用比常规高 5～ 10倍的磨削加工速度对零件进行磨削加工 ,即为高速或超高速磨削加工 ,可使磨削效率提高 1～ 3倍 ,工件表面粗糙度降低 1～ 3个小级 ,砂轮耐用度提高 1倍左右。若采用高速高效深磨加工工艺 ,甚至可将铸、锻毛坯直接加工为成品 ,使加工时间缩短 90 %左右。 一、高速及超高速磨削加工工艺方法的绿色特性 2 0世纪 90年代以来 ,由于相关技术的发展 ,高速磨削及超高速磨削技术的研究及应用得到突破性的发展 ,使得砂轮速度Ｖｓ达到 80～ 2 0 0ｍ/ｓ甚至更高 ,由此发现了这种加工方法潜在的巨大经济效益和社会效益。此外 ,随着绿色制造技术的崛起和发展 ,进一步发现这种加工工艺方法具有如下的绿色特性。1.有效缩短加工时间 ,提高生产率 ,减少能源消耗量 (如表 1所示 )。表 1 各种磨削方法的磨削参数比较磨 削 参 数磨 削 方 法 普通磨削缓进给磨削高速缓进给强力磨削(ＨＥＤＧ磨削 )切深ａｐ(ｍｍ) 0 .0 0 1～ 0 .0 5 0 .1～ 30 0 .1～ 30砂轮速度Ｖｓ(ｍ/ｓ) 2 0～ 60 2 0～ 60 80～ 2 50工件进给速度Ｖｇ(ｍ/ｍｉｎ) 0～ 30 0 .0 5～ 0 .5 0 .5～ 1 0比金属磨除率 (ｍｍ3/ｓ·ｍｍ) 0 .1～ 1 0 2～ 2 0 50～ 2 0 0 0 2 .大幅度提高加工精度 ,减小噪声污染。随着磨削速度的提高 ,磨削力有不同程度地下降 ,刀具施向工件的力也相应减小 ,从而减小磨削过程中的变形 ,提高了加工精度。此外 ,超高速加工时 ,机床主轴作高速运转 ,激振频率已远离“机床—工件—刀具”工艺系统的固有频率 ,从而减小了系统振动 ,减小了噪声污染。3.加工表面质量得以提高 ,砂轮磨损减小 ,资源得到有效利用。随着加工速度的提高 ,磨削很快脱离工件表面 ,使残留在工件表面上的应力减小 ,精度提高和表面粗糙度值降低。当表面粗糙度一定时 ,砂轮耐用度将提高相应的倍数。由于砂轮的使用寿命与磨削速度Ｖｓ呈对数关系增长 ,所以 ,当Ｖｓ提高时 ,砂轮磨损减少 ,使用寿命增长 ,加工成本降低 ,资源得到有效利用。4 .取消或代替其它加工工艺方法 ,减少加工工序、设备、人员等的投入 ,减少资源与能源的消耗和缩短加工时间 ,实现制造工艺的绿色性。从图 1和图 2可以看到 ,当砂轮速度 >10 0ｍ/ｓ后 ,随着砂轮速度的提高 ,工件表面的温度迅速下降 ,这样 ,单从降低工件表面温度这一目的出发 ,所需磨削液的流量和喷射压力就可减小 ,从而使冷却液的需求量减小 ,能量需求量减小 ,污染减小。同样的 ,从图 2中也可以看到 ,随着工件速度提高到一定程度之后 ,工件表面的温度迅速下降 ,比磨除率提高 ,从而使得冷却液的需求量减小 ,能量需求量减小 ,污染减小 ,生产率得以提高。从表 1的磨削参数比较中还可以看到 ,不同的磨削方法导致磨削参数切深ａｐ 及比金属切除率等有很大的变化 ,可以通过提高砂轮速度等来取消或代替传统的加工工艺方法 ,实现能耗、时间、资源及环境污染的减小 ,生产率提高 ,从而实现工艺种类选择具有绿色性这一目的。图 1 工件表面温度与 砂轮速度的关系图 2 工件表面温度与 工件速度的关系二、实例分析 1以磨床Ｍ74 75,砂轮直径为4 0 0ｍｍ为例 ,建立其Ｅ(环境 )、Ｒ(资源 )、Ｑ(质量 )、Ｃ(成本 )、Ｔ(时间 )各决策目标与砂轮速度Ｖ的参数关系如表 2所示。表 2 砂轮速度与有关加工参数的比较加工参数砂轮速度Ｖｓ( ｍ/ ｓ) 30～50 50～ 80 80～ 110 110～ 150 150～2 0 0空载功率 (ｋＷ) 1.4～ 2 .72 2 .72～ 4 .74 .7～3 .4 3 .4～ 2 .8<2 .8砂轮驱动功率 (ｋＷ) <13 13～ 37.537.5～4 5.3 4 5.3～5151～ 4 3 .13砂轮使用寿命 (ｍｉｎ) 10～4 0 4 0～ 4 54 5～50 50～ 70 .2 70 .2～ 90金属切除率(ｍｍ3/ｓ·ｍｍ) 0 .1～ 1 0 1 0～ 50 50～ 450 4 50～ 1 80 01 80 0～2 0 0 0粗糙度 (μｍ) 2 .0～ 1 .6 1 .6～ 1 .5 1 .5～ 1 .41 .4～ 1 .2 <1 .1磨削液流量 (ｌ/ｍｉｎ) 1 5～ 30 30～ 90 90～ 1 4 0 1 4 0～ 1 70 1 70～ 2 2 5噪声 (ｄＢ) <68<76 <76 <80 <76工件进给速度(ｍ/ｍｉｎ) 0～ 30 0 .0 5～ 0 .50 .5～ 2 .5 2 .5～ 1 0 >1 0切深 (ｍｍ)0 .0 0 1～0 .0 50 .5～ 30 0 .1～ 30 0 .1～ 30 0 .1～ 30从表 2中可看出 :1)砂轮的使用寿命、切深和比金属磨除率随砂轮速度的提高而增加 ,这就证明了高速及超高速磨削加工比普通磨削加工的加工时间短 ,物料资源消耗少 ,环境污染小。 2 )空载功率、砂轮驱动功率和噪声虽然随砂轮速度的提高而增加 ,但是 ,当砂轮速度达到或超过 150ｍ/ｓ时 ,随着砂轮速度的提高 ,它们反而逐渐降低。这也证明了高速及超高速磨削加工随着砂轮速度的提高其能源消耗和环境污染不断减小这一结论。 三、实例分析 2如图 3所示的零件 ,材料为铸铁顶面加工 ,表面粗图 3 被加工零 件简图 糙度为Ｒａ0 .2 μｍ ,批量为 5万件 /年。根据其加工技术要求 ,按传统的加工工艺方法 ,其加工工序的安排和采用高速及超高速磨削加工工艺方法的加工工序安排如表 3所示 ,为此 ,两种加工工艺方法与Ｅ、Ｒ、Ｃ、Ｔ、Ｑ有关的参数如表 4所示。表 3 两种加工工艺方法的工序安排工 序 名 及 加 工 余 量加 工 方 法传统的加工工艺方法高速及超高速磨削加工工艺方法工 序 名 称粗 铣半 精 铣磨磨加 工 余 量 4 .0～ 4 .54 .0～ 4 .5 表 4 两种加工工艺方案的有关绿色特性比较有 关绿色 特性工 艺 方 案 传统的工艺方法高速及超高速高效磨削工艺方法 备 注1.Ｃ类比较 物料成本 12 (元 /件 ) 6(元 /件 ) 能源成本 2 2 3(元 ) 74 (元 ) 电费为 0 .1元 /度以 5万件计 劳动力成本 350 0 (元 /月 ) 10 0 0 (元 /月 ) 设备折旧成本 10 80 0 (元 ) 10 80 0 (元 )设使用期为 8年 环境污染防治 成本 较高 较低2 .Ｒ类比较 电能消耗量 1.94 (ｋＷ/件 ) 1.2 5(ｋＷ/件 ) 电能利用率 87% 95%3 .Ｅ类比较 噪声 95～ 10 0 (ｄＢ) <76(ｄＢ) 冷却液污染 较重 较轻4 .Ｔ类比较 以单件加工时间记 基本时间 0 .84 2 (ｍｉｎ) 0 .169(ｍｉｎ) 辅助时间 0 .4 5(ｍｉｎ) 0 .4 9(ｍｉｎ) 单件加工时间 1.382 (ｍｉｎ) 0 .70 71(ｍｉｎ) 批量加工时间 6910 0 (ｍｉｎ) 35350 (ｍｉｎ)设批量为 5万件5.Ｑ类比较 表面粗糙度Ｒａ0 .8～ 0 .2 (μｍ) Ｒａ≤ 0 .1 μｍ 加工精度 ＩＴ6～ 7ＩＴ6以上 从表 4中可看出 ,该零件在相同的加工条件下 ,高速及超高速磨削加工方法比传统的加工方法的成本几乎低一半以上 ,且能源的消耗和环境污染也大大降低 ,在加工时间缩短一半以上的同时 ,加工质量还有所提高。高速及超高速磨削加工的绿色特性@廖兰
@刘飞
@尹超
$重庆市渝洲大学机械工程系!400033
$重庆大学制造工程研究所!400044高速磨削;;超高速磨削;;绿色特性对高速及超高速磨削加工的绿色特性进行了分析和探讨 ,并通过两个具体的加工实例 ,将普通磨削加工方法与高速及超高速加工方法的有关参数进行了比较 ,证明了高速及超高速磨削加工方法在制造工艺方法选择中所具有的绿色特性优势以及可观的应用前景。1 刘飞 ,张华 ,陈晓慧 .绿色制造的决策框架模型及其应用 .北京 :机械工程学报 ,1999,35 (5 )
2 李伯民等 .实用磨削技术 .北京 :机械工业出版社 ,1996
3 刘飞等 .机械加工系统能量特性及其应用 .北京 :机械工业出版社 ,1995?序 名 及 加 工 余 量加 工 方 法传统的加工工艺方法高速及超高速磨削加工工艺方法工 序 名 称粗 铣半 精 铣磨磨加 工 余 量 4 .0～ 4 .54 .0～ 4 .5 表 4 两种加工工艺方案的有关绿色特性比较有 关绿色 特性工 艺 方 案 传统的工艺方法高速及超高速高效磨削工艺方法 备 注1.Ｃ类比较 物料成本 12 (元 /件 ) 6(元 /件 ) 能源成本 2 2 3(元 ) 74 (元 ) 电费为 0 .1元 /度以 5万件计 劳动力成本 350 0 (元 /月 ) 10 0 0 (元 /月 ) 设备折旧成本 10 80 0 (元 ) 10 80 0 (元 )设使用期为 8年 环境污染防治 成本 较高 较低2 .Ｒ类比较 电能消耗量 1.94 (ｋＷ/件 ) 1.2 5(ｋＷ/件 ) 电能利用率 87% 95%3 .Ｅ类比较 噪声 95～ 10 0 (ｄＢ) <76(ｄＢ) 冷却液污染 较重 较轻4 .Ｔ类比较 以单件加工时间记 基本时间 0 .84 2 (ｍｉｎ) 0 .169(ｍｉｎ) 辅助时间 0 .4 5(ｍｉｎ) 0 .4 9
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