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磨具磨料 |
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用于高性能磨削的CBN砂轮 |
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作者：东北大学 郭成 金滩 蔡光起 |
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1 前言
在高性能磨削或高效深磨中，由于采用极高的砂轮线速度(100m/s～250m/s左右)进行深磨(切深5mm～20mm)，工件进给速度也相当高，因而无论对机床和砂轮都提出了很高的要求。对于砂轮来说，必须具有很高的抗破碎强度、很好的形状精度保持性以及尽可能高的耐用度，以减少转动时离心力的影响和缩短更换砂轮所需的时间。传统的陶瓷和树脂结合剂砂轮已不能满足高性能磨削的需要，必须采用新型的砂轮以适应高速和大切深。目前国内外在金属材料的高性能磨削中主要采用单层电镀CBN砂轮，另外为了解决单层电镀砂轮容屑空间比较小的问题，还开发出了一种金属单层CBN砂轮。以下简要讨论一下高性能磨削砂轮的基本特征和两种不同结合剂形式砂轮的性能特点。
2 高性能磨削砂轮的基特征本
高性能磨削的效果与砂轮的合理设计和使用密切相关，而用于高性能磨削的砂轮与普通砂轮有很大区别。
在正确的使用条件下，高性能磨削时砂轮的磨损非常小，即使在高效深磨的条件下，磨削比也可达到20000甚至更高，而且这种现象随砂轮速度的提高表现得愈加明显，而速度的提高对砂轮强度提出了极高要求。高强度和半永久性是高性能磨削砂轮两个基本特征。高性能砂轮设计应遵循三个原则：(1)安全性好；(2)加工精度高；(3)良好的磨削性能。其中安全性是最主要的。高性能砂轮的安全性很大程度上依赖于基体强度，对磨料层强度、基体与磨料层结合强度也有很高要求。由于磨料层厚度相对很小，砂轮的安全设计主要是基体综合设计，这也是与普通砂轮设计的重要区别。根据有关原则(最大切向应力、疲劳强度、砂轮全塑性变形)可以确定砂轮的临界失效转速。另外还要考虑砂轮直径与主轴转速的合理匹配，对基体截型应考虑多种因素进行优化设计。
高性能磨削中极高的砂轮线速度和很高的工件进给速度相结合，有可能导致磨削系统振动，因而要求砂轮应具有一定的阻尼减振特性，一般可通过在砂轮和主轴之间加入阻尼垫或采用阻尼特性好的高分子或复合材料制作砂轮盘。由于砂轮切除率很大，故砂轮盘应具有足够的刚性以承受较大的法向和切向磨削力，另外砂轮盘还应具有较好的导热性。钢和铝基砂轮盘具有高强度和很好的导热性，但阻尼特性较差。在实际的系统中，钢和铝基砂轮盘较为常见，其它复合材料制作的砂轮盘也有报道。
3 单层电镀和金属单层CBN砂轮的特点
单层电镀CBN或金刚石磨料砂轮一般多用于难磨材料的成型磨削，在近年来发展起来的高性能磨削或高效磨削中也得到了广泛的应用。而金属单层CBN砂轮则是为适应高性能磨削的需要，在最近才发展起来的新型砂轮。这两类砂轮的共同特点是砂轮形状精度保持性好，基体一般采用钢或铝合金制作，因而强度很高，适于砂轮线速度极高的场合。
单层电镀砂轮是将一层磨料通过电镀或电沉积获得的镍基结合剂层固定在钢制基体上，砂轮的形状保持性好，成本低，作为半永久性砂轮是自动化磨削的最佳选择。但电镀砂轮的制造周期较长，效率较低，对电镀工艺规范要求严格。电镀砂轮制造工艺分外镀法和内镀法。内镀法砂轮切刃等高性好、型面精度高、有效磨粒数多，因而磨削效率高，特别适用于大切深高性能磨削。但其制造工艺复杂、成本高、制造效率特别低，因而一般倾向于采用外镀法制造电镀砂轮。外镀法制造工艺简单、成本低，但外露切刃参差不齐，初始有效磨粒数仅为5%～10%；磨削效率低，初始型面精度不易提高，而且砂轮耐用度低，磨料损失严重。改进外镀砂轮制造工艺，提高砂轮制造精度和改善磨粒等高性，是目前电镀砂轮制造中主要研究的问题。
电镀砂轮在使用是，一般不必像树脂或陶瓷结合基砂轮那样进行修整，可直接投入使用。另外，由于单层电镀CBN砂轮的基结合基与磨粒和基体之间没有化学结合做用，单个磨砂大部分体积(60%)被电镀基合基包裹，因而磨粒间的容屑空间受到限制，影响了磨除率的竟一步提高。
金属单层CBN砂论则是同过一种熔焊工艺将一层磨料固定在钢制基体上，结合剂与基体和磨料之间主要靠化学结合力结合在一起，在某些方面比单层电镀砂轮显示出优越性。金属单层砂轮结合剂是活性很高的金属合金，因而磨粒被包裹体积较小，磨粒尺寸的80%露出结合剂界面，而不会发生脱落。由于其相应的容屑空间较大，可获得较高的磨除率，磨削力相对而言也比较小。下图为两种砂轮磨粒结合形式对比。
两种砂轮磨砂结合形式简图
单层电镀砂轮的主要优点如前所述是磨削前不需修整，安装后可直接投入使用；其主要的缺点是当磨粒在使用中逐渐钝化后，磨削力逐渐增大，进一步加剧磨粒磨损，有可能造成工件表面热损伤。另外，由于安装后不进行修整，因而砂轮在机床上安装要求很高，无论轴向和径向都要保证很高的安装精度，对于高性能磨削，这尤其重要，因为可能的安装误差(以及砂轮本身制造误差)会影响加工精度，并有可能造成转动力的不平衡使磨削力波动，引起振动，使磨削条件恶化。磨粒是布敷在砂轮基体上的，砂轮的形状精度因而受到基体(钢芯)精度和电镀植砂工艺的限制。用较细粒度的磨粒相对来说可获得较高的形状精度，但由于砂轮单位面积的磨粒数增多，磨粒间容屑空间减小，磨削力增大。因而，要获得高的磨除率，一般应采用粒度较大的磨粒。
对于MSL砂轮，在安装后可通过常规的金刚石滚轮微量修整改善砂轮的形状精度，因而其安装精度要求相对来说就可以低一些。而且由于其容屑空间相对较大，磨削液也易于进入磨削区，为进一步提高高效深磨的磨除率提供了条件。对单层电镀CBN砂轮，国外也尝试过用专门设计的装置对砂轮表面进行余量极小的微量修整，即所谓剃修，目的仅在于改善砂轮表面的平整性，获得较低的表面粗糙度。但这往往会造成磨削力增大，工件有可能发生烧伤。
4 两种砂轮的磨削性能
单层电镀CBN砂轮在普通磨速下磨削时，当砂轮磨粒磨损钝化后，磨削功率将显著上升。相应地，磨削效率、加工精度及加工表面完整性都要受到影响；但在高性能磨削中，由于砂轮线速度极高(150m/s左右)，在磨除率不变的情况下，高的砂轮线速度使单位时间投入磨削的磨粒显著增加，单颗磨粒未变形切屑厚度减薄，磨削力降低，磨粒承受的冲击和磨损减小。有关的试验研究已经证实，即使在深磨以及较高的进给速度下，如果砂轮线速度足够高，则砂轮寿命可获极大的提高，而且工件不会出现烧伤现象。根据有关资料，高效深磨中单层电镀CBN砂轮的磨削比G值可达到20000或更高，这在传统磨削中是难以想象的。
对于这两类不同类型砂轮的磨削性能，有一些初步的试验比较。对于同样粒度(B252)的砂轮，在相同磨除率条件下，单层电镀砂轮的法向磨削力要比金属单层砂轮高85%,同时切向力和总的磨削功率也比较高。
至于砂轮耐用度，有些文献估计金属单层砂轮要比单层电镀砂轮高，因为金属单层砂轮容屑空间较大，在相同磨除率下，磨粒承受的磨削力相对减小，磨损量也要相应减少。这还需要进一步磨削试验来证实。在磨削一些难磨合金时，单层电镀砂轮的磨削比G值要比金属单层砂轮高一些，可能与结合剂和工件材料、磨削液之间的化学作用有关。具体机理尚不是很清楚，还需进一步的研究。
实际上，对于高效磨削来说，砂轮耐用度已不是一个主要的问题。单就单层电镀CBN砂轮来说，其可达到非常高的磨削比，而且砂轮基体一般是可以重复使用的，从经济性来说是完全可行的。就目前来看，还是以采用单层电镀砂轮为主，而且其制作工艺也在不断得到完善。金属单层砂轮作为一种新概念，工艺及使用各方面尚不成熟，还需要时间的考验。 (end)
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(11/14/2006) |
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