砂带磨削技术若干问题初探

摘 要:文章详细介绍了砂带磨削技术的机理及特点,并在概括性阐述国内外砂带磨削技术的现状及我国在砂带磨削技术上与国外的差距的基础上,提出促进我国砂带磨削技术发展的五大关键技术。

关键词:砂带磨削 机理 特点 关键技术

砂带磨削是利用砂带这一特殊形式的涂附磨具,根据下件的几何形状,用相应的接触方式使高速运动的砂带与工件表面相接触,并产生相对摩擦,从而进行磨削和抛光的一种切削加工技术。20世纪60年代以来,随着静电植砂技术及涂附磨具技术的出现和发展,欧、美、日等在砂带制造技术及砂带磨床制造技术上均取得了巨大的进步,我国的砂带磨削技术也于20世纪70年代末开始发展,如今,砂带磨削作为有着“万能磨削”和冷态磨削”之称的新型磨削工艺,在现代制造工业中已经被当作与砂轮磨削同等重要的加工方法,在各行各业中发挥着越来越大的作用,发展前景广阔。下面,笔者具体介绍砂带磨削的机理、特点及关键技术。

1 砂带磨削机理

砂带是砂带磨削的主体,它是一种特殊的、多刀多刃的切削工具,主要由基体、结合剂和磨粒三部分组成。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,可以分为三个阶段,即滑擦、耕犁和切削。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,较为复杂。

2 砂带磨削的特点

由于静电植砂的砂带可以保证磨粒在砂带上的排列均匀,锐端向外,加工时大量磨粒能同时发生切削作用;较长的砂带周长使磨料得到良好的冷却;柔性的砂带容易适应不同形状的工作,因而,砂带磨削优点显著,主要表现在以下几个方面:

2.1磨削效率高

砂带磨削效率高表现在它的切除率、磨削比(切除工件重量与磨料磨损重量之比)和机床功率利用率三个方面都较高。目前已知的砂带磨削对钢材的切除率已达到700mm3/mm·s,甚至超过了车削或铣削等。砂带的磨削比大大超过了砂轮,高达300:1,甚至400:1,而砂轮才30:1。砂带磨床的功率利用率,远在砂带磨削发展初期就已达到80%,领先于其它机床,而今则高达96%,相比之下,砂轮磨床只有52%,铣床57%,车床65%,所以砂带磨削还是一种很好的节能加工技术。

2.2工艺灵活性大、适应性强

砂带磨削可以十分方便地用于平面、内、外圆和复杂曲面的磨削。设计一台砂带磨头装置作为功能部件可以装在车床上进行车后磨削,也可以装在刨床上使用,同时还可以设计成各种专用的磨床。砂带的粒度、长度和宽度也有各种规格,并有卷状、环状等多种形式可供选用。

2.3适用范围广

砂带磨削的加工范围几乎覆盖所有工程材料及各种复杂形状的表面,如今,砂带磨削已成功地运用于难磨削材料的磨削加工,金属材料如各种耐热钢、钛合金、淬火钢、不锈钢、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、蓝宝石、红宝石等;复杂型面如叶片、摆线齿轮等。

2.4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,如用砂带磨削外圆时,精磨后尺寸精度可达±0.003～±O.O05mm,表面粗糙度RaO.2～0.63μm;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.O1μm;砂带磨削其表面冷硬程度与残余应力仅为砂轮磨削的1/10。

2.5加工成本低设备投资少

砂带磨削砂带质量轻,磨削力小,磨削过程中震动小,对机床的刚性及强度要求都远低于砂轮磨床,因此与砂轮磨床相比,砂带磨床简单得多,设备简单。且更换一条砂带只需1分钟,调整时间少,生产效率高,其成本明显低于同类型砂轮磨削。

2.6安全可靠,环境效益好

由于砂带本身质量很轻,即使断裂也不会有伤人的危险。砂带磨削不象砂轮那样脱砂严重,特别是干磨时,磨屑构成主要是被加工工件的材料,很容易回收和控制粉尘。由于采用橡胶接触轮,砂带磨削不会象砂轮那样形成对工件的刚性冲击,故加工噪音很小,通常<70dB,环境效益显著。

3 砂带磨削的关键技术

目前,国外工业发达国家对砂带磨床技术及砂带制造技术研究方面已进入新阶段,新型机大量涌现,砂带磨床朝着小型化、强力、高效、大功率宽砂带磨床方向发展,磨床拥有量不断增加,据资料显示:砂带磨床与砂轮磨床产值比,美国为49:51,德国为45:55,日本为25:75,且砂带磨削的功能已远超出了除锈、粗磨、抛光等范围,并与特种加工方法和现代化技术紧密结合。与国外相比,我国的砂带磨削技术起步比较晚,在研究与应用仍存在一定不足。但总体来说,发展速度也较快,目前国内已有不少砂带磨削设备制造厂、高校和科研单位开展了砂带磨削技术的研究与开发工作。综合以上国内外砂带磨削技术的现状及我国在砂带磨削技术上与国外的差距,笔者以为,要促进我国砂带磨削技术的发展,以下五大技术是关键:

3.1砂带磨削基础研究

砂带磨削是复合加工,机理复杂,涵盖了较多科学基础问题,尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了大量研究,但目前砂带磨削完整的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受诸多因素影响。因此,有必要深人开展砂带磨削加工机理及相关工艺的研究,只有如此,才能揭示各种磨削过程、磨削现象的本质,找出其规律,确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。

3.2砂带磨料及制品工艺技术的改进和开发

砂带磨削技术发展的关键和重要标志是砂带,能否制造高品质的砂带已成为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。1)新型基体的应用和开发;2)合成浆料的应用和开发;3)粘结剂的应用与开发;4)磨料的应用与开发;5)砂带表面涂层的应用与开发。此外,国内砂带生产企业还应该积极加强相互之间及其与国外知名砂带制造厂商的交流合作,特别是技术的研究与合作、新产品开发中技术的获取与运用、技术在价值链中的运用和技术营销等。

3.3砂带磨床的研制

主要包括以下三个方面:1)砂带磨床单元部件的研究;2)砂带磨床的现代设计及制造技术研究;3)砂带磨削装备的柔性化及自动化。

3.4砂带磨削的高效与精密加工技术研究

目前,砂带磨削正朝着强力、高速、高效和精密方向发展。高效强力砂带磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快,据报道,砂带磨削在德国最高线速度接近100m/s。在我国,对高效强力砂带磨削的研究近年来也取得较大突破,重庆大学对汽车和船用柴油机发动机连杆端面、西气东输石油管道焊缝、核电高压容器、高合金热轧钢管等方面的强力砂带磨削研究,研制了多种高效砂带磨削的成套装备,解决了多个涉及国民经济发展相关的工程技术难题。另一方面,目前国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,表面粗糙度已达到Ra(0.01～0.025)μm,而我国由清华大学开创的超声砂带磨削技术也已具有世界领先水平,采用该技术对计算机硬盘进行研抛加工,表面粗糙度可达Ra0.01μm。

3.5砂带磨床国家标准的制定

砂带磨削技术优异性的发挥,很大程度依赖于砂带磨床本身,因此磨床设计及制造是一项非常关键的工作。在砂带磨床的设计中,磨头是最关键的,其结构方案、参数选择及主要零部件的制造精度和刚度等指标将对工件表面质量、加工精度等产生很大影响。因此,根据我国行业的实际情况,建立我国特有的有关砂带磨床技术、产品及评价标准,推动砂带磨削这一先进的高效磨削技术在我国的产业化发展,意义重大。

参考文献:

1.黄梦真王晓梅.浅谈砂带磨削技术的优势和发展现状[J].科技信息.2009,(11)

2.黄云朱派龙.砂带磨削原理及其应用[M].重庆:重庆大学出版社,1993.

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