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        軸承行業磨加工:高速磨削的技術關鍵
        作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:91
        1. 高速主軸 高速磨削時對砂輪主軸的基本要求與高速銑削時相似,各種主軸的類型、結構及其優點缺點可參見“高速切削的技術關鍵”的“高速主軸”。 與高速銑不同之處在于直徑一般大于銑刀的直徑。由于制造和調整裝夾等誤差,更換砂輪或者修整砂輪后甚至在停車后重新起動時,砂輪主軸必須進行動態平衡。所以高速磨削主軸須有連續自動動平衡系統,以便能把由動不平衡引起的振動降低到最小程度、保證獲得低的工件表面粗糙度。 目前市場上有許多不同的動平衡系統產品,主要有下列兩類:機電動平衡系統和 電波動平衡系統。 (1)機電動平衡系統如圖1所示,它由兩塊內裝電子驅動元件并可在軸上相對轉動的平衡重塊3,緊固法蘭2和信號無線傳輸單元1組成。整個平衡系統構成一個完整的部件,裝在磨床主軸4內,如圖2所示。進行動平衡時,主軸的動不平衡振幅值由振動傳感器測出,動不平衡的相位則通過裝在轉子內的電子元件測量。相應的電子控制信號驅動兩平衡塊1作相對轉動,從而達到平衡的目的。這種平衡裝置的精度很高,平衡后的主軸殘余振動幅值可控制在0.1~lμm。該系統的平衡塊在斷電時仍保持在原位置上不動,所以停機后重新起動時主軸的平衡狀態不會發生變化。電液平衡系統的原理如圖3所示,振動傳感器裝在主軸箱上,帶有噴口的法蘭裝在主軸端部,一個具有三個或四個空腔的平衡環固定在轉子上。進行平衡時,控制系統根據振動不平衡的幅值和相位向相應的空腔噴射液體。該液體一般為磨削用的冷卻潤滑液,萬一空腔有泄漏也不會影響機床正常工作。主軸停止轉動后,噴入空腔的液體仍然保留在原來的地方,主軸重新起動時,平衡狀態不會發生變化。為了維持主軸和砂輪一直處于最佳平衡狀態,則可啟動自動平衡程序,對主軸進行連續啟動平衡。高速磨制的另一個特點是主軸功率損失隨轉速的提高呈超線性增長,如圖4所示。當切削速度由80m/s提高到180m/s時,主軸的無功功率從不到20%增至90%以上。構成無功功率的三個分量中,由冷卻潤滑液引起的損耗占最大比重。主要原因在于提高切削速度時,砂輪與冷卻潤滑滾之間的摩擦急劇加大,另外把冷卻潤滑液的質量加速到更高的速度也需要消耗能量。由于高速范圍內電機驅動是以恒功率方式工作,因而當主軸轉速提高時。主軸的輸出轉矩相應減少。同時主軸的無功功率急劇增加,使主軸可用的切削轉矩大幅度減少。因此,在提高主軸轉速時,必須考慮主軸是否還有足夠的轉矩用于切削。換言之,主軸功率不高時,即使提高主軸轉速也不能提高材料切除率。為此必須設法降低無功功率。實驗證明,無功功率不但與轉速有關,而且還與砂輪的直徑有關。圖5是用不同砂輪直徑時,各種切削速度下的無功功率。當切削速度為400m/s時,若采用直徑為350mm的砂輪,無功功率損耗為17kW,而用直徑為275mm的砂輪,功率損耗可降至13.5kW。也就是說,采用較小的砂輪時,可以有更多份額的功率用于磨削過程。2.高速磨床結構 高速磨床除具有普通磨床的一般功能外,還須滿足如下的特殊要求: l)盡可能組合多種磨削功能,實現在一臺磨床上能完成全部的磨削工序。 2)高動態精度、高阻尼、高抗振性和熱穩定性。 3)高度自動化和可靠的磨削過程。 提高生產率一般有兩種途徑:一是降低切削過程的時間;二是縮短輔助時間。在工件形狀比較簡單且加工步驟較少時,提高切削速度,減少切削時間是一種十分有效的措施。但當工件形狀復雜,加工步驟很多時,除了減少切削時間外,還須縮短輔助時間才能達到提高生產率的目的。 圖6是德國Schaudt公司生產的高速曲軸磨床(型號CR41CBN)。主軸箱裝在十字滑臺上,滑臺的導軌為液體靜壓支承,以提高支承面的阻尼和剛性?;_由液體靜壓絲杠驅動,以降低摩擦阻力和提高滑臺的動態特性。工件軸由伺服電機驅動并裝有精密角度編碼測量系統,構成了數控的C軸。磨床主軸為電主軸,可進行無級變速。所用的砂輪磨料為立方氮化硼,切削速度可達165m/s。在該磨床上加工曲軸時,曲軸毛坯不必進行車、銑等粗加工,精鍛或精鑄后的曲軸坯件可直接由磨削加工到最終尺寸。由于該磨床的X、Z和C軸為數控聯動,故加工連桿軸頸時,只需由X和C軸聯動插補即可,而不必像普通磨床那樣,磨削連桿軸頸時需把曲軸裝夾在偏心夾具上,在加工不同方位曲拐時,只需主軸箱在Z向作相應移動,而不需重新更換夾具或移至其他有相應夾具的磨床上去加工。因此采用高性能的曲軸磨床可大幅度地縮短切削時間、并把輔助時間降低至最低程度。該機床采用先進的數字伺服驅動系統,以確保聯動插補加工的形狀精度和位置精度,并采用在線測量系統以保證各軸頸的尺寸精度。圖7為在該機床上加工的曲軸圓度誤差,精度接近lμm,遠低于一般設計要求的3μm。圖8是德國Jung公司生產的高速平面磨床,它的基本結構與普通平面磨床相似,所不同的是切削速度可達125m/s,工作臺的往復運動可以達到1000st/min。此種機床特別適合于加工精度要求很高的較薄的工件。因為薄工件易變形,故需減小磨削力。提高磨削速度是一種有效的方法,但磨削速度不可能無限制地提高,它受功率損失和振動的制約。圖中的機床工作臺由直線電機驅動,其往復頻率提高到普通磨床的十倍以上。在切削余量相同時,由于往復領率提高。每次往復的切入深度相應減少,從面減少了磨削力,也有利于控制工件的尺寸精度。3. 高速磨削砂輪 高速磨削砂輪必須滿足下列要求: l)砂輪基體的機械強度必須能承受高速磨削時的切削力。 2)高速磨削時的安全可靠性。 3)外觀鋒利。也就是說,磨粒突出高度要大,以便能容納大量的長切屑。 4)結合劑必須具有很高的耐磨性,以減少砂輪的磨損。 高速磨削砂輪的基體設計必須考慮高轉速時離心力的作用,并根據應用場合進行優化。為了提高砂輪的通用化程度,必須統一砂輪與法蘭的連接部位的形狀和尺寸,并根據強度要求進行優化。 圖9是砂輪基體的一個有限元在高速旋轉時的受力狀況?;w內各點的應力和應變可通過數值方法進行計算。根據基體的強度要求,它在旋轉時的徑向和切向的應力盡可能相等,以此找出基本的最佳輪廓。德國亞琛大學的Konig教授在1990年對切削速度為500m/s時的砂輪基體最佳孔附近的應力可降低到25%,基體邊緣的應變降低到35%。圖10是優化后的砂輪基體外形,優化的部位有法蘭接合部,基體輪廓和螺釘孔的數量與分布。優化的基體沒有單獨的大的法蘭孔,而是用多個小的螺孔代替,以充分降低基體在法蘭孔附近的應力?;w外緣的尺寸則主要根據應用場合而定。除了機械強度外,還必須考慮砂輪曲軸向剛度。高速磨削砂輪的磨粒主要是立方氮化硼和金剛石,所用的結合劑有多孔陶瓷和電鍍鎳。隨著高速磨削的進一步推廣和科研的深入,新型的磨粒和結合劑也在不斷地出現。 普通的立方氮化硼砂輪的磨粒多為結實的八面體,磨削過程中,磨粒的形狀保持不變。由于磨粒磨損導致磨粒與工件的接觸面增大,從而使磨削力不斷增加,最后導致必須進行修整。瑞士的Winterthur公司最近研制出一種新的立方氮化硼磨粒,它的基本形狀是四面體,在磨削力增大到一定程度時會產生分裂,從而形成新的鋒利的切削刃。這種磨粒呈規則的幾何形狀,在制造時特意設計了許多與起始切削刃平行的分裂面。由于這種磨粒的形狀有明顯的負前角,所以切削過程中十分鋒利。磨削合金工具鋼對可有效地降低切削力和切削溫度,在保持砂輪壽命不變時,可以提高材料的切除率和工件的精度。 電鍍結合砂輪是高速磨削時最為廣泛采用的一種砂輪。砂輪表面只有一層磨粒,其厚度接近磨粒的平均粒度,制造時通過電鍍的方式將磨粒粘在基體上,所以這種砂輪十分有利于高速磨削。另外,電鍍結合的砂輪磨粒的突出高度很大,能夠容納大量切屑,而且不易形成鈍刃切削,對高速切削十分有利。此外,單層磨粒的電鍍砂輪的生產成本較低。由于砂輪的輪廓只取決于基體的形狀,所以可制成外形復雜的砂輪,與普通砂輪相比,電鍍砂輪不需燒結時所用的模具,單件小批生產時也不會增加制造成本。 在使用過程中,電鍍結合砂輪的優點是只有一層磨粒,因而不需進行修整,從而可節省昂貴的修整裝置和難以掌握的修整工時。它的缺點在于使用時必須進行精心調整,以減少砂輪與主軸間的不同軸度。其次電鍍結合砂輪在使用的初期其切削特性在不斷變化,工件的表面質量不很穩定,為了解決這一問題,新砂輪在裝上機床上必須首先進行細致的人工磨礪,使砂輪的切削面在使用時立即進入穩態切削,并可改善砂輪的回轉精度以降低工件的粗糙度。 除電鍍結合砂輪外,高速磨削也有用多孔陶瓷結合劑砂輪。這種結合劑為純粹的人造材料,它的主要成分是再結晶玻璃。由于它具有很高的強度,所以制造砂輪時結合劑的用量很少,從而減少了結合劑在砂輪中所占的容積比例。理論上講,結合劑不產生切削作用,所以它的比例越小越好。采用這樣的新型合成結合劑制造立方氮化硼砂輪時,所需爐溫比常規砂輪低,可以保證不影響CBN的強度和硬度。 為了保證砂輪在整個使用壽命中保持鋒利,砂輪的結構須有利于磨粒分裂,維持自礪過程,要達到砂輪自鋒利的目的,除了盡量降低結合劑的比例外,還要優化磨粒的空間分布。圖11是帶自然孔的普通砂輪與帶人造孔的新型砂輪結構的對比,后者磨粒間的氣孔由發孔劑生成,在相同的面積內,可以明顯地減少磨粒的數量。當切削力不變時,分攤在每一磨粒上的力相應增加,利于促進磨粒分裂和砂輪自礪的形成。通過計算機程序可算出各種磨粒分裂時作用在單個磨粒上的力,從而可準確地確定結合劑的比例。4.冷卻潤滑系統 在推廣采用高速磨削過程中,往往對冷卻潤滑系統未給予足夠的重視,但它的優劣,常常能夠決定整個磨削過程的成敗。 冷卻潤滑系統由冷卻潤滑液、泵、過濾器等組成,對高精度磨削還需有溫度控制系統以確保冷卻潤滑液的溫度恒定。 冷卻潤滑液的功能是提高磨削的材料切除率,延長砂輪的使用籌命,降低工件表面粗糙度。它在磨削過程中必須完成四大任務,即潤滑、冷卻、清洗砂輪和傳送切屑。故它必須滿足以下的技術要求: 1)較高的熱容量和導熱率,以提高冷卻效率。 2)能承受較高的壓力。 3)良好的過濾性能,防腐蝕性和附著力。 4)較高的穩定性,不起泡,不變色。 5)對健康無害,易于清洗。 6)有利于環境保護,易于處理。 高速磨削時的冷卻得是來供應系統(泵、管路和水箱)必須同樣進行優化。圖12是砂輪在周向清洗冷卻時的受力情況。當砂輪圓周速度接近冷卻液的出口速度時(圖12c),液流束帖附在砂輪約1/12的圓周上,就冷卻與潤滑而言,這種條件下效果最好。但此時清洗砂輪的效果很小,因為液流束與砂輪的相對速度接近于零。為了能夠沖走殘留在結合劑空穴中的切屑,冷卻潤滑的出口速度ω1必須大于砂輪的圓周速度υs,故就沖洗效果而言,圖a最佳,圖b次之,圖c則較差。冷卻潤滑液對砂輪的制動力G的計算式列于圖中,在相同的噴射角α1下,圖c引起的制動力最大,圖a則可能出現助推力。冷卻潤滑液的在噴嘴出口的速度與噴嘴的幾何尺寸無關,只取決于泵的壓力。在一定的泵壓力下、根據體積守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速度ω1。圖13示出在不同泵壓力下冷卻潤滑液能達到的出口速度,為了有良好的清洗砂輪作用,應使液流出口速度高于砂輪圓周速度,例如切削速度為120m/s時,泵的壓力就應大于70×105Pa。否則,不僅清洗作用減弱,而且由于冷卻潤滑液與砂輪接觸時,要靠砂輪帶動液流加速,產生了對砂輪的制動作用。從圖4也可看到,由于砂輪速度提高,由清洗砂輪液流產生的制動力及摩擦力引起的功率損耗隨之加大,進一步說明應對冷卻潤滑系統重視?;仡櫰袼M行的高速磨削的探索,當實驗的磨削速度超過150m/s時,都未能取得全部預期的效果。究其原因冷卻潤滑系統是一個主要因素。大多數實驗中雖然使用了大流量冷卻潤滑液,但是所用的泵壓力普遍偏低,多數不超過20×105Pa,所以離沖洗砂輪所需的壓力相差甚遠。由于砂輪的容屑空間得不到清洗,在磨削過程中極易堵塞、引起磨粒發熱磨損和切削力增加。由此可見,高速磨削時,提高冷卻潤滑系統泵壓力的重要性
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