航天用 Si Cp /Al 復合材料 ELID 精密磨削磨床設(shè)計
2018-9-7 來源：轉(zhuǎn)載 作者： 關(guān)佳亮，趙顯輝，任 勇，路文文，楊 晶
摘要: Si Cp /Al 復合材料具有優(yōu)異的力學性能和物理性能，在航空航天、汽車、電子、軍事等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。針對高體積分數(shù) Si Cp /Al 復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(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的方法，設(shè)計出一臺 ELID 精密磨削機床。滿足在一次裝夾中對 Si Cp /Al 零件外圓、內(nèi)孔、端面和螺紋等關(guān)鍵結(jié)合面的精密磨削加工，從而保證零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。文中著重介紹專機的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)和磨削加工過程。
關(guān)鍵詞: Si Cp /Al 復合材料; ELID 磨削; 立式磨床
0 、引言
Si Cp / Al 復合材料具有高比強度、比剛度，低熱膨脹系數(shù)、密度等特性，并且具有良好的尺寸穩(wěn)定性、導熱性以及耐磨、耐疲勞等優(yōu)異的力學性能和物理性能，在航空航天、汽車、軍事、電子、體育用具等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但超硬的增強相顆粒的加入，使得材料的切削加工性能非常差，而且在常規(guī)加工過程中工序多、須多次裝卡，加工精度不高，從而限制了該材料的應(yīng)用。北京工業(yè)大學精密超精密加工實驗室通過前期大量實驗，表明 ELID 精密磨削技術(shù)可實現(xiàn)對 Si Cp /Al 復合材料的精密磨削，獲得了高精度的加工表面。
為實現(xiàn)一次裝卡，保證加工精度，采用立式轉(zhuǎn)臺磨床結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，將 ELID 精密磨削技術(shù)與立式磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，開發(fā) ELID 精磨磨削專用機床。實現(xiàn)了在一次裝卡中對 Si Cp /Al 零件外圓、內(nèi)孔、端面、溝槽、螺紋等關(guān)鍵結(jié)合面的精密磨削加工，從而保證零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。
1 、ELID 精密超精密磨削機理
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有效磨削尺寸是磨粒的三分之一，材料主要以微切削的方式去除，所以材料破碎情況不嚴重; 此外，砂輪表面會覆蓋一種具有良好柔性的鈍化膜，精磨時，磨削進給量很小，鈍化膜的厚度遠大于磨粒的磨削尺寸，所以砂輪表層磨粒在磨削中不可能直接與材料接觸，砂輪上覆蓋的這層鈍化膜將代替金剛石磨粒參與精密磨削過程。當電解作用完全抑制時，鈍化膜對試件進行光磨。所以 ELID 磨削實際上是一種將磨、研、拋加工合為一體的復合式精密加工技術(shù)。
圖 1 ELID 磨削成型機理圖
2 、立式轉(zhuǎn)臺精密磨床簡介
數(shù)控立式轉(zhuǎn)臺磨床是最近幾年來發(fā)展特別迅速的高新技術(shù)機床，具有操作方便、磨削精度高、加工效率高、占地面積小、自動化程度高等優(yōu)點。機床整體運用組合型設(shè)計原理，搭載相應(yīng)功能模塊以實現(xiàn)不同功能，逐步演變?yōu)槟ハ骷庸ぶ行模€可搭載其他刀具，如車刀銑刀等，從而組裝成為功能更加廣泛的加工中心，實現(xiàn)系統(tǒng)化生產(chǎn)，順應(yīng)當今世界機床工業(yè)“高速、復合、智能、環(huán)保”的發(fā)展潮流。
3、 ELID 精密磨削機床設(shè)計要求
針對北京衛(wèi)星制造廠對于航天用高體積分數(shù)Si Cp / Al 零件的加工要求，磨床應(yīng)滿足在一次裝卡中實現(xiàn)對 Si Cp /Al 零件外圓、內(nèi)孔、端面和螺紋等關(guān)鍵結(jié)合面的精密磨削加工，從而保證零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。
4 、ELID 精密磨削機床總體結(jié)構(gòu)
為了滿足生產(chǎn)要求，磨 床 采 用 立 式 布 局，配 備ELID 磨削工藝系統(tǒng)，砂輪電火花在線修整系統(tǒng)。機床總體三維結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 2 所示。
圖 2 機床總體三維結(jié)構(gòu)
5 、ELID 精密磨床主要部件和關(guān)鍵技術(shù)
5． 1 機床框架
機床由床身、立柱和橫梁組成龍門式框架結(jié)構(gòu)，具有良好的抗彎曲和抗振性能。床身由人造花崗巖制成，建立模態(tài)分析，得出人造花崗巖床身的第一階固有頻率為 749． 47Hz 左右，而工作頻帶在 159． 15Hz 范圍之內(nèi)，所以機床不會因激勵而發(fā)生共振，加工時振動很小，保證了機床加工的平穩(wěn)性。另外人造花崗巖的密度為 2． 63 g /cm3，只有鑄鐵的三分之一，相比鑄鐵床身來說，其質(zhì)量剛度比大大提高。左、右立柱和橫梁由優(yōu)質(zhì)鑄鐵 HT300 材料制成，其中橫梁是一個高強度的箱型結(jié)構(gòu)，上面布滿加強筋，其軌距可達到 950mm，保證了砂輪軸的位移精度。磨床是由伺服電機驅(qū)動的兩軸聯(lián)動控制，通過滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)帶動滑枕沿著橫梁導軌左右滑動，同時驅(qū)動砂輪軸沿著滑枕導軌上下滑動。
5． 2 砂輪主軸
砂輪軸采用高精度靜壓主軸，主軸的徑向跳動和軸向竄動≤1μm，同時搭美國 XM -SBS 磨床砂輪在線動平衡系統(tǒng)，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，保證機床的幾何精度、剛性和加工精度，延長磨床的主軸壽命和砂輪壽命。此外砂輪軸配備動力主軸鎖緊功能，并且可以根據(jù)砂輪電火花修型需要，將砂輪替換成車刀對電火花石墨輪進行修型，然后再修整磨削砂輪的形狀，從而實現(xiàn)對零件成型磨削加工，如磨螺紋、錐面等。砂輪 軸 的 X 向 運 動 和 Z 向 運 動 均 配 備 德 國Ｒexroth Star 高精度直線導軌副，采用德國西門子交流伺服電機驅(qū)動，同時搭載高精度雙螺母預緊滾珠絲杠副。位置檢測元件采用德國海德漢公司生產(chǎn)的精密光柵尺，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，最小進給分辨率為 0． 1μm。
5． 3 回轉(zhuǎn)工作臺
工作轉(zhuǎn)臺采用抗振特性好、旋轉(zhuǎn)精度高的液體靜壓主軸，采用大功率力矩電機直接驅(qū)動，其徑向跳動和軸向竄動≤1μm。配備德國海德漢精密圓光柵，實現(xiàn)角度閉環(huán)控制，可對零件內(nèi)外輪廓進行曲線加工，復位精度達到一角秒。吸盤采用意大利進口電控永磁吸盤，吸力可調(diào)，裝卸工件無需扳手，按鈕控制，加工完畢自動退磁。為了隔絕轉(zhuǎn)臺電機振動傳遞，在工作臺和電動機底座下加彈性防振墊，實現(xiàn)機床與振源分離。電氣柜配有可控的 ELID 專用直流脈沖電源，工件安裝在工作轉(zhuǎn)臺上，工作轉(zhuǎn)臺通過電刷與電源負極相接; 砂輪采用鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，通過砂輪軸與電源正極相接。在砂輪和工件之間噴灑 ELID 專用電解磨削液，以工件作為電解陰極對砂輪進行在線電解修銳，配套 ELID 磨削液過濾循環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn) Si Cp /Al 零件的 ELID 精密磨削加工。
5． 4 砂輪電火花在線修整系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要由砂輪電火花修整器和砂輪離線電解池構(gòu)成。砂輪電火花修整器安裝在機床立柱左側(cè)，且與機床立柱絕緣，石墨輪的回轉(zhuǎn)中心位于砂輪軸 X 向移動平面內(nèi)。采用直流電機驅(qū)動石墨輪旋轉(zhuǎn)，石墨輪通過電刷與直流脈沖電源負極相接，石墨輪和砂輪形成電火花放電加工系統(tǒng)，采用煤油作為放電介質(zhì)，使用獨立的煤油過濾循環(huán)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對鑄鐵基金剛石砂輪進行電火花精密整型。砂輪離線電解池安裝在機床右側(cè)，與電源負極相接，且與機床絕緣。電解池配有高濃度專用電解磨削液，可實現(xiàn)對精密修型后的砂輪進行快速預電解修銳。
5． 5 ELID 精密磨削系統(tǒng)
機床采用了具有專利技術(shù)的 Si Cp /Al 復合材料專用 ELID 精密磨削系統(tǒng)。針對 Si Cp /Al 復合材料的特性及其加工要求，該系統(tǒng)配備了 BJUTY-FH1 系列專用磨削液、磨削砂輪以及脈沖電源，其中專用磨削液以及金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪享有專利技術(shù)。此外，系統(tǒng)還配備了具有專利技術(shù)的金屬結(jié)合劑砂輪在線電解磨削修整裝置。
5． 6 冷卻及過濾系統(tǒng)
機床搭載控溫大流量和兩級過濾冷卻系統(tǒng)，將液壓油、冷卻液等主要熱源放在獨立的油箱、冷卻箱中，確保機床在加工過程中受熱變形最小。此外，機床采用磁輥紙袋過濾機，可以有效清除加工過程的渣粒，并能將過濾下來的雜質(zhì)導入污物箱中，確保濾紙消耗量最少且全過程連續(xù)自動。除塵系統(tǒng)采用意大利 COＲ-AL 公司生產(chǎn)的 OIL-STOPHP1 型油霧凈化器，磨削加工時，油霧和粉塵被吸氣罩吸入主風管，隨后通過主風管進入到除塵凈化器，然后經(jīng)過層層過濾，油霧和粉塵被擋在濾紙的表面，而過濾后的干凈空氣則被風機直接排放到空氣中。6 X、Z、C 軸向運動X 軸向運動在交流伺服電機驅(qū)動下，通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用經(jīng)過預拉伸和強制冷卻的 NSK 空心免潤滑滾珠絲杠( 50 × 10) ，大大降低了磨削時的熱變形影響，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(xiàn)傳動的反饋閉環(huán)控制; 此外，還在磨削區(qū)域內(nèi)安裝了液壓阻尼油缸以減小磨削振動，確保 X 軸向運動的精度和可靠性。Z 軸向運動在交流伺服電機驅(qū)動下，通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用經(jīng)過預拉伸和強制冷卻的 NSK 空心免潤滑滾珠絲杠( 50 × 10) ，減少了加工時熱變形帶來的影響，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(xiàn)傳動的反饋閉環(huán)控制; 此外，還在橫梁背面安裝了配重平衡機構(gòu)，以減小因運動部件自身的重量帶來的振動，確保 Z 軸向運動的精度和可靠性。C 軸回轉(zhuǎn)運動為工作臺旋轉(zhuǎn)運動，采用 7k W 功率的交流伺服電機驅(qū)動，經(jīng)過 HTD-8M 同步齒形帶 10: 1減速卸載傳動后，帶動靜壓轉(zhuǎn)臺主軸旋轉(zhuǎn)，同時采用靜壓導軌來支撐轉(zhuǎn)臺端面，并且安裝編碼器，以實現(xiàn) C 軸回轉(zhuǎn)運動的閉環(huán)控制。機床主要技表 1。
表 1 機床主要技術(shù)參數(shù)
7 、機床磨削加工過程
7． 1 整形
整形過程如圖 3 所示，首先利用砂輪電火花修整器，對砂輪外形進行精密修整。修整前，先將石墨電極修成與成型砂輪相反的輪廓。為了保證成型砂輪的輪廓精度，降低電極損耗，采用砂輪接正極，石墨電極接負極的正極性法。修整時砂輪與電極相對轉(zhuǎn)動，向砂輪與電極間噴入水溶型乳化液，通過調(diào)整電壓及脈寬，在砂輪和工具電極之間產(chǎn)生脈沖火花放電，對金屬結(jié)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。控制金屬結(jié)合劑和工具電極之間放電能量的大小，使新的磨粒露出結(jié)合劑表面并形成一定的突出高度，即可達到整形的目的。
圖 3 砂輪外形精密修整
7． 2 預修銳
利用砂輪離線電解池對砂輪進行電解修銳，使砂輪表面磨粒突出，并形成鈍化膜。修銳狀態(tài)如圖 4 所示，砂輪金屬結(jié)合劑在通電的情況下，在具有電解作用的磨削液中發(fā)生電解反應(yīng)而溶解去除，使砂輪中的磨粒露出結(jié)合劑表面，形成一定的出刃高度和容屑空間;同時，在砂輪表面逐漸形成一層氧化膜，氧化膜的不斷磨損與不斷生成，使得上述修整過程保持動態(tài)平衡，既避免了砂輪的過快消耗又自動保持了砂輪表面的磨削能力。
圖 4 砂輪預修銳
7． 3 ELID 精密磨削加工
ELID 精密磨削加工如圖 5 所示。采用專用 ELID精密磨削系統(tǒng)，利用工件作為電解陰極，砂輪作為電解陽極，并在工件和砂輪間噴灑專用磨削液，對砂輪實現(xiàn)在線電解修銳，從而實現(xiàn)零件內(nèi)孔，外圓等關(guān)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
北京工業(yè)大學精密超精密加工實驗室 聯(lián)合北京衛(wèi)星制造廠，在共同設(shè)計研發(fā)的 ELID 精密磨削專用磨床上進行了大量的高體積分數(shù) Si Cp /Al 復合材料精密磨削實驗。實驗結(jié)果表明: 機床精度和機械性能良好，符合設(shè)計要求，并且當砂輪轉(zhuǎn)速為 1500r /min，進給量 0． 25μm，進給速度 0． 9m /min，電解電流 10A，占空比 60% 時，得到了表面粗糙度為 Ｒa0． 096μm 磨削表面，滿足生產(chǎn)要求。
9、結(jié)論
(1) 將立式轉(zhuǎn)臺磨床結(jié)構(gòu)布局設(shè)計與 ELID 精密磨削技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出了航天用高體積分數(shù) Si Cp /Al復合材料 ELID 精密磨削專用機床，具有良好的磨削精度和機械性能，滿足機床設(shè)計要求.
(2) 機床能夠在一次裝卡中實現(xiàn)對零件外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋等關(guān)鍵結(jié)合面的精密磨削加工，獲得了高精度的高體積分數(shù) Si Cp /Al 復合材料的加工表面，滿足了生產(chǎn)要求。
(3) 機床能夠?qū)ι拜嗊M行在線電火花修整、在線電解修銳，從而保證砂輪時刻處于良好的磨削狀態(tài)，提高了磨削精度和效率。
來源：北京工業(yè)大學 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院， 北京衛(wèi)星制造廠
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