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長(zhǎng)期以來在經(jīng)濟(jì)上，機(jī)床制造工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力一直很大。中小型企業(yè)必須持續(xù)向前發(fā)展，以滿足在加工任務(wù)方面日益增長(zhǎng)的對(duì)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的要求。

當(dāng)一臺(tái)車床已經(jīng)無法滿足特定的加工質(zhì)量要求時(shí)，需要在加工中心上配置一種精削單元，可以成為新的精細(xì)加工中心，這是一種比較經(jīng)濟(jì)的購置選項(xiàng)。在一套加工中心上組合多種加工工藝，雖然會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程變得更加復(fù)雜，但是可以提高機(jī)床設(shè)備的靈活性和生產(chǎn)率(圖1)。

圖1 CNC車床上擺放著一個(gè)精密軸件的操作室。通過車削和珩磨組合加工，可以一次裝卡完成加工

采用多種工藝時(shí)僅需一次性裝卡步驟

切削技術(shù)上經(jīng)常用到的工藝組合是硬車削和磨削的組合。如果車削工藝的表面質(zhì)量不能滿足部件的要求，則通常需要后接一個(gè)磨削工序。加工工藝組合的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于所有決定質(zhì)量的表面均可在一次裝卡中接受加工，由此可以排除因后續(xù)加工步驟中換裝產(chǎn)生的誤差，因更換設(shè)備所需的額外放置、輸送和裝卡時(shí)間均可得以省去。

本研究課題的長(zhǎng)處在于，從經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)軸件的整體加工工藝進(jìn)行了研發(fā)和優(yōu)化。可以在一臺(tái)CNC標(biāo)準(zhǔn)型車床設(shè)備上結(jié)合應(yīng)用車削和精削的組合工藝。

在精削時(shí)因切削運(yùn)動(dòng)重疊產(chǎn)生網(wǎng)狀磨削

精削通常被稱為超級(jí)精加工、微精加工或精細(xì)研磨。它是一種采用幾何外形不確定的刀片所進(jìn)行的切削。帶有幾何外形不固定的多刃刀具是由兩個(gè)分量構(gòu)成的切削動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)分量呈現(xiàn)振蕩狀態(tài)。通過運(yùn)動(dòng)分量的疊加，產(chǎn)生精削過程中典型的網(wǎng)狀磨削現(xiàn)象。此外在精削加工過程中，工件和刀具之間的面接觸和壓力是加工過程的決定性因素。

在本文所述的應(yīng)用場(chǎng)合中，精削過程是一個(gè)單級(jí)的加工過程，以避免在批量加工過程中需要換帶而造成時(shí)間損失。人們開發(fā)出一種既緊湊又輕便的精整附加裝置，它可以方便地設(shè)置在標(biāo)準(zhǔn)車床的轉(zhuǎn)塔刀架上，在機(jī)床工作室的內(nèi)外側(cè)均可達(dá)到舒適的操作。車削和精削所產(chǎn)生的粗糙度在很大程度上取決于加工時(shí)間。為了開發(fā)出時(shí)間較短的加工工藝，對(duì)粗加工(工件輪廓的車削)的表面質(zhì)量和精加工(表面精削)的工藝參數(shù)進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)所需的安全、可重復(fù)和經(jīng)濟(jì)性好的Rz< 0.8?μm的平均粗糙度。圖2所示為車削加工可達(dá)到的粗糙度和制造精密軸件所需的表面要求。

對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱工件的加工，在擁有不額外產(chǎn)生能量的系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)型車削加工中心上進(jìn)行。出于這種原因，人們一直在研發(fā)新的可匹配的，能夠保持能量產(chǎn)生方式并利用現(xiàn)有接口的單元，以便達(dá)到良好的靈活性。在采用傳統(tǒng)的適配精整裝置時(shí)，通常需要借助于一個(gè)氣動(dòng)壓力生成器來施加壓力，而這就需要用到一個(gè)額外的壓縮空氣供應(yīng)源。

為了實(shí)現(xiàn)一種創(chuàng)新型的加工流程，新一代適配精整單元上有兩個(gè)功能組件非常重要。這是一種線性導(dǎo)向的振蕩器與一種機(jī)械壓力生成器，以使系統(tǒng)在施壓的方向上進(jìn)行脫耦。借助于基準(zhǔn)設(shè)備的調(diào)節(jié)軸，可以通過壓力彈簧和可調(diào)節(jié)彈簧特性曲線來提升所需的靜態(tài)加工力。通過內(nèi)置的力傳感器，可以對(duì)壓力進(jìn)行在線測(cè)量。

此外，精整單元以剛性和緊湊的整體系統(tǒng)而見長(zhǎng)。通過這種構(gòu)造，加工力可以得到靈活和快速的調(diào)節(jié)。例如力-行程-控制的加工導(dǎo)向方案。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)好處便是可以降低能源供應(yīng)方面的連接成本。在刀具轉(zhuǎn)塔刀架上可以實(shí)現(xiàn)“即插即用”原理和標(biāo)準(zhǔn)化支座。

圖2 為車削加工可達(dá)到的粗糙度和制造精密軸件所需的表面要求

圖3 本圖闡明了力-行程-控制的加工流程方案

精加工的粗糙度和加工時(shí)間對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響

工作目標(biāo)是在軸上對(duì)車削和精削加工組合進(jìn)行優(yōu)化，這樣既可最大程度降低加工時(shí)間又能確保所需Rz<0.8?μm的粗糙度。對(duì)此，這兩個(gè)加工步驟必須相互協(xié)調(diào)好。可在試驗(yàn)前期對(duì)精整加工的各個(gè)參數(shù)的影響進(jìn)行系統(tǒng)性的測(cè)定。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出，粗加工的粗糙度和精加工的加工時(shí)間對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響。必須測(cè)得最佳的車削粗糙度Rz，才能實(shí)現(xiàn)盡可能短的最終加工時(shí)間。研究表明車削加工的粗糙度必須被調(diào)整至大約3?μm，以便在后續(xù)的精整工序中以每50?mm軸寬，40?s的加工時(shí)間，達(dá)到Rz<0.8?μm粗糙度。第二試驗(yàn)序列清晰地反映出這一點(diǎn)。如果車削粗糙度過高，則單級(jí)精整加工所需的最終粗糙度就無法達(dá)到。通過降低車削進(jìn)給量，可以縮短精整加工的時(shí)間，但是這又會(huì)導(dǎo)致車削操作時(shí)間的極大延長(zhǎng)。加工時(shí)間和獲得最終粗糙度方面的最佳折中方案在第二基本試驗(yàn)序列中獲得。

變動(dòng)的帶進(jìn)給量可以縮短加工時(shí)間

為了進(jìn)一步縮短精加工流程時(shí)間，在加工過程中可以變動(dòng)帶進(jìn)給量。在精加工開始時(shí)，可以以較高的帶進(jìn)給量(60?mm/min)操作20?s，以便獲得初始粗糙度的快速降低。

緊接著通過程序控制把帶進(jìn)給量調(diào)整到較低的水平(8?mm/min)，以生成所需的表面。這個(gè)后續(xù)10?s的加工目標(biāo)是要磨去粗糙度的峰值，以便實(shí)現(xiàn)典型的平整加工面。事實(shí)表明，在加工過程中通過調(diào)整帶進(jìn)給量，可以在切入工藝上繼續(xù)節(jié)省10?s的加工時(shí)間。由此，可以借助于單級(jí)精整加工流程，使粗糙度降低五倍。

圖4 從圖中可以看到安裝在車床轉(zhuǎn)塔刀架上新開發(fā)的精加工單元和車削刀具。借助于一次裝卡的組合加工工藝，可以縮短加工時(shí)間并排除因換裝而造成的差錯(cuò)

從所獲得的加工結(jié)果上可以清楚看出，通過采用所開發(fā)的組合加工工藝，可以以13?min的總加工時(shí)間完成一件長(zhǎng)827?mm的精密軸件(材質(zhì)：42CrMo4)的加工。與現(xiàn)有的加工流程(如在兩臺(tái)加工中心上進(jìn)行的車削和磨削)相比，在一臺(tái)加工中心上采用開發(fā)出的加工工藝，可以使加工時(shí)間縮短43%，由此提高生產(chǎn)率。

所開發(fā)出的帶有創(chuàng)新型加工策略的適配性精加工單元，可以為很多工業(yè)行業(yè)用戶(圖4)提供一個(gè)很有吸引力的技術(shù)方案，即以較低的投資成本實(shí)現(xiàn)加工工藝的組合和應(yīng)用，由此大幅提高其生產(chǎn)設(shè)備的工作靈活性和生產(chǎn)率。