杭州機床集團公司 姚 峻 駱廣進

強力成形磨削概述及我國強力成形削的發(fā)展與應用 （一）

杭州機床集團公司 姚 峻 駱廣進

強力成形磨削也稱為緩進給成形磨削，是一種先進的磨削工藝。這種先進工藝是上世紀60年代由德國ELB磨床公司發(fā)明，在隨后半個多世紀的應用中，風靡全球，長盛不衰，并且技術不斷進步。有關技術資料表明，德國的ELB磨床公司率先開發(fā)了緩進給成形磨削先進工藝并在較短時間內推出技術上比較成熟的機床，從而使這項先進加工工藝得以在工業(yè)界推廣。此后，德國的BLOHM公司、JUNG公司、aba公司、瑞士的MAEGERLE公司都相繼開發(fā)出采用緩進給的輪廓成形技術，還進一步推廣到美國、法國、意大利、日本等工業(yè)發(fā)達國家，大大拓寬了平面磨床的加工領域，成功地使平面磨削的加工范疇跳出 “平面”，而成為表面磨削，也就是英文 “surface”的概念，可以磨削形狀輪廓各異的工件。從平面到表面，這實在是一個具有重要意義的工藝革命，是一大技術創(chuàng)新。隨著數(shù)控技術的進步，緩進給強力成形磨削技術也得到進一步的發(fā)展，并不斷擴大和拓展應用領域，把這種先進工藝推廣到包括航天、航空、汽車、精密機械加工等工業(yè)部門，成為加工諸多新型的難加工材料的重要手段。對緩進給強力成形磨削而言，某一個工件的成功磨削就能拓展一個領域，就能為這個領域的用戶承擔交鑰匙工程，在提供先進裝備的同時還提供了先進的加工工藝，為用戶創(chuàng)造可觀的經濟效益。國外先進工業(yè)國家在強力磨削推廣應用方面已做了大量工作，為我們的發(fā)展提供了許多可以借鑒的經驗與實踐。

1 強力成形磨削概述

1.1 強力成形磨削的概念

強力磨削是以增大進給量或磨削深度為手段的一種高效磨削方法，可以分為大進給和緩進給兩種。強力成形磨削指的就是緩進給深切成形磨削，屬于強力磨削的一種。緩進給成形磨削工藝是以很低的工作臺速度 （10mm/min～500mm/min）、很大的切削深度 （磨削深度可達十幾毫米，甚至幾十個毫米），用一次或數(shù)次進給完成工件磨削的先進工藝。采用這種工藝可直接由鑄鍛件毛坯不需經過其它加工，一次磨出工件所要求的表面幾何形狀和尺寸要求。因此，強力成形磨削可以替代部分銑削、車削、刨削，尤其適合于加工各種成形表面和溝槽以及難加工的耐熱合金材料，還可以磨削工程陶瓷等非金屬硬脆材料。因此，在現(xiàn)代工業(yè)中它的應用范圍十分廣泛。

1.2 強力成形磨削的優(yōu)點

（1）生產效率高

與普通往復式磨削相比，由于強力成形磨削的進給量大，每次或每轉的切削深度比普通磨削大100～1000倍，砂輪與工件接觸弧比常規(guī)往復式磨削長10~20倍，因此在單位時間內同時參加磨削的磨粒切削刃的數(shù)目相應增加，從而提高了金屬切除率。一般說來，強力成形磨削的加工效率是普通磨削的3～5倍以上。

（2）砂輪磨損小，耐用度提高，保證良好的工件成形精度

在進行常規(guī)往復式磨削時，由于工作臺每次行程砂輪就要與工件邊緣撞擊一次，因此砂輪很快會磨損。而在進行強力成形磨削時，由于工作臺行程僅一次或數(shù)次，砂輪與工件邊緣撞擊次數(shù)少，因此砂輪磨損要小得多。而且，因工作臺速度低，砂輪慢慢切入工件，大大改善了磨削條件，最終提高了工件的成形精度。由于砂輪輪廓形狀保持性長，使加工零件的精度比較穩(wěn)定，表面粗糙度一般可達Ra0.32μm。加工后零件的表面殘余應力比普通磨削小30%～50%。

（3）節(jié)省加工費用

采用強力成形磨削，可以直接由鑄鍛件毛坯一次磨削成形，減少了前道工序，從而縮短了加工時間，節(jié)省了加工費用。

（4）可以加工難加工材料

強力成形磨削方式應用廣泛，適用于磨削各種復雜型面、溝槽，特別是難切削加工的耐熱合金零件，比如形狀復雜的渦輪葉片根部型面。

1.3 強力深切緩進給磨削對機床的要求

（1）由于切入量大，要求機床磨頭電機功率比往復式磨床大，一般至少在10kW以上，許多成形磨床的磨頭電機功率高達數(shù)百kW。

（2）砂輪回轉速度，要能夠根據工件材質和砂輪大小對砂輪主軸實現(xiàn)無級變速。通常，變速范圍為 500r/min～5000r/min。

（3）工作臺的速度通常應在20mm/min～500mm/min范圍內穩(wěn)定，且無爬行，應設有快速返程裝置。

機床的工作臺縱向驅動，可用液壓驅動，也可采用機電一體化原理，傳動方式有多種，有滾珠絲杠和伺服電機、蝸輪蝸桿傳動、同步齒型帶傳動，近年來還出現(xiàn)直線電機傳動等形式。但是，用得最普遍的是采用滾珠絲杠和伺服電機驅動。

（4）強力成形磨床的機床總體剛性要好，能承受比普通往復式磨床大得多的磨削力。

（5）機床應具有良好的冷卻功能，必須采用高壓水泵對磨削區(qū)進行強迫冷卻。為了安全防護起見，這類機床均采用全封閉防護罩殼。

1.4 強力成形磨削的工藝要點

（1）強力成形磨削的砂輪磨料選擇

強力成形磨削要選用疏松的大氣孔砂輪，因為采用大氣孔砂輪，有利于從砂輪表面去除磨屑。

強力成形磨削用的砂輪一般采用陶瓷結合劑砂輪，因為這種砂輪結合強度高，輪廓保持性好，并能形成氣孔。與此同時，陶瓷結合劑還具有良好的耐熱、耐水和耐腐蝕的性能，適于使用各種冷卻液。

強力成形磨削用砂輪磨料粒度的選擇取決于被磨削表面的粗糙度要求、工件型面精度、R的大小以及砂輪修整方式。砂輪硬度在強力成形磨削的加工工藝中是一個很重要的技術參數(shù)。對于緩進給的強力成形磨削來講，要求砂輪有很好的自銳性能。如果砂輪硬度較高，自銳性差，很容易使零件表面燒傷。因此，一般強力成形磨削選用的砂輪，要比常規(guī)往復磨削砂輪軟。

（2）強力成形磨削砂輪輪廓的成形與修整

在進行強力成形磨削時，砂輪輪廓的成形和修整技術十分關鍵。成形砂輪的常用的修整器有單點金剛筆、鋼擠輪、金剛石滾輪等，近年來修整盤的應用日趨廣泛。單點金剛石修整筆可用于直線、角度和成形修整，通常放置在磨頭的上方。修整速度由變速電機作無級調速。在數(shù)控技術廣泛應用前，多采用機械式仿形修整，最著名的是英國Diaform仿形修整器。隨著CNC技術在機床上的廣泛應用，通過三坐標聯(lián)動按工件輪廓形狀修整砂輪就十分方便。

在強力成形磨削中，應用最多的當屬金剛石修整滾輪。這種成形修整方法具有使用壽命長、修整速度快、型面精度保持性好以及修整力小、砂輪型面不易被軋碎等優(yōu)點。根據金剛石滾輪的安裝位置分為二種，一種是裝在磨頭上，稱為頂置式修整；另一種是裝在工作臺上，稱為底置式修整。自上世紀80年代以來，國外采用了連續(xù)修整砂輪方法，簡稱為CD修整法。采用這種修整法，砂輪不是在磨削周期之間修整，而是在磨削過程中用金剛石滾輪進行連續(xù)不斷的修整。金剛石修整滾輪和砂輪始終保持接觸，使砂輪始終處于銳利狀態(tài)，從而提高了工件的輪廓精度和加工效率。

（3）強力成形磨削的冷卻

在進行強力成形磨削時，由于產生的磨削熱量大，因此消除大量磨削熱是提高磨削質量和效率的必要手段。實踐證明，磨削熱中絕大部分熱量都要由冷卻液帶出，因而必須增大冷卻水的流量和壓力以提高冷卻效果。

（4） 磨削方式

強力成形磨削有二種磨削方式，即順磨和逆磨。工件運動方向和砂輪旋轉方向不一致的稱為逆磨。在一般情況下，多選用順磨。

2 國內強力成形磨削技術的發(fā)展

2.1 國內緩進給成形磨床的發(fā)展較遲緩

盡管早在上個世紀的70年代就試制出緩進給成形磨床，如北京第四機床廠、天津市磨床廠、航空部的新藝機械廠等廠家曾相繼開發(fā)出一批不同檔次的緩進給成形磨床。天津市磨床廠制造的MKL7132、MKL7175等型號的數(shù)控緩進給成形磨床等產品，可用于瓦楞輥、機車連桿齒型等的加工；新藝機械廠生產的數(shù)控緩進給成形磨主要用于量刃具行業(yè)磨削游標卡尺等工件的磨削加工。杭州機床廠在上世紀80年代開發(fā)成功一批專用的強力成形磨床。漢江機床廠也能生產少量的專用成形磨床，用于轉子槽等工件的磨削。但這些產品從總體上看，技術水平、工藝應用、自動化程度尤其是砂輪成形修整技術、機床控制水平等關鍵技術，與國外水平存在較大差距，致使這類機床在較長的時期內基本依賴進口。

2.2 機床制造廠與用戶之間的 “踢球”矛盾

長期來，由于國內沒有技術過硬的強力成形磨床產品的批量生產，強力成形磨床就難以在國內得到較廣泛的推廣應用。制造廠從自身產銷角度出發(fā)，不愿先投入開發(fā)成本，一味要求用戶先定貨，才能投入研發(fā)力量；而用戶廠則從自己經濟效益考慮，要求看到機床實物才肯下單，以避免采用新工藝的風險。在采用國產機床不確定因素較多的情況下，寧愿花費較多的資金進口。在這樣的情況下，生產與使用雙方處于膠著狀態(tài)，強力成形磨床的發(fā)展速度自然很慢。

強力成形磨床是工藝性極強的機床，制造廠要投入大量的人力物力，每一只關鍵零件的加工就代表了某一個行業(yè)的技術突破。在國家沒有出臺支持鼓勵機床行業(yè)發(fā)展政策的時候，機床制造廠攻關的積極性不高。

2.3 近年來以杭機為代表的國產強力成形磨走上發(fā)展快車道

近年來，國家逐步重視裝備制造業(yè)的發(fā)展，出臺了一系列扶植機床工業(yè)發(fā)展的政策和措施。國內以杭機為代表的強力成形磨生產廠抓住這個難得的歷史機遇，積極調整磨床產品結構，提升產品的技術含量，跳出平面磨床狹窄的 “平面”空間，走向更廣闊的 “表面”輪廓成形加工的新天地。

2001年以后，杭州機床集團公司化大力開發(fā)出一批高檔的數(shù)控強力成形磨床，如MKLD7140雙磨頭強力成形磨、能加工航空發(fā)動機葉片的七軸五聯(lián)動數(shù)控的MKL7150×16/2型強力成形磨、MKH450成形磨削加工中心以及通用性較好的MKL7132、MKL7120×6等型號的強力成形，用于磨削汽車轉向齒、轉子槽、工量具、瓦楞輥、鋼鐵行業(yè)的剪刃、輕工行業(yè)的剃須刀等，占領了國內數(shù)控強力成形磨床制造領域的制高點，其中的許多機床都是國內首臺機床，打破了工業(yè)發(fā)達國家對我們的限制和壟斷。這些機床的生產除了創(chuàng)造了可觀的經濟效益以外，其社會效益非常好，正是由于我們能自行制造高檔次的強力成形磨床，才大大抑制了進口同類機床的高價，為國內用戶節(jié)省了大筆的設備購置費用，而且其中一些品種國外對我們是限制進口的。這些機床與國外同類產品相比，技術水平接近，可以替代進口，而產品售價僅是同類進口機床的1/3~1/5，在機床性價比上有較大的優(yōu)勢。近年來，西安航空發(fā)動機公司、沈陽黎明航發(fā)集團、株洲南方航空動力公司、上海寶鋼等一批高端用戶，在國內外招投標項目中紛紛選用杭機的產品，用于加工航空發(fā)動機精密零件、難切削零件的成形加工，打破了國外廠商的技術壟斷。

圖1 MKLD7140雙磨頭強力成形磨

圖2 國內首臺MKH450成形磨削加工中心

圖3 七軸五聯(lián)動數(shù)控的MKL7150×16/2型強力成形磨

（未完待續(xù)）