日本磨削加工技术展望
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本文主要对日本引以为傲的高技术水平、高附加值磨床产品进行了展望,并重点介绍了在光学零件生产中不可缺少的精密模具磨削加工技术。此外,还介绍了今后具有良好发展前景的磨削加工中心和同时具备磨削功能的复合加工机床。
日本加工机床由于其高品质卓越可靠性,国际上获得了很高评价,因此才能超越欧洲老牌工业强国,24年产值一直保持世界第一。特别立式卧式加工中心等切削加工机床生产,无论数量上还质量上都全球独占鳌头。不过,德国、意大利等欧洲国家磨床生产方面也具有优势,日本争取机床出口额领先有力竞争对手。
近年来,电子产品加工开始高速增长,超精密、高性能磨床不可或缺,尤其对小型制品进行高精度磨削加工需求很大。
本文主要对日本引以为傲高技术水平、高附加值磨床产品进行了展望,并重点介绍了光学零件生产不可缺少精密模具磨削加工技术。此外,还介绍了今后具有良好发展前景磨削加工中心同时具备磨削功能复合加工机床。

日本磨床国际市场地位


图1 主要国家的切削机床产值(1979-2008年)
图l为日本工具机械工业会公布的主要国家切削加工机床产值汇总情况(1979-2008年)。如前所述,日本机床产值24年一直占据首位,德国则紧跟其后。进入21世纪后,国机床产值急速增长,现位列第3。近年来,意大利机床生产也处于上升趋势,名列第4。
统计世界各国磨床产值产量相关数据时,由于项目分类方法没有国际统一标准,因此获取正确数据上存一定困难。其还有一些国家未公布相关产值产量数据。图2根据美国机械制造技术协会(AMT)公布的2007年度数据,对主要国家公布的平面磨床进口、出口情况进行了比较(2008下半年金融危机爆发后的数据没有公布)。

(a)进出口量

(b)进出口额
图2 主要国家的平面磨床进出口情况

图3 磨削加工批量生产微型球面透镜模具的实例
根据图2显示的数据,平面磨床出口额前三甲分别为德国、日本意大利。进口额最高国,并处于逐年上升趋势。从数量上看,国无论进口还出口都占据高位(台湾地区出口台数也不少)。根据出口平面磨床单价来计算,相对于德国(1,580万日元)、日本(1,360万日元)高价位,中国(70万日元)和台湾地区(140万日元)价位则较低。可见,从单价来看,平面磨床产地呈现两极分化趋势。
日本德国进口磨床台数较多,这因为其机床制造商将海外工厂设东南亚等地,然后从海外工厂进口本国不生产低价磨床,造成进口台数增加。无论如何,从全球来看,德国、日本意大利高性能平面磨床主要供应基地毋庸置疑。
虽然中国出口磨床台数也不少,但从金额来看,却排名第一进口大国。而美国虽然进口磨床台数较多,但金额却相对较低。由此可知,美国主要使用一些价格较低磨床。另外,虽然图2中并未显示出来,但实际上,从金额来看,美国磨床最大出口目地德国;而从数量上看,则台湾地区。

磨削加工超精密化

(1)微型球面透镜排列磨削加工实例

日本数码相机、带拍照功能手机监视镜头等方面引领着世界潮流。现在,像素提高价格降低日新月异,其就蕴含了微型球面透镜等光学零件超精密加工不断进步。
中部大学铃木浩文教授提出了对生产微型球面透镜硬质合金模具进行超精密磨削方法。以前,一个模具只能成形一个透镜,但现,排列放置模具使大批量生产透镜成为可能(图3),从而降低了生产成本。如图4所示,微球面凸透镜模具加工采用四轴联动超精密磨削装置成形金刚石砂轮,通过同步控制实现创成运动。将工件安装主轴上,使其低速旋转,将截面形状为凹面(或凸面)金刚石砂轮安装旋转纵轴上,进行磨削加工。首先,低速旋转时,要确保工件与砂轮之间保持一定距离,砂轮与工件旋转方向速度要保持同步,以实现对凹面(或凸面)球面形状精密磨削。然后,调整工件位置,并重复上述加工动作。

(a)凹面形状磨削

(b)凸面形状磨削
图4 球面形状的精密磨削方法

图5 ULG-1000超精密曲面磨床
为了实现高速、高精度同步控制,必须拥有先进数控系统机械结构。图5所示为东芝机械生产ULG-100D超精密曲面磨床,直线电机进给驱动V-V回转组合,实现了1nm步距进给,解决了象限突起问题,借助平滑圆弧插补实现了自由曲面加工。
为了使金刚石砂轮正确成形,砂轮修整技术不可或缺。铃木教授使用钒系列合金结合剂,使1500#、3000#热固性树脂金刚石砂轮成形半径达到了R2.5mm。

(2)配备直线电机磨床

平面磨床进给以前采用油缸驱动,后来,油缸驱动控制应用了油压伺服系统技术,可很短行程实现高速反向,从而实现快速磨削。近年来,直线电机驱动将取代以往油缸驱动,提高能效同时,实现了高精度,也为维护工作环境保护地球环境做出了贡献。

图6 采用直线电机驱动的OPG310Li 磨床
图6所示为冈本工机生产UPG310Li磨床。该磨床采用直线电机驱动,实现了20mm行程、500次/min高速往返,使打孔机之类小型零件磨削加工时间大幅缩短。此外,该磨床工作台还配备了可变滑动系统,保证高刚性同时,降低了摩擦系数,实现了对微型模具高能效、高精度加工。

磨削加工复合化

(1)磨削加工中心

铣床已从数控铣床发展为铣削加工中心,车床也经由数控车床升级为车削加工中心。就磨床而言,数控磨床已经得到实际应用,但磨削加工中心尚未得到普及,其今后发展值得期待。
在磨削加工中心中,包含了从磨床加工中心发展而来两套系统。一般来说,设有管理各种砂轮砂轮自动更换装置(ATC)、自动测量装置工件交换装置。相对于铣削车削加工中心来说,磨削加工中心困难之处于:①工具磨损;②很难保持加工零件高精度;③要求精度较高;④磨屑碎片很小,容易掉入机床运动部件中。

图7 基于立式内圆磨床的IGV-1 NT磨削加工中心

图8 基于铣削加工中心的GC620磨削加工中心
图7是太阳工机以立式内圆磨床为基础制造IGV-1 NT磨削加工中心。六角形砂轮放置台实现了砂轮自动交换;自动装置可确保加工精度。该机可对外圆、内径、端面进行精密磨削,适合各种齿轮法兰盘磨削加工。
图8是大阪机工以铣削加工中心为基础开发的GC620磨削加工中心。该机不但保留了加工中心性能优势,还优化了冷却剂磨屑处理功能。使用水溶性切削油,有利于机床防锈。工作台上配备有砂轮自动修整装置,能及时修整砂轮直径长、宽尺寸,可以长时间连续磨削加工。

(2)带磨削功能复合加工机床


图9 兼具激光加工与磨削功能的复合加工机床

图10 兼具放电加工与磨削功能的复合加工机床
磨削加工中心再进一步发展,就多功能复合加工机床。复合加工机床除了可以进行磨削加工以外,还可以进行切削加工、激光加工、放电加工等。机床制造商将各种加工能力组合一起,开发出各种新型机床,这日本国际机床展览会(JIMTOF)上随处可见。
例如,福冈工业大学仙波卓弥教授开发了一种兼具激光加工磨削功能复合加工机床。粗加工时使用激光,精加工时采用磨削。图9所示复合加工机床内部装有用于加工激光聚光系统用于观测加工表面光学系统。此外,可通过压缩空气掺入氮气,来调整辅助气体氧浓度。磨削加工采用3000#电镀砂轮,而修整砂轮则使用8000#带电修整工具。该系统可短时间内,完成对玻璃状碳素工件80nm以下平滑表面复合加工。
图10为牧野精机开发将放电加工与磨削加工融为一体CNJ2-E复合加工机床。利用放电加工进行高能效粗加工,然后通过磨削完成最终形状加工。
磨削加工中心复合加工机床都采用工件一次装夹加工,因此能将安装误差影响降至最低,能够有效适应高精度、高能效、省空间等要求,其发展前景非常值得期待。
本文作者:黄宁秋(编译)
原载:《工具展望》2011年第2期
上载于:2012-8-13 9:46:28

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