高性能磨削使用的CBN砂輪

1 前言
    在高性能磨削或高效深磨中，由于采用極高的砂輪線速度(100m/s～250m/s左右)進(jìn)行深磨(切深5mm～20mm)，工件進(jìn)給速度也相當(dāng)高，因而無論對機床和砂輪都提出了很高的要求。對于砂輪來說，必須具有很高的抗破碎強度、很好的形狀精度保持性以及盡可能高的耐用度，以減少轉(zhuǎn)動時離心力的影響和縮短更換砂輪所需的時間。傳統(tǒng)的陶瓷和樹脂結(jié)合劑砂輪已不能滿足高性能磨削的需要，必須采用新型的砂輪以適應(yīng)高速和大切深。目前內(nèi)外在金屬材料的高性能磨削中主要采用單層電鍍CBN砂輪，另外為了解決單層電鍍砂輪容屑空間比較小的問題，還開發(fā)出了一種金屬單層CBN砂輪。以下簡要討論一下高性能磨削砂輪的基本特征和兩種不同結(jié)合劑形式砂輪的性能特點。 
2 高性能磨削砂輪的基本特征
    高性能磨削的效果與砂輪的合理設(shè)計和使用密切相關(guān)，而用于高性能磨削的砂輪與普通砂輪有很大區(qū)別。  在正確的使用條件下，高性能磨削時砂輪的磨損非常小，即使在高效深磨的條件下，磨削比也可達(dá)到20000甚至更高，而且種現(xiàn)象隨砂輪速度的提高表現(xiàn)得愈加明顯，而速度的提高對砂輪強度提出了極高要求。高強度和半永久性高性能磨削砂輪兩個基本特征。高性能砂輪設(shè)計應(yīng)遵循三個原則：(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。高性能砂輪的安全性很大程度上依賴于基體強度，對磨料層強度、基體與磨料層結(jié)合強度也有很高要求。由于磨料層厚度相對很小，砂輪的安全設(shè)計主要是基體綜合設(shè)計，這也是與普通砂輪設(shè)計的重要區(qū)別。根據(jù)有關(guān)原則(最大切向應(yīng)力、疲勞強度、砂輪全塑性變形)可以確定砂輪的臨界失效轉(zhuǎn)速。另外還要考慮砂輪直徑與主軸轉(zhuǎn)速的合理匹配，對基體截型應(yīng)考慮多種因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。  高性能磨削中極高的砂輪線速度和很高的工件進(jìn)給速度相結(jié)合，有可能導(dǎo)致磨削系統(tǒng)振動，因而要求砂輪應(yīng)具有一定的阻尼減振特性，一般可通過在砂輪和主軸之間加入阻尼墊或采用阻尼特性好的高分子或復(fù)合材料制作砂輪盤。由于砂輪切除率很大，故砂輪盤應(yīng)具有足夠的剛性以承受較大的法向和切向磨削力，另外砂輪盤還應(yīng)具有較好的導(dǎo)熱性。鋼和鋁基砂輪盤具有高強度和很好的導(dǎo)熱性，但阻尼特性較差。在實際的系統(tǒng)中，鋼和鋁基砂輪盤較為常見，其它復(fù)合材料制作的砂輪盤也有報道。 
3 單層電鍍和金屬單層CBN砂輪的特點
    單層電鍍CBN或金剛石磨料砂輪一般多用于難磨材料的成型磨削，在近年來發(fā)展起來的高性能磨削或高效磨削中也得到了廣泛的應(yīng)用。而金屬單層CBN砂輪則是為適應(yīng)高性能磨削的需要，在最近才發(fā)展起來的新型砂輪。這兩類砂輪的共同特點是砂輪形狀精度保持性好，基體一般采用鋼或鋁合金制作，因而強度很高，適于砂輪線速度極高的場合。  單層電鍍砂輪是將一層磨料通過電鍍或電沉積獲得的鎳基結(jié)合劑層固定在鋼制基體上，砂輪的形狀保持性好，成本低，作為半永久性砂輪是自動化磨削的最佳選擇。但電鍍砂輪的制造周期較，效率較低，對電鍍工藝規(guī)范要求嚴(yán)格。電鍍砂輪制造工藝分外鍍法和內(nèi)鍍法。內(nèi)鍍法砂輪切刃等高性好、型面精度高、有效磨粒數(shù)多，因而磨削效率高，特別適用于大切深高性能磨削。但其制造工藝復(fù)雜、成本高、制造效率特別低，因而一般傾向于采用外鍍法制造電鍍砂輪。外鍍法制造工藝簡單、成本低，但外露切刃差不齊，初始有效磨粒數(shù)僅為5%～10%；磨削效率低，初始型面精度不易提高，而且砂輪耐用度低，磨料損失嚴(yán)重。改進(jìn)外鍍砂輪制造工藝，提高砂輪制造精度和改善磨粒等高性，是目前電鍍砂輪制造中主要研究的問題。  電鍍砂輪在使用是，一般不必像樹脂或陶瓷結(jié)合基砂輪那樣進(jìn)行修整，可直接投入使用。另外，由于單層電鍍CBN砂輪的基結(jié)合基與磨粒和基體之間沒有化學(xué)結(jié)合做用，單個磨砂大部分體積(60%)被電鍍基合基包裹，因而磨粒間的容屑空間受到限制，影響了磨除率的竟一步提高。  金屬單層CBN砂論則是同過一種熔焊工藝將一層磨料固定在鋼制基體上，結(jié)合劑與基體和磨料之間主要靠化學(xué)結(jié)合力結(jié)合在一起，在某些方面比單層電鍍砂輪顯示出優(yōu)越性。金屬單層砂輪結(jié)合劑是活性很高的金屬合金，因而磨粒被包裹體積較小，磨粒尺寸的80%露出結(jié)合劑界面，而不會發(fā)生脫落。由于其相應(yīng)的容屑空間較大，可獲得較高的磨除率，磨削力相對而言也比較小。下圖為兩種砂輪磨粒結(jié)合形式對比。 
兩種砂輪磨砂結(jié)合形式簡圖 
    單層電鍍砂輪的主要優(yōu)點如前所述是磨削前不需修整，安裝后可直接投入使用；其主要的缺點是當(dāng)磨粒在使用中逐漸鈍化后，磨削力逐漸增大，進(jìn)一步加劇磨粒磨損，有可能造成工件表面熱損傷。另外，由于安裝后不進(jìn)行修整，因而砂輪在機床上安裝要求很高，無論軸向和徑向都要保證很高的安裝精度，對于高性能磨削，這尤其重要，因為可能的安裝誤差(以及砂輪本身制造誤差)會影響加工精度，并有可能造成轉(zhuǎn)動力的不平衡使磨削力波動，引起振動，使磨削條件惡化。磨粒是布敷在砂輪基體上的，砂輪的形狀精度因而受到基體(鋼芯)精度和電鍍植砂工藝的限制。用較細(xì)粒度的磨粒相對來說可獲得較高的形狀精度，但由于砂輪單位面積的磨粒數(shù)增多，磨粒間容屑空間減小，磨削力增大。因而，要獲得高的磨除率，一般應(yīng)采用粒度較大的磨粒。  對于MSL砂輪，在安裝后可通過常規(guī)的金剛石滾輪微量修整改善砂輪的形狀精度，因而其安裝精度要求相對來說就可以低一些。而且由于其容屑空間相對較大，磨削液也易于進(jìn)入磨削區(qū)，為進(jìn)一步提高高效深磨的磨除率提供了條件。對單層電鍍CBN砂輪，國外也嘗試過用專門設(shè)計的裝置對砂輪表面進(jìn)行余量極小的微量修整，即所謂剃修，目的僅在于改善砂輪表面的平整性，獲得較低的表面粗糙度。但這往往會造成磨削力增大，工件有可能發(fā)生燒傷。  
4 兩種砂輪的磨削性能
    單層電鍍CBN砂輪在普通磨速下磨削時，當(dāng)砂輪磨粒磨損鈍化后，磨削功率將顯著上升。相應(yīng)地，磨削效率、加工精度及加工表面完整性都要受到影響；但在高性能磨削中，由于砂輪線速度極高(150m/s左右)，在磨除率不變的情況下，高的砂輪線速度使單位時間投入磨削的磨粒顯著增加，單顆磨粒未變形切屑厚度減薄，磨削力降低，磨粒承受的沖擊和磨損減小。有關(guān)的試驗研究已經(jīng)證實，即使在深磨以及較高的進(jìn)給速度下，如果砂輪線速度足夠高，則砂輪壽命可獲極大的提高，而且工件不會出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)資料，高效深磨中單層電鍍CBN砂輪的磨削比G值可達(dá)到20000或更高，這在傳統(tǒng)磨削中是難以想象的。  對于這兩類不同類型砂輪的磨削性能，有一些初步的試驗比較。對于同樣粒度(B252)的砂輪，在相同磨除率條件下，單層電鍍砂輪的法向磨削力要比金屬單層砂輪高85%,同時切向力和總的磨削功率也比較高。  至于砂輪耐用度，有些文獻(xiàn)估計金屬單層砂輪要比單層電鍍砂輪高，因為金屬單層砂輪容屑空間較大，在相同磨除率下，磨粒承受的磨削力相對減小，磨損量也要相應(yīng)減少。這還需要進(jìn)一步磨削試驗來證實。在磨削一些難磨合金時，單層電鍍砂輪的磨削比G值要比金屬單層砂輪高一些，可能與結(jié)合劑和工件材料、磨削液之間的化學(xué)作用有關(guān)。具體機理尚不是很清楚，還需進(jìn)一步的研究。 實際上，對于高效磨削來說，砂輪耐用度已不是一個主要的問題。單就單層電鍍CBN砂輪來說，其可達(dá)到非常高的磨削比，而且砂輪基體一般是可以重復(fù)使用的，從經(jīng)濟(jì)性來說是完全可行的。就目前來看，還是以采用單層電鍍砂輪為主，而且其制作工藝也在不斷得到完善。金屬單層砂輪作為一種新概念，工藝及使用各方面尚不成熟，還需要時間的考驗。