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数控强力成形磨床加工实例介绍 |
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作者：杭州机床集团公司 骆广进 姚峻 来源：中国机械与金属 |
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强力成形磨削也称为缓进给成形磨削，是一种先进的磨削工艺。这种先进工艺自上世纪60年代以来的半个多世纪中，风靡全球，长盛不衰，并且技术不断进步。这项先进技术大大拓宽了平面磨床的加工领域，成功地使平面磨削的加工范畴跳出“平面”，而成为表面磨削，也就是英文“surface”的概念，可以磨削形状轮廓各异的工件。从平面到表面，这实在是一个具有重要意义的工艺革命，是一大技术创新。随着数控技术的进步，缓进给强力成形磨削技术也得到进一步的发展，并不断扩大和拓展应用领域，把这种先进工艺推广到包括航天、航空、汽车、精密机械加工等工业部门，成为加工诸多新型难加工材料的重要手段。对缓进给强力成形磨削而言，某一个工件的成功磨削就能拓展一个领域，就能为这个领域的用户承担交钥匙工程，在提供先进装备的同时还提供了先进的加工工艺，为用户创造可观的经济效益。
在飞机制造工业中发挥作用
在现代飞机制造工业中，有许多形状复杂、采用各种难加工材料制成的工件，用其它机械加工方法很难进行精密加工。几年来，杭机已为中国的国防工业、尤其是飞机制造工业提供了高技术含量的MKL7140数控双磨头强力成形磨床、MKL7150七轴五联动数控强力成形磨床、MKH450成形磨削加工中心、MKL7120数控强力成形磨床等机床，用来加工飞机发动机叶片枞树根榫齿、导向叶片圆弧叶冠、航空发动机蜂窝段圆弧面以及锁片槽等，多次得到国家国防工业部门的表彰。
如飞机发动机叶片加工精度、形状轮廓精度和对称度等要求很高，叶片的互换性要求很严。叶片的材料一般为镍基耐高温合金，属于难加工材料，用常规磨削或其它金切加工手段很难进行加工。叶片的安装根部，一般为对称的枞树根形状，两个的对称度要求很高，要求能一次加工成形。采用单磨头机床就要两次装夹两次加工才能完成磨削枞树根叶片的安装根部，这样精度很难保证。杭机开发的MKL7140数控双磨头强力成形磨床已成功用于叶片加工十年。整个修整与磨削过程均由程序控制自动进行，包括冷却液和滚轮的开停，操作者只需拆装工件即可。针对不同型号的叶片磨削，只需更换金刚滚轮即可。批量生产中，只需对第一个叶片进行对刀调试。按照叶片榫齿磨削单边余量2.5mm，齿部长度50mm来算。此类叶片的磨削效率为6分钟/件。此外，这种双磨头强力成形磨床在汽轮机行业也得到广泛应用。
为了提高涡轮发动机的工作效率，降低能源消耗及减少对环境的污染，近年来各国在设计制造涡轮发动机时，其各级涡轮叶片密封环组件大多采用蜂窝结构。根据每级涡轮叶片工作环境的不同，有的采用整体结构，而大多采用由多个扇形镶块组件拼合成一个密封环。而单个扇形镶块的蜂窝段弧面最后工序往往是由磨削加工完成的。
双磨头成形磨削照片
由于蜂窝段工件圆弧面半径往往在800-1,000mm左右，且设计要求工件蜂窝孔的轴线均应指向工作圆弧表面的中心轴线。这就要求磨削的蜂窝表面圆弧半径精度较高。需要机床X、Y轴进行数控联动磨削。涡轮发动机密封环组件的工作温度大约是650-900℃，目前大多选用具有良好抗氧化性和抗腐蚀性的高温合金制作。封环组件所用的高温铝合金其主要成份有Ni和Cr。材料有很大的延展性，机械切削性能较差。磨削后往往会在蜂窝口出现毛刺和毛边，大多要靠人工来去除，这大大影响了工件加工效率和成品率。针对这个工件的特点，采用工作台速度为12,000mm/min、磨削量0.005mm/次的往复式成形磨削。杭机的数控强力成形磨床已成功用于飞机涡轮发动机扇形镶块的蜂窝段弧面的加工。
飞机涡轮发动机扇形镶块的蜂窝段
此外，杭机制造的MKL7150×16/2型七轴五联动数控强力成形磨床则用于重型燃机叶片和飞机导向叶片圆弧叶冠的精密成形磨削；MKL7120×6数控强力成形磨则用于飞机叶片锁片槽的加工。叶片锁片槽的结构，在叶片的安装根部，一般为U形，槽底部圆弧与直线的连接要求圆滑过渡，且一次磨削成形。叶片锁片槽的精度要求较高，不仅叶片锁片槽本身的形状、轮廓度要求很高，而且叶片的互换性要求很严。
在汽车工业中大显身手
汽车转向齿条是汽车的重要零部件，是齿条齿轮转向系统中的关键件。2004年，杭机通过深入研究和试验，把该机床系列中通用性较好的MKL7150×10数控强力成形磨床成功用于汽车转向齿条的成形磨削加工。迄今为止，机床已批量提供给国内近10家汽车零部件制造企业，杭机在为用户提供加工设备的同时，把可靠的先进工艺连同机床一起提供给用户。针对汽车转向齿条磨削宽度在200 mm、切深在5-10 mm，且材料是实体的实际情况，MKL7150×10数控强力成形磨床系列中专用于汽车转向齿条磨削机床的磨头主轴电机功率高达77KW，是该系列机床中较大的一个品种。砂轮的宽度最大可达240 mm，是目前国内宽度最大的。砂轮全宽度磨削切深最大为8 mm。
汽车转向齿条
此外，除了用于上述汽车转向齿条外，还可以用于大模数汽车转向螺母齿的成形磨削。
解决液压件行业两大技术难题
近年来，杭机开发的数控强力成形磨床解决了转子槽和摆线轮的磨削加工难题。在转子的加工中，核心技术是槽口的磨削。随着技术进步，液压件行业对转子槽精度、表面粗糙度以及加工效率的要求越来越高，加上大规格转子的应用也越来越多。比如国内的船舶制造业所急需的液压马达要求对大型转子进行磨削，转子直径达295 mm，厚度195 mm，全槽需要淬火后磨削加工，表面硬度HRC60±3，槽宽尺寸公差要求在0.01 mm以内，平行度等精度要求均在0.007 mm内，这些要求都是较高的。而常见的转子规格外径一般仅在80 mm以内，长度在60 mm以内。
与国内同类转子槽磨床相比，杭机的转子槽磨床在结构上有较大创新。机床配置了刚性较好的能承受大规格转子的专用夹具，定位可靠，设计精巧。还增加了具有技术创新的每槽定位机构，能在磨削前对各条槽进行精定位。同时，还采用了对转子槽磨削至关重要的CBN砂轮进行磨削，CBN砂轮可以修整，修整一次可以磨削80-100只24条槽的转子。每片砂轮可以加工数百只转子，已接近国外先进水平。
大规格船用液压马达转子在测量精度
摆线轮是摆线轮减速器和液压马达的关键零件，其加工精度直接影响到整套机构的性能。长期以来，由于国内缺少数控强力成形磨床设备，满足不了批量生产的要求，直接影响减速器和液压马达、泵的性能。针对摆线轮的加工难题，杭机成功开发出可用于摆线轮磨削的强力成形磨。机床采用进口金刚滚轮，并搭配高刚性滚轮修整器，使修整砂轮齿形面高效而精确，对齿面啮合度和磨削效率的提高有了可靠保证。机床自动化程度和可靠性高，在磨削过程中，除工件的装卸及测量外，期间均为自动完成，提高了生产效率，减少了操作人员的劳动强度。
摆线轮磨削前后的照片
船舶叶轮外圆磨削
叶轮是涡轮增压器中的关键零件，其工作转速高，每分钟达4万多转，叶轮外圆型面轮廓质量直接影响涡轮增压器的使用寿命和可靠性。针对该工件的外圆加工特点，杭机开发了全新结构的全立柱移动强力成形磨床。机床通过工件头架回转，实现工件的外圆成形（修整）磨削，采用这种方式在国内是首创。砂轮修整采用当今国际上先进的金刚碟片连续轨迹修整方式，可满足多规格叶轮外圆型面的加工。
船舶涡轮增压器叶轮照片
机车、船舶柴油机连杆齿型磨削
连杆的精密加工是动力机车、船舶柴油机制造中一个非常重要的环节。连杆杆身上的齿型与杆盖上的齿型啮合度要求较高，齿部轮廓精度要求达到微米级，齿面粗糙度Ra≤0.8μm，杆身杆盖的齿面啮合度≧85%，而且精度稳定性要求相当高。现在对接触面的要求进一步提高，要求达到90%以上。
连杆示意图
杭机开发的MKL7150×16数控强力成形磨床完全可以满足连杆的齿形加工要求，机床最大的特点是采用双砂轮组合磨削技术，两片砂轮可同时对连杆杆身和杆盖的前后齿进行成形磨削，连杆齿部磨削宽度达230 mm，这样保证了工件的整体精度稳定性，在提高磨削效率的同时保证了连杆齿面的啮合度。
机床工业中磨削鼠牙盘等关键零件
鼠牙盘端面齿盘在加工中心、数控车床等机床制造中占了很大的比重，这种分度台的特点是以固定值进行定位，结构简单，定位刚度好、重复分度精度高，定位速度快，广泛应用于各种加工和测量装置中。端面齿加工水平的高低直接影响分度装置的精度，也最终对整机的加工精度产生相当大的影响。鼠牙盘端面齿的加工极为关键和重要。鼠牙盘端面齿数控成形磨床是圆盘型工件的成形磨削，在技术上与以前的纵向成形工件有较大的变化。杭机成功开发制造了数控鼠牙盘磨床，解决了鼠牙盘端面齿数控成形磨床诸多关键技术，如机床主轴热伸长控制、数控分度盘的正确安装和使用，各齿的平均分布与加工，端面成形磨削技术的探索与经验积累，针对鼠牙盘磨削加工的数控装置的配置与磨削程序、砂轮的成形修整技术等。
鼠牙盘端面齿盘照片
在工量具工业中
在工量具工业中，有许多适合强力成形磨削加工的工件，典型的有游标卡尺。在采用强力成形磨削之前，游标卡尺的加工工艺比较落后，工序多、加工余量大、装夹次数多、累积误差大，致使尺身和尺框不能互换、废品率高、生产效率低。显然，这种传统工艺不能适应游标卡尺生产的发展。目前，强力成形磨削用于游标卡尺的工艺已相当成熟，可以实现游标卡尺尺身正反两面槽一次成形磨、数显游标卡尺尺身槽一次成形磨削、游标卡尺尺框槽一次成形磨削和游标卡尺尺身头部和尺框外形一次成形磨削。
剥线钳齿形
剥线钳为电工常用工具之一，此工具最关键部位为钳口的齿形和刃口。齿形的大小和上下额的对称度直接影响使用性能。由于剥线钳口硬度很高，最外处的齿形较小，又有斜刃口，普通的加工方式无法加工或者很难加工。齿形如图，半圆尺寸精度要求高。对于这样的工件，成形磨削加工是最好的解决方法。
机床采用大气孔成形磨砂轮、专用机械或液压夹具，一次装夹6-8件，机械或液压夹紧。以剥线钳的定位销孔和定位面定位，两侧面夹紧固定。配置专用台式滚轮修整器和金刚石滚轮直接对砂轮进行成形修整。直接对工件毛坯进行成形磨削，以一次成形加工6件算，加工节拍达到每件35秒。
仪表工业
2010年5月，杭机根据8字形转子的工作原理并参考国外转子的加工工艺，成功开发出国内首台数控泵轮转子成形磨床，为中国罗茨泵和罗茨仪表的批量生产提供了可靠的设备保障，具有良好的经济效益和社会效益。
该机床是在原有数控强力成形磨床的基础上，增加了专用的浮动支撑夹具和专用的金刚滚轮成形修整器，很好地解决了转子的加工难题。机床在磨削过程中，除工件的装、卸和测量外，均为自动完成。目前，首台泵轮转子成形磨床已通过用户验收并投入正常的批量生产使用，加工出的产品精度均在0.01 mm以内，达到用户的技术要求。单件的加工时间小于6分钟，效率较高。
8字形泵轮转子
其它
数控强力成形磨床还成功用于许多行业的关键零件加工，如车床三爪卡盘的卡盘爪导向槽一次成形磨削。中国是一个车床生产大国，车床的年产量达数万台之多。因此，为车床配套的卡盘数量非常大。其中，三爪卡盘占了较大的比重，这种卡盘有三个相距120°的卡爪，三个卡爪始终同时张开或靠拢。夹紧迅速方便，不需找正，具有较高的自动定心精度。在车床卡盘的制造中，卡盘爪导向槽的加工非常关键，其加工精度的高低直接影响到工件的夹紧精度。
薄圆铣刀片
2005年，为浙江海宁某公司制造了一台专门用于圆切口铣刀的MKL7120×6/2强力成形磨床，该机床成功解决了磨削加工薄片铣刀锯片的技术难题。这种锯片铣刀只有薄薄的0.25 mm，直径很小。材料是难磨材料——工具合金钢，采用其它机械加工方法是很难进行加工的。我们在机床上设计了专用夹具，把400片锯片叠在一起用CBN砂轮进行成形磨削加工，磨削方式是采用每齿分度纵向缓进强力磨削，一齿一齿地磨削。锯片满足了各项精度要求，而且加工的效率非常高，解决了用户生产中的瓶颈问题，受到用户的欢迎。
强力成形磨削前景广阔，仍需大力开拓
为了进一步开拓和弘扬强力成形磨削先进工艺，促进这种高效机床的应用和在不同行业的推广，作为行业骨干机床装备制造厂的任务很重，可谓是任重道远。中国在此领域虽然已取得令人瞩目的成就，有了与国外先进工业国家同类机床比拼的实力，但是在机床的制造水平、创新能力、推广应用等方面仍有较大差距，需要我们继续不懈地努力去攀登一个又一个高峰，占领新的技术制高点。杭机集团多年来的实践证明，数控强力成形磨床的推进就是要通过一个又一个工件的突破，逐步占领新的领域。因此，需要我们有耐心和毅力，其中售前服务非常重要，它是销售工作中一个重要环节，切不可忽视。即使在开始的试磨中因工艺不成熟、磨削结果不理想也不要气馁，应当静下心来进行研究攻关。一旦攻关成功，就必能收获一片领地。近期，杭机集团的专业技术人员又为汽车、纺机等行业试磨了转向摇臂轴扇形齿、非圆齿轮、分梳辊齿等加工难度较大的工件，都取得了一定成果，相信数控强力成形磨床一定能推广到更多、更广阔的工业领域，在中国的现代化进程中发挥重要的作用。(end)
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(6/11/2012) |
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