—高速、高效、高精度、低成本的磨削技術(shù)
CBN （Cubic Boron Nitride）是繼人造金剛石問世之后，于1957年，由美國GE公司首先合成出的又一種超硬材料。我國在1966年試制成功CBN，至今已有近四十年的歷史了。
CBN的硬度僅低于金剛石，但具有比金剛石優(yōu)越的耐熱性和對鐵族金屬材料的化學(xué)惰性。利用它這些優(yōu)異的性能作研磨材料所制成的CBN磨具，特別適合于各類鐵族金屬材料的磨加工。它和金剛石主要用于加工硬而脆的材料相互補(bǔ)充，使超硬材料的應(yīng)用范圍大大拓寬。和普通磨料的磨具相比，CBN磨具具有高速、高效、高加工質(zhì)量、長壽命、低成本的特點(diǎn)，可作為高速數(shù)控磨床高效、高精度磨削的首選工具。在汽車、機(jī)床、工具、軸承等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
1、CBN的性質(zhì)
在把CBN作研磨材料使用時(shí)，我們主要研究它的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性等性質(zhì)。
◆ CBN 的硬度遠(yuǎn)高于其它普通磨料。高的硬度意味著切削能力更強(qiáng)、更鋒利；
◆ CBN 有高的耐磨性，意味著它比普通磨料更難磨損。保持磨粒形狀的能力是CBN作為高性能磨料的主要特性之一；
◆ CBN 的抗壓強(qiáng)度很高，這意味著在惡劣的條件下使用時(shí)它能保持顆粒完整而不易破碎；
◆ CBN 有很好的導(dǎo)熱性，在磨削時(shí)可實(shí)現(xiàn)冷切削。
由于CBN和金剛石某些性質(zhì)的不同，它們加工材料的范圍也不同。CBN適合加工的材料為工具鋼、軸承鋼、合金鋼、超級合金、鑄鐵。金剛石適合加工的材料為硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、鑄鐵。
2、CBN磨削系統(tǒng)
CBN磨具是用不同類型的結(jié)合劑將CBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具。它只有通過合理的磨削工藝，依靠磨床的優(yōu)越性能，才能最大限度地發(fā)揮它的作用。在研究和應(yīng)用CBN磨削技術(shù)時(shí)，必須把CBN磨具、磨床、工件、修整、冷卻、磨削工藝等因素納入一個(gè)系統(tǒng)里來進(jìn)行優(yōu)化，才能獲得最佳的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。
CBN磨削技術(shù)中要考慮的幾個(gè)重要因素如下。
2.1 CBN磨具
在制造和選擇磨具時(shí)主要考慮其形狀、尺寸、CBN磨料粒度、濃度、結(jié)合劑類型和使用速度等參數(shù)。
◆ CBN磨具的形狀、尺寸和標(biāo)記按GB/T6409.2-1996和GB/T6409.1-1994的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；
◆ 在CBN磨具的四種結(jié)合劑（樹脂、金屬、陶瓷、電鍍）中(表1)，以陶瓷結(jié)合劑發(fā)展最快。這是由于陶瓷CBN磨具磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。
表1 結(jié)合劑類型
| 磨削性能
| 磨具的結(jié)合劑類型
|
| 樹脂(B)
| 金屬(M)
| 陶瓷(V)
| 電鍍(E)
|
| 砂輪壽命
| 中
| 高
| 高
| 低
|
| 金屬磨除率
| 高/中
| 中
| 高/中
| 高
|
| 形狀保持性
| 中
| 高
| 高
| 高
|
| 功率需求
| 中
| 中/高
| 中
| 低/中
|
| 修整難易
| 中
| 很難
| 易
| 一般不修
|
| 表面粗糙度
| 好
| 好/中
| 最好
| 變化
|
| 推薦應(yīng)用
| 工具、刀具磨
削平面磨、外
圓磨、滾刀磨、
拋光、緩進(jìn)給
磨、雙端面磨
| 成形磨削、內(nèi)
圓磨削、珩磨
| 成形磨削、內(nèi)
外圓磨削、凸
輪磨、曲軸磨、
緩進(jìn)給磨、拋
光、超精磨
| 樣板磨、成形
磨、柱面的內(nèi)
外圓磨、緩進(jìn)
給磨、齒輪或
花鍵磨 |
◆ 磨粉濃度 根據(jù)規(guī)定，磨料在磨具中濃度為100%時(shí)，每cm3含4.4克拉(0.38g)的磨料，此值相當(dāng)于體積25%。
砂輪濃度的高低表示了在磨削時(shí)砂輪工作面上參與磨削的磨粒數(shù)的多少。高濃度可帶來高的磨削比和低的工件表面粗糙度。如200%濃度比100%濃度砂輪壽命延長4-5倍。
濃度代號現(xiàn)定見表2。
濃度代號規(guī)定
| 代號
| 磨料含量(克拉/cm3)
| 濃度
|
| 25
| 1.1
| 25%
|
| 50
| 2.2
| 50%
|
| 75
| 3.3
| 75%
|
| 100
| 4.4
| 100%
|
| 150
| 6.6
| 150%
|
| 200
| 8.8
| 200% |
◆ 磨具的硬度等級表示了結(jié)合劑對磨料把持力的大小。砂輪硬度的均勻和穩(wěn)定及硬度高低的合理選擇是保證磨削質(zhì)量的重要前提.
2.2磨床
磨床是磨削體系的中心，磨床的性能對磨削效果有最重要的影響，對CBN磨削來說尤其如此。
◆ 提高砂輪工作線速度，可明顯提高磨削效率、磨削比和工件表面質(zhì)量。80~125m/s的使用速度已成為目前國內(nèi)進(jìn)口的CBN專用凸輪軸磨床基本特征之一。盡可能使用高的速度是提高CBN磨削的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的重要前提。
◆ 高速磨削和CBN砂輪磨削的特點(diǎn)，要求機(jī)床主軸和整體要具有高的剛性和良好的抗振性，這是CBN高速磨削技術(shù)中對磨床的基本要求。不具備這樣的條件，在使用CBN砂輪時(shí)，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會(huì)變差。波紋是常見的表面質(zhì)量缺陷，它是由振動(dòng)產(chǎn)生的�？梢鹫駝�(dòng)的原因是機(jī)床剛性低、抗振性差或砂輪參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成磨削力過大。
2-3修整
使用金剛石滾輪修整，不僅可提高修整效率，更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。修整裝置的進(jìn)精度要高，每次進(jìn)給量應(yīng)能達(dá)到微米級。過量的修整既影響磨削質(zhì)量又會(huì)大大減少砂輪使用壽命。
2-4冷卻
正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數(shù)，往往會(huì)收到事半功倍的效果。
2-5磨削工藝參數(shù)優(yōu)化
充分優(yōu)化磨削工藝參數(shù)可使磨削效率、磨削質(zhì)量和磨削成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在更高的水平上達(dá)到平衡。
3、CBN磨具的應(yīng)用
3-1國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展概況
隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，高速、高效、高精度磨削已成為當(dāng)今磨加工技術(shù)發(fā)展的主流。CBN磨削作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)在此大顯身手。CBN磨具制造和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
①應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已從工具行業(yè)對難磨金屬材料的加工，推廣到軸承、汽車、機(jī)床、壓縮機(jī)等行業(yè)中普通黑色金屬材料的加工，磨削方式也從一般的工具磨、內(nèi)圓磨，發(fā)展到緩進(jìn)給磨削、高精度磨削、高速度磨、凸輪磨、曲軸磨、大有取代剛玉磨具之勢。
②高速度、高效率、高質(zhì)量、低成本是其主要特點(diǎn)。使用速度普遍達(dá)到80~125m/s；大余量粗精磨一次完成；由于被磨削工件表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)可使工件使用壽命提高20~30%；綜合磨削成本可降低10%以上。
③國內(nèi)進(jìn)口成套CBN磨削技術(shù)呈快速增長之勢。
④國產(chǎn)CBN磨具的制造和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入高水平和快速發(fā)展的新階段，并已進(jìn)入汽車制造業(yè)這個(gè)主流市場。部分CBN磨具性能接近國外同類產(chǎn)品水平，可替代進(jìn)口。
⑤國產(chǎn)高速數(shù)控CBN專用磨床已研發(fā)成功。
3.2 CBN磨具應(yīng)用實(shí)例
◆ 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸磨削
實(shí)例1：精磨汽車凸輪軸
砂輪：1A1180mm V 125m/s 鄭州鄭州晶品新磨具磨料（400-000-7611） ；
機(jī)床：德國肖特CF41 CBN；
工件: 鑄鐵,8個(gè)凸輪,余量D1.0mm,Rmax3.2；
修整：金剛石滾輪，D180mm，修整間隔200件（800個(gè)凸輪），修整量直徑上5μm×3＋3μm2/次；
冷卻：合成液，壓力23bar；
效果：達(dá)到進(jìn)口砂輪水平，
綜合成本降低30%以上。
實(shí)例2：精磨摩托車凸輪軸
砂輪：1A1350mm V 80m/s 鄭州鄭州晶品新磨具磨料（400-000-7611） ；
機(jī)床：日本豐田工機(jī)凸輪磨床；
工件：45#鋼，2個(gè)凸輪，HRc60，余量0.2~0.3mm,Rz3.2,磨削效率30S/根；
修整：金剛石滾輪，修整間隔240根，修整量0.002mm/次；
效果：壽命可達(dá)進(jìn)口砂輪的80~90%，成本降低30%以上
實(shí)例3：粗磨汽車凸輪軸
砂輪：1A1660mm V 60m/s 鄭州鄭州晶品新磨具磨料（400-000-7611） ；
機(jī)床：國產(chǎn)MKS8312凸輪磨床；
工件：合金冷激鑄鐵，13個(gè)凸輪，HRc45,余量φ4mm，Ra2.5, 磨削效率12分鐘/根；
修整：金剛石杯形滾輪，修整間隔8~10根/次，修整量φ0.01x2；
冷卻：高效磨削液，壓力4kg，流量120L/min；
砂輪更換周期：5000根/片；
效果：替代白剛玉砂輪，耐用度提高100倍，壽命提高50倍，生產(chǎn)效率提高10%，直接工具成本降低10%。
◆ 汽車軸承內(nèi)徑磨削實(shí)例
砂輪：1A8 10×15×3.5V 鄭州鄭州晶品新磨具磨料（400-000-7611）
機(jī)床：國產(chǎn)MZ204全自動(dòng)內(nèi)圓磨床24000rpm；
工件：6201/02，GCr15,HRc61~65,余量0.3~0.35mm,Ra0.8,磨削效率25S/件，進(jìn)給量0.24mm/min（粗）和0.17mm/min（精）；
修整：金剛石筆，手動(dòng)，修整間隔200件，修整量0.02mm；
冷卻：乳化液，集中供給；
砂輪壽命：2500件（剛玉砂輪30件/片）；
效果：與白剛玉砂輪相比，耐用度提高200倍，單件生產(chǎn)效率提高40%左右，砂輪成本消耗降低14%。
◆ 磨冰箱（空調(diào)）壓縮機(jī)芯組件內(nèi)徑實(shí)例
砂輪：1A812 ×30×6，1A1 25×20×13×3 V50m/s 鄭州鄭州晶品新磨具磨料（400-000-7611）
機(jī)床：德國Overbeck公司400J-ELC-VA內(nèi)圓磨床，最高轉(zhuǎn)速60000rpm；
工件：機(jī)座，缸體（蓋），HT20~40，F(xiàn)T20，HB170~223，HB70~90，加工余量0.2mm,Ra0.2~0.25,加工節(jié)拍：90~120件/h.
修整：金剛石滾輪，修整間隔200~300件，修整量0.002mm/次；
冷卻：含極壓添加劑的冷卻油；
砂輪壽命：20000~2500件/個(gè)。
另外還有用于螺紋磨，高速鋼刀具齒形和內(nèi)徑磨削，壓縮機(jī)芯組件雙端面磨，珩磨摩托車氣缸和連桿，鈦合金磨削，汽車插桿內(nèi)徑磨削，汽車轉(zhuǎn)向器內(nèi)徑磨削等應(yīng)用實(shí)例。在此就不一一列舉。(
