精密和超精密砂带磨削时磨削机理的研究现状及发展趋势

精密和超精密砂带磨削时磨削机理的研究现状及发展趋势机电工程系20124329049齐伟摘要：介绍了砂带磨削的特点、应用及关键技术，论述了砂带磨削技术的发展趋势。砂带磨削作为一种新的加工技术，在国外已得到广泛应用，发展非常迅速。砂带磨削是一种高效率、低成本、多用途的磨削加工新方法，它对于各种材料及形状零件加工的适应性和灵活性远超过常规砂轮磨削工艺。关键词：砂带；磨削；砂带磨削目录一、砂带磨削的机理和特点………………………………………………………1二、国内外砂带磨削技术的研究及应用现状……………………………………3三、砂带磨削趋势…………………………………………………………………6引言：随着汽车、建材、航空及轻工业的进步和发展,对金属材料和非金属材料特别是难加工材料如不锈钢、钛合金、半导体材料、陶瓷材料等的表面加工质量、精度、完整性等提出了更高要求,若采用传统的车削、铣削等工艺方法难以满足这些要求。而砂带磨削作为一种磨削和抛光的新工艺,是一种优质、高效、低耗的加工方法,已成为精密、超精密加工的有效方法之一,在各行各业发挥着越来越大的作用,现已成为国内外材料和机械交叉学科中引人注目的领域,具有很大的发展潜力。一、砂带磨削的机理和特点1.砂带的结构特点：砂带是特殊形态的多刀、多刃的切削工具，其切削功能主要是由粘附在基底上的磨粒来完成。如上图所示，砂带由基材、磨料和粘结剂三要素组成。基材可以是布或纸；粘接剂为胶或人造树脂；磨料可为刚玉、碳化硅或者玻璃砂等。基材在运动的过程中采用高压静电植砂的办法粘结上磨粒，因此砂带上的磨粒几乎都是垂直于基底，锐端向外，定向排列，分布均匀，多刃也基本上是等高排列的。2.砂带磨削的切削原理：砂带磨削是根据工件的形状与大小，以相应的方式，使高速运转的砂带与工件表面接触进行磨削或抛光的一种新工艺。砂带机一般由电机、砂带、接触轮、张紧轮、张紧弹簧与支架、吸尘器及其它辅助部件等组成：接触轮通常多采用橡胶轮，具有弹性接触的性能，并能在磨削的过程中起一定的支持作用；张紧轮装置起张紧砂带、更换砂带及调整砂带跑偏的作用。砂带磨削时,磨粒在一定压力作用下作切削运动,与工件表面相互作用,实现对工件表面磨削和抛光。根据磨粒与工件表面接触时干涉程度的不同,可以分为3个阶段,即滑擦、耕犁和切削。滑擦:磨粒与工件表面相互接触干涉少,工件表面发生弹塑性变形,磨粒只摩擦工件表面,不切除材料;耕犁:随着磨削用量的增加,磨粒与工件表面干涉增大,材料表面发生塑性流动产生挤压式运动,从磨粒的下方和两侧挤出,磨粒在工件表面犁出“刻线”,切除少量材料;切削:在一定压力作用和温度条件下,磨粒与工件表面间产生足够的干涉,开始真正地�切削�,材料在磨粒的前方产生断裂,形成切屑,有较大的材料去除率。在磨削加工过程中,不同磨粒的作用可能不同,即一部分磨粒起滑擦作用,一部分进行耕犁,还有一些进行切削,即使同一颗磨粒的不同部位以及同一部位在不同加工时间所起的作用也不尽相同。对于磨削的机理、切屑的形成、磨削力、磨削温度、磨削热等问题的解释涉及到物理学、数学、弹塑性力学、断裂力学、摩擦学、计算机科学等基础科学，可见砂带磨削机理较为复杂。3.砂带磨削的特点(1)（冷态）磨削:由于砂带有较长的周长,散热快,使磨粒得到很好的冷却,不易产生工件表面烧伤现象,工件表面通常无微裂纹出现或金相组织的改变。(2)（弹性）磨削:由于砂带自身有很好的挠性和柔性,与工件是柔性接触,具有很好的磨合和抛光作用。(3)（高效）磨削:砂带磨削生产效率高,在材料去除率方面,砂带磨床远远超过了砂轮磨床,约为普通砂轮磨削的5~20倍,铣削的10倍;功率利用率达96%,国外生产的强力砂带磨床,金属切除率已达737.5cm3。(4)磨削质量好:经砂带磨削的工件表面的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度与经同类型砂轮磨削的相当,而表面层冷硬程度和残余应力等质量指标则明显改善。例如用砂带磨削外圆时,精磨后尺寸精度可达±0.003-±0.005mm,表面粗糙度Ra0.2-0.63um;用砂带磨削与特种加工相结合的复合工艺又可进一步提高加工精度和表面质量。如砂带磨削与超声振动相结合抛磨磁盘涂层表面时,粗糙度可达0.01um;砂带磨削其表面冷硬程度与残余应力仅为砂轮磨削有1/10。(5)适用范围广:几乎可加工所有工程材料及各种复杂形状的表面,现砂带磨削已成功地运用于难磨削材料的磨削加工,金属材料如钛合金、不锈钢、各种耐热钢、淬火钢、各种难加工铸铁和有色金属;非金属材料如陶瓷、大理石、玻璃等;特殊材料如单晶硅体、红宝石、蓝宝石等;复杂型面如叶片、摆线齿轮等。(6)生产成本低、经济效益好:砂带磨床结构简单,制造成本比砂轮磨床的低;新砂带调整容易,可以一次定位,多次更换砂带;有实验证明,砂带磨削的磨削比(切除工件材料重量与磨粒消耗重量之比)可达300：1~400：1,而砂轮磨削仅为30：1。二、国内外砂带磨削技术的研究及应用现状1、国外的研发及应用现状国外砂带磨削经历了几十年的发展,已经进入了向现代化发展的新阶段。在工业发达国家如美、德、英、日都非常重视砂带磨削技术的开发和应用,因此,砂带磨削机床及砂带生产与日俱增。砂带磨削应用领域在日趋扩大,从一般家庭生活到工业生产和各个领域无所不用,如钢铁工业、航空航天工业、机械加工、造船业、铸造业、交通运输、金属加工、木器、石材、砖材、纤维、塑料器具和器械等。就其应用范围而言,从非金属材料到金属材料的磨削从用作一般材料的磨削到难加工材料如钛合金、陶瓷、宝石等的磨削;从用作一般精度要求的工件磨削发展到精密、超精密工件的磨削,如成功地应用于磁盘、录像机等精密零件磨削中。就砂带磨床的种类而言,由起初的手动砂带磨床,发展到电动砂带磨床,进一步研制出自适应控制的砂带磨床,在生产率和自动化程度提高的同时,使加工精度实现可控化;在拥有一般的砂带平面磨床、内外圆磨床等的同时又制造出多工位的砂带专用磨床、数控砂带磨床以及以砂带磨床组成的自动线,满足了不同厂家对不同材料和形状的零件加工要求。就砂带制造水平而言,国外生产有氧化锆一氧化铝、立方氮化硼、金刚石磨粒的砂带,砂带寿命得以进一步提高,使砂带磨削可用于干磨、高速、大吃刀深度的重磨削领域以及高精度精密零件的磨削加工领域。总的来说,国外先进国家砂带磨削技术发展很快,应用也很广,从这种磨削新工艺应用中取得了大量的经验,获得了很好的效益,同时,研究者仍然没有放松对砂带磨削机理及提高磨削质量的研究。为了解决高效砂带磨削的平面精度问题,日本研究者在试验的基础上,利用模糊理论获得了磨削条件和影响平面度因素相对关系的表达式。经验证,该模型既能精确地表达磨削过程,又能够满意地改善工件表面精度,为定量分析磨削参数变化对平面度的影响提供了科学依据。砂带磨削技术与特种加工方法和现代化技术紧密结合,如自适应控制,微机应用与引入,NC控制及误差补偿,PC控制器等。一是电解砂带磨削技术和电镀砂带磨削的发展,二是出现了许多新型砂带磨床。如在数控砂带磨床方面,原苏联一直在致力于这方面的研究;原西德FBSA系列大平面砂带磨床已采用数显装置,Metabo公司研制了6轴5联动数控砂带磨床。在多磨头、多功位砂带磨床方面,瑞典ASEA和原西德Metabo公司成功地把关节式机器人用于砂带抛光机上;在美国已将机器人运用于砂带磨床上,而且已生产出应用于FMS生产线上的砂带磨床。2、我国砂带磨削的应用情况随着国外砂带磨削的不断进步,国内砂带磨削技术的研究和应用已越来越引起我国机械行业的关注。目前,国内已具有一定数量的砂带磨削设备制造厂和研究砂带磨削的单位,在砂带制造中采用了一系列新工艺使砂带制造质量得以提高,如采用静电植砂工艺使得所生产的砂带磨粒排列均匀,磨粒尖端朝外,从而具有表面锋利、磨削性能高的优点,同时能较好的控制植砂密度;��射线穿透测量胶层和砂层的厚度,测量精度高,反应快,不损坏砂带,可在线连续测量,保证了产品质量;在选用粘结温度高、耐热性能好的人造树脂为粘结剂的同时,又采用机械柔曲的方法,从而既保证了砂带表面强度高,磨削锋利,又使其性能柔软;采用增湿工艺恢复涂附磨具产品的固化过程中所损失的�强度�和柔曲性。选用不同聚脂薄膜,更加易于保证接头强度,接头处的柔韧性与整条砂带的柔韧性更加趋于一致,将使磨削中由于接头区增厚、变硬引起的加工面留下接合痕迹现象大为降低,可进一步提高砂带磨削的加工精度和表面质量。砂带异形涂附磨具就是用砂带作为原料进行再制造,充分利用砂带本身的柔曲性、可加工性,将成卷砂带经落料、仲裁成各种形状的砂带页片,再将若干页片按一定规律排列组合到金属或非金属的基体上,或缠绕到基轴上,用粘结剂将页片和基体粘成一体,形成各种各样的涂附磨具,以适应各种零件复杂形面的加工,按这种方法制成的异型涂附磨具,比直接利用砂带本身进行磨削加工更具柔曲性,针对性强,特别是对复杂形面等的难加工零件有其独特的优越性。同时,其明显的优点还在于异型涂附磨具进行磨削可利用现有的设备进行改造,甚至不需要任何改装即可完成对工件的磨削加工,这样的异型涂附磨具有页轮(砂带页片按圆周排列),十字形砂片(砂带页片按十字排列)、米字形砂片(砂带页片按米字形排列)、页片式砂带磨盘(砂带页片在平面上沿圆周码放形成肩形排列)等。高性能砂带磨削技术以其独特的工艺性、广泛的用途、较强的适应性能得到了广泛地推广的。我国在涂附磨具的制造及砂带磨削工艺与设备的研究方面取得了一定成绩,但总的来说,尚处于初级阶段。与国际先进水平相比,仍有较大差距.影响我国砂带磨削技术发展的关键技术:(１)高品质砂带砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个同家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂，近年来高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的已广泛应用。包括：１）新型磨料的应用与开发。随着砂带磨削的加Ｔ对象不断扩展，传统的磨料已经不能满足要求了，近年来随着工艺的改进，锆刚玉磨料和ｓＧ（微晶结构烧结陶瓷磨料）等已经成为在砂带磨料瞿面的重要发展方向。原美同Ｎｏｒｔｏｎ公司又推；｝｛了ＳＧ磨料的第二代产品（ＴＧ磨料），它保留了ｓＧ的特点，在磨料形状上作了新突破，它有很细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工镍铬铁和钛合金等难加工材料。据报道，ＴＧ磨料的材料去除率为锆刚玉的４倍以上，寿命为刚玉的ｌＯ倍以上。而国内这方面还出处于试制和起步阶段。２）砂带表面涂层技术的开发。近年同外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带，其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外．还再涂了一层具有特殊功能的涂层，它使得砂带具有特殊的使用性能．如阻止磨屑与工件的冉焊或磨粒的粘结．降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优趱眭。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白。３）新型基体的应用和开发。国外最新ｍ现的聚酯超强化薄膜基金刚石砂带、电镀金刚石或ＣＢＮ的金属基砂带、铜与纤维复合摹金刚石砂带等产品，在加Ｔ非金属材料（陶瓷和硅晶体等）方面旱现了优异的磨削性能。４）粘结剂的应用与开发。高分子粘结剂的应用和发展促进了砂带磨削的发展和进步。特别是强力磨削在于、湿磨条件的性能与砂带所使用的粘结剂密切相关。围产砂带使用寿命短的很大一个冈素就是粘结剂问题。(2)砂带磨床的现代设计与制造随着信息与自动化技术的口新月异，传统的砂带磨床的设汁及制造技术也在改变。尤其面对全球化、交货期与产品生命周期不断缩短、技术集成（ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ／ＣＡＥ、ＰＬＭ、ＤＦＸ、ＴＱＭ、ＡＭ、ＣＥ、ＥＲＰ等）的主要趋势。开展对高精度、高刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构研究；高速、超高速及精密方向作为砂带磨削技术的主要发展方向，要求机床控制系统和数字伺服驱动系统的控制精度，动态响应特性都很高。因此加强对高精度数控系统和伺服驱动系统的研发，通过对磨削加工的过程自动实时监控系统的研究，解决磨削过程中信号识别、信息采集、数据处理、反馈控制等技术，从而实