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車(chē)磨復(fù)合加工
摘要：車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)的出現(xiàn)為大幅度提高高精度軸類(lèi)零件的加工效率和加工精度提供了一種新的解決方案。文章以瑞士STUDER公司的車(chē)磨復(fù)合加工機(jī)床為例，介紹了車(chē)磨復(fù)合機(jī)床的功能和綠色生態(tài)特點(diǎn)，分析了車(chē)磨復(fù)合加工相關(guān)的硬態(tài)車(chē)削技術(shù)和車(chē)磨復(fù)合工藝技術(shù)，并給出了車(chē)磨復(fù)合加工在航空產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例表明，車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)在航空液壓產(chǎn)品的加工中具有一定的應(yīng)用前景。
車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)的出現(xiàn)為大幅度提高高精度軸類(lèi)零件的加工效率和加工精度提供了一種新的解決方案。文章以瑞士STUDER公司的車(chē)磨復(fù)合加工機(jī)床為例，介紹了車(chē)磨復(fù)合機(jī)床的功能和綠色生態(tài)特點(diǎn)，分析了車(chē)磨復(fù)合加工相關(guān)的硬態(tài)車(chē)削技術(shù)和車(chē)磨復(fù)合工藝技術(shù)，并給出了車(chē)磨復(fù)合加工在航空產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例表明，車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)在航空液壓產(chǎn)品的加工中具有一定的應(yīng)用前景。
1、復(fù)合加工技術(shù)
加工效率和加工精度是金屬加工領(lǐng)域追求的永恒目標(biāo)。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工流程中，由于在制品在不同設(shè)備之間流轉(zhuǎn)，不可避免的產(chǎn)生加工等待、運(yùn)輸和定位裝夾，等行為，這些因素既影響加工精度，又增加了生產(chǎn)輔助時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)，機(jī)床技術(shù)和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工理念已經(jīng)不能滿足人們對(duì)機(jī)械加工效率和精度的需要，在這樣的背景下，復(fù)合加工技術(shù)孕育而生。一般來(lái)講，復(fù)合加工技術(shù)就是在一臺(tái)加工設(shè)備上完成不同加工工序或者不同工藝方法的加工技術(shù)的總稱(chēng)。目前，復(fù)合加工技術(shù)主要表現(xiàn)為兩種不同的形式[1]：一種是以能量或運(yùn)動(dòng)方式為基礎(chǔ)的不同加工方法的復(fù)合；另一種是以工序集中原則為基礎(chǔ)的、以機(jī)械加工工藝為主的復(fù)合。車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)是近年來(lái)產(chǎn)生的一種新的復(fù)合加工方式。
對(duì)于車(chē)削和磨削機(jī)床，適合加工的零件是回轉(zhuǎn)類(lèi)零件。磨削的特點(diǎn)是：磨削前毛坯一般都進(jìn)行了淬火處理，毛坯的硬度高，所留余量較少，砂輪每次吃刀量少，相對(duì)車(chē)削加工效率較低。車(chē)削屬于粗加工或半精加工工種，選擇合適的刀具和切削參數(shù)后加工效率高。車(chē)磨復(fù)合加工設(shè)備集成了車(chē)削和磨削的特點(diǎn)，能夠大幅度提高軸類(lèi)零件，特別是高精度軸類(lèi)零件的加工效率。
2、車(chē)磨復(fù)合機(jī)床及關(guān)鍵技術(shù)
目前，車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，由于它的高精度性和只能加工回轉(zhuǎn)類(lèi)零件的局限性，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較少。本文通過(guò)介紹一臺(tái)車(chē)磨復(fù)合加工中心，對(duì)車(chē)磨復(fù)合技術(shù)的特點(diǎn)以及設(shè)備功能進(jìn)行一定的研究和探索。
車(chē)磨復(fù)合，就是在同一臺(tái)設(shè)備上既能進(jìn)行車(chē)削加工，又能進(jìn)行磨削加工的一種復(fù)合方式。從復(fù)合加工的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，就是一次裝夾完成零件的車(chē)削和磨削工序，減少了的零件的裝卸次數(shù)，避免重復(fù)定位誤差，能夠更好地保證零件精度。但，車(chē)磨復(fù)合加工設(shè)備又具備許多特點(diǎn)。
為了大幅度提高軸類(lèi)高精度零件的加工效率，瑞士STUDER公司推出車(chē)削和磨削復(fù)合的機(jī)床——S242車(chē)磨復(fù)合加工中心。該設(shè)備可配置左、右、正斜砂輪架和轉(zhuǎn)塔刀架，3種橫向砂輪架和車(chē)刀架可有15種配置方案。設(shè)備具有一次裝夾完成磨外圓、內(nèi)孔，車(chē)削外圓、內(nèi)孔的強(qiáng)大功能。其中之一配置參數(shù)如圖1和表1所示。
通過(guò)對(duì)S242的研究，對(duì)車(chē)磨復(fù)合加工的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。
2.1、綠色生態(tài)機(jī)床
機(jī)床在使用過(guò)程中不僅消耗能源，還會(huì)產(chǎn)生各種廢棄物，對(duì)工作環(huán)境和自然環(huán)境造成直接或間接的污染。從整個(gè)機(jī)床生命周期內(nèi)審視，如何減少對(duì)環(huán)境沖擊的綠色生態(tài)機(jī)床就成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
綠色生態(tài)機(jī)床愿景應(yīng)該具有以下特點(diǎn)[2]：（1）機(jī)床主要零部件由再生材料制造。（2）機(jī)床的重量和體積減少50％以上。（3）通過(guò)減輕移動(dòng)部件質(zhì)量、降低空運(yùn)轉(zhuǎn)功率等措施使功率消耗減少30％～40％。（4）使用過(guò)程的各種廢棄物減少50％～60％，保證基本沒(méi)有污染的工作環(huán)境。（5）報(bào)廢后機(jī)床的材料100％可回收。
S242車(chē)磨復(fù)合加工中心具有綠色生態(tài)機(jī)床的主要特征如下：
1)床身采用GranitanS103人造花崗石。該種材料是樹(shù)脂混凝土，與傳統(tǒng)的鑄鐵結(jié)構(gòu)相比，具有阻尼系數(shù)大、抗震性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。
2)可以進(jìn)行硬車(chē)加工，硬車(chē)時(shí)采用干切削，不使用冷卻液，消除了切削液對(duì)環(huán)境的污染。
3)采用斜床身，排屑路徑通暢，切屑不與床身直接接觸，保持機(jī)床的熱穩(wěn)定性。
機(jī)床綠色化是未來(lái)機(jī)床發(fā)展的一大特點(diǎn)。車(chē)磨復(fù)合加工中心融入綠色元素后，機(jī)床的剛性更強(qiáng)，加工效率和機(jī)床精度也有了大幅提高。
2.2、硬車(chē)加工技術(shù)
車(chē)磨復(fù)合加工機(jī)床可以硬車(chē)加工。過(guò)去高硬度零件的精加工一直是采用磨削完成,由于超硬材料刀具的出現(xiàn)及數(shù)控機(jī)床等加工設(shè)備精度的提高,以硬態(tài)切削代替磨削完成零件的最終加工已成為一種新的精加工途徑[3]。
硬態(tài)車(chē)削是指把淬硬鋼的車(chē)削作為最終精加工工序的工藝方法。硬態(tài)車(chē)削與常規(guī)切削相比的顯著特點(diǎn)就是徑向切削力要大于主切削力。硬態(tài)車(chē)削還有切削溫度高、刀具使用壽命短的特點(diǎn)，這就要求硬態(tài)車(chē)削的刀具耐熱性和耐磨性應(yīng)更好，機(jī)床系統(tǒng)要有高剛度、大功率以及較好的熱穩(wěn)定性。
S242車(chē)磨復(fù)合加工中心具有斜床身的導(dǎo)軌、足夠的機(jī)床剛性和高精度，這些特征保證了該機(jī)床可以硬態(tài)車(chē)削。試驗(yàn)表明，選擇合適的刀具和切削參數(shù)，在S242上進(jìn)行外圓，外槽的淬硬車(chē)削加工，不僅能夠很好的保證零件的尺寸精度和表面粗糙度要求，而且可以大幅度提高切削效率。對(duì)于高精度軸類(lèi)零件的加工，完全可以采用“以車(chē)代磨”的加工思路。
由表2可看出，“以車(chē)代磨”不僅能夠大幅提高產(chǎn)品加工效率，而且加工成本低。車(chē)磨復(fù)合機(jī)床進(jìn)行硬車(chē)加工具有很高的柔性，通過(guò)程序直接實(shí)現(xiàn)走圓弧、走斜線等運(yùn)動(dòng)軌跡，解決磨削對(duì)此類(lèi)特征加工困難的問(wèn)題。
2.3、車(chē)磨復(fù)合的工藝技術(shù)
車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)對(duì)零件加工工藝也產(chǎn)生了很大的影響。傳統(tǒng)的高精度軸類(lèi)零件加工流程一般包括：毛坯-粗車(chē)-精車(chē)-熱處理-粗磨-精磨工序。這種工藝流程的思路是，用粗車(chē)去毛坯的大部分余量，熱處理前精車(chē)完成零件的基本外形加工并給磨削留一定的余量，熱處理后零件的硬度一般達(dá)到57HRC以上，分粗、精磨保證零件的精度要求。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸或熱處理易變形的軸類(lèi)零件，這種典型的工藝流程具有一定的缺陷，主要會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：
（1）熱處理后零件易變形，尤其是在軸線方向也會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短，磨削已無(wú)法消除零件的變形。
（2）精車(chē)后留多少余量合適難控制。精車(chē)后余量的多少對(duì)磨削工序會(huì)產(chǎn)生很大影響，如果精車(chē)留余量較少，熱處理后零件變形，無(wú)法磨出零件要求的精度尺寸；如果余量較大，磨削時(shí)間變長(zhǎng)，成本高，磨削困難。
（4）工藝流程長(zhǎng)，加工周期相應(yīng)變長(zhǎng)。加工需要的設(shè)備較多，不可避免的產(chǎn)生等待浪費(fèi)，搬運(yùn)浪費(fèi)等情況，增加產(chǎn)品的交付周期。
采用車(chē)磨復(fù)合加工工序后，零件的加工流程如下：毛坯-粗車(chē)-熱處理-車(chē)磨復(fù)合。粗車(chē)去大部分余量后熱處理，然后進(jìn)行車(chē)磨復(fù)合工序，對(duì)于易變形的加工特征，粗車(chē)留余量完全可滿足要求。
車(chē)磨復(fù)合工序主要完成的內(nèi)容和產(chǎn)生的效果有：
（1）一次裝夾，完成車(chē)削和精磨的工序，消除重復(fù)裝卸帶來(lái)的定位誤差；
（2）可以“以車(chē)代磨”，消除傳統(tǒng)加工流程中精車(chē)留多少余量合適的問(wèn)題，并且能夠很好保證加工精度，提高加工效率；
（3）硬車(chē)時(shí)可采用干切，消除了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)可降低處理切屑成本。
總之，采用以車(chē)代磨和車(chē)磨復(fù)合加工工藝方法，不僅能夠大幅度提高產(chǎn)品的加工效率，而且能夠更好的保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。車(chē)磨復(fù)合工藝技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)工藝方法的一次重大突破和變革。
3、車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用
近年來(lái)，隨著航空工業(yè)迅速發(fā)展，航空產(chǎn)品多品種、小批量等特點(diǎn)越來(lái)越明顯，產(chǎn)品的加工工藝過(guò)程更加復(fù)雜，且難加工材料應(yīng)用越來(lái)越廣，在制造過(guò)程中普遍存在制造周期長(zhǎng)、材料切除量大、加工效率低以及加工變形嚴(yán)重等瓶頸。為了提高航空產(chǎn)品的加工效率和加工精度，工藝人員一直在尋求更為高效精密的加工工藝方法。車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)航空軸類(lèi)零件的高效精密加工無(wú)疑是一個(gè)新的思路和解決方法。
在航空液壓舵機(jī)等系統(tǒng)中，閥芯、閥套類(lèi)零件主要包括的特征有：濾油的內(nèi)外膠圈槽、內(nèi)外儲(chǔ)油槽、需要精密配合的外圓和內(nèi)孔。這些特征都有很高的尺寸、配合精度和表面質(zhì)量，加工過(guò)程中易變形，加工難度大。車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)的出現(xiàn)，為此類(lèi)問(wèn)題提供了一個(gè)解決方案。
為航空某重點(diǎn)型號(hào)舵機(jī)液壓閥芯，該零件的基本信息、切削參數(shù)、刀具參數(shù)及加工精度如表3所示。
實(shí)例表明，S242車(chē)磨復(fù)合加工中心通過(guò)“以車(chē)代磨”和車(chē)磨復(fù)合工藝技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠很好的保證加工精度，而且可大幅度提高加工效率。車(chē)磨復(fù)合加工技術(shù)在航空液壓產(chǎn)品加工領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。
4、結(jié)束語(yǔ)
車(chē)磨復(fù)合加工機(jī)床的出現(xiàn)對(duì)提高高精度軸類(lèi)零件的加工效率和加工精度有很大促進(jìn)作用。但是，國(guó)內(nèi)外在此方面的應(yīng)用還很少。本文通過(guò)介紹S242車(chē)磨復(fù)合加工中心的功能和特點(diǎn)，分析了車(chē)磨復(fù)合加工的硬車(chē)技術(shù)和工藝技術(shù)，并給出了一個(gè)在航空產(chǎn)品方面的車(chē)磨復(fù)合加工應(yīng)用實(shí)例。以此對(duì)車(chē)磨復(fù)合技術(shù)在航空產(chǎn)品加工領(lǐng)域進(jìn)行初步的探索和研究。
