航天用 Si Cp /Al 複合材料 ELID 精密磨削（xuē）磨床設計
2018-9-7 來源：轉載 作者： 關佳亮，趙顯輝，任 勇，路文文，楊（yáng） 晶
摘要: Si Cp /Al 複合材料具有優異的力學性能（néng）和物理性能，在航空航（háng）天、汽車、電子、軍（jun1）事等領域（yù）被（bèi）廣泛應用。針（zhēn）對高體積（jī）分數 Si Cp /Al 複合材料難加工的問題，采用 ELID 精密磨削（xuē）技術與立式磨床結構設計（jì）相（xiàng）結合的方法（fǎ），設計出一台 ELID 精密（mì）磨削機床。滿足（zú）在一次裝（zhuāng）夾中對（duì） Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端（duān）麵和螺紋等關鍵結合麵的精密磨削加工，從而保證零件的尺寸精度、位置精度和表麵精度。文中著重介紹專機的（de）設計思路、結構和磨削加（jiā）工過程。
關鍵詞: Si Cp /Al 複合材（cái）料; ELID 磨削; 立式磨床
0 、引言
Si Cp / Al 複合材料具（jù）有高比強度、比剛度，低熱膨脹係數、密度等特性，並且具有良好（hǎo）的尺寸穩定性、導（dǎo）熱性（xìng）以及耐磨、耐疲勞等優異（yì）的力學性能和物理性能，在航空航天、汽車、軍（jun1）事、電子、體育用具等領域被（bèi）廣泛應用。但超硬的增強相顆粒的加入，使得材料的切（qiē）削加工性能非（fēi）常差，而且在常規加工過程中工序多、須多次（cì）裝卡，加工精度不高，從而限製了（le）該材料的應用。北京工業大學精（jīng）密超精密加工實驗室通過前期大量（liàng）實驗，表明 ELID 精（jīng）密磨（mó）削技術可實現對 Si Cp /Al 複合材料的精密磨削，獲得（dé）了高精度的（de）加工表麵。
為（wéi）實現一（yī）次裝卡，保證加工精度，采用（yòng）立式轉台磨床結構布局設計（jì），將 ELID 精密磨削技術（shù）與（yǔ）立式磨床結構設計相結合，開發 ELID 精磨磨削（xuē）專用機床。實現了在一次（cì）裝卡中對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔（kǒng）、端麵、溝槽、螺紋（wén）等關鍵結合麵（miàn）的精密磨削加工，從而保證零件的尺寸精度、位置精度和表麵精（jīng）度。
1 、ELID 精密超精密磨削機理
ELID 精密超精密磨削成型機理如圖 1 所示。磨削時，砂輪上的金剛石磨粒有效磨削尺寸（cùn）是磨粒（lì）的（de）三分之一，材料主要以微（wēi）切削的（de）方式去除（chú），所以材料破（pò）碎情況不嚴重; 此外，砂輪表麵會覆蓋（gài）一（yī）種具有良好柔性的鈍化膜，精磨時，磨（mó）削進給（gěi）量（liàng）很小，鈍化膜的厚度遠大於磨粒的磨削尺（chǐ）寸，所（suǒ）以砂輪表層磨（mó）粒在磨削中不（bú）可能直接與材料接觸，砂輪上覆蓋的這層鈍化膜將代替金剛石磨粒參與精密磨削過程。當（dāng）電解作用完全抑製時，鈍化膜對試件進行光磨。所以 ELID 磨削實際上是（shì）一種將磨（mó）、研、拋加工合為一體的複合式精密加工技術（shù）。
圖 1 ELID 磨（mó）削成型機理圖
2 、立式轉台（tái）精密磨床簡介
數（shù）控立式轉台（tái）磨床是最近幾年來發展特別（bié）迅速的高新（xīn）技術機床，具有操作方便、磨削精度高、加工效率高、占地麵積小、自動化程（chéng）度高等優點。機床整體（tǐ）運用組合型設計原理，搭（dā）載相應功能模塊以實現不同功能，逐步演變為磨（mó）削加工中心，還可搭載其他刀具，如車（chē）刀銑刀等，從而組（zǔ）裝成為功能更加廣泛的加工中心，實現係統化生產，順應當今世界機床工（gōng）業“高（gāo）速、複合、智能、環保”的（de）發展潮流。
3、 ELID 精密磨（mó）削機床設計要求
針對北京衛星製造廠對（duì）於（yú）航天用高體積分數Si Cp / Al 零件的加工要求，磨（mó）床應滿足在一次（cì）裝卡中實現對 Si Cp /Al 零件外圓（yuán）、內孔、端麵和螺紋等關鍵結（jié）合麵的精密磨削加工，從而保（bǎo）證零件的尺寸精度、位置精度和表麵精度。
4 、ELID 精（jīng）密磨削機床（chuáng）總體結構
為了滿足生產要（yào）求，磨 床 采 用 立 式 布 局，配 備（bèi）ELID 磨削工藝係統，砂（shā）輪電火花在線（xiàn）修整係統。機床總體三（sān）維結構設計如圖（tú） 2 所示。
圖 2 機床（chuáng）總體（tǐ）三維結構（gòu）
5 、ELID 精密磨床主要（yào）部件和關鍵技（jì）術
5． 1 機床框架
機床由床身、立柱和橫（héng）梁組成（chéng）龍門式框（kuàng）架結構，具有良好的抗彎曲和抗振性能（néng）。床身由人造花崗岩製成，建立模態分析，得出人造花崗岩床身（shēn）的第一階固有頻（pín）率為 749． 47Hz 左右，而工（gōng）作頻帶在 159． 15Hz 範圍之內，所以機床不會因激勵而發生共振，加工時振（zhèn）動很小，保證了機床加工的平穩性。另外人造花崗岩的密度（dù）為 2． 63 g /cm3，隻有鑄鐵的三分之（zhī）一，相比鑄鐵床身來說，其質（zhì）量剛度比大大提高。左、右立柱（zhù）和橫梁由（yóu）優質鑄鐵 HT300 材料製成，其中橫梁是一個高強度的箱型結構，上麵布滿加強筋，其軌距可達到 950mm，保證了砂輪軸的位移精度（dù）。磨床是由伺服電機驅（qū）動的兩軸（zhóu）聯動控製，通過滾珠絲杠旋轉帶動滑枕沿著橫梁（liáng）導軌左右滑動，同時驅動砂輪軸沿著滑枕導軌上下（xià）滑動。
5． 2 砂輪主軸
砂輪軸采用高精度靜壓主軸，主軸的徑向跳動和軸向竄動≤1μm，同時（shí）搭美國 XM -SBS 磨床砂輪在（zài）線動平衡係統，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，保證機床的幾何精度、剛性和加工精度，延長（zhǎng）磨床的主軸（zhóu）壽命和砂輪壽命。此外砂輪軸（zhóu）配備動力主軸鎖（suǒ）緊功能，並且可以根（gēn）據砂輪電火花（huā）修型需要，將砂輪替換成車刀對（duì）電火花石墨輪進行修型，然後（hòu）再修整磨削砂輪的形狀，從而實現對零件（jiàn）成型磨削加工，如磨螺（luó）紋、錐麵等。砂輪 軸 的 X 向 運 動 和 Z 向 運 動 均（jun1） 配 備 德 國Ｒexroth Star 高精度直線導（dǎo）軌副，采用德國西（xī）門子交流伺服電機驅（qū）動，同時搭（dā）載高精度雙螺母預緊滾珠絲杠副。位置檢測元件（jiàn）采用德國海（hǎi）德漢公司生產的精密光柵尺，實現（xiàn）全閉環控製，最小進給分（fèn）辨率為 0． 1μm。
5． 3 回轉工作台
工作轉台采用抗（kàng）振特性好、旋轉（zhuǎn）精度高的液體靜壓主軸（zhóu），采用大（dà）功率力矩電機直接驅動，其徑向跳動和軸向竄動≤1μm。配備德國海德漢精密圓光（guāng）柵，實現角（jiǎo）度閉環控製，可對零件內外輪廓進行曲線加工，複位精度達到（dào）一角秒。吸盤采（cǎi）用意大利進口電控永磁吸盤（pán），吸力（lì）可調，裝卸工件無需扳手，按鈕控製，加工完畢自動退（tuì）磁。為了（le）隔絕（jué）轉台電機振動傳遞，在工作台（tái）和電動機底（dǐ）座下加彈性防振墊，實現機床與振源分離。電氣櫃配有可控的（de） ELID 專（zhuān）用直流脈衝電（diàn）源，工（gōng）件（jiàn）安裝在工作（zuò）轉台上，工作轉台通過電刷與電源負極相接; 砂輪采用鑄鐵結合劑金剛石砂輪，通過砂輪軸與電源正極相接。在砂輪和工件之間噴灑 ELID 專用電解磨削液，以工件作為電解陰極對砂輪進行在線電解修銳，配套 ELID 磨削液過濾循環係統，從而實現 Si Cp /Al 零件的 ELID 精密磨削（xuē）加工。
5． 4 砂輪電火花在線修整係統
該係統主要由砂輪電（diàn）火花修（xiū）整器和砂輪離線電解池構成。砂輪電火花修整器安裝在機床立柱左側，且與機床立柱絕（jué）緣，石（shí）墨輪的回轉中（zhōng）心位（wèi）於砂輪軸 X 向移動平麵內。采（cǎi）用直流電機驅動石墨輪旋轉（zhuǎn），石墨輪通過電刷與直流脈衝（chōng）電源負極相接，石墨輪和砂輪形成電火花放電加工（gōng）係統，采用煤油作為放電介質，使用獨立（lì）的煤油過濾循環係（xì）統，從而實（shí）現對鑄鐵基金剛石砂輪進行電火（huǒ）花精密整型。砂輪離線電解池安裝在機床（chuáng）右側，與電（diàn）源負極相接，且與機床絕（jué）緣。電（diàn）解池配有高濃度專用電解磨削液，可實現對精密修型後（hòu）的砂輪進行快速預電解修（xiū）銳。
5． 5 ELID 精密磨削係統
機床采用了具有專利技（jì）術（shù）的 Si Cp /Al 複合材料專用（yòng） ELID 精密磨削係統。針對 Si Cp /Al 複合材料的特性及其加工要求，該係統配（pèi）備了 BJUTY-FH1 係列專用磨削（xuē）液、磨削砂輪以及脈衝電源，其中專用磨削液以及（jí）金屬結合劑超硬磨料砂輪（lún）享有專利技術。此外，係統還配備了具有專利技術的金屬結合劑砂輪在線電（diàn）解磨削修整（zhěng）裝置。
5． 6 冷卻及過濾係統
機床搭載控溫大流量和兩級過濾冷卻係統，將液壓油、冷卻液等主要熱源放在獨（dú）立的油箱、冷卻箱中，確保機床在加工過程中受熱變形最小。此外，機床采用磁輥（gǔn）紙袋過濾機（jī），可以（yǐ）有效（xiào）清除加工過（guò）程的渣粒，並能將過濾下來的雜質導（dǎo）入汙物箱中，確保濾紙消耗量最少且全（quán）過程連續（xù）自動。除塵係統采用意大利 COＲ-AL 公司生產（chǎn）的 OIL-STOPHP1 型油霧淨化器，磨削（xuē）加工時，油霧和粉塵被吸氣罩（zhào）吸入（rù）主風管，隨（suí）後通（tōng）過主風管進入到（dào）除塵淨化器，然後經過層層過濾，油霧和粉塵（chén）被擋在濾紙的表麵，而過濾後的（de）幹淨空氣則被風（fēng）機直接排放到空氣中（zhōng）。6 X、Z、C 軸向運動X 軸向運動（dòng）在交流伺服電機驅動下，通過聯軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用經過預拉（lā）伸和強製冷卻的 NSK 空心免（miǎn）潤滑滾珠絲杠( 50 × 10) ，大大降低了磨削時的熱變形影響，同（tóng）時搭載 NSK 的直線（xiàn）滾子重負荷免潤滑導軌( 45mm) 和 FAGEＲ 光柵尺，以實現傳動的反饋閉（bì）環控製; 此外，還在磨削區域內安裝了液壓阻尼油缸以減（jiǎn）小磨削振動，確（què）保 X 軸向運動的精度和可靠性。Z 軸向運動在交流（liú）伺服電機驅動（dòng）下，通過聯軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用（yòng）經過預拉伸和強製冷卻（què）的 NSK 空心免潤滑滾（gǔn）珠絲杠( 50 × 10) ，減少了加工時熱變形帶來的影響，同時搭載 NSK 的直線滾子重負荷免潤滑導軌( 45mm) 和FAGEＲ 光柵尺，以實現傳動的反（fǎn）饋（kuì）閉環控製; 此外，還在橫梁背麵安裝了配重平衡機（jī）構，以減小因運動（dòng）部（bù）件自身的重量帶來的（de）振動，確保 Z 軸向運動（dòng）的精度和可（kě）靠性。C 軸回轉運動為（wéi）工作台旋轉運動，采用 7k W 功率的交流伺服電（diàn）機驅動，經過（guò） HTD-8M 同步齒形帶 10: 1減速卸載傳動後，帶動靜壓轉台主軸旋（xuán）轉（zhuǎn），同時采用靜壓導軌來支撐轉（zhuǎn）台端麵，並且安裝編碼器，以（yǐ）實（shí）現（xiàn） C 軸回轉（zhuǎn）運（yùn）動的閉環控製。機床主要技表 1。
表（biǎo） 1 機床主（zhǔ）要技術參數
7 、機床磨削加工過程
7． 1 整形
整形過程如圖 3 所示，首（shǒu）先利用砂輪電火花修整器，對砂輪（lún）外形進行精密修整。修整前，先將石墨電極修（xiū）成與成型砂輪相反的輪（lún）廓。為了保證成型砂輪的（de）輪廓精（jīng）度，降低電極損耗，采用砂輪（lún）接正極，石墨電極接負極的正極性法。修整時砂輪與電極相對轉動，向砂輪與電極間噴入水溶型乳化液，通（tōng）過調整電壓及脈寬，在（zài）砂輪和工具電極之間產（chǎn）生脈衝火花放電，對金屬結合（hé）劑進行電蝕，而金剛石、CBN 磨料是非導電體，它們與（yǔ）工具電極之間不發生（shēng）火花放電。控製（zhì）金（jīn）屬（shǔ）結合劑和工具電極之間放電能量的大小，使新的磨粒（lì）露出結合劑表麵（miàn）並形成一定的突出高度，即（jí）可達到整形的目的。
圖 3 砂輪外形精密修整
7． 2 預修（xiū）銳
利用砂輪離線電解池對砂輪進行電解修銳，使砂（shā）輪表（biǎo）麵磨粒突出，並形成鈍化（huà）膜。修銳狀態如（rú）圖 4 所示，砂輪金屬（shǔ）結合劑在通電的情況下，在具有電解作用的磨削液中發生電解反（fǎn）應而溶解去（qù）除，使砂輪中（zhōng）的磨（mó）粒露出結合劑表麵，形成一定的（de）出刃高（gāo）度和容屑空間;同時，在砂輪（lún）表麵逐漸（jiàn）形成一層氧（yǎng）化膜，氧化膜的不斷磨損與不斷生成，使得（dé）上述修整過程保（bǎo）持（chí）動態平衡，既避免了砂輪的（de）過快消耗又自動保持了砂輪表麵的（de）磨削能力。
圖 4 砂輪預（yù）修銳
7． 3 ELID 精（jīng）密磨削加工（gōng）
ELID 精密磨削加工如圖 5 所示。采用專用 ELID精（jīng）密磨削係統，利用工件作為電解陰極，砂輪作為電解陽極，並在工件和砂輪間（jiān）噴灑（sǎ）專用磨削液，對砂輪實現在線電解（jiě）修銳，從而實現零件內孔，外圓等關鍵（jiàn）部位的精密（mì）磨削。
圖 5 ELID 精密磨削加工示意圖
8、 磨削實驗（yàn）及分析
北京工業大學精密超精（jīng）密加工實驗室 聯合北京衛（wèi）星製造廠，在共同設計研發的 ELID 精密磨（mó）削專用磨床上進行了大量的高體積分數 Si Cp /Al 複（fù）合材料精密磨削實驗。實驗結果（guǒ）表明: 機床精度和機械（xiè）性能良好，符（fú）合（hé）設計要求，並且當砂輪轉速為 1500r /min，進給量 0． 25μm，進給速度 0． 9m /min，電解電流 10A，占空比 60% 時，得到了表麵粗糙度為 Ｒa0． 096μm 磨削表麵，滿足生產要求。
9、結（jié）論
(1) 將立式轉台磨床結構布局設計與 ELID 精密磨削技術相結合，設計出了（le）航天用高體（tǐ）積分數 Si Cp /Al複合材（cái）料 ELID 精密磨削專用（yòng）機床，具有（yǒu）良好的磨削精（jīng）度和機（jī）械性能，滿（mǎn）足機床設計要求.
(2) 機（jī）床能夠在一次裝卡中實現對零件（jiàn）外圓、內（nèi）孔、端麵、螺紋等關鍵結（jié）合麵的精密磨削加工，獲得了（le）高精（jīng）度（dù）的高體積（jī）分數 Si Cp /Al 複合材料的加工（gōng）表麵，滿足了生產要求（qiú）。
(3) 機床能夠對砂輪進行在線（xiàn）電火花修整、在線電解修銳，從（cóng）而保證砂輪時刻處（chù）於良好的磨削狀（zhuàng）態，提高了磨削精度和效（xiào）率。
來（lái）源：北京工業大（dà）學 機械工（gōng）程與應（yīng）用電子技術學院， 北（běi）京衛（wèi）星製造廠
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