航天用 Si Cp /Al 復合材料 ELID 精密磨削磨床設計
2018-9-7 來源：轉載 作者： 關佳亮，趙顯輝，任 勇，路文文，楊 晶
摘要: Si Cp /Al 復合材料具有優異的力學性能和物理性能，在航空航天、汽車、電子、軍事等領域被廣泛應用。針對高體積分數 Si Cp /Al 復合材料難加工的問題，采用 ELID 精密磨削技術與立式磨床結構設計相結合的方法，設計出一臺 ELID 精密磨削機床。滿足在一次裝夾中對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端面和螺紋等關鍵結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計思路、結構和磨削加工過程。
關鍵詞: 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、密度等特性，并且具有良好的尺寸穩定性、導熱性以及耐磨、耐疲勞等優異的力學性能和物理性能，在航空航天、汽車、軍事、電子、體育用具等領域被廣泛應用。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用。北京工業大學精密超精密加工實驗室通過前期大量實驗，表明 ELID 精密磨削技術可實現對 Si Cp /Al 復合材料的精密磨削，獲得了高精度的加工表面。
為實現一次裝卡，保證加工精度，采用立式轉臺磨床結構布局設計，將 ELID 精密磨削技術與立式磨床結構設計相結合，開發 ELID 精磨磨削專用機床。實現了在一次裝卡中對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端面、溝槽、螺紋等關鍵結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。
圖 1 ELID 磨削成型機理圖
2 、立式轉臺精密磨床簡介
數控立式轉臺磨床是最近幾年來發展特別迅速的高新技術機床，具有操作方便、磨削精度高、加工效率高、占地面積小、自動化程度高等優點。機床整體運用組合型設計原理，搭載相應功能模塊以實現不同功能，逐步演變為磨削加工中心，還可搭載其他刀具，如車刀銑刀等，從而組裝成為功能更加廣泛的加工中心，實現系統化生產，順應當今世界機床工業“高速、復合、智能、環保”的發展潮流。
3、 ELID 精密磨削機床設計要求
針對北京衛星制造廠對于航天用高體積分數Si Cp / Al 零件的加工要求，磨床應滿足在一次裝卡中實現對 Si Cp /Al 零件外圓、內孔、端面和螺紋等關鍵結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構
為了滿足生產要求，磨 床 采 用 立 式 布 局，配 備ELID 磨削工藝系統，砂輪電火花在線修整系統。機床總體三維結構設計如圖 2 所示。
圖 2 機床總體三維結構
5 、ELID 精密磨床主要部件和關鍵技術
5． 1 機床框架
機床由床身、立柱和橫梁組成龍門式框架結構，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，所以機床不會因激勵而發生共振，加工時振動很小，保證了機床加工的平穩性。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，其質量剛度比大大提高。左、右立柱和橫梁由優質鑄鐵 HT300 材料制成，其中橫梁是一個高強度的箱型結構，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動的兩軸聯動控制，通過滾珠絲杠旋轉帶動滑枕沿著橫梁導軌左右滑動，同時驅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，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的精密光柵尺，實現全閉環控制，最小進給分辨率為 0． 1μm。
5． 3 回轉工作臺
工作轉臺采用抗振特性好、旋轉精度高的液體靜壓主軸，采用大功率力矩電機直接驅動，其徑向跳動和軸向竄動≤1μm。配備德國海德漢精密圓光柵，實現角度閉環控制，可對零件內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，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，工件安裝在工作轉臺上，工作轉臺通過電刷與電源負極相接; 砂輪采用鑄鐵結合劑金剛石砂輪，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 磨削液過濾循環系統，從而實現 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
該系統主要由砂輪電火花修整器和砂輪離線電解池構成。砂輪電火花修整器安裝在機床立柱左側，且與機床立柱絕緣，石墨輪的回轉中心位于砂輪軸 X 向移動平面內。采用直流電機驅動石墨輪旋轉，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，采用煤油作為放電介質，使用獨立的煤油過濾循環系統，從而實現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，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
機床采用了具有專利技術的 Si Cp /Al 復合材料專用 ELID 精密磨削系統。針對 Si Cp /Al 復合材料的特性及其加工要求，該系統配備了 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合劑超硬磨料砂輪享有專利技術。此外，系統還配備了具有專利技術的金屬結合劑砂輪在線電解磨削修整裝置。
5． 6 冷卻及過濾系統
機床搭載控溫大流量和兩級過濾冷卻系統，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導入污物箱中，確保濾紙消耗量最少且全過程連續自動。除塵系統采用意大利 COＲ-AL 公司生產的 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動下，通過聯軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用經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，以實現傳動的反饋閉環控制; 此外，還在磨削區域內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動下，通過聯軸器帶動滾珠絲杠運動，滾珠絲杠采用經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，以實現傳動的反饋閉環控制; 此外，還在橫梁背面安裝了配重平衡機構，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 軸回轉運動為工作臺旋轉運動，采用 7k W 功率的交流伺服電機驅動，經過 HTD-8M 同步齒形帶 10: 1減速卸載傳動后，帶動靜壓轉臺主軸旋轉，同時采用靜壓導軌來支撐轉臺端面，并且安裝編碼器，以實現 C 軸回轉運動的閉環控制。機床主要技表 1。
表 1 機床主要技術參數
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動，向砂輪與電極間噴入水溶型乳化液，通過調整電壓及脈寬，在砂輪和工具電極之間產生脈沖火花放電，對金屬結合劑進行電蝕，而金剛石、CBN 磨料是非導電體，它們與工具電極之間不發生火花放電?？刂平饘俳Y合劑和工具電極之間放電能量的大小，使新的磨粒露出結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。修銳狀態如圖 4 所示，砂輪金屬結合劑在通電的情況下，在具有電解作用的磨削液中發生電解反應而溶解去除，使砂輪中的磨粒露出結合劑表面，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，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，對砂輪實現在線電解修銳，從而實現零件內孔，外圓等關鍵部位的精密磨削。
圖 5 ELID 精密磨削加工示意圖
8、 磨削實驗及分析
北京工業大學精密超精密加工實驗室 聯合北京衛星制造廠，在共同設計研發的 ELID 精密磨削專用磨床上進行了大量的高體積分數 Si Cp /Al 復合材料精密磨削實驗。實驗結果表明: 機床精度和機械性能良好，符合設計要求，并且當砂輪轉速為 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，滿足生產要求。
9、結論
(1) 將立式轉臺磨床結構布局設計與 ELID 精密磨削技術相結合，設計出了航天用高體積分數 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，滿足機床設計要求.
(2) 機床能夠在一次裝卡中實現對零件外圓、內孔、端面、螺紋等關鍵結合面的精密磨削加工，獲得了高精度的高體積分數 Si Cp /Al 復合材料的加工表面，滿足了生產要求。
(3) 機床能夠對砂輪進行在線電火花修整、在線電解修銳，從而保證砂輪時刻處于良好的磨削狀態，提高了磨削精度和效率。
來源：北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院， 北京衛星制造廠
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