 據(jù) ， 工 序?yàn)榇帜ネ馆嗇S 的軸 頸 ， 余 量為 4 m m： 表 1 加 工方 法 A B 磨 速 度 ， m s 6 3 1 2 0 磨 時(shí) 間 ， 8 2 0 1 2 加 工指標(biāo) 直 徑偏 差 a n 2 O 2

15、0 圓度 ， t a n 1 O 8 表 面粗糙 度 ( R z ) ， 帥 8 4 0 在無(wú) 心精 磨時(shí) ， 采 用 有特 殊涂 層 的 陶瓷結(jié) 合劑 砂輪在一系列情況可保證 速度 的提 高。 五、 無(wú) 心磨 削在 納米工藝 中的應(yīng)用 在機(jī)器 制造 業(yè) 中， 對(duì) 專用來(lái) 制 造特 別精 密的軸 承和光纖通信器材元件 的超精 密無(wú) 心外 圓磨床 的需 求 日益 增 長(zhǎng) 。這 些 零 件 的 允 許 圓度 偏 差 在 l O 3 5 n m范 圍 內(nèi) 。 為提 高類 似要 求 ， 在 無(wú)心外 圓磨床 上應(yīng)實(shí) 現(xiàn)不 連續(xù)的進(jìn)給 ， 并用 納米測(cè)量 ， 而傳統(tǒng) 的電機(jī)一絲杠定 位系統(tǒng) 是不 可 能

16、達(dá) 到 的。必 須 有 新 的技 術(shù)解 決 方 法 ， 應(yīng)保證無(wú)心外 圓磨 床 的進(jìn) 給機(jī) 構(gòu)有 超 剛度 無(wú) 間 隙的結(jié)構(gòu) 和定位 系統(tǒng)所需 的精度 。 在文獻(xiàn) 4 中研究 了以壓電直線電機(jī)為基礎(chǔ)的 無(wú)心外 圓磨床 的超精 密 進(jìn)給 機(jī)構(gòu) 的結(jié) 構(gòu) ， 列 出了它 們 的計(jì)算方法 和實(shí)驗(yàn)研究試 樣的結(jié)果 。對(duì) 壓 電直線 電機(jī)提 出了緊湊 性 和高 剛度 、 大軸 向力 相結(jié) 合 的要 求 ， 納米精度應(yīng)保 證 在所 有移 動(dòng) 范 圍 內(nèi)。壓 電電機(jī) 應(yīng)消除負(fù)荷 的突變。不經(jīng)受 剪應(yīng)力和較 大的拉力 。 目前建立 的壓 電電機(jī) ， 其 剛度 為 2 1 9 0 N t m a ， 行 程長(zhǎng)度

17、為 3 0 t ma ， 輸 出力 為 8 k N、 定位精度為 0 0 0 5 t ma ( 5 n m) 。 六 、 在 無(wú)心磨 削時(shí)檢測(cè) 力的新手段 由于在 無(wú)心 外 圓磨 床 上 的加工精 度高 ， 故 對(duì)檢 測(cè)手段提 出更高 的要求 。符合這些要求 的例如其作 用是 基于聲發(fā)射的高敏感 性儀器 。類似 儀器應(yīng) 具有 l m s的快速動(dòng)作 ， 并可在 寬 廣 的頻 率范 圍 內(nèi)( 5 O 9 5 O k H z ) 獲得振 幅大 大超 過(guò)按 傳 動(dòng)功 率 測(cè)量磨 削力 時(shí) 的信 號(hào) 。 新 型儀 器可用來(lái) ： 在砂 輪靠 近工 件時(shí)處 理精 確 切換速度 的命 令 ； 按 切削力適應(yīng)控

18、制過(guò) 程 ； 控制循環(huán) 以在修整砂 輪時(shí)保證最小去 除磨料 ( 0 2 5 t ma以下 ) ， 從而對(duì)立方 氮化硼砂輪 的無(wú) 心外 圓磨床甚為迫切 。 寬廣 的信號(hào)工作頻率范 圍對(duì) 用立方氮化硼砂輪 高速磨 削特 別重要 。它是靠 用模 擬程序裝置控制 的 濾波器與 復(fù)蓋范圍相聯(lián)合 實(shí)現(xiàn)的。磨削力檢測(cè) 系統(tǒng) 的高敏感性 可瞬時(shí)揭示砂輪單個(gè)磨粒 與工件或砂輪 與修 整工具 的初始 接觸 。早先在 加工時(shí)和修整砂輪 時(shí)采用 的類似 系統(tǒng) ， 因其價(jià)格 高而受到 限制 ， 但近來(lái) 由于完善 了結(jié)構(gòu)故 它們的價(jià)值大 大下降 。 這種檢測(cè)裝置 可 內(nèi)置在砂輪 的平衡 部件 內(nèi)。對(duì) 粗磨 和用單 顆金

19、剛石修 整 砂 輪的工 序 ， 可將 系統(tǒng) 的 傳感器安 裝在砂 輪架殼 體 上或砂 輪 的修 整機(jī) 構(gòu)上 。 當(dāng)對(duì)加工 質(zhì)量的要 求較 高 時(shí) ， 或用 金 剛石滾 輪 以較 小去 除磨 料量修 整 砂輪 時(shí) ， 傳 感器 可 直接安 裝在 砂 輪或 金剛石導(dǎo)輪 的主軸上 。上述裝置 已被美 國(guó)和英 國(guó)公司成功采用于無(wú)心磨削軸承套圈 5 ?；诼?發(fā)射作用 的檢測(cè)和 控制 系統(tǒng) 的采 用 ， 可大大提 高 在 無(wú)心外 圓磨 床上的生產(chǎn)率 和加 工精度 。 七 、 結(jié)束語(yǔ) 這樣 ， 可斷定 新趨勢(shì)的 出現(xiàn) ， 即高生產(chǎn)率 的無(wú) 心 磨削工藝 可采用 在 成批 生產(chǎn) 中， 用來(lái) 制造 超 高精度

20、 的零件 。因此 ， 在 建立 國(guó)產(chǎn) 有競(jìng) 爭(zhēng)力 的無(wú)心外 圓磨 床時(shí) ， 不僅必須 注意早先生產(chǎn) 的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) ， 而且還要 建立新原 理的基于本文研究 的結(jié) 構(gòu)。 參考文獻(xiàn) 1 C 且 B a 螽 c等 Hc c _ a e a o s a r mn 6 e c t t e ml x ) a b tx K p y r n o t t 1 r m t I o mr m r m r x C T a F IK O B C】mH ， 2 0 0 1 ( 8 ) 2 3 2 8 2 H a s h i m o t o F E ff e k t s o f f r i c t i o n a n dw e a r c h a r a c t e r i s t i e s o f r e g u l a t i n g w h e e l O i l c e n te r l e s a g r i n d i n gAb ras i v e s C e n t e r l e s s g r i n d i n g，c o a t e d a b r a s i v e s一 Au g2 0 0 0 一 P 8 1 5 3 Me