从简单到复杂: 用于非圆加工的模块化机床方案必须满足市场的多元化要求

05/12/2009 - Oliver Hagenlocher

非圆轮廓的磨削加工给机床提出了非同寻常的特殊要求。 高精密零部件不仅要符合最高的精度要求,同时也得符合最高的视觉要求。所以研发新的磨削系统来应对这种挑战是大势所趋。


凸轮轴、凸轮盘和泵轴等轴类件 (图1) 是典型的非圆加工零 件。不同的加工要求有不同的机床方案来满足。然而哪怕是定义非常明确的加工,如轿车凸轮轴的磨削加工,有时也无法借助唯一的机床方案来满足市场的多元化要求。因此,建立一个非圆加工的模块化机床方案显得至关重要。无论是采用多主轴进行粗磨和精磨,还是采用多主轴进行组合加工,或是采用双滑台磨床进行同步加工,每种机床方案都有其用武之地。

为了能在磨床上完成众多的加工要求,埃马克公司开创式地为用户提供广泛而齐全、并集成了不同工艺模块的机床组合件。例如SN 204/SN208和SN310/320型磨床的组 合件清楚 地展示了非圆磨削轴类件时必需的一些模块(图2)。2系列磨床的最大磨削长度大约为800mm,特别适合加工轿车凸轮轴;而3系列磨床的最大磨削长度可达2000mm,是加工商用车凸轮轴最理想的磨床。以上两个系列的磨床都以十字滑台原理为基础,且有只配置一个固定安装砂轮的简单磨床,也有配置了B轴和三个砂轮轴的复杂磨床。SN208型磨床是可拓展的双滑台磨床 (图3),它的最高配置包括两个滑台,两个B轴和四个砂轮轴。所有这些机床方案都能实现同步加工。SN2系磨床的X轴配置了静压导轨和 直线电机,特别适合凸轮轴的批量加工 (图4)。CBN砂轮主轴配置了电镀粘接的CBN砂轮后,也适合粗加工。配置的直径为400 mm 的CBN 砂轮不只局限在加工凹面或浅凹面。加工凹面轮廓的最佳方法是配置一个大砂轮先预磨,然后用配置的小砂轮磨削凹面 (图5)。B轴还可以固定第三个砂轮主轴,采用这个配置后便可以进行主轴颈等加工了。组合加工时的最佳配置是安装两个滑台及四个砂轮(图6),这种配置的目的是通过一次装夹对轴进行全部加工。为了缩短节拍时间,主轴颈或凸轮都可以采用同步加工法。

采用直接驱动以获得更好的表面光洁度
非圆加工时除了进给轴之外,旋转轴(多数情况下是C轴)也非常重要,必须具备高动态的特征。在确定扭矩大小时应同时考虑工件和夹具的惯性。由于采用皮带轮驱动时,往往会在磨削工件表面形成磨削棱,所以一般优先采用带高分辨率编码器的直接驱动。
对砂轮轴的要求最大程度上取决于加工要求。采用CBN砂轮进行非圆加工是常见的加工方式,这主要是因为CBN砂轮的单位时间切削量大,而且砂轮轮廓比较稳定。比如在粗磨灰铸铁凸轮轴时,CBN砂轮能在短短的几秒钟内切削掉几个毫米的余量,单位时间的最大磨削量可达300mm3/mm/s。当然应该注意的是砂轮主轴的规格也需根据这个磨削量设计。精加工时圆度的要求非常严格,所以在技术许可的情况下应尽量配置一个动平衡系统。加工凹面时的规则是:砂轮的最大半径只能等于需加工轮廓最小半径的80%。受此规则的影响,就要求CBN砂轮在允许线速度范围内获得最大功率。由于在许多应用中机床可利用的空间受到限制,所以这个要求往往会触及到技术可行性的极限。配置的修整器转速应符合CBN砂轮的修整要求,并应配置无线传感器。

应用举例和发展趋势
凸轮加工是非圆加工的典型例子。在一个已完成的交钥匙项目中,从人工上料到4对双凸轮磨削完毕的节拍时间是90秒。实现这个项目时最大的磨削技术挑战是,粗磨时最大余量高达3 mm,而粗精磨只采用一个磨削砂轮。为了满足这些极不和谐的要求,我们采用了配置陶瓷粘接CBN砂轮的机床方案。磨床加工时线速度约120 m/s,形状精度达到了+/- 10 µm。
另外一个例子是商用车凸轮轴的组合加工:一次装夹共完成12个配气凸轮、6个泵凸轮、7个轴颈、止推轴颈、两个锥形端面和轴肩的加工。因为在磨削经过硬化处理的凸轮轴时,凸轮轴会释放自身的应力,所以实施此项目时无法根据图纸要求实现单级加工,原因是磨削凸轮时轴颈的圆跳动会受到影响。为达到用户提出的高质量,一次装夹完成所有加工往往是最好的解决方案。
就磨削技术而言可观察到以下发展趋势:采用CBN砂轮进行非圆磨削是当今的技术水准。未来将通过提高线速度的方法来达到提效目的。对于余量小刚性低的工件,如装配式凸轮轴等,应该研发磨削力较小的磨削系统。不断变化以及不断升级的市场要求在未来仍将扮演推动非圆磨领域不断创新的驱动器角色。

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