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航天用 Si Cp /Al 複合材料 ELID 精密磨削磨床設計

2018-9-7 來源：轉載作者：關佳亮，趙顯輝（huī），任勇，路文文，楊晶

摘要: Si Cp /Al 複合材（cái）料具有優異的力學性能和物理性能（néng），在航（háng）空航天、汽車、電子、軍事等領域被廣泛（fàn）應用。針對高體（tǐ）積分數 Si Cp /Al 複合材料難加工的問題，采用 ELID 精密磨削技術（shù）與立式磨床結構設計（jì）相結合的方（fāng）法，設計出一台 ELID 精密磨削機床。滿足在一（yī）次裝夾中對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端麵和螺紋（wén）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（jīng）度。文中著重介紹專機的設計思（sī）路、結構和磨削加（jiā）工過程（chéng）。

關鍵詞: Si Cp /Al 複合材料（liào）; ELID 磨削; 立式磨床

0 、引（yǐn）言

Si Cp / Al 複合（hé）材料具有高（gāo）比強度（dù）、比剛度，低熱膨脹係數、密度等特性，並且具有良好的尺寸穩定性、導熱性以（yǐ）及耐磨、耐疲勞等優異的力（lì）學性能和物理性能，在（zài）航空航天、汽車、軍事、電子（zǐ）、體育用具等領域被廣泛應用（yòng）。但超（chāo）硬的（de）增強相（xiàng）顆粒的加（jiā）入，使得材料（liào）的切削加（jiā）工性能非常差，而且（qiě）在常（cháng）規加工過程中工序多（duō）、須多次裝卡，加工（gōng）精度不高，從（cóng）而限製了該材料的應用。北京工業大學精密超精密加工實驗室通過前期大（dà）量實驗，表（biǎo）明（míng） ELID 精密磨削（xuē）技術可實現對 Si Cp /Al 複合材（cái）料的（de）精（jīng）密磨削，獲得了高精度（dù）的加工表麵（miàn）。

為實（shí）現一次裝（zhuāng）卡，保證加工（gōng）精度，采用立式轉台磨床結構（gòu）布局設計，將 ELID 精密（mì）磨削技術與立式磨（mó）床結構（gòu）設計相結合，開發 ELID 精磨（mó）磨削（xuē）專用機床。實現了在一次（cì）裝（zhuāng）卡中對（duì） Si Cp /Al 零件外圓、內孔（kǒng）、端麵、溝（gōu）槽、螺紋等關鍵（jiàn）結合麵的（de）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。

1 、ELID 精密超精密磨（mó）削機理（lǐ）

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（lì）有效（xiào）磨削尺寸是磨粒的三分之一，材料主要以微（wēi）切削的方式去除，所以材料破碎情況不嚴重; 此（cǐ）外，砂輪表麵會覆蓋一種具有（yǒu）良好柔性的鈍化膜，精磨時，磨削進給量很小，鈍化膜（mó）的（de）厚度遠大於磨粒的磨（mó）削尺寸，所以砂輪（lún）表層磨粒在磨削中不可能直接（jiē）與（yǔ）材料接觸，砂輪上覆蓋的這層鈍化（huà）膜將代替（tì）金剛石磨粒參與精密磨削過程。當電解作用完全抑製時，鈍化膜對試件進行光磨。所以 ELID 磨削實際上是一種將磨、研、拋加工合為（wéi）一體的複合式精（jīng）密加工技術。

圖（tú） 1 ELID 磨削成（chéng）型機理圖

2 、立式轉台精密磨床（chuáng）簡介

數控立式轉台磨床是最近幾年來發展特別（bié）迅速的高（gāo）新技術（shù）機床，具有操作方便、磨削（xuē）精度高、加工效率高、占地麵積小、自動化程度高等優點。機床整體運用組合型（xíng）設計原理，搭載相應功能模塊以實現不（bú）同功能，逐步演變為磨削加工中心，還可搭載（zǎi）其他刀具，如車刀銑刀等，從（cóng）而組（zǔ）裝成（chéng）為功能更加廣（guǎng）泛的加工（gōng）中心（xīn），實現（xiàn）係統化生（shēng）產，順應當今世界機（jī）床工業“高速、複合、智能（néng）、環保”的發展潮流。

3、 ELID 精密磨削（xuē）機床設計要求

針對北京衛星製造廠對於航天用高體積分數Si Cp / Al 零件的（de）加工要求，磨床應滿足在一次裝卡中（zhōng）實現對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端麵和螺紋等關鍵結合麵（miàn）的（de）精密磨削加工，從而保證零件的（de）尺寸精度、位置精度和表麵精度。

4 、ELID 精密磨削機床總體結構

為了滿足生產要求（qiú），磨床采用立式布局，配備ELID 磨削工藝係統，砂輪電火花（huā）在線（xiàn）修整係統。機床總體三（sān）維結構設計如圖 2 所示。

圖 2 機床總體三維結（jié）構

5 、ELID 精密磨床主要部件和關鍵技術

5． 1 機床框架

機床由床身、立柱和橫梁組（zǔ）成（chéng）龍門式框架結構，具有良好的抗彎曲和抗振性能。床身由人造花崗岩製成，建立模態分析，得出人造（zào）花崗岩床（chuáng）身（shēn）的第一階固有頻率為 749． 47Hz 左右，而工作頻帶在 159． 15Hz 範圍之內，所以（yǐ）機（jī）床不（bú）會因激（jī）勵而發生（shēng）共振，加工時振動很小，保（bǎo）證（zhèng）了機床加工的平穩性（xìng）。另外（wài）人造花（huā）崗岩的密度為 2． 63 g /cm3，隻有鑄鐵的三分之一，相比鑄（zhù）鐵床身來說，其質量剛度比大大提高。左、右立柱和橫梁由優質鑄鐵 HT300 材料製成（chéng），其（qí）中（zhōng）橫梁是一（yī）個高強度的箱型結構，上麵（miàn）布滿加強（qiáng）筋，其軌距可達到 950mm，保證了砂輪軸的位移精度。磨床是（shì）由伺服電機驅動的兩軸聯動控（kòng）製，通過滾珠絲杠旋（xuán）轉帶（dài）動滑枕沿著橫梁導軌左右滑動（dòng），同時驅（qū）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（zhǔ）軸，主軸的（de）徑向跳動和軸向竄動≤1μm，同時搭美國 XM -SBS 磨床砂輪（lún）在線動平衡係統，砂（shā）輪（lún）架（jià）相對機（jī）床的振幅≤1μm，保證機床的幾何精度、剛（gāng）性和（hé）加工精度，延長磨床的主軸壽命和砂輪壽命。此外（wài）砂輪軸配備動力主軸鎖緊功能，並且可以根據砂輪電火花修型需要，將砂（shā）輪替換成車刀對（duì）電火花石（shí）墨輪進行修型，然後再修整磨削砂輪的形狀，從而（ér）實現對零件成型（xíng）磨削加工，如磨（mó）螺紋、錐麵等。砂輪軸的 X 向運動（dòng）和 Z 向運動均配備德國Ｒexroth Star 高精度直線導軌副，采用德國（guó）西門子交流伺服電（diàn）機驅動，同時（shí）搭載高（gāo）精度雙（shuāng）螺母預緊滾珠絲杠副。位置檢測（cè）元件采用德國海德漢（hàn）公司生產的精密光柵尺，實現全閉環控製，最小進給分辨率為 0． 1μm。

5． 3 回（huí）轉工作台

工作（zuò）轉台采用抗振特性好、旋轉精度高的液體靜壓主（zhǔ）軸，采用大功率力矩電機直接驅動，其徑（jìng）向跳動和軸向竄動≤1μm。配備德國海德漢精密圓（yuán）光柵，實現角度閉環控製（zhì），可對零件內外輪廓進行曲線加工，複位精度達到一角秒（miǎo）。吸盤采用意大利進口電控永磁吸盤（pán），吸力可調（diào），裝卸工件無需扳手，按鈕控製（zhì），加工完畢自動退磁。為了隔絕轉台（tái）電機振動（dòng）傳遞，在工作台和電動（dòng）機底座下（xià）加彈性防振墊，實現機床與振源（yuán）分離。電氣櫃配（pèi）有（yǒu）可控的 ELID 專用直流脈衝電源，工件安（ān）裝在工作轉台上，工作轉台通過電刷與電源負極相接; 砂輪采用鑄鐵（tiě）結（jié）合劑金剛石砂（shā）輪，通過砂輪軸與（yǔ）電源正極相接。在砂輪和工件之間噴灑 ELID 專用電解磨削（xuē）液，以工（gōng）件作為電解陰極對砂輪進行在線電解修銳，配（pèi）套 ELID 磨削液過濾循環係統，從而實現（xiàn） Si Cp /Al 零件的 ELID 精密磨削加工。

5． 4 砂輪電火花（huā）在線修整（zhěng）係統

該係統主要由砂輪電火花修整器和砂輪離線電解池構成。砂輪電火花修整（zhěng）器安裝在機（jī）床立柱左（zuǒ）側（cè），且與機床立柱絕緣，石（shí）墨輪的回轉中心位於砂輪軸 X 向移動平麵內。采用直流電機驅動石墨輪旋轉（zhuǎn），石墨（mò）輪通（tōng）過電刷與直流脈衝電源負（fù）極相接，石墨輪和砂（shā）輪形成電火花放電加工係統（tǒng），采用煤油（yóu）作為放電介（jiè）質，使用獨立的煤油過濾循環（huán）係統，從而實（shí）現對鑄鐵基金剛石砂輪進行電火花精密整型。砂（shā）輪（lún）離線電解池安裝在機床右側，與電源負極（jí）相接，且與機床絕緣。電解池配有（yǒu）高（gāo）濃度專用電解磨（mó）削液，可實現對精密修型後的砂輪進行快速預電解修銳（ruì）。

5． 5 ELID 精密磨削係統

機床采用（yòng）了（le）具（jù）有專利技術的 Si Cp /Al 複合材料專用 ELID 精密磨削係（xì）統。針（zhēn）對 Si Cp /Al 複合材料（liào）的特性及其加工要求，該係統配備（bèi）了 BJUTY-FH1 係列專用磨（mó）削液、磨削砂輪以及（jí）脈衝電（diàn）源，其中專用（yòng）磨削液以及金（jīn）屬結合劑超硬磨料砂輪享有專利技術。此外，係統還配備了具有專利（lì）技術的金屬結合劑砂輪在（zài）線電解磨削修整裝置。

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（jiāng）液壓油、冷卻液等主要熱源放在（zài）獨立的油箱、冷卻箱中（zhōng），確保機床在加工過程中受熱（rè）變形最小。此外，機床采用磁輥紙袋過濾機，可以有效清除加（jiā）工過程的渣粒，並（bìng）能將過濾（lǜ）下來（lái）的雜質導入汙物箱中（zhōng），確保濾紙消耗量最少且全過（guò）程連續自動。除塵係（xì）統采用（yòng）意大利 COＲ-AL 公司生產的 OIL-STOPHP1 型油霧淨化器（qì），磨削加工時，油霧和粉塵被吸氣罩吸入主風管，隨後通過主風管進入到除塵（chén）淨化器，然後經過層層過濾，油霧和粉塵被擋在濾紙的表麵（miàn），而過濾後的幹淨空氣則被風（fēng）機直接（jiē）排放到空氣中。6 X、Z、C 軸向運動X 軸向（xiàng）運動在交流伺服電機驅（qū）動下，通過聯（lián）軸器帶（dài）動滾（gǔn）珠絲杠運動，滾珠絲（sī）杠采用經過預拉伸和強製冷（lěng）卻的 NSK 空心免潤滑滾珠絲杠( 50 × 10) ，大大降低（dī）了磨削時（shí）的熱變形影響，同時搭載 NSK 的直線滾子重負荷免潤滑導軌( 45mm) 和 FAGEＲ光柵尺，以實現傳動的反饋閉環控製; 此外，還在磨削（xuē）區域內安裝（zhuāng）了液壓（yā）阻尼油缸以減小磨削振動，確保 X 軸向（xiàng）運動的精度和可靠性（xìng）。Z 軸向運動在交流伺服電機驅動下，通過（guò）聯軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠（zhū）絲杠采用經過預拉伸（shēn）和強製冷卻的 NSK 空心免（miǎn）潤（rùn）滑滾珠絲杠（gàng）( 50 × 10) ，減少了加工時熱變形帶（dài）來的影響，同時搭載 NSK 的直線滾子重負荷免潤滑（huá）導軌（guǐ）( 45mm) 和FAGEＲ光柵尺（chǐ），以實現傳動的反饋閉環控製; 此外（wài），還在橫梁背麵安（ān）裝了配重平（píng）衡機構，以（yǐ）減小因運動部件自身的重量帶來的振動，確保 Z 軸向運（yùn）動的精度和可靠性。C 軸回轉運動為工作台旋轉運動，采用 7k W 功率的交流伺服電機驅動，經過 HTD-8M 同步齒形帶 10: 1減速卸載（zǎi）傳動後，帶動靜壓轉台主軸旋轉，同（tóng）時（shí）采用靜（jìng）壓導軌來支撐轉台端麵，並且安裝編碼器，以實（shí）現 C 軸回轉運動（dòng）的閉環控製（zhì）。機床主要（yào）技表 1。

表 1 機床（chuáng）主要技術參數

7 、機床磨削加工過程

7． 1 整形

整形過程如圖 3 所示（shì），首先利用砂輪電火花修整器，對砂輪外形進（jìn）行精密修整。修整前（qián），先將石（shí）墨電極修成與成型砂輪相反的輪廓。為了（le）保證成型砂輪的輪廓精度，降低電極損耗，采用砂輪接正極，石（shí）墨電極接負極的正（zhèng）極性法。修整（zhěng）時砂輪與電極相對轉動，向砂輪與（yǔ）電極間噴入水溶型乳化液，通過調整電壓及脈寬，在砂輪和工具電極之間產生脈衝火花放電，對金屬結合劑進行電蝕，而金剛石、CBN 磨料是非導電體，它們與工具電極之間不發（fā）生火花放電。控製（zhì）金屬結合劑（jì）和工具電極（jí）之間放電能（néng）量的大小，使新的磨粒露出結合劑表麵（miàn）並形成一定的突出高度，即可達到整形的目（mù）的。

圖 3 砂輪外形（xíng）精密修整

7． 2 預修銳

利用砂輪離線電解池對砂輪進行（háng）電解修銳，使砂輪（lún）表麵（miàn）磨粒突出，並形成鈍化膜。修銳狀態如（rú）圖 4 所示，砂（shā）輪金屬結合劑在通電的情況（kuàng）下，在具有電解作用（yòng）的磨削液中發生電解反應而溶解去（qù）除，使砂輪中的磨粒露出結合劑表麵，形成一定的出刃高度和容屑空間;同時，在砂輪表麵逐漸形成一層氧化膜，氧化膜（mó）的不斷磨損與（yǔ）不斷生成，使得上述修整過程保持動態平衡，既避免了砂輪的（de）過快消耗又自動保持了砂（shā）輪表（biǎo）麵的磨削能力。

圖（tú） 4 砂輪預修（xiū）銳

7． 3 ELID 精（jīng）密磨削加工

ELID 精密磨削加（jiā）工如圖 5 所示。采用專用 ELID精密磨（mó）削係統，利（lì）用工件作為電解陰極（jí），砂輪作為電解陽極，並在工件和砂輪（lún）間（jiān）噴灑專用磨削液，對（duì）砂輪實現在線電解修銳，從而實現零（líng）件內孔，外圓等關鍵部位的精密磨削。

圖 5 ELID 精密磨削加工示意圖

8、磨削實驗及分析

北（běi）京工業大學精密超精密加工實驗室聯合北京衛（wèi）星製造廠，在共同設計研（yán）發的 ELID 精密磨削專用磨床（chuáng）上進行了大量的高體積分數 Si Cp /Al 複合材料精密磨削實驗。實驗結果表明: 機床精（jīng）度和機械性能（néng）良好，符合設計要求，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（diàn）流 10A，占空比 60% 時，得到了表麵粗糙度為Ｒa0． 096μm 磨削表麵，滿足（zú）生產要（yào）求。

9、結論

(1) 將立式轉台磨床結構布（bù）局設計與 ELID 精密磨削技術相結合（hé），設計出了航天用高體積分數 Si Cp /Al複（fù）合材料 ELID 精密磨削專用機床，具有良好的（de）磨削精（jīng）度和機械性能，滿足（zú）機床設計要求（qiú）.

(2) 機床能夠在一次（cì）裝卡（kǎ）中實現對零件（jiàn）外圓、內（nèi）孔、端麵、螺紋等關鍵結合麵的精密磨削加工，獲得了高精度的高體積分數 Si Cp /Al 複合材料的加（jiā）工表麵，滿足了生產要求。

(3) 機床能夠對砂輪進行（háng）在（zài）線電火花修整、在線電解（jiě）修銳，從而保證砂輪時刻處於良好的磨削狀態，提高了磨削精度和效率。

來源：北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京衛（wèi）星製造廠

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