CBN砂轮粗糙度研究

CBN砂轮磨削表面粗糙度研究

前言

随着现代工业的发展,很多机械零件要在高温、高压 、高速条件下工作,这时零件表面上任何缺陷都会引起应力集中、应力腐蚀等,而导致零件的损坏。机械零件的使用性能与使用寿命主要取决于表面质量。

表面粗糙度是零件几何质量的一个主要指标 多年来国内外许多科研单位 工厂及高等学校等为了提高零件的加工质量和效率,在磨削表面粗糙度方面开展了大量研究工作.随着电子计算机、传感技术、信号分析、激光及光导纤维等的不断进步,在磨削表面粗糙度的研究上取得了不少进展。

一．影响磨削表面粗糙度的因素

磨削表面粗糙度的形成涉及许多方面的因素本文只从磨削工艺参数来看,就有砂轮的形貌、磨损和修整及磨削用量、工件材料、冷却润滑液、工艺系统的刚度及其动态特性等。影响磨削表面粗糙度的因素很多,它们之间的关系也较复杂。由于砂轮磨粒的形状是不规则的,磨粒在砂轮上的分布是随机的,所以较难通过计算方法求得表面粗糙度的理论值。多年来研究者根据已经验证的事实.做了各种模拟分析,建立了许多理论和经验公式,其中比较有影响的有:日本学者根据概率论观点 假设磨粒为圆报形颁粒分布,在砂轮切入深度上 以抛物线分布的研究。小野浩二是假设砂轮上的磨粒切刃在空间处于均匀分布状态。还有横川和彦根据单颗粒金刚石修整时,在砂轮工作面上造成螺纹状纹路,并复映到加工表面上,形成磨削表面粗糙度机理进行的研究.亦有人进行从加工表面的塑性变形而造成隆起的粗糙度机理等各种研究。但在实际应用中有许多条件同原来假定的不一定相符,而且各种因素间有的彼此存在着相互影响,

为了确切地掌握某些重要因素的错综影响并得出它们与表面粗糙度间的定量关系,使之能应用于磨削加工时表面粗糙度的控制上,近年来开展了应用试验统计的方法建立磨削数据文件(磨削数据库)及经验公式‘其中有的是通过单因素回归分析,的则是通过多因数二次回归分析等方法获得的。

二.CBN砂轮磨削表面粗糙度的研究

立方氮化硼 (Cubic Boron Nitride ,简称CBN )是目前除金刚石以外最硬的材料。和金刚石相比,CBN除具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等特性外,还具有

比金刚石优越的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族元素呈化学惰性。在机械工业中,它可制成各种磨具和切削工具,适用于加工普通磨具和工具难以加工的硬而韧的铁族金属材料,为磨削加工技术的发展开辟了一条新途径。CBN砂轮的优越磨削性能,不仅表现在高磨削比、高生产率方面,更重要的是能够获得较好的磨削质量。与普通磨料相比,CBN磨粒更硬 ,在磨削过程中能长期保持其切削刃的锋利状况 ,切削能力强 ;同时CBN磨粒的热传导能力强 ,使磨削过程中的磨削力及磨削比能很低 ,产生较低的磨削温度。

2.1 CBN表面状态对表面粗糙度的影响

为了保证砂轮具有较好的磨削效果 ,砂轮应进行合理修整。砂轮表面修整的

主要目的就是使气孔率几乎为零的砂轮表面磨粒更具有合适的凸出高度和容屑空间。

CBN砂轮经过不同的修整过程 其表面磨粒平均凸出高度h 和容屑比K各异 。对具有不同磨粒凸出高度h和容屑比K的CBN砂轮进行磨削试验 ,其对磨削表面粗糙度的影响如图：

由图1(a)可见,磨削表面粗糙度值随磨粒凸出高度的增大而增大,两者可近似地看成线性关系。磨削加工中已加工表面的切痕是该处未被后续磨粒切削而形成的。由于CBN磨粒具有很高的硬度,呈单晶状态,且无法在CBN磨粒上修整出微刃,所以磨粒凸出高度对磨削表面粗糙度有着显著的影响。当磨粒凸出高度增大时,就意味着磨粒周围的结合剂去除的较多,CBN磨粒的锋刃被较好地暴露,使C BN砂轮的切削作用增强;同时磨粒凸出高度的增加有可能导致个别CBN磨粒脱落 ,使砂轮表面单位长度上的磨粒数减少,从而产生了较大的粗糙度。

由图1(b)可见，磨削表面粗糙度值随容屑比的增大而增大，两者近似成抛物线关系。

2.2 CBN砂轮的修整

CBN被认为是磨削上的一项革命，但是在我国发展有限。影响CBN砂轮在

生产上普及应用的原因很多,有制造技术问题,也有使用技术方面的问题。在使用技术方面最主要的一个阻力就是缺乏合适、简便的修整方法,导致这种磨料的优异性能得不到充分发挥。对CBN砂轮,修整的优劣是在生产中推广应用的关键。

CBN砂轮的修整概念与普通砂轮不同这是由于结合剂性能的不同所决定的。CBN砂轮有电镀CBN砂轮,陶瓷结合剂砂轮,树脂结合剂砂轮和金属结合剂砂轮四种。电镀CBN砂轮是在钢制基体上均匀地镀敷一层CBN磨料,经仔细加工后,不需要修整。陶瓷结合剂CBN砂轮,因结合剂性脆且砂轮中存在着孔隙,故修整方法简单与普通砂轮修整相似。树脂结合剂CBN砂轮是目前国内外应用最为广泛的一种,与金属结合剂CBN砂轮的结构相似。二者的CBN磨粒是埋在结合剂内部的。未修整前的砂轮没有切削能力。因此,这二种结合剂的CBN砂轮的 修整必须包括“整形”和“修锐”二步。“整形”使得砂轮表面与回转轴线之间的关系满足一定的要求。“修锐”去除CBN磨粒前后的结合剂,使磨粒凸出结合剂表面 ,从而具有切削能力。砂轮整形一般用金刚石工具或SiC砂轮即可满足要求。难点是修锐技术。

理想的CBN砂轮修锐技术应该达到以下要求: 1.CBN磨粒周围各个方向上的结合剂应均匀去除。

2.砂轮表面工作区域的结合剂应均匀去除,即使是对成型砂轮也应如此.这样可 以保证磨削过程的稳定和表面质量的一致 。 3.CBN磨粒的凸出高度应该能够控制. 4.修锐不应破坏整形时所获得的形状精度. 5.CBN砂轮的修整应该在磨床上进行。 6.修整时间要短。

国内外学者进行了大量的研究，提出了很多修整方法，例如：油石及磨块切入修锐法，磨削软钢修锐法，砂轮磨削修锐法，喷丸修锐法等等。下面就典型的几种方法进行说明：

（1）油石及磨块切入修锐法:是CBN砂轮最常用、最简便的一种修锐方法,即用CBN砂轮磨削碳化硅或刚玉油石以达到去除结合剂的目的，参见图l(a)；还有一种与此方法类似的刚玉块切人方法，不同之处是刚玉块后有一弹性元件使磨块有一定弹性且保持与砂轮始终接触修锐（原理见图1(b)）

（2）砂轮磨削修锐法：利用SiC 砂轮直接磨削CBN砂轮以去除结合剂。该方法可使整形与修锐同时完成，参见下图

（3）喷丸修锐法：利用高压气体将粒度很细的玻璃球、刚玉、碳化硅或石英砂喷射到砂轮表面,以达到修锐的目的。气体压力为15MPa,喷射速度可达75m /s。还有一种类似的方法是利用液压代替高压空气进行喷射修锐。

从目前情况看,各种修锐技术都还不是尽善尽美的,CBN砂轮修锐技术本身仍在不断探索、完善和发展之中。

2.3 磨削用量的影响

采用正交实验的方法对CBN砂轮外圆切入磨削45号淬火钢的表面粗糙度，进而得到磨削用量对其的影响，结果图如下：

由图数据可以看出，砂轮速度，砂轮进给速度对表面粗糙度的影响都很显著，工件转速对其影响不是很大。考虑到我的加工对象是大型锻焊件，所以也不考虑工件的转速等，所以实验的时候为了提高表面质量，降低表面粗糙度，需要做的就是提高砂轮转速，但是目前实验室里的机床的最高速度不是很高，不足以体现CBN砂轮的优势，所以要考虑去外面联系地方做，如果可以联系到的话，相信对结果会有很好的改善。

2.4 磨削液的影响

CBN砂轮磨削对磨削液有特殊的要求。油性磨削液在改善表面粗糙度及其

稳定性方面明显优于水性磨削液。

结论

经过研究及查阅文献，要想降低CBN砂轮磨削表面粗糙度，从而满足加工要求，提高加工质量，需要从以下几方面着手：

(1) 采用细粒度的CBN磨粒以增强CBN砂轮磨削中磨粒的微切削作用 。 (2) 磨粒凸出高度与磨削深度要合理匹配,在保证不产生磨削烧伤的条件下尽量 降低磨粒凸出高度 。

(3) 提高砂轮速度v,使加工表面有更多的磨粒参与切削,以改善加工表面的不平 度 。

(4) 尽可能采用矿物油作磨削液,高磨削过程中的润滑能力及避免CBN砂轮水解 损耗,以降低磨削表面粗糙度值。

因为磨削过程影响表面粗糙度因素很多，而且相互影响，不能很精确的计算出表面粗糙度，所以只能在工艺参数等方面进行改善，以期达到好的效果。