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磨具磨料 |
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双侧平面磨削的最佳过程控制 |
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作者：Frank Runkel 来源：弗戈工业在线 |
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进一步研发设有传感元件和数据传送功能的高效磨削刀具及其工艺数据监控系统，可以使行星运动方式的双侧精密平磨流程达到最佳化。 
优化了的球面外形降低了接触面积，在采用行星传动方式和新型流程数据收集系统的双侧平面磨削过程中，可以达到更高的磨削效率和工件上的更少热量导入
采用行星运动的双侧平面磨削主要用于对扁平工件的精密平行功能平面进行加工。由于加工工艺非常灵活，因此可接受加工的工件材料范围极广，工件的几何外形也可以多种多样，例如齿轮、挡环和垫片、转位刀片和圆盘刀等。工件在一个工序上双侧同时接受两个设有衬层的环形磨削盘的磨削。通过对刀盘进给力的控制，可以很好地维持材料切割所需的正常力，而不受工件厚度的影响。由此，工件可以在不受压的情况下被引向行星齿轮箱中围绕设备中心运行的砂轮（图1）。
图1 AC700-F型双侧扁平磨床的运动原理
通过这种行星传动机构原理，工件在磨削加工过程中勾勒出循环轨迹，如图2所示。刀具与工件之间的这种相互运动，可以使金刚石层达到很均衡的载荷，材料磨削也很平整。这是精密平面加工所必需的。由此可以实现其他平面磨削无法达到的良好的尺寸精度、平面度和平行度等加工结果。
图2 用于设计行星运动速率的模拟轨迹形状
a 双侧面磨床；b 行星运动；c 轨迹形状
多种因素影响磨削效果
如同其他磨削工艺，双侧平面磨削结果也会受到众多因素的影响。需要考虑到的主要影响因素见图3所示。如果工件的所有特征均得到设定，则设备在规格和驱动功率等方面必须作相应的设计。尤其是在加工难切割材质的大型工件时，如果砂轮的驱动功率设计过小的话，则加工作业会受到很大的制约。一旦磨削盘直径设计与工件规格不相匹配，虽然采取行星传动机理，也会使得磨削衬层磨损不均匀，从而影响加工的结果。
图3 可影响到磨削结果的影响因素
如果磨削刀具和所采用的冷却润滑剂与加工工件不匹配的话，则双侧扁平磨床的优势就得不到充分的发挥。唯有充分考虑到所有影响因素，方可通过设定合适的作业参数获得理想的加工结果。
选择正确的工艺参数是关键
工艺设定或正确选择工艺参数，同样是圆满完成加工任务的关键。这里，两个砂轮和驱动叶轮盘运行的内销环的转速非常重要。这是因为转速关系直接决定了工件在刀盘衬层上的磨削轨迹。只有工件运行轨迹近似地覆盖衬层的所有区域，方可使刀具达到所希望的均匀受载，实现良好的加工结果。在过去，为了获得何种转速最有利于所给定的应用场合的数据，往往需要积累多年工作经验或实施大量的试验。在此期间，通过采用模拟程序，在所选定的参数条件下，可以事先计算出所需的轨迹（图2）。
对意外变化做出快速而正确的回应
所有有助于掌握磨削流程和对工艺流程意外变化做出快速和正确反应的信息是非常重要的。例如，有关金刚石磨损或刀具与工件之间接触区的力和温度变化情况等信息可以帮助人们对工艺流程的理解，从而促使磨削流程进入一种极佳的稳定运行状态。在Peter Wolters公司所研发的新型砂轮方案中，传感器与无线数据传送的遥测单元一起被集成到砂轮上（图4）。由此可以首次做到在双侧平面磨削时对加工流程中砂轮的载荷情况进行观察。
结合采用设备上的其他数据（如驱动力矩、冷却介质流速、温度等），即可对设备工艺流程进行综合分析和评判。通过一种Datacare数据过滤系统，Peter Wolters公司可以提供一种比以往更快速优化工艺参数的高效工具。由此所获得的更为稳定地工艺条件有助于设备生产效率的提高。可以利用此类工艺参数分析工具，以便从大量可供使用的磨削刀具中，为特定的应用场合挑选出合适的磨削，或对磨削刀具进行优化处理。
图4 装有传感器的“智慧型”砂轮的构造
对磨削刀具技术规格的确定，往往都是在最大磨削能力和所需的工件表面质量之间的一种妥协。一般说来，人们都从其经验值或制造厂家经验以及设备操作人员的工作经验上选择磨削刀具。在决定某种工艺流程时，往往只关注颗粒大小、颗粒类型和结合物等因素。金刚石层的外形设计，例如金刚石层的颗粒大小和形状（Pellets）和其间的空隙，往往会被忽略或忽视掉。
提高单位时间切削效率
在加工不敏感和稳定的工件（如泵的定子或转子）时，人们通常优先考虑切削效率。其实对于很高的切削时间与容积比率情况，很高的表面压力也是必不可少的。很高的表面压力要依靠设备负荷系统较高的垂直力才能获得。但是，这方面也有缺陷，即设备即使可以达到所需的垂直切削力，也常常是处于其能力极限上运行。此外，过高的垂直力也容易导致诸如作业砂轮等部件的弹性变形，从而影响到加工结果。为了避免此类影响，应把特定切削时间容积比所需的设备垂直切削力尽量维持在较低的水平上。通过降低工作砂轮面所对应的有效磨削面的面积和提高表面切削力水平，可以实现这个目标。在磨削颗粒与工件切削材料之间所提高的单位压力可以带来所需的很高的单位时间切削效率。
通过与Tech和Diprotex这两家金刚石磨削工具制造厂商的紧密合作，在两个示范性加工流程中实现了降低金刚石层面积的制造策略。采用特殊效用的金刚石层，即可降低金刚石层的有效面积（图5）。
图5 金刚石层的减少和形状
a 槽；b 金刚石层 83%；c 槽；d 衬层 63%；e 槽；f 金刚石层 53%
采用较小的金刚石层面积
将金刚石层面积缩小，可以达到特定单位时间切削效率所需的表面切削压力，从而使砂轮达到更长的使用寿命，并使工件达到更高的质量。由此，磨削作业可以从原来的大约35个循环提高到接近80个循环，之后才需接受维护。
根据针对不同开槽所给定的100μm/min磨削率所需的切削力的测试，可以看出，较小的磨削面可以促使切削力的降低。针对第二种加工场合，即加工大面积的部件，开发出了一种特殊的环状砂轮。这种砂轮甚至可以缩小74%的接触面，从而达到更有效的切削和降低部件的受热辐射程度。单位面积的磨削压力则从大约0.3daN/cm2，提高到1.1daN/cm2。在改善G比例（材料磨削与金刚石层磨耗之间比例）的同时，可以把25μm/min的磨削率提高到60μm/min磨削率。在一台Peter Wolters AC700-F型磨床上，可以在两个磨削循环之间对加工余量为500μm的部件进行十次加装、每次五个部件的磨削加工。对于难加工的工件来说，这个数值已经是很好的。
通过过程数据监视，简化最优化流程
通过采用上述系统的过程数据监视功能，还可以发现其很大的优点在于对切削力的调节上，从而实现稳定的单位时间切削量。例如在第一种应用场合中，可以依据驱动力矩的情况来调节切削力的大小，由此提高磨削效率。
最后可以明确一点，即采用诸如Datacare过程数据监视系统，可以极大提高流程优化程度，或者可以寻找到新的技术方案的途径。此外，连续的过程数据记录也可以在确保机床长期稳定运行方面，对双侧平面磨床的操作人员提供支持。
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(6/21/2011) |
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