先進磨削技術的應用

發布日期：2011-11-25 蘭生客服中心瀏覽：2743

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當我從Curt Reed公司的車間內走過時，我清楚地看到，這家專門從事磨削加工的企業，其一切目標均從長遠的利益考慮。其整潔干凈的3000ft2(1ft2=0.093m2)廠房坐落在Connecticut州的Wallingford地區，車間內安裝了兩臺來自Studer公司的萬能CNC數控磨床和一臺Zeiss公司的CMM坐標測量機，總價值約為125萬美元。這些先進的設備讓Reed先生能夠充分地展示他的才能和發揮外圓磨床的作用，為國防、航天、汽車及模具加工行業提供廣泛的服務。一家小型企業在資本設備方面作出這樣的投資，說明其對前景充滿信心，對客戶保證履行諾言。Reed先生的客戶們寧愿將其看作是提供精密磨削服務的長期合作伙伴，而不是作為一個權宜之計的臨時供貨商，這一點對他來說是非常重要的。

圖1 這家加工車間采用最新一代的萬能CNC數控磨床，專門為國防、航天和汽車行業提供高精度外圓磨削和成形磨削加工服務

圖2 這臺磨床上的B軸砂輪加工磨頭有30種不同的配置形式。在這個車間內的S40型磨床配有兩個并列的砂輪，除了外圓磨削用砂輪以外，還留有一個可安裝互換高速主軸的位置，用于磨削加工凸輪一類的內圓和外圓形狀

Reed先生于2000年創建了Precision Grinding Solutions公司。此前，他曾經在一家大型消費品制造廠的工具車間工作了15年。他在那里獲得了使用Studer S40型萬能CNC數控磨床的豐富經驗和使用CBN砂輪的高精度工具的磨削技術。最初，他建立的Precision Grinding Solutions公司主要為United Grinding Technologies’(UGT聯合磨削技術)Studer集團公司提供應用工程服務。有了UGT集團公司作為其早期的主要客戶以后，他才有機會進一步涉及到Studer公司的磨削技術，從而遇到了各種類型的客戶，其中有一部分最終成為Reed先生的核心客戶。這才使Reed先生抓住機會于2004年開始提供他自己的磨削加工服務。

在這些早先的客戶中，其中有一家在磨削加工坦克發動機高壓透平密封的過程中碰到了困難。Reed先生因為使用另一家車間的S40型磨床而獲得的經驗，證明他可以承接該公司這個零件的磨削加工，于是他在自己建立的業務中，贏得了這筆生意。

Precision Grinding Solutions公司專門從事成形磨削加工、輪廓磨削加工和外圓磨削加工等業務。該加工車間主要為一級供貨商和二級供貨商提供磨削服務，因為他們經常需要磨削加工很多由超級合金材料、不銹鋼、碳化物和陶瓷等材料制成的復雜零件或表面采用硬質處理的等離子噴涂零件。

安全的加工車間

Reed先生的加工車間特別適合于高精度磨削加工。該車間以前是一個從事印刷業務的工作車間，對溫度非常敏感，需要對環境溫度進行精密的控制。其制冷能力為5t的Leibert氣候控制系統可以使溫度控制在±1oF范圍之內，而且還可以使室內保持適當的濕度。

該車間第一臺購置的設備是Studer S40型萬能外圓磨床。該磨床上配有C軸加工頭，用于高速成形磨削加工；還配有一個B軸砂輪磨頭、旋轉式砂輪修整器、二氧化碳自動滅火器和HEPA油霧過濾收集裝置。Studer設備由美國UGT聯合磨削技術集團公司提供，該公司坐落在Ohio州的Miamisburg市。隨著其業務的發展，該車間又添置了一臺Studer S31型萬能CNC磨床，它的中心線要比S40型磨床短一些。

在這些機床上使用的B軸砂輪磨頭，可達到0.0001o的分辨率，能夠配置30種不同的內圓磨和外圓磨砂輪。Reed先生車間內的S40型磨床，在其砂輪磨頭的一側裝有兩個并列的外圓磨砂輪。這兩個砂輪的直徑分別為400mm和500mm，可以在平直或以角度接近的位置上使用。砂輪磨頭的另一側留有安裝Fisher主軸的位置，主軸的轉速范圍為12 000~120 000r/min，用于磨削加工零件的內圓。S31型磨床在砂輪磨頭的兩側分別裝有兩個直徑為500mm的砂輪，并留有一個安裝內圓磨主軸的位置，用于磨削加工內圓的主軸也可用于磨削加工不圓的表面或者在零件的外圍磨削凸輪的輪廓。

Reed先生說：“他使用礦物油作為冷卻介質，代替水溶液，因為礦物油對磨削加工具有很好的性能和優點，有助于磨床保持清潔。每臺磨床上都裝有專用冷卻液過濾和冷卻裝置，該裝置由Transor Filter USA公司提供。其中一個冷卻過濾裝置的容量為1000L；另一個冷卻過濾裝置的容量為1200L。這些裝置的尺寸適合于這類大型磨床的操作特性，因為它們要求提供較大容量的冷卻液。根據記錄數據，至今為止，這臺S40型磨床上的Trasfor冷卻過濾裝置已經工作了11000h，系統中使用的礦物油還從未更換過。在冷卻液通過1μm的過濾系統前，該裝置中的磁性分離器可以清除冷卻液中的一部分污染物。由這兩個過濾冷卻系統產生的熱量，通過工廠屋頂的天花板排放到室外，以免使車間內的環境溫度提高。”

Reed先生補充說，“對于工件的精密磨削加工而言，礦物油的冷卻與其過濾同樣重要。Transor冷卻過濾裝置將20oC的冷卻液輸送到磨床上，以冷卻機床的基座和工件。如果不能將零件保持在同一溫度的情況下磨削加工，那么要磨削閥門零件，并使其圓柱度保持在1μm的水平是不可能的。”

就Reed先生的加工車間而言，不管在什么時候使用礦物油作為磨削加工的冷卻液，機床都必須配置自動滅火系統。他曾經看到過一些較大的生產廠忽略了這個重要的安全問題，因為他們只將注意力集中到初期的成本費用與潛在的利潤上。Reed先生確信，因添置這樣的防火系統而增加成本是值得的，即使這一系統只使用一次。事實上，該系統曾經使用過一次，不但拯救了他的S40型磨床，而且也挽救了他的工廠。在調試設置過程中，因為一個軟件問題，導致砂輪與砂輪修整器碰撞，碰壞了砂輪修整器，并且引起了一個火花。如果沒有安裝這一滅火系統的話，整個工廠將付之一炬。但這一次故障只造成機床中的一些熔斷絲熔化燒毀。

圖3 Precision Grinding Solutions公司的S40型萬能CNC數控磨床經過改造以后，可允許其C軸和Z軸同時運動，磨削加工圖中所示的凸輪正弦波輪廓外形。磨床的高速磨削主軸是固定的，而其砂輪磨頭則在Z軸方向上振蕩，并使凸輪按順時針方向緩慢旋轉

外來加工件

Reed先生對自由形狀的凸輪外形磨削加工已達到了純熟的地步。凸輪外形的成形磨削加工常常是這樣進行的：首先讓工件在C軸方向上作旋轉運動，同時讓砂輪在X軸方向上作振蕩運動。Reed先生車間內的S40型磨床已經過改造，可利用其C軸和Z軸方向上的同時運動進行成形磨削加工。也可以使用一種特殊的StuderForm脫機編程軟件包進行操作。之所以改造這臺磨床，是因為該車間承接了一個直徑350mm正向凸輪的外協件磨削加工。其圓形凸輪的外形很像一個正弦波。

通常，該車間磨削加工軸承零件。在采訪期間，該車間正在磨削加工攝像系統精密聚焦組件中使用的軸承配件，而這個攝像系統用于軍用直升機的武器點火導航系統。該車間磨削加工軸承的滾道、內透鏡座的表面、配件的內圓和外圓。然后將零件進行電鍍，鍍上一層氮化鉻，使其表面硬度增加到86HRC。該車間曾碰到過這樣的問題：有時候，在電鍍過程中產生的熱量會使零件變形，這必然會導致價格昂貴的零件報廢。然而Reed先生發現了一種方法，采用超級磨料制成的砂輪可以磨削加工堅硬的鍍層，使變形的零件恢復到原來的形狀。至今，該加工車間已經為其客戶節約了40套零件。

高端檢驗能力

幾乎所有磨削加工后的工件都采用由Zeiss公司提供的Accura CMM坐標測量機檢測。在某些情況下，該加工車間比客戶具有更為精確的測量能力。在擁有這樣高精度測量儀器的條件下，加工車間與客戶之間對磨削加工的有關精度問題，就再也不會發生互相指責的現象。事實上，在零件組裝過程中，有些客戶還使用這些測量數據。舉例來說，有一家客戶采用了干涉配合法組裝這些零件。為了達到完美的配合，凡是發送到客戶的配件，采用激光刻制ID識別號，這樣可使配件按照每個測量數據配對組裝。

除了CMM坐標測量機的螺旋式掃描和切向接近功能之外，Reed先生非常贊賞其Calypso軟件的友好用戶接口。工件夾具往往安裝在CMM測量機工作臺之上，以滿足目前生產的需要。他可以很容易地采用這種方法安裝零件，并快速地調取適當的檢測用程序。所有的測量數據集中儲存在PDF文件之中，每天將這些文件刻錄到CD光盤上。然后將CD光盤儲藏到車間外的保險庫內。

Reed先生還利用這種高端檢測設備承包外協測量任務，以幫助更快速地回收CMM坐標測量機的投資。他承認要安排時間承接外協測量的任務越來越困難，因為車間一直很忙碌。

圖4 上圖所示為這個車間的CMM坐標測量機，它現正在檢測一個渦輪軸。這是一臺符合標準的測量機，有時候超過其客戶的測量功能。該車間甚至還承包外協工件的測量任務，以幫助更快地回收CMM坐標測量機的投資

風險和挑戰

使Reed先生感到緊張的部分原因是由于其接到了特別棘手的加工任務。但只要零件適合于機床的加工，他就會很少會拒絕這樣的加工任務。他承認只見到過一次的零件，要正確地確定其加工價格可能是非常困難的。然而，他會作出這樣的假設：他以后還會看到這樣的工作，并知道他將會找到一種更有效的操作方法，也許會在這樣的工作中賺取更多金錢。即使不會重復出現這樣的工作，但是在加工這類零件中所獲得的知識，也可以完全應用于同一類型的加工工作中。

然而，在籌劃如何磨削加工復雜零件時，其所面臨的挑戰是難以找到能夠承擔這類工作的技術人員。最近，在第一班工作時，由Reed先生本人操作運行機床；第二班工作時，由另一名雇員負責機床的操作。由于其在車間中有很多工作，因此很難安排時間和培訓新的雇員。這是在美國的許多小型加工車間里所碰到的共同問題。

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