由于蠕动进给磨削可以在具有挑战性的材料中提供高材料去除率,因此磨削可能不仅仅是该过程的最后一步——它可能是整个过程。

缓进给磨削装置

这是一个缓进给磨削装置,它采用了本文中讨论的许多元素。这里看到的是异形砂轮、直接在其上方的连续修整单元、沿砂轮轮廓的喷嘴以及用于捕获和汇集冷却剂的工具(白色塑料件)。

磨削是未来的材料去除工艺吗?考虑加工中这两个重要的、持续的趋势:

  • 更严格的公差。汽车和其他最终产品中性能更好的系统正在推动对加工零件上更严格的特征公差和更精细表面的需求。
  • 更硬的材料。制造商越来越多地使用高温合金、陶瓷和其他设计为在高温下具有高硬度的材料。这导致零件更耐用,但更难加工。

总体而言,除了这些机械加工趋势之外,还可以添加一个直接影响磨削的重要材料工程趋势:改进砂轮中的晶粒和结合力可提供更有效的性能。总之,所有这些发展表明未来将更多地使用磨削。他们还指出了比这更具体的含义。综上所述,这些因素表明我们将看到越来越多地使用缓进给磨削。

什么是缓进给磨削?与更常见的表面磨削相比,缓进给磨削采用较重的磨削深度和较慢的移动速度,通常使用异形砂轮,以远高于通常已知的磨削精加工道次。

MRR 就是为什么蠕动进给磨削能够提供这样的前景。在加工坚硬的高温合金(如铬镍铁合金)或更硬的材料(如陶瓷基复合材料)时,铣削等较重金属切削工艺的潜在 MRR 是有限的。因此,更多地使用这些硬质材料意味着铣削面临更大的挑战。但砂轮改进等发展使蠕变进给磨削在这些相同材料中的 MRR 显着提高。根据以 Norton 品牌闻名的砂轮制造商Saint-Gobain Abrasives 的说法,我们已经达到了磨削不再是零件加工顺序中的最终过程的地步。相反,在越来越多的情况下,磨削是一个过程。

最近,我在参观公司位于马萨诸塞州诺斯伯勒的希金斯磨削技术中心时,与诺顿工程团队的成员谈到了这一转变。这家位于波士顿地区的工厂在砂轮和其他产品上进行应用工程和产品测试,是该公司在全球范围内的四个此类磨削技术中心之一。在我参观的那天,我在工厂研发车间的 CNC 磨床上看到的大部分测试都与蠕动进给磨削有关。我遇到的团队成员包括技术经理 Robin Bright 博士;高级应用工程师 Bruce Gustafson;粘结磨具总监 Brian Rutkiewicz;和高性能材料技术专家 Philip Varghese,博士——所有参与了一项名为“从加工到磨削”的公司计划的蠕动进给专家,该计划旨在帮助支持制造商从金属切削过渡到更多地使用磨削。这一举措主要针对航空航天制造商,因为他们转向难以加工的合金和复合材料,也为齿轮制造商取得了成功,现在正在汽车制造中寻找应用。

我问团队成员今天了解蠕变进给磨削有什么重要意义。他们的回答涵盖了以下 10 点,其中第一点探讨了爬行饲料从哪里开始的有点模棱两可的问题。

1.缓进给磨削没有正式的定义。
“没有爬行饲料警察,”古斯塔夫森说。缓进给磨削的主要定义特征是磨削时的切深很高,但人们对究竟是什么深度标志着过渡存在分歧。在涉及与飞机发动机相关的磨削应用的工作中,他注意到该领域的工程师经常将蠕动进给的开始标记为 0.015 英寸。他自己的观点比这更早地安排了过渡;他认为 0.005 英寸的磨削深度可以被视为蠕动进给。无论哪种情况,他都说选择是任意的,没有正式的定义。可能将您的深磨应用视为蠕动进给是合理的,并且您可能已经完成了可以说是蠕动进给的磨削而没有意识到这一点。

2.蠕动进给既是一个低力的过程,也是一个高力的过程。
Rutkiewicz 通过指出这种看似矛盾的描述来描述蠕动进给过程:从一个角度来看,切割中的力是低的,从另一个角度来看是高的。虽然相对于其他磨削方式,砂轮上的每个切削颗粒都受到较小的力,但施加到机器和零件整体上的力可能较高。

补偿蠕变进给中大切深的是低横向进给速度(进给速度),通常为每分钟 5 到 20 英寸的数量级。低进给率和相应的切屑负荷意味着对砂轮表面每个单独砂粒的切削力也很低。车轮寿命和功率效率都可能从中受益。

然而,很多人都参与其中。蠕动进给的较大切削深度意味着较长的砂轮弧线浸没在零件中,从而增加了整体力。因此,在此过程中使用的磨床的要求包括每英寸砂轮宽度至少 15 到 20 马力的主轴功率和每英寸砂轮宽度 100,000 磅的静态环刚度。

3.与传统磨削相比,蠕动进给具有优势。
与更快、更轻走刀的传统工艺相比,缓进给磨削具有以下优势:

  • 更短的周期时间。诚然,进给率很低,但增加的切削深度足以弥补这一点。此外,减少的总通过次数意味着在机器倒车时加速和减速损失的时间更少。
  • 减少机器磨损, 这是减少机器反转频率的另一个有益结果。
  • 更长的车轮寿命。每粒磨粒力的降低(以上第 2 点)意味着这种高 MRR 工艺实际上对砂轮的要求较低。
  • 更精细的公差和更复杂的几何形状 低进给率和每粒磨粒力低,可以更好地控制磨削操作的结果。

所有这些好处都伴随着蠕动进给磨削的一个非常大的缺点,将在下一点讨论。

4.冷却液至关重要。
车轮接合的长弧会在此过程中转化为更大的热量产生。因此,冷却液对于有效使用缓进给磨削至关重要。其他加工工艺通常通过使用喷嘴将冷却剂流大致指向切削方向来应用溢流冷却剂,但蠕动进给需要更认真地应用冷却剂。采用各种考虑因素来确保尽可能多地实现冷却剂的传热能力,包括:

  • 冷却液输送速度与车轮表面的速度相匹配。将冷却剂流速与车轮任何点通过的速度同步,确保更多的冷却剂与车轮相遇并跟随。
  • 冷却液输送喷嘴排列成与砂轮轮廓相匹配的轮廓。(见上面幻灯片中的照片。)
  • 特殊的冷却液收集工具用于缓进给磨削。零件出口侧的坡道收集冷却剂并使其能够汇集在车轮上,从而使车轮更多地暴露于流体中。这个坡道甚至可以加工成与零件轮廓相匹配。

5.MRR首选向下磨削。
类似于铣削,其中刀具相对于工件的两个可能旋转方向产生传统铣削或顺铣,砂轮旋转的两个可能方向产生“上”磨削或“下”磨削。Bright 博士说,当目标是高 MRR 时,爬行进给的偏好是向下磨削。向下磨削中砂轮的旋转导致砂轮底部与零件进给方向相同。这种类型的磨削会导致砂轮的任何点(砂轮的任何砂粒)首先与材料接触最大的工件接触。(参见上面幻灯片中的图表。)

再次,热量是这种偏好的原因,因为库存去除率很高。向另一个方向研磨是让砂砾首先遇到材料而不切入材料。“结果是每个砂砾都不会立即制成芯片,”布莱特博士说。“最初,砂砾会滑动和犁地,这会导致摩擦和多余的热量进入零件。” 向下磨削虽然看起来更突然,但允许更冷的磨削过程,因为砂砾在第一次接触零件时会形成切屑。相比之下,如果目标是精细的表面光洁度或延长磨料的使用寿命,则首选向上磨削。

6.间歇性敷料变得越来越容易接受。
由于在缓进给磨削中每次通过的材料去除量非常大,因此在此过程中使用的氧化铝砂轮往往需要连续修整。砂轮在磨削时应用到砂轮上的修整轮始终保持砂轮锋利。事实上,除了功率和刚度之外,连续修整能力可能是蠕动进给磨削的另一个机器要求。

然而,带有陶瓷砂粒的新型砂轮可以避免这种需要。由于陶瓷砂轮在较长时间内保持锋利,因此可以使用间歇修整,这意味着使用位于工作区其他地方的单独砂轮进行修整,而不是磨头。仅在需要时修整可使砂轮使用寿命更长,并且通过消除对连续修整能力的需求,更先进的砂轮可以在更便宜的机器上进行缓进给磨削。

7.超硬砂轮可以超越工具磨削。
第三种砂轮类型也可能适用于间歇修整。使用金刚石或立方氮化硼 (CBN) 磨粒的可修整金属结合剂超级磨料轮已用于制造用于研磨复合材料、金属陶瓷和陶瓷工具的切削工具。基于材料特性的相似性,诺顿工程师认为这些轮子还可以有效地研磨用于航空航天的陶瓷基复合材料和 γ 钛铝化物部件。这些轮子的另一个有用特征是它们的孔隙率。对于设计用于缓进给磨削的一般砂轮,材料颗粒间隔很大以产生微观孔隙,从而允许冷却剂渗入砂轮。在 Norton Winter Paradigm 产品系列等超耐磨砂轮中,金属结合剂可使砂轮孔隙率达到 46%。

在某些情况下,无需任何修整也可以使用超耐磨砂轮。采用无修整设计的单层金属结合剂超硬砂轮在数控铣床上实现缓进给磨削。

8.拉削现在有一个占地面积小的竞争对手。
铣削并不是缓进给磨削的唯一竞争对手。另一种是拉削,特别是用于在由超合金制成的飞机发动机盘中实现枞树形状的拉削。通过缓进给磨削可以产生这样的形状。结果可能会节省大量的占地面积。由于它需要较长的直线行程,因此用于此操作的拉床很容易达到 30 到 40 英尺长。缓进给磨削提供了在标准尺寸机床上进行相同加工的机会。

9.在航空航天中,MRR可以与铣削相媲美。
Varghese 博士再次强调:认为磨削是一种精加工过程,对加工零件进行最后的润色以实现尺寸和表面公差——即磨削的历史作用——这种观点将越来越少包含以下内容:磨削所能做的一切,因为先进的工件材料得到了更广泛的应用。过去,每分钟每英寸砂轮宽度 1 立方英寸是磨削所期望的典型特定 MRR。在当今使用工程砂轮的 CNC 机床上的高温合金磨削应用中,缓进给磨削可以实现每英寸砂轮宽度每分钟 18 立方英寸的特定 MRR——导致总体 MRR 等于或优于铣刀在这方面的能力相同的工件材料,他说。

另一个重要的进步领域是缓进给磨削所需的能源需求。从机器的角度来看,蠕动进给是一个高力过程(第 2 点),但现代车轮中更锋利的切割砂砾会降低这种力。用于输送切屑和冷却剂的改进的砂轮孔隙率以及改进的冷却剂技术也有助于提高能源效率。因此,蠕动进给研磨的比能量——去除每立方英寸材料所需的能量——也变得与铣削相当。

10.Creep-feed 提供了重新定位热处理的承诺。
但是,仅就加工周期来比较铣削和磨削可能会错过缓进给的最大好处之一:对加工顺序的根本性改变。在磨削作为精加工操作的传统角色中,零件通常在此步骤之前进行热处理。磨削是在更硬的热处理后状态下加工的有效工艺,尽管在这种状态下铣削零件会出现问题。因此,大部分零件的加工是在工件仍然较软的情况下通过铣削进行的,然后进行热处理,然后零件可能在磨削前接受最后的轻铣步骤,也可能直接进行磨削。这个顺序——铣削,将零件送去进行热处理,

但是,蠕动进给磨削可以取消该顺序。工件可以先进行热处理,这意味着工件可以在进行任何加工之前首先达到其最终硬度。缓进给磨削将消除将部分完成的零件运送到此场外步骤所需的中断、延迟和协调。匹配铣削的 MRR 可能是使磨削在生产中发挥更大作用的基准,但在某些情况下,重新安排生产所需的步骤可能是缓进给磨削实现最大节省的地方。

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