立方氮化硼（CBN）磨具的应用技术 - 文章

立方氮化硼（CBN）磨具的应用技术

作者：郑州磨料磨具磨削研究所刘一来

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—高速、高效、高精度、低成本的磨削技术

CBN （Cubic Boron Nitride）是继人造金刚石问世之后，于1957年，由美国GE公司首先合成出的又一种超硬材料。我国在1966年试制成功CBN，至今已有近四十年的历史了。

CBN的硬度仅低于金刚石，但具有比金刚石优越的耐热性和对铁族金属材料的化学惰性。利用它这些优异的性能作研磨材料所制成的CBN磨具，特别适合于各类铁族金属材料的磨加工。它和金刚石主要用于加工硬而脆的材料相互补充，使超硬材料的应用范围大大拓宽。和普通磨料的磨具相比，CBN磨具具有高速、高效、高加工质量、长寿命、低成本的特点，可作为高速数控磨床高效、高精度磨削的首选工具。在汽车、机床、工具、轴承等工业领域有着广泛的应用。

1、CBN的性质

在把CBN作研磨材料使用时，我们主要研究它的硬度、耐磨性、强度和导热性等性质。

◆ CBN 的硬度远高于其它普通磨料。高的硬度意味着切削能力更强、更锋利；
◆ CBN 有高的耐磨性，意味着它比普通磨料更难磨损。保持磨粒形状的能力是CBN作为高性能磨料的主要特性之一；
◆ CBN 的抗压强度很高，这意味着在恶劣的条件下使用时它能保持颗粒完整而不易破碎；
◆ CBN 有很好的导热性，在磨削时可实现冷切削。
由于CBN和金刚石某些性质的不同，它们加工材料的范围也不同。CBN适合加工的材料为工具钢、轴承钢、合金钢、超级合金、铸铁。金刚石适合加工的材料为硬质合金、玻璃、陶瓷、金属陶瓷、铸铁。

2、CBN磨削系统

CBN磨具是用不同类型的结合剂将CBN磨料粘接在一起并制成一定形状的一种工具。它只有通过合理的磨削工艺，依靠磨床的优越性能，才能最大限度地发挥它的作用。在研究和应用CBN磨削技术时，必须把CBN磨具、磨床、工件、修整、冷却、磨削工艺等因素纳入一个系统里来进行优化，才能获得最佳的技术和经济效果。

CBN磨削技术中要考虑的几个重要因素如下。

2.1 CBN磨具

在制造和选择磨具时主要考虑其形状、尺寸、CBN磨料粒度、浓度、结合剂类型和使用速度等参数。

◆ CBN磨具的形状、尺寸和标记按GB/T6409.2-1996和GB/T6409.1-1994的标准规定；
◆ 在CBN磨具的四种结合剂（树脂、金属、陶瓷、电镀）中(表1)，以陶瓷结合剂发展最快。这是由于陶瓷CBN磨具磨削效率高，形状保持性好，耐用度高，易于修整，砂轮使用寿命长，因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。

表1 结合剂类型

磨削性能	磨具的结合剂类型
磨削性能	树脂(B)	金属(M)	陶瓷(V)	电镀(E)
砂轮寿命	中	高	高	低
金属磨除率	高/中	中	高/中	高
形状保持性	中	高	高	高
功率需求	中	中/高	中	低/中
修整难易	中	很难	易	一般不修
表面粗糙度	好	好/中	最好	变化
推荐应用	工具、刀具磨削平面磨、外圆磨、滚刀磨、抛光、缓进给磨、双端面磨	成形磨削、内圆磨削、珩磨	成形磨削、内外圆磨削、凸轮磨、曲轴磨、缓进给磨、抛光、超精磨	样板磨、成形磨、柱面的内外圆磨、缓进给磨、齿轮或花键磨

◆ 磨粉浓度根据规定，磨料在磨具中浓度为100%时，每cm3含4.4克拉(0.38g)的磨料，此值相当于体积25%。

砂轮浓度的高低表示了在磨削时砂轮工作面上参与磨削的磨粒数的多少。高浓度可带来高的磨削比和低的工件表面粗糙度。如200%浓度比100%浓度砂轮寿命延长4-5倍。浓度代号现定见表2。

浓度代号规定

代号	磨料含量(克拉/cm³)	浓度
25	1.1	25%
50	2.2	50%
75	3.3	75%
100	4.4	100%
150	6.6	150%
200	8.8	200%

◆ 磨具的硬度等级表示了结合剂对磨料把持力的大小。砂轮硬度的均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。

2.2磨床

磨床是磨削体系的中心，磨床的性能对磨削效果有最重要的影响，对CBN磨削来说尤其如此。

◆ 提高砂轮工作线速度，可明显提高磨削效率、磨削比和工件表面质量。80~125m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。尽可能使用高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。
◆ 高速磨削和CBN砂轮磨削的特点，要求机床主轴和整体要具有高的刚性和良好的抗振性，这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。不具备这样的条件，在使用CBN砂轮时，要想获得更高的金属去除量，工件的几何精度和表面质量就会变差。波纹是常见的表面质量缺陷，它是由振动产生的。可引起振动的原因是机床刚性低、抗振性差或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大。

2-3修整

使用金刚石滚轮修整，不仅可提高修整效率，更重要的是可获得较好的砂轮形貌。修整装置的进精度要高，每次进给量应能达到微米级。过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。

2-4冷却

正确选择冷却液种类和冷却工艺参数，往往会收到事半功倍的效果。

2-5磨削工艺参数优化

充分优化磨削工艺参数可使磨削效率、磨削质量和磨削成本等技术经济指标在更高的水平上达到平衡。

3、CBN磨具的应用

3-1国内外技术发展概况

随着工业技术的进步，高速、高效、高精度磨削已成为当今磨加工技术发展的主流。CBN磨削作为一种先进的加工技术在此大显身手。CBN磨具制造和应用技术发展有以下几个特点：

①应用领域不断扩大，已从工具行业对难磨金属材料的加工，推广到轴承、汽车、机床、压缩机等行业中普通黑色金属材料的加工，磨削方式也从一般的工具磨、内圆磨，发展到缓进给磨削、高精度磨削、高速度磨、凸轮磨、曲轴磨、大有取代刚玉磨具之势。

②高速度、高效率、高质量、低成本是其主要特点。使用速度普遍达到80~125m/s；大余量粗精磨一次完成；由于被磨削工件表面呈压应力状态可使工件使用寿命提高20~30%；综合磨削成本可降低10%以上。
③国内进口成套CBN磨削技术呈快速增长之势。
④国产CBN磨具的制造和应用技术进入高水平和快速发展的新阶段，并已进入汽车制造业这个主流市场。部分CBN磨具性能接近国外同类产品水平，可替代进口。
⑤国产高速数控CBN专用磨床已研发成功。

3.2 CBN磨具应用实例

◆ 发动机凸轮轴磨削

实例1：精磨汽车凸轮轴

砂轮：1A1180mm V 125m/s 郑州磨料磨具磨削研究所；
机床：德国肖特CF41 CBN；
工件: 铸铁,8个凸轮,余量D1.0mm,Rmax3.2；
修整：金刚石滚轮，D180mm，修整间隔200件（800个凸轮），修整量直径上5μm×3＋3μm2/次；
冷却：合成液，压力23bar；
效果：达到进口砂轮水平，
综合成本降低30%以上。

实例2：精磨摩托车凸轮轴

砂轮：1A1350mm V 80m/s郑州磨料磨具磨削研究所；
机床：日本丰田工机凸轮磨床；
工件：45#钢，2个凸轮，HRc60，余量0.2~0.3mm,Rz3.2,磨削效率30S/根；
修整：金刚石滚轮，修整间隔240根，修整量0.002mm/次；
效果：寿命可达进口砂轮的80~90%，成本降低30%以上。

实例3：粗磨汽车凸轮轴

砂轮：1A1660mm V 60m/s郑州磨料磨具磨削研究所；
机床：国产MKS8312凸轮磨床；
工件：合金冷激铸铁，13个凸轮，HRc45,余量φ4mm，Ra2.5, 磨削效率12分钟/根；
修整：金刚石杯形滚轮，修整间隔8~10根/次，修整量φ0.01x2；
冷却：高效磨削液，压力4kg，流量120L/min；
砂轮更换周期：5000根/片；
效果：替代白刚玉砂轮，耐用度提高100倍，寿命提高50倍，生产效率提高10%，直接工具成本降低10%。

◆ 汽车轴承内径磨削实例

砂轮：1A8 10×15×3.5V郑州磨料磨具磨削研究所
机床：国产MZ204全自动内圆磨床24000rpm；
工件：6201/02，GCr15,HRc61~65,余量0.3~0.35mm,Ra0.8,磨削效率25S/件，进给量0.24mm/min（粗）和0.17mm/min（精）；
修整：金刚石笔，手动，修整间隔200件，修整量0.02mm；
冷却：乳化液，集中供给；
砂轮寿命：2500件（刚玉砂轮30件/片）；
效果：与白刚玉砂轮相比，耐用度提高200倍，单件生产效率提高40%左右，砂轮成本消耗降低14%。

◆ 磨冰箱（空调）压缩机芯组件内径实例

砂轮：1A812 ×30×6，1A1 25×20×13×3 V50m/s 郑州磨料磨具磨削研究所
机床：德国Overbeck公司400J-ELC-VA内圆磨床，最高转速60000rpm；
工件：机座，缸体（盖），HT20~40，FT20，HB170~223，HB70~90，加工余量0.2mm,Ra0.2~0.25,加工节拍：90~120件/h.
修整：金刚石滚轮，修整间隔200~300件，修整量0.002mm/次；
冷却：含极压添加剂的冷却油；
砂轮寿命：20000~2500件/个。

另外还有用于螺纹磨，高速钢刀具齿形和内径磨削，压缩机芯组件双端面磨，珩磨摩托车气缸和连杆，钛合金磨削，汽车插杆内径磨削，汽车转向器内径磨削等应用实例。在此就不一一列举。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/18/2006)


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