航天用 Si Cp /Al 复合材料 ELID 精密磨削磨床设计
2018-9-7 来源：转载 作者： 关佳亮，赵显辉，任 勇，路文文，杨 晶
摘要: Si Cp /Al 复合材料具有优异的力学性能和物理性能，在航空航天、汽车、电子、军事等领域被广泛应用。针对高体积分数 Si Cp /Al 复合材料难加工的问题，采用 ELID 精密磨削技术与立式磨床结构设计相结合的方法，设计出一台 ELID 精密磨削机床。满足在一次装夹中对 Si Cp /Al 零件外圆、内孔、端面和螺纹等关键结合面的精密磨削加工，从而保证零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。文中着重介绍专机的设计思路、结构和磨削加工过程。
关键词: Si Cp /Al 复合材料; ELID 磨削; 立式磨床
0 、引言
Si Cp / Al 复合材料具有高比强度、比刚度，低热膨胀系数、密度等特性，并且具有良好的尺寸稳定性、导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天、汽车、军事、电子、体育用具等领域被广泛应用。但超硬的增强相颗粒的加入，使得材料的切削加工性能非常差，而且在常规加工过程中工序多、须多次装卡，加工精度不高，从而限制了该材料的应用。北京工业大学精密超精密加工实验室通过前期大量实验，表明 ELID 精密磨削技术可实现对 Si Cp /Al 复合材料的精密磨削，获得了高精度的加工表面。
为实现一次装卡，保证加工精度，采用立式转台磨床结构布局设计，将 ELID 精密磨削技术与立式磨床结构设计相结合，开发 ELID 精磨磨削专用机床。实现了在一次装卡中对 Si Cp /Al 零件外圆、内孔、端面、沟槽、螺纹等关键结合面的精密磨削加工，从而保证零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。
1 、ELID 精密超精密磨削机理
ELID 精密超精密磨削成型机理如图 1 所示。磨削时，砂轮上的金刚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，所以材料破碎情况不严重; 此外，砂轮表面会覆盖一种具有良好柔性的钝化膜，精磨时，磨削进给量很小，钝化膜的厚度远大于磨粒的磨削尺寸，所以砂轮表层磨粒在磨削中不可能直接与材料接触，砂轮上覆盖的这层钝化膜将代替金刚石磨粒参与精密磨削过程。当电解作用完全抑制时，钝化膜对试件进行光磨。所以 ELID 磨削实际上是一种将磨、研、抛加工合为一体的复合式精密加工技术。
图 1 ELID 磨削成型机理图
2 、立式转台精密磨床简介
数控立式转台磨床是最近几年来发展特别迅速的高新技术机床，具有操作方便、磨削精度高、加工效率高、占地面积小、自动化程度高等优点。机床整体运用组合型设计原理，搭载相应功能模块以实现不同功能，逐步演变为磨削加工中心，还可搭载其他刀具，如车刀铣刀等，从而组装成为功能更加广泛的加工中心，实现系统化生产，顺应当今世界机床工业“高速、复合、智能、环保”的发展潮流。
3、 ELID 精密磨削机床设计要求
针对北京卫星制造厂对于航天用高体积分数Si Cp / Al 零件的加工要求，磨床应满足在一次装卡中实现对 Si Cp /Al 零件外圆、内孔、端面和螺纹等关键结合面的精密磨削加工，从而保证零件的尺寸精度、位置精度和表面精度。
4 、ELID 精密磨削机床总体结构
为了满足生产要求，磨 床 采 用 立 式 布 局，配 备ELID 磨削工艺系统，砂轮电火花在线修整系统。机床总体三维结构设计如图 2 所示。
图 2 机床总体三维结构
5 、ELID 精密磨床主要部件和关键技术
5． 1 机床框架
机床由床身、立柱和横梁组成龙门式框架结构，具有良好的抗弯曲和抗振性能。床身由人造花岗岩制成，建立模态分析，得出人造花岗岩床身的第一阶固有频率为 749． 47Hz 左右，而工作频带在 159． 15Hz 范围之内，所以机床不会因激励而发生共振，加工时振动很小，保证了机床加工的平稳性。另外人造花岗岩的密度为 2． 63 g /cm3，只有铸铁的三分之一，相比铸铁床身来说，其质量刚度比大大提高。左、右立柱和横梁由优质铸铁 HT300 材料制成，其中横梁是一个高强度的箱型结构，上面布满加强筋，其轨距可达到 950mm，保证了砂轮轴的位移精度。磨床是由伺服电机驱动的两轴联动控制，通过滚珠丝杠旋转带动滑枕沿着横梁导轨左右滑动，同时驱动砂轮轴沿着滑枕导轨上下滑动。
5． 2 砂轮主轴
砂轮轴采用高精度静压主轴，主轴的径向跳动和轴向窜动≤1μm，同时搭美国 XM -SBS 磨床砂轮在线动平衡系统，砂轮架相对机床的振幅≤1μm，保证机床的几何精度、刚性和加工精度，延长磨床的主轴寿命和砂轮寿命。此外砂轮轴配备动力主轴锁紧功能，并且可以根据砂轮电火花修型需要，将砂轮替换成车刀对电火花石墨轮进行修型，然后再修整磨削砂轮的形状，从而实现对零件成型磨削加工，如磨螺纹、锥面等。砂轮 轴 的 X 向 运 动 和 Z 向 运 动 均 配 备 德 国Ｒexroth Star 高精度直线导轨副，采用德国西门子交流伺服电机驱动，同时搭载高精度双螺母预紧滚珠丝杠副。位置检测元件采用德国海德汉公司生产的精密光栅尺，实现全闭环控制，最小进给分辨率为 0． 1μm。
5． 3 回转工作台
工作转台采用抗振特性好、旋转精度高的液体静压主轴，采用大功率力矩电机直接驱动，其径向跳动和轴向窜动≤1μm。配备德国海德汉精密圆光栅，实现角度闭环控制，可对零件内外轮廓进行曲线加工，复位精度达到一角秒。吸盘采用意大利进口电控永磁吸盘，吸力可调，装卸工件无需扳手，按钮控制，加工完毕自动退磁。为了隔绝转台电机振动传递，在工作台和电动机底座下加弹性防振垫，实现机床与振源分离。电气柜配有可控的 ELID 专用直流脉冲电源，工件安装在工作转台上，工作转台通过电刷与电源负极相接; 砂轮采用铸铁结合剂金刚石砂轮，通过砂轮轴与电源正极相接。在砂轮和工件之间喷洒 ELID 专用电解磨削液，以工件作为电解阴极对砂轮进行在线电解修锐，配套 ELID 磨削液过滤循环系统，从而实现 Si Cp /Al 零件的 ELID 精密磨削加工。
5． 4 砂轮电火花在线修整系统
该系统主要由砂轮电火花修整器和砂轮离线电解池构成。砂轮电火花修整器安装在机床立柱左侧，且与机床立柱绝缘，石墨轮的回转中心位于砂轮轴 X 向移动平面内。采用直流电机驱动石墨轮旋转，石墨轮通过电刷与直流脉冲电源负极相接，石墨轮和砂轮形成电火花放电加工系统，采用煤油作为放电介质，使用独立的煤油过滤循环系统，从而实现对铸铁基金刚石砂轮进行电火花精密整型。砂轮离线电解池安装在机床右侧，与电源负极相接，且与机床绝缘。电解池配有高浓度专用电解磨削液，可实现对精密修型后的砂轮进行快速预电解修锐。
5． 5 ELID 精密磨削系统
机床采用了具有专利技术的 Si Cp /Al 复合材料专用 ELID 精密磨削系统。针对 Si Cp /Al 复合材料的特性及其加工要求，该系统配备了 BJUTY-FH1 系列专用磨削液、磨削砂轮以及脉冲电源，其中专用磨削液以及金属结合剂超硬磨料砂轮享有专利技术。此外，系统还配备了具有专利技术的金属结合剂砂轮在线电解磨削修整装置。
5． 6 冷却及过滤系统
机床搭载控温大流量和两级过滤冷却系统，将液压油、冷却液等主要热源放在独立的油箱、冷却箱中，确保机床在加工过程中受热变形最小。此外，机床采用磁辊纸袋过滤机，可以有效清除加工过程的渣粒，并能将过滤下来的杂质导入污物箱中，确保滤纸消耗量最少且全过程连续自动。除尘系统采用意大利 COＲ-AL 公司生产的 OIL-STOPHP1 型油雾净化器，磨削加工时，油雾和粉尘被吸气罩吸入主风管，随后通过主风管进入到除尘净化器，然后经过层层过滤，油雾和粉尘被挡在滤纸的表面，而过滤后的干净空气则被风机直接排放到空气中。6 X、Z、C 轴向运动X 轴向运动在交流伺服电机驱动下，通过联轴器带动滚珠丝杠运动，滚珠丝杠采用经过预拉伸和强制冷却的 NSK 空心免润滑滚珠丝杠( 50 × 10) ，大大降低了磨削时的热变形影响，同时搭载 NSK 的直线滚子重负荷免润滑导轨( 45mm) 和 FAGEＲ 光栅尺，以实现传动的反馈闭环控制; 此外，还在磨削区域内安装了液压阻尼油缸以减小磨削振动，确保 X 轴向运动的精度和可靠性。Z 轴向运动在交流伺服电机驱动下，通过联轴器带动滚珠丝杠运动，滚珠丝杠采用经过预拉伸和强制冷却的 NSK 空心免润滑滚珠丝杠( 50 × 10) ，减少了加工时热变形带来的影响，同时搭载 NSK 的直线滚子重负荷免润滑导轨( 45mm) 和FAGEＲ 光栅尺，以实现传动的反馈闭环控制; 此外，还在横梁背面安装了配重平衡机构，以减小因运动部件自身的重量带来的振动，确保 Z 轴向运动的精度和可靠性。C 轴回转运动为工作台旋转运动，采用 7k W 功率的交流伺服电机驱动，经过 HTD-8M 同步齿形带 10: 1减速卸载传动后，带动静压转台主轴旋转，同时采用静压导轨来支撑转台端面，并且安装编码器，以实现 C 轴回转运动的闭环控制。机床主要技表 1。
表 1 机床主要技术参数
7 、机床磨削加工过程
7． 1 整形
整形过程如图 3 所示，首先利用砂轮电火花修整器，对砂轮外形进行精密修整。修整前，先将石墨电极修成与成型砂轮相反的轮廓。为了保证成型砂轮的轮廓精度，降低电极损耗，采用砂轮接正极，石墨电极接负极的正极性法。修整时砂轮与电极相对转动，向砂轮与电极间喷入水溶型乳化液，通过调整电压及脉宽，在砂轮和工具电极之间产生脉冲火花放电，对金属结合剂进行电蚀，而金刚石、CBN 磨料是非导电体，它们与工具电极之间不发生火花放电。控制金属结合剂和工具电极之间放电能量的大小，使新的磨粒露出结合剂表面并形成一定的突出高度，即可达到整形的目的。
图 3 砂轮外形精密修整
7． 2 预修锐
利用砂轮离线电解池对砂轮进行电解修锐，使砂轮表面磨粒突出，并形成钝化膜。修锐状态如图 4 所示，砂轮金属结合剂在通电的情况下，在具有电解作用的磨削液中发生电解反应而溶解去除，使砂轮中的磨粒露出结合剂表面，形成一定的出刃高度和容屑空间;同时，在砂轮表面逐渐形成一层氧化膜，氧化膜的不断磨损与不断生成，使得上述修整过程保持动态平衡，既避免了砂轮的过快消耗又自动保持了砂轮表面的磨削能力。
图 4 砂轮预修锐
7． 3 ELID 精密磨削加工
ELID 精密磨削加工如图 5 所示。采用专用 ELID精密磨削系统，利用工件作为电解阴极，砂轮作为电解阳极，并在工件和砂轮间喷洒专用磨削液，对砂轮实现在线电解修锐，从而实现零件内孔，外圆等关键部位的精密磨削。
图 5 ELID 精密磨削加工示意图
8、 磨削实验及分析
北京工业大学精密超精密加工实验室 联合北京卫星制造厂，在共同设计研发的 ELID 精密磨削专用磨床上进行了大量的高体积分数 Si Cp /Al 复合材料精密磨削实验。实验结果表明: 机床精度和机械性能良好，符合设计要求，并且当砂轮转速为 1500r /min，进给量 0． 25μm，进给速度 0． 9m /min，电解电流 10A，占空比 60% 时，得到了表面粗糙度为 Ｒa0． 096μm 磨削表面，满足生产要求。
9、结论
(1) 将立式转台磨床结构布局设计与 ELID 精密磨削技术相结合，设计出了航天用高体积分数 Si Cp /Al复合材料 ELID 精密磨削专用机床，具有良好的磨削精度和机械性能，满足机床设计要求.
(2) 机床能够在一次装卡中实现对零件外圆、内孔、端面、螺纹等关键结合面的精密磨削加工，获得了高精度的高体积分数 Si Cp /Al 复合材料的加工表面，满足了生产要求。
(3) 机床能够对砂轮进行在线电火花修整、在线电解修锐，从而保证砂轮时刻处于良好的磨削状态，提高了磨削精度和效率。
来源：北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京卫星制造厂
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
