磨削技術(shù)發(fā)展趨勢

■漢諾威Leibniz大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)中心制造技術(shù)和工具機(jī)床（IFW）研究所 BEREND DENKENA教授

磨削技術(shù)發(fā)展趨勢

■漢諾威Leibniz大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)中心制造技術(shù)和工具機(jī)床（IFW）研究所 BEREND DENKENA教授

摘要：對于泵、汽輪機(jī)和汽車制造，從能效方面來說，表面設(shè)計(jì)將成為關(guān)鍵技術(shù)。將創(chuàng)新的方法（如：仿生微結(jié)構(gòu)）用于表面設(shè)計(jì)是可能的。為了使加工制造規(guī)劃符合高能效要求，將采用多種方法，例如：優(yōu)化切削液供應(yīng)以及使用全新驅(qū)動方案或刀具。

老齡化社會、生態(tài)、移動性、個性化以及城市化是當(dāng)前人們的談話熱點(diǎn)。這些熱議主題對加工技術(shù)有著深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)橛纱藢⑿纬尚碌氖袌觯系氖袌鰧⑾觯⑹怪攸c(diǎn)轉(zhuǎn)移。平均國民年齡越來越高，人們對于生態(tài)環(huán)保方面的意識也在不斷提高，這對于加工技術(shù)有著尤為重要的意義。老齡化社會將會導(dǎo)致醫(yī)療產(chǎn)品需求上升，從而使難切削材料的比例增大。為了能滿足這些高需求，必須在生產(chǎn)效率和自動化程度方面對現(xiàn)在的加工工藝進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

加工能效

人類行為應(yīng)符合生態(tài)要求，這個方面的意識在不斷提高，這直接和間接地影響著加工技術(shù)。這帶來的直接后果就是，現(xiàn)在不僅要關(guān)注經(jīng)濟(jì)性，還要對加工能效進(jìn)行考量。為了使加工制造規(guī)劃符合高能效要求，將采用多種方法，如：優(yōu)化切削液供應(yīng)以及使用全新驅(qū)動方案或新工具。除了這些直接影響外，還有一系列間接影響，因?yàn)槭袌鲂枰吣苄Мa(chǎn)品。對此可從流體機(jī)械（如：泵或汽輪機(jī)）以及汽車中察覺到。在泵和電站制造行業(yè)，為了能進(jìn)一步提高效率，花費(fèi)了大量人力、物力，從而使需加工表面的復(fù)雜性增大。為了降低汽車油耗，汽車制造商使用了高科技發(fā)動機(jī)技術(shù)。同時，針對舒適性和發(fā)動機(jī)性能的要求也在提高。

為了適應(yīng)針對產(chǎn)品和零件的這些不斷提升的要求，表面設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。提高表面質(zhì)量將使摩擦損耗降低，采用所形成的微觀結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)額外的功能，改善邊緣區(qū)域則可提升使用壽命。

在超硬材料和難切削材料被頻繁使用這一背景下，磨削技術(shù)就有尤為重要的意義。只有在對流程有了必要的了解并根據(jù)待加工材料和表面的目標(biāo)幾何尺寸使用正確的刀具和正確的流程策略情況下，才能完成“定制表面”。在本報(bào)告中將對所面臨的挑戰(zhàn)加以介紹，并對選擇正確刀具和理想流程策略所用方法進(jìn)行探討。另外還將展示如何才能通過對刀具和策略設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)組合使創(chuàng)新的產(chǎn)品效率提升方案得以實(shí)現(xiàn)。

磨具特性

磨具特性將對應(yīng)用行為、表面質(zhì)量、零件邊緣區(qū)域以及生產(chǎn)效率產(chǎn)生巨大影響。砂輪特性將由切削材料類型、粒度大小以及磨粒密度和粘結(jié)劑特性決定。為了加工脆硬材料，將主要使用金剛石作為切削材料。在選擇相關(guān)粘結(jié)劑時必須確保磨粒的所有潛力都得到利用。為了進(jìn)一步提高金剛石砂輪的性能，金屬粘結(jié)劑材料的潛力十分巨大。

金屬粘結(jié)劑耐磨損、耐高溫，并擁有很高的熱傳導(dǎo)能力。在同時采用多孔結(jié)構(gòu)時能實(shí)現(xiàn)“冷態(tài)”磨削。這能使內(nèi)部壓應(yīng)力顯著提高。為了能在磨削時加工出Ra＝0.1μm的表面質(zhì)量，必須使用很小的磨粒。但是，降低磨粒大小會使磨粒表面以及磨粒保持力降低。通過針對性地調(diào)整燒結(jié)參數(shù)可克服這一現(xiàn)象。

流程策略

在選擇了正確的砂輪屬性后，設(shè)計(jì)正確的磨削策略對于達(dá)到表面設(shè)計(jì)要求有著決定性的意義。也許是出于美學(xué)方面的原因，或者是為了優(yōu)化流體表面，或者是因?yàn)樾碌膽?yīng)用（如：膝關(guān)節(jié)植入物），需加工自由曲面的比例也在增加。為了經(jīng)濟(jì)地加工出具有高表面質(zhì)量和低形狀公差的自由曲面，需要使用合適的磨削策略。與三軸加工相比，通過將砂輪置于與進(jìn)給運(yùn)動呈直角的位置加上曲面法向加工就可獲得恒定的嚙合條件，從而能實(shí)現(xiàn)更高的形狀精度以及更高的切削能力。通過將磨具置于進(jìn)給方向，還能使零件表面粗糙度顯著下降，因?yàn)榍邢魉俣群瓦M(jìn)給速度不指向同一方向，砂輪形貌的影響將下降。在采用定形切削刃切削方面，很久以來，五軸加工就已是代表性技術(shù)，并在行業(yè)中被廣為使用。目前，五軸磨削是受推崇方案的代表，它是專門為應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。迄今為止，所使用的CAD/CAM程序是為定形切削設(shè)計(jì)的。而將此軟件用于五軸磨削加工將給自己帶來一些問題。程序分辨率不能滿足磨削加工需求。這可能會造成工具路徑包含不希望有的拐點(diǎn)或者未定義的點(diǎn)，這會在磨削時造成輪廓偏差。另外，CAD/CAM程序忽略工具磨損，它從理想化狀態(tài)出發(fā)，而不是修整后所具有的工具幾何尺寸。對磨損或?qū)嶋H工具形狀加以考慮有可能使輪廓精度得到提高。

在采用由合適的砂輪屬性和磨削策略組成的最佳組合時，也有可能將創(chuàng)新的方法用于表面設(shè)計(jì)，如：仿生微結(jié)構(gòu)。

仿生結(jié)構(gòu)中一個很好的例子是肋條狀皮膚組織，它仿照了鯊魚皮結(jié)構(gòu)，它能把近壁面摩擦最多降低10%。在用于流體機(jī)械時，如：泵、蒸汽輪機(jī)或航空引擎，這可使效率得到明顯提高。微結(jié)構(gòu)寬度不超過20μm，高度為10μm，并且必須沿流體方向排列。

通過自由曲面實(shí)現(xiàn)高效

與流體相關(guān)的表面采用了自由曲面，從而進(jìn)一步提高效率，其中，流體在自由曲面上彎曲流過。通過將微磨粒嵌入金屬粘結(jié)劑并采用適宜的燒結(jié)參數(shù)，可按照磨削技術(shù)要求制造出所需結(jié)構(gòu)尺寸。通過使用五軸磨削策略可制造出能磨削自由曲面上凸起微結(jié)構(gòu)的磨具。對此必須使砂輪幾何尺寸與磨具軌跡半徑和工件彎曲度相匹配。

收稿日期：（20141208）