1、無心磨削技術的發展何亮何亮l 前沿l 無心磨削的發展歷史l 無心磨削方法分類l 先進無心磨削技術的建模和仿真l 無心磨床的先進設計l 先進的無心磨削監控l 最先進的無心磨削技術和機床示例l 結語一、前沿目前的無心磨削是由于20世紀10年代汽車工業對制造精密零件高生產量的需求，于1917年誕生。隨著無心磨床的誕生，零件的尺寸精度和圓度直接提高了四分之一，并且生產時間降低到原來的十分之一。這種無心磨削技術不僅使大批量生產成為可能，而且使可互換零件的制造成為可能。二、無心磨削的發展歷史 從1875年Brown和Sharp制造第一臺萬能磨床之后，磨床經歷了兩個創新發明，這開啟了高精密元件高效率加工的先

2、河。到1903年，Charles Norton 開發了一種砂輪寬度范圍廣的曲軸專用磨床，這使得加工的最終時間由5h降低到15min。1905年，James Heald開發了一種行星磨床，該磨床取代了原來的鏜鉸機和內圓磨削的手動研磨操作。 磨床發展中最重要的創新是無心磨床的出現。無心磨床的基本原理很久遠。第一個人運用這一原理，用一塊木塊把一個圓柱體限制在砂輪的表面，并且允許它隨著砂輪一起旋轉。l 1917年，在Heim嘗試了運用雙輪磨削原理開發無心磨床之后，他申請了“軋輥磨床”的專利，這是帶有導向輪的無心磨床的起源。 Heim的無心磨床的結構省去了對工件裝夾和驅動的需要，從而大大提高了工件裝夾和

3、拆卸的速度，生產力和磨削精度。1921年，福特汽車公司的亨利福特試圖找到一種完全不同方式的磨床，Geier管理的米爾（辛辛那提銑床公司）公司接受了這份訂單，首次制造了十臺無心磨床（圖3），并于1922年2月17號交付給了福特公司。到1922年底，LMV已經制造出了一臺無心磨床（圖4）還為顧客進行了磨削實驗這是LMV公司在無心磨床上成功的開始。LMV公司因此成為歐洲無心磨床主要的制造商。三、無心磨削方法分類 無心磨床的主要結構包括砂輪，導向輪和托板。 根據機床結構方向的不同，無心磨床可被分為以下幾根據機床結構方向的不同，無心磨床可被分為以下幾種類型：種類型： 標準（臥式）類型 傾斜式 立式 傾斜

4、式機床適合于重型零件或薄壁輕型零件的磨削加工，立式機床往往被設置成在低于中心的條件下工作。 無心磨削精加工方法中使用的四種磨具：無心磨削精加工方法中使用的四種磨具： 砂輪 拋光/超精油石 研磨帶 砂帶 砂帶無心磨削顯示出一種很高的材料去除能力，并且無心超精密磨削可以獲得粗糙度比貫穿方式低50nm的鏡面加工效果。 根據工件進給方向分類，有三種類型無心磨削方法：根據工件進給方向分類，有三種類型無心磨削方法： 橫向進給方式 貫穿進給方式 切向進給方式橫向進給方式適用于多直徑或異形工件的磨削。貫穿進給方式對于滾針、圓柱滾子、圓錐滾子的磨削具有很高的生產效率。切向進給方式能夠磨削異形工件，例如球面滾子。

5、 許多種類的機床都是基于無心磨削的。新型的無心許多種類的機床都是基于無心磨削的。新型的無心磨床已經具有很多輔助功能，磨床已經具有很多輔助功能，例如例如： 內外徑同時無心磨削 有角度的橫向進給磨削 超聲波橢圓振動無心磨削 雙磨頭無心磨削四、先進無心磨削技術的建模與仿真 無心磨削的精度和生產率受到三種過程不穩定性的限制：無心磨削的精度和生產率受到三種過程不穩定性的限制： 工件裝夾的不穩定性，當導向輪不能維持工件預期的圓周速度時，就會出現問題。 幾何波動，當位于兩個輪子中間的工件中心振動產生表面波紋時，就會出現不穩定性。 動態不穩定性或者顫動，這個問題對于所有磨床來說是很普遍的，由于工件再生類型振動

6、的發生，使得這個問題在無心磨削里發展迅速。4.1 工件裝夾穩定性工件裝夾穩定性描述工件裝夾穩定性的模型和方程完全是由喬本等人發展起來的。穩定性研究適用于單一和多種直徑的零件應用。對于單一直徑的零件來說，喬本的模型能夠預測兩個主要的工件裝夾過程穩定性：平帶和旋轉。對于多直徑的零件，喬本等人對其旋轉運動的機制已經進行了闡述。4.2 幾何和動態穩定性幾何和動態穩定性由于最近五十年許多研究者隨后的貢獻，無心磨削的穩定性模型的發展已經獲得成功。以下將從頻域和時域詳細描述這個模型。4.2.1頻域仿真頻域仿真在一種理想的橫向進給過程中，工件的半徑可穩定的減少，半徑誤差為0。但在實際加工過程中，半徑誤差根據這

7、個等式變化： rw（t)=g(t)+k(t)+d(t) (1)g(t)代表由與導向輪和托板相關的誤差而引起的工件沿切割方向的移動。k(t)是系統靜態偏差的時間變化。d(t)代表加工過程中產生的振動。 Gallego,Barrenetxea等人最近已經對模型進行了最新的改進。據此，控制幾何波動和振動再生的方程式是：Rw(s)的兩個極限值決定了加工過程是否穩定。因此，大括號里的所有重要的根都應計算出。Gallego證實了確定根的最快的算法是神經網絡，它可以在幾秒鐘內對很多配置計算工程穩定性。相關實驗表明，頻域模型的穩定性提供了特征明確的切削剛度和機床性能。4.2.2. 時域仿真時域仿真在實踐中，無

8、心磨削的模型通常都是在頻域中求解的。然而，過程非線性的影響只能用時域仿真來定性的研究。用這種方法，時域仿真可以允許對工件尺寸和粗糙度誤差的演化進行預測，也可以預測它們的值，這一點對于磨削循環的優化設計是必須的。4.3 機床設置和過程優化機床設置和過程優化4.3.1 橫向進給磨削橫向進給磨削除了前面部分所描述的特征不穩定性以外，無心磨削的設置必須同時處理好切削和磨損機制的熱量，機械和摩擦的限制。所有這些不穩定性和約束都受到許多過程變量和參數的影響，并用不同方法影響他們。這使得很難去建立一個最佳的配置和磨削周期來滿足生產力和加工精度的要求。4.3.2 貫穿進給方式磨削貫穿進給方式磨削在貫穿進給操作

9、磨削中，存在和橫向進給過程同樣的不穩定性和限制條件。正如已經提及的，由于沿著進給軸的幾何配置的變化，幾何和動態穩定性分析都很困難。這些參數也影響了特征不穩定性以及切削和磨損機理，所以一個為了滿足生產力要求的最佳過程配置的建立比橫向進給方式更加復雜。五、五、無心磨床的先進設計無心磨床的先進設計5.1 高精度高剛度機床設計高精度高剛度機床設計5.1.1 高精度高剛度主軸設計高精度高剛度主軸設計在無心磨床中，有兩種基本的主軸結構：懸臂梁或雙支柱。由于懸臂梁主軸（圖9（a）提供了方便檢修和方便砂輪安裝的工作區域，它已經得到了廣泛的應用。雙支柱主軸（圖9（b）提供了比懸臂梁方式更高的剛度和更好的徑向跳動

10、精度。圖圖 95.1.2 利用復合導軌的定位系統利用復合導軌的定位系統高精度的磨削需要橫向進給滑動的高剛度和高定位精度。大多數來自于砂輪驅動電機的動態干擾力和磨削力直接傳遞到定位系統，這對系統性能造成了威脅。為了解決這個問題，已經研發了一種使用一種新的應用液壓墊的新型復合滑動配置的滑動定位系統。5.1.3 直線電機和先進定位控制的集成直線電機和先進定位控制的集成直線電機定位系統的優點是沒有側隙，提高了進給精度，增加了動態剛度和降低導軌的摩擦和磨損，比滾珠絲杠進給系統更少的部件和更容易組裝。這種簡單的結構為定位系統提供了高動態剛度和沒有爬行及接觸摩擦的高的定位精度。電機的強迫振動的影響能夠通過信

11、號處理系統從根本上降低。由于更簡單的動態學和沒有間隙，信號處理在直線電機系統上的使用比在滾珠絲杠配置上的使用更加簡單。5.1.4 無心磨床設計無心磨床設計中中液體靜力學的使用液體靜力學的使用使用液體靜壓軸承的最重要的原因是：使用液體靜壓軸承的最重要的原因是： 低速時的低摩擦，這對于高定位精度很重要。 沒有磨損，這保證了很長的使用壽命和一致的性能，尤其是與直線電機結合起來。 沒有齒側間隙，這提供了高的運動重復性。 高阻尼。5.2 高精度修整設計高精度修整設計 在大多數情況下，磨削區域是完全封閉的。因此封閉區域的溫度和周圍環境的溫度不同。這就導致了機械零件的不同程度的變形。通過把修整單元放置在機床

12、的中心，所有的滑動系統和主軸的相關溫度變化都可以在修整過程中更好地得到補償。 實驗結果表明：用超低熱膨脹材料制作的無心磨床底座，在長期的磨削過程中，能夠提供極好的尺寸控制性。5.3 先進底座設計先進底座設計5.3.1 超低熱膨脹底座設計超低熱膨脹底座設計5.3.2 混凝土底座設計混凝土底座設計陶瓷混凝土底座無心磨床的優點是：陶瓷混凝土底座無心磨床的優點是：l 砂輪和修整器端部的剛度得到增強l 進給絲杠安裝夾具的剛度得到增強l 通過降低驅動電機的振動來改善磨削精度l 機床的固有頻率得到提高l 貫穿進給強力磨削的尺寸變化得到改善5.3.3 花崗巖底座設計花崗巖底座設計一個固體花崗巖底座可以使得機床

13、底座非常的堅硬并且在低頻搖擺運動下最小化扭曲變形。花崗巖底座無心磨床比一般典型的鑄鐵底座無心磨床具有更高的靜態剛度，更好的阻尼特性和更穩定的熱學特性。5.4 高靈活性和快速轉換高靈活性和快速轉換的的機床機床設計設計5.4.1 雙磨削頭無心磨削雙磨削頭無心磨削新開發的雙磨削頭無心磨床適用于研磨具有多個直徑的工件，如鉆頭、銑刀。該工具有兩個獨立的砂輪和滑動機構，如圖26所示。該機配備了自動控制的主軸馬達、可調節的砂輪主軸以及全數控的滑動裝置。同時靈活快速的安裝程序提供最佳的磨削位置，這些新功能大大降低了轉換時間。5.5 機床設計中采用有限元分析靜態和動態穩定性機床設計中采用有限元分析靜態和動態穩定

14、性有限元分析（FEA）是一個特定的工具來評估靜態下的結構響應，以及動態負荷和熱負荷。它可以應用于機械結構優化設計，以達到最小的結構重量和最高的加工精度。由于無心磨床經常應用生產高品質的零件，采用有限元法分析其結構/部件的特性成為必不可少的設計階段。圖31給出一個無心磨削的靜態和動態的有限元分析應用的例子。5.6 無心磨削先進工藝設計無心磨削先進工藝設計在一般情況下，與傳統的外圓磨床磨削相比，無心磨削提供了兩個在磨削精準度方面的優點。無心磨削進給過程與工件直徑的關系的示于圖34。因此，影響工件的直徑變化的加工工具的定位不準確性僅有一半。另一個優點是，工件整體通過導輪以及托板支撐，這可以避免部分的

15、偏轉，即使采用很大的進給率。它可以高效精確的研磨各種直徑且長而薄的工件。六、先進的無心磨削監控l 無心磨削的監控可以應用于修整或切割過程。監控無心磨床的主要任務在于以最短的時間達到修整的質量要求。其他無心磨削過程中的監控具體目標是： 觀察存在的振動 在最短的時間內用最小的花費 修整工具與砂輪間的接觸式檢測l 監測無心磨削的主要挑戰是有關的磨削操作。具體的監測無心磨削問題是： 避免無心磨削過程中，如振動，部分跳動或旋轉這些不穩定因素 檢測托板振動 檢查磨削過程中導向輪徑向跳動 檢查磨削過程中砂輪徑向跳動七、最先進的無心磨削技術和機床示例7.1 超高精度和高剛度貫穿無心磨床超高精度和高剛度貫穿無心

16、磨床l 在超精密無心磨削加工的目標是達到所有的磨削參數精度0.1m，如圓度，圓柱度，尺寸可控性，輪廓精度和表面粗糙度。為做到這一點，如下的新技術被引進并應用于一個超精密系統。 一個旋轉的微修整導輪和砂輪的系統應用于無心磨削兩個磨頭的修整。 V-V型滑動軸承導軌也被應用到進給滑動中。7.2 超高精度和高柔性進給無心磨床超高精度和高柔性進給無心磨床l 無心磨削的困難之一是轉換的低靈活性和工具安裝強度高。以下研究目標是超精密和高靈活的進給無心磨削，精度達到0.1m，同時減少切換時間與工具安裝強度。 雙固定主軸系統在5.1.1介紹過的，已經應用于砂輪和導輪主軸 帶有負載補償單元的復合導軌系統在第5.1.2節中描述的也得到應用 旋轉修整裝置與負載補償系統應用于砂輪和導輪 數控托板單元的開發和應用 數控導輪旋轉角的快速切換的應用這已經證明不僅精密研磨精度達到0.1m，同時具有快速切換功能。7.3 高精密無縫陶瓷高精密無縫陶瓷cBN砂輪砂輪無心磨削無心磨削陶瓷結合劑cBN砂輪的x層（cBN磨料層厚度）占輪體厚度的2以下。在分段結構中，研磨是間歇性的，限制加工的精度。圖53說明了分段式砂輪和無縫砂輪的情況。與分段式輪相比，無縫砂輪取得了較好的圓度，如圖54所示。此外，設置時間減少了25或更多。八、結語八、結語 無心