荷蘭砂霸Timesaversint 國際有限公司2010年公布的一篇技術(shù)性報(bào)道，介紹了該公司在應(yīng)用寬砂帶磨削工藝對(duì)平板類工件進(jìn)行大切削量試驗(yàn)的有關(guān)情況，有價(jià)值的信息。
當(dāng)今世界上關(guān)于將材料從平面上切除的工藝已有一些成熟的技術(shù)， 每一種技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，取決于所要求的產(chǎn)能、表面粗糙度要求、需要切除的材料余量大小，和材料的加工難度等因素。
近期在寬砂帶磨削技術(shù)上的進(jìn)步，由此開啟了對(duì)硬質(zhì)難加工材料，諸如：鈦、鎳合金和鉬等，進(jìn)行大切削量強(qiáng)力磨削的可能性。
磨削/砂帶磨削 /寬砂帶磨削
一、研究課題的背景
在機(jī)械工程學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有一些關(guān)于平面加工的成熟工藝技術(shù)，這些技術(shù)包括：銑削、拉削、珩磨、拋光、寬砂帶磨削，臥軸平面砂輪磨削，以及磨料噴射加工等。每種技術(shù)都有其特點(diǎn)，至于最后選擇哪種技術(shù)，要取決于所加工材料的性質(zhì)以及客戶的需求，例如：加工后的表面質(zhì)量，工件尺寸的允差，單件加工成本，以及產(chǎn)量等。
本項(xiàng)關(guān)注的重點(diǎn)是從平面上切除大量材料的技術(shù)可行性。而研究課題是在認(rèn)識(shí)和分析了在切削加工過程中存在的一個(gè)重要難題的基礎(chǔ)上提出的，也就是切削熱對(duì)工件材料性能的影響，在切削加工的領(lǐng)域中，加工材料的溫升會(huì)導(dǎo)致許多問題，因而必須加以限制。傳統(tǒng)的銑削加工和砂輪磨削都會(huì)在切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生太多的局部熱量。這些傳統(tǒng)的工藝已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代新材料的技術(shù)進(jìn)步，這些新一代材料通常被稱作“難加工材料”，需要使用“冷態(tài)”切削工藝技術(shù)。
二、研究試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)某一客戶的特殊要求，此項(xiàng)研究的目標(biāo)確定為，探索寬砂帶磨削工藝對(duì)鈦合金和其它特殊金屬板材進(jìn)行大切削量加工的可行性。研究工作選擇了銑削、立軸端面磨削和砂帶磨削等三種最常用的切削加工方式進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)。本項(xiàng)研究得到德國赫美斯Hermes砂帶公司與客戶的大力支持和緊密合作。
下面將分別從加工后的表面質(zhì)量、尺寸公差、生產(chǎn)效率、比能耗和加工成本等五個(gè)方面，就三種工藝的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況具體闡述于下：
1、表面質(zhì)量
表面完整性是由粗糙度、表面層金相組織的改變、加工后的微裂紋、殘余應(yīng)力和最終的表面視覺評(píng)估等多方面指標(biāo)綜合后決定的。在這個(gè)方面，砂帶磨削在表面粗糙度，或是在表面視覺美觀方面的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分布都具有十分寬泛的特點(diǎn)。
2、加工精度
這里討論的主要內(nèi)容包括：平面度，厚度誤差和平行度。在這三項(xiàng)加工精度方面，砂輪磨削可以說效果最好，其次是砂帶磨削。當(dāng)對(duì)比加工精度時(shí)銑削工藝是最差的。
可見臥軸砂輪磨削的加工精度最高，切除余量的能力最小；銑削則反之，所能達(dá)到的加工精度最低，可切除余量的能力最大；寬砂帶磨削在加工精度和切除余量的能力兩個(gè)方面都居第二，特別是切削能力方面與銑削相差不大。
3、生產(chǎn)效率
粗加工的生產(chǎn)效率是用戶極其關(guān)注的重要因素。生產(chǎn)效率被定義為在一分鐘內(nèi)可從工件上切除的材料體積量(cm3/min)。研究表明材料的機(jī)械和物理性能是關(guān)系生產(chǎn)效率的重要因素?？偟膩碚f，鋁和鑄鐵的可切削性受制于切削工具的容屑空間，而不銹鋼，鎳合金和鈦的可切削性則受制于加工過程所產(chǎn)生的切削熱量。砂帶磨削工藝的生產(chǎn)效率比砂輪磨削平均要高出3倍。同時(shí)砂帶磨削的材料切除率可與銑削直接抗衡。
在產(chǎn)品樣本上所披露的有關(guān)生產(chǎn)效率對(duì)比的圖表，據(jù)介紹試驗(yàn)用工件寬1000 mm，長2500 mm，厚10 mm，材質(zhì)是奧氏體不銹鋼；所采用的加工設(shè)備是粗加工銑床、寬砂帶平面磨床和立軸砂瓦端面磨床；測(cè)試從工件表面切除厚1 mm材料所用時(shí)間；以每分鐘切除的體積量cm3相比，在加工不銹鋼時(shí)，砂帶磨削可比砂瓦磨削節(jié)約65%的時(shí)間。
4、加工成本
成本被視為用戶在選用切削技術(shù)決策過程的主要考慮因素。評(píng)估加工成本需要考慮的因素包括：工具成本、勞動(dòng)力成本、能源耗費(fèi)、以及機(jī)械折舊費(fèi)用等。為使成本的比較相對(duì)合理，通常是以每切除一立方厘米材料所需成本來進(jìn)行計(jì)算。在這方面銑削加工的成本最低，砂帶磨削的成本緊隨其后。立軸砂瓦端面磨削的成本相比銑削和砂帶磨削，至少要高出20％。
其中工具成本砂帶磨削也低于銑削，和我們?cè)诩庸て胀ㄤ摬臅r(shí)的經(jīng)驗(yàn)相左；估計(jì)是在不銹鋼，鈦合金等新型材料加工時(shí)的情況有所改變的緣故。
5、比能耗
比能耗被定義為是一種在切割一個(gè)單位體積材料時(shí)所消耗的能量。
通常情況下，最好是希望比能耗低，因?yàn)檫@意味著工件材料將會(huì)少受切削熱的不好影響，諸如受熱會(huì)導(dǎo)致一些金相組織的改變和殘余應(yīng)力的增大等。同時(shí)也意味需要較少的切削力。這也就相當(dāng)于更低的能量消耗，工具的磨損會(huì)更少和獲得更好的加工精度。雖然很多文獻(xiàn)記載了銑削和砂輪磨削的比能耗，但是沒有資料提及砂帶磨削的比能耗。
為了確保對(duì)三種切削工藝做出一個(gè)公平的比較，在三種類型的加工設(shè)備上都使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長2米，寬1米的同種工件，試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于所有的材料，銑削加工過程的比能耗最低，緊隨其后的是砂帶磨削。而砂輪磨削的比能耗最高，試驗(yàn)證實(shí)當(dāng)加工不銹鋼，鎳合金和鈦等材料時(shí)幾乎要比砂帶磨削高出近6倍。
砂帶磨削過程摩擦耗能很小，因此工件的溫升幾乎為零，這個(gè)特點(diǎn)在加工不銹鋼、鎳合金和鈦合金時(shí)特別重要。
三、工藝技術(shù)
為進(jìn)一步的探究，注意力轉(zhuǎn)向到有關(guān)砂帶磨削的工藝技術(shù)上。尤其是關(guān)注加工過程中的比能耗。在對(duì)各種加工工藝作比較時(shí)比能耗被認(rèn)為是最重要的因素。加工精度 ，生產(chǎn)效率，表面完整性和加工成本都直接與比能耗相關(guān)。加工所用的機(jī)床和砂帶因此就成為主要的可變因素。
1、砂帶
砂帶磨削工藝很早就被認(rèn)識(shí)到是一種切削效率高，而且又具有“冷態(tài)”切削特點(diǎn)的技術(shù)，換句話說這種技術(shù)在加工工件時(shí)不會(huì)像其他機(jī)械加工方法一樣產(chǎn)生太多的熱量。當(dāng)把注意力轉(zhuǎn)向砂帶上的磨料顆粒時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)其排列得非常整齊。 砂帶制造商如今能夠運(yùn)用一種靜電植砂技術(shù)，由此可對(duì)磨料的排列方向和分布密度實(shí)施控制。這意味著磨料較為鋒利的邊緣是垂直于底帶上的。此外，從磨粒的微觀結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)，即使真的磨鈍了，崩裂掉的也只是一小部分，仍能保持理想的鋒利切削角，使高效的切削過程能得以較長的延續(xù)。
與之相反，砂輪上的磨料顆粒是隨機(jī)排列的，這導(dǎo)致了在工件上產(chǎn)生熱量的增多。從理論上講，切割一個(gè)單位體積材料所需的能量取決于材料的性質(zhì)和所運(yùn)用的機(jī)械加工工藝，而真實(shí)情況是有相當(dāng)一部分能量被消耗在克服摩擦能上，摩擦能小則比能耗便小。 砂帶磨削過程發(fā)生的摩擦能要比砂輪磨削小。
當(dāng)討論比能耗時(shí)（即切削能耗），以下四個(gè)方面的問題被視為影響摩擦耗能的因素：
切削角-- -由于磨粒的排列是可以控制的，因此切削角可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，以確保在切割材料的時(shí)候耗能更少。
切屑厚度---切屑愈大切削過程的耗能愈少。借助大的正前角銑削可以形成最大的切屑；而砂輪磨削所形成的切屑十分細(xì)小，兩者差異近萬倍，因此將消耗非常多的能量；砂帶磨削得益于所產(chǎn)生的切屑大小介于上述兩者之間，由此其耗能也是適中的。
容屑空間----這是指能容納每個(gè)切屑暫存的空間，也反映了切屑被切割出來的難易程度，（若切屑被卡在切削工作區(qū)中，將導(dǎo)致比能耗的增加和工件表面質(zhì)量的降低）。是否有足夠的容屑空間是實(shí)現(xiàn)高切削量的關(guān)鍵。幸虧砂帶上呈縱向排列的磨粒，加上砂粒間安排有合適的容屑空間，使砂帶磨床能在磨削過程避免工件上切削熱量的積聚。
接觸長度---是指每個(gè)磨粒在切削過程與被加工表面相接觸的弧線長度。希望接觸長度盡可能短，部分是因?yàn)檫@樣可以確保有效的排屑，部分是為了能有效地利用冷卻乳化液。砂帶磨削過程中的接觸長度非常短，大約僅為一毫米長。而在用磨石進(jìn)行立軸端面研磨加工時(shí)的接觸長度大約要以米來計(jì)算。
2、加工機(jī)床
大余量切削技術(shù)的提高也得益于機(jī)械本身的創(chuàng)新。例如，通過修改接觸輥的直徑尺寸和材料，接觸長度再次被縮小。固定工件的新裝卡方法可使切削時(shí)的送進(jìn)得以順利進(jìn)行，整個(gè)送進(jìn)系統(tǒng)也得到全新的改進(jìn)。
該公司在近期根據(jù)用戶既希望材料切除能力大，又要求加工精度高，而專門新開發(fā)的龍門式寬砂帶平面磨床。采用龍門固定，工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總體布局形式。板材可用電磁或真空兩種方式固定在工作臺(tái)上。為適應(yīng)濕磨的需要，配有大容量的冷卻液箱和精密過濾裝置。據(jù)說已被多個(gè)著名跨國公司用于鈦合金、inconel因科鉻鐵鎳合金和不銹鋼板材的加工，效果良好。
四、結(jié)論
隨著砂帶磨床的設(shè)計(jì)改進(jìn)和砂帶制造技術(shù)的進(jìn)步，在鈦，鎳合金和鉬等板材大切削余量加工中砂帶磨削工藝已被證實(shí)是一個(gè)可行的，而又經(jīng)濟(jì)的選擇。該技術(shù)已經(jīng)被很多著名企業(yè)采用，并且顯示出比其他工藝方法都好的效果。
