基于超高速磨削的CBN砂轮特性选择

Selection of CBN Wheels Characteristics Abased on Ultra high Speed Granding
Pang Zirui Li Jianzhuang Cai Guangqi
Abstract : According to the characteristics of ultra high speed grinding and CBN wheels structure, the kinds and characteristic and application range of CBN super abrasives in ultra high speed wheels, relationship of granularity and precision and roughness and efficiency, selection principle of CBN super abrasives in its rigidity and chroma and organic were discussed. Kinds and char acteristic of bonds and its application range were emphatically discussed. The significance of core of ultra high speed wheels and its design requirement and choice of stuff were emphatically stood out. Keywords: Ultra high speed grinding, CBN Wheels
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15 性的几类超高速砂轮基体材料。从表中可知 , CFRP 比模量和比强度最好, 且密度最小, 是超高速砂轮基 体最好的材料 , 日本用该材料制作的陶瓷 CBN 砂轮 在 200m/ s 的超高速下已经用于生产中, 但目前我国 用该材料制作基盘的技术还不成熟; 钢成本低, 但是 密度大 , 同等体积下重量最重, 对主轴负荷有负面的 影响; 金属铍虽然性能也不错, 但是, 该材料是一种 有毒的材料 , 除日本有这方面的报道 , 其他国家很少 使用; 铝合金和钛合金相比, 钛合金更好一些 , 因为 钛合金的热稳定性和抗疲劳性要比铝合金好。
对砂轮强度的要求 , 通常在综合考虑工件材质和加 工要求的基础上都选择硬度高的砂轮。
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CBN 砂轮浓度的选择
浓度是 CBN 砂轮的重要特性之一, 它对超高速 磨削效率和加工成本影响很大。CBN 砂轮的浓度不 能选得太低 , 否则磨削效率不高。高浓度可带来高 的磨削比 , 但是 , 浓度过高 , 很多磨粒会过早脱落、 造 成浪费。CBN 砂轮浓度的选择主要是根据其结合剂 的种类、 磨料的粒度。目前, 超高速高效磨削均采用 较高浓度 , 陶瓷结合 剂 CBN 砂轮 的浓度 一般选 择 125% 以上 , 如进口配套的陶瓷 CBN 砂轮 , 其浓度一 般均为 175% ~ 200% 。 但是 , CBN 砂轮浓度的选择也要考虑结合剂的 种类、 磨料的粒度和形状要求 , 以及加工工序的具体 情况和加工要求等因素。不同种类结合剂对磨粒的 结合力不同 , 因此对每一种结合剂都有它的最佳浓 度范围。例如: 树脂结合剂磨具的浓度范围为 75% ~ 100% ; 陶瓷结合剂磨具的浓度为 125% ~ 200% ; 金属结合剂磨具的浓度为 100% ~ 150% 。总之 , 结 合剂对磨粒的结合强度越高, 最佳浓度范围越高。
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引言
轮修整的需要。
超高速 磨 削 加工 是 基 于 德 国切 削 物 理 学 家 Carl. J. Salomon 博士于 1931 年首先提出的一项具有 革命性的加工技术发展起来的 , 它是指采用超硬磨 料砂轮和能可靠地实现高速运动的高精度、 高自动 化、 高柔性的制造设备, 以极大地提高磨削速度来达 到提高材料切除率、 加工精度和加工质量的现代制 造加工技术。它的突出特点是 极大提高了磨 削效 率、 磨削比; 极大地降低了磨削力和比磨削能; 提高 加工质量、 加工精度以及改善了难磨材料的磨削性。 随着科技进步和国防、 航天等领域的需要, 超高速磨 削技术的发展日新月异, 也带动了高性能磨床和超 硬磨料砂轮的发展与应用。但是 , 超高速磨削工艺 对我国大多数生产部门来说还是新生事物。为了更 好地研究和应用超高速磨削技术 , 我们应该对其关 键技术之一的超高速砂轮特性做一些有益的分析。 立方氮化硼 ( CBN) 砂轮具有高速、 高效、 高加工 质量、 长寿命、 低成本、 易修整等一系列优良的磨削 性能而在超高速磨削中占有无可比拟的优越性。超 高速 CBN 砂轮作为工程合成材料, 由四部分组成 : CBN 磨料、 结合剂、 气孔和砂轮基盘 ( 见图 1) [ 1] 。这 四部分直接影响砂轮的性能, 而且 , 它们的选用要符 合工件设计的要求 ( 如外形、 最终精度、 表面质量和 磨去率等 ) 和生产中磨床、 磨削用量、 磨削液以及砂
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CBN 砂轮硬度的选择
CBN 砂轮的硬度等级表示了结合剂对磨料把持 力的大小。砂轮硬度高低的合理选择, 是保证超高 速磨削质量的重要前提。砂轮硬度选择恰当 , 磨粒 切削刃磨损到一定程度时 , 磨粒就会微碎裂或自动 脱落, 以形成新的锋利的切削刃或露出新的磨粒 , 使 砂轮能继续保持正常的磨削能力。所以砂轮硬度对 超高速中的磨削力、 磨削热、 磨削过程中的振动、 工 件的加工精度和砂轮的耐用度、 磨削效率等都有着 非常重要的影响。因此超高速磨削效果的好坏, 与 砂轮硬度有着直接的关系。 一般硬度高的砂轮其强度也高[ 3] , 这是因为大 的结合剂比例能形成截面更大的结合剂桥。另外, 粒度细的砂轮的强度高是因为初始形成脆性断裂的 缺陷尺寸小。所以砂轮硬度是一个很难琢磨的砂轮 特性, 影响它的因素很多, 如结合剂的数量、 强度、 砂 轮成型时的密度、 厚度、 烧结时的温度和烧结时间都 影响砂轮的硬度。但是 , 考虑到超高速磨削时速度
推荐应用
工 具、 刀 具 成 型 磨 削、 成型磨削、 内 样 板 磨、 成 磨、 平面、 外 内 圆 磨 削、 外圆磨、 凸 轮 型 磨、 缓进 圆磨、 抛光、 珩磨 磨、 曲 轴 磨、 给 磨、 齿轮 缓进给磨 抛光、 超精密 或花键磨
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磨料和结合剂选择不是孤立的。因为不同牌号 的磨料, 因制造工艺不同 , 其晶体形态、 颗粒形状也 不同, 从而具有不同的强度、 热稳定性和破碎特性 , 所以 , 应根据结合剂种类、 磨削工件的材料、 要求以 及磨削方式 , 选择不同的磨料和不同的结合剂。如 用于高效、 高精度磨削的陶瓷结合剂砂轮, 可选用高 强度和 颗粒 形状 锋 利的 磨 料, 如 GE 公 司生 产 的 CBN500、 550 以及 DeBeers 公司生产的 ABN 800 型或
表 1 粒度在磨 削方式中的选用
磨削方式 粒 度 粗磨 50/ 60120/ 140 半精磨 120/ 140200/ 230 精磨 200/ 230W36/ 54 超精磨 W22/ 36W0/ 0 5
工 具技 术
其 他类 似 性 能 的 牌 号 ; 如 果 是 金 属结 合 剂 则 用 ABN600 较好。若超高速磨削时有腐蚀介质的存在 则应优先选取陶瓷结合剂 , 因树脂和金属结合剂容 易被腐蚀。另外超高速磨削时, 局部温升有时很高, 故一般推荐陶瓷结合剂和金属结合剂的 CBN 砂轮。 尤其是陶瓷结合剂 CBN 砂轮 , 其磨 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 , 并 且陶瓷结合剂本身具有良好的化学稳定性 , 耐热、 耐 油、 耐酸碱侵蚀, 可适应各种磨削液 ( 水基有负面影 响) , 磨削成本低等一系列的优点, 随着高性能 CBN 磨料和结合剂配方的不断开发, 以及制作过程中的 绿色环保性和良好的性价比、 较理想的磨削范围而 被各国重点发展。现在 , 日本已经有了 300m/ s 的超 高速陶瓷结合剂 CBN 砂轮的应用。 此外, CBN 磨料表面又有镀金属铱( 金属镀层可 起到补强增韧、 减缓热冲击以及在磨粒与结合剂之 间起结合桥作用, 可提高砂轮使用性能) 和不镀金属 铱两种 , 应根据结合剂种类、 工件材料、 干磨和湿磨 等不同条件选择。例如, 镀镍品牌 ABN360 ABN660 用于树脂结合剂 , 镀钛的 ABN615 或 CBN510 用于陶 瓷或金属结合剂 ; 干磨一般选用铜铱 , CBN Cu; 湿磨 选用镍铱, CBN Ni。当前 , 镀覆金属已由镍、 铜发展 到钛、 钨合金、 非金属陶瓷等 , 由单一镀层发展到复 合镀层, 并已由磨粒镀覆发展到微粉镀覆。这些先 进镀艺的选择还有待于试验来不断完善。
表 3 有代表性的几类超高 速砂轮基体材料特性
材 料 CFRP 1 5 490 0 3 53 35 3 306 铍 3 025 130 0 18 400 133 43 铝合金 2 8 500 0 35 71 25 178 钛合金 4 5 1030 0 30 113 25 229 钢 7 8 882 0 31 192 24 4 112 密度 ( g/ cm3) 抗拉强度 ( Mpa) 泊松比 杨氏模量 E( Gpa) 比模量 比强度
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基于超高速磨削的 CBN 砂轮特性选择*
庞子瑞1, 2
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李健壮2
2
蔡光起1
东北大学
黄河水利职业技术学院
摘
要 : 结合超高速磨削的特点及超高速 CBN 砂轮 结构 , 论述了 超高速 CBN 砂 轮中磨 料的种 类、 特 点及适 用
范围 ; 粒度与磨削精度、 粗糙度、 效率的关系 ; 硬度、 浓度、 组织的一般选用原则。着 重讨论了结 合剂的种 类、 特点 和 适用范围 , 突出了陶瓷结合剂 CBN 的 优点 , 并强调了超高速磨削砂轮基体的重要性和设计 要求以及材料的选择。 关键词 : 超高速磨削 , CBN 砂轮
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CBN 砂轮结合剂的选择
CBN 磨料砂轮的结合剂主要有树脂结合剂、 陶 瓷结合剂、 金属结合剂等 , 而金属结合剂又可分为烧 结型结合剂和电镀结合剂两种。表 2 列出了常用结 合剂的种类、 特点及应用范围。
表 2 常用砂轮结 合剂的种类和特点
磨削性能 树脂 ( B) 砂轮寿命 金属磨除率 形状保持性 功率需求 修整难易 表面粗糙度 中 高/ 中 中 中 中 好 砂轮的结合剂类型 金属 ( M ) 高 中 高 中/ 高 很难 好/ 中 陶瓷 ( V) 高 高/ 中 高 中 易 最好 电镀 ( E) 低 高 高 低/ 中 一般不修 变化
* 国家自然科学基金项目 ( 项目编号 : 59275199) 收稿日期 : 2006 年 6 月
图 1 超高 速 CBN 砂轮 的组成
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2. 1
CBN 磨料的选择
CBN 磨料品种
立方氮化硼( CBN) 按晶相有单晶、 多晶、 微晶之 分 , 因厂家不同品种较多、 性能各异。根据加工的需 要和结合剂的特点 , 一般情况下单晶多用于陶瓷、 金 属结合剂的高效率磨削 , 多晶和微晶多用于陶瓷、 树 脂结合剂的高精密磨削。 2. 2 CBN 粒度 CBN 磨料的粒度反映磨粒几何尺寸的大小, 是 砂轮的主要特性指标之一。磨粒几何尺寸直接影响 磨料顶锥角 2 的大小从而影响磨粒的锋利度, 所以 选择磨料的粒度主要应考虑被加工工件的表面粗糙 度和加工效率的要求。超高速精加工时应选择较细 的磨料或多晶、 微晶磨料。因为细粒度砂轮的顶尖 角和顶尖圆弧半径较小 , 容易切入工件, 使磨削性能 得到改善; 同时, 细粒度砂轮单位工作表面的磨粒数 目较多, 在 相同磨削力下 , 每颗磨粒承 受的负荷减 小 , 磨粒不易磨钝 , 且磨粒的自砺脱落比较均匀, 能 较好地保持砂轮工作表面的几何形状, 磨削时比较
14 平稳, 因而使砂轮的耐用度得到提高。但是粒度过 细, 每颗磨粒上承受的磨削力过小 , 使磨粒不易切入 工件 , 会影响磨削效率。所以 , 在满足加工要求的前 提下一般选取较粗的粒度。有时为了提高砂轮的耐 用度也 采用混 合磨料 ( 韧、 脆性 互补、 粒度 不同 的 CBN) 。除此之外 , 磨料粒度的选择还与加工工件的 机械性质和物理性质相关 , 对硬度高的材料磨削时 , 应选用稍细一些的粒度, 以减少磨削过程中产生的 热量和改善散热条件。表 1[ 2] 是普通速度下的粒度 与磨削方式的对应表。对超高速磨削有一定的借鉴 作用 , 但是 , 因超高速磨削的特殊性该表的对应关系 还有待修正 , 如 100/ 120 粒度的陶瓷 CBN 砂轮在超 高速磨削下就能达到 R a0 2 m 以下的表面粗糙度 , 已经达到精密磨削的要求。