CBN新型磨削技术

・数控机床世界・

收稿日期：２００７－１２－１９

作者简介：王雅红（１９６７－），女，副教授。从事轴承机械的设计工作。发表论文６篇，出版专著１部。

ＣＢＮ新型磨削技术

王雅红，吴锐

（洛阳理工学院机电工程系，河南洛阳４７１０２３）

摘要：简述了ＣＢＮ磨削的综合技术，主要论述了ＣＢＮ磨削的特点，ＣＢＮ磨床、ＣＢＮ磨具的种类。

介绍了ＣＢＮ磨削的条件和需解决的问题。

关键词：ＣＢＮ；磨削；砂轮中图分类号：ＴＧ５８

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－６６７３（２００８）０２－１６２－０３

０引言

近年来，ＣＢＮ（立方体氮化硼）磨削的应用快速发展。随着磨削零件的材料、形状、精度要求的不断提高，ＣＢＮ磨削的范围进一步扩展。在日本，ＣＢＮ磨削的应用在总的磨削加工中已占到２５％，欧洲达到１５％，美国是１０％。我国的应用情况则不令人满意。但随着加工要求的提高，人们对这项新型加工技术日益关注。预测

ＣＢＮ磨削在未来几年中将得到更加广泛的应用。主要的

原因在于：①新型磨料的出现；②ＣＢＮ磨床的开发成功；③更多超硬、复杂工件材料的磨削加工。

数据表明，全球ＣＢＮ砂轮的销量１９８８年为１．４５亿美元，１９９３年则达到３亿美元。汽车行业是ＣＢＮ砂轮最大的用户，占３０％的份额。其次是工具行业，约占

２０％的份额，轴承行业是新兴的应用领域，约占ＣＢＮ应

用份额的１２％，飞机和齿轮行业则分别占９％和８％，对于磨削加工，ＣＢＮ磨削最显著的效果表现在许用砂轮较小的内圆磨削中。

超级磨料ＣＢＮ（立方体氮化硼）是一种新型的人工合成的高效磨料，其硬度仅次于金刚石。用普通磨料砂轮磨削零件时，由于磨料硬度低、磨损快，导致磨削比低、磨削力大、磨削温度高，容易产生烧伤及精度和表面质量降低。而ＣＢＮ磨料本身具有一系列特殊的性能，高硬度、高的热稳定性、高的化学惰性、红硬性、导热性好以及热膨胀系数低等

［１］

。从而在加工黑色金属方

面，ＣＢＮ磨具与金刚石和普通磨料磨具相比，具有非常满意的磨削表面质量和极低的砂轮磨损。其优点主要为：一是砂轮耐用度高，每一次修整可加工的工件数量多；二是砂轮磨损少，能较长久地保持砂轮外形轮廓，

每片砂轮可加工的工件数量多、精度高；三是磨削力小，磨加工质量好，磨出表面粗糙度细，具有抛光作用；四是磨削效率高。总之，由于ＣＢＮ磨料的优异性能，采用ＣＢＮ砂轮，可以提高加工工件的质量，有利于磨削加工的自动化生产。

１ＣＢＮ磨削的特点

虽然常规的树脂和陶瓷接合剂氧化铝磨具已经广泛应用于各领域，但由于ＣＢＮ磨具可与金刚石砂轮相媲美的磨削效果，以及远高于普通砂轮的耐用度、远低于金刚石砂轮的价格，使得ＣＢＮ具有无可比拟的优势。

ＣＢＮ磨削有着现有磨料无可比拟的优势。它的硬度

是氧化铝的２倍，其耐用度约是氧化铝的１００多倍。在很多场合下，ＣＢＮ磨削能够一次装夹即完成所有加工，省去原来需要粗磨、精磨、抛光等工步。

目前，高速磨削是ＣＢＮ磨削的一个典型特征。线速为８０￣２００ｍ／ｓ的高速磨削已占到全部ＣＢＮ磨削的３％

［２］

。

ＣＢＮ的主要应用场合是凸轮磨削，其线速是８０ｍ／ｓ。ＣＢＮ

的另一个特征是磨削工件表面呈现压应力，压应力提高了工件的质量。由于这两个特征存在，经过ＣＢＮ磨削的工件显著减少了钢件磨削中常见的磨削微裂纹，这就提高了刚制零件的强度和刚性。由于ＣＢＮ磨粒锋利的磨刃，产生较少的磨削热，避免了磨削热产生微裂纹而导致零件过早失效。由于表面压应力的存在，还可以减小零件的尺寸，如在汽车变速箱中由ＣＢＮ磨削的齿轮尺寸小，强度高。

ＣＢＮ磨削的一个显著缺点是成本较高。就砂轮本身

而言，ＣＢＮ砂轮的造价约是其他砂轮的１０～５０倍。其次，即便把高成本的ＣＢＮ砂轮安装在现有普通磨床上，由于缺少砂轮修形和修锐系统以及现有普通磨床存在的刚性不足，也还不能实现高效的ＣＢＮ磨削。同时由于操作失误造成的砂轮破碎会造成更大的经济损失，所以

机电产品开发与创新

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ

Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．２

Ｍａｒ．，２００８

第２１卷第２期２００８年３月１６２

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操作人员必须经过必要的培训。但是，如果把普通磨削如废料处理，冷却液更换，磨屑处理，更换砂轮，金刚石磨损等考虑进去。普通砂轮磨削与ＣＢＮ磨削的综合成本与基本相当。更重要的是当你看到磨削效率的提高，辅助磨削时间的减少，产品质量的提高，那么ＣＢＮ磨削的优点就变得更为突出了。

２ＣＢＮ磨削的相关技术

ＣＢＮ磨削是一项复杂的综合性高新技术。所采用的磨床应包含：①精密主轴技术；②精密导轨技术。高速ＣＢＮ磨床，磨削速度可达到２５０ｍ／ｓ。

２．１国外ＣＢＮ磨床的应用

日本在ＣＢＮ磨削及磨床方面经验丰富。ｔｏｙｏｔａ将ＣＢＮ磨削技术应用于凸轮轴等汽车零部件加工，并大量出口到美国。常规磨床的磨削速度一般是３２～６０ｍ／ｓ，而ＧＺ３２Ｐ采用平型ＣＢＮ砂轮，磨削速度高达２００ｍ／ｓ。ＪＵＮＫＥＲ＼ＧＵＥＨＩＮＧ＼ＭＡＥＧＥＲＬＥ等欧洲磨床也开发了用于内、外圆、端面及缓进给磨削高速磨床。

美国花费六年时间，开发了ＵＬ２型ｃｂｎ磨床，主要用于ＣＢＮ砂轮最大直径３８ｍｍ的内径磨削。因为在小直径内径磨削中，ＣＢＮ砂轮磨削的作用最为明显。同时Ｂｒｙａｎｔ正联合高等院校致力于ＣＢＮ高速外圆磨床的研制。ＨＵＦＦＭＡＮ最近研制出六轴ＣＢＮ磨床用于加工和修复机床刀具。

新近致力于ＣＢＮ磨床研制的ＥＤＧＥＴＥＫ，开发了高效深切缓进给ＣＢＮ平面磨床（ＨＥＤＧ），用于磨削高硬材料零件，既具有优于常规磨床的磨削效率又不产生磨削烧伤。

ＣＡＭＰＢＥＬＬ是航空、航天领域的高新技术企业，其产品主要是航空发动机的轴类和阀类零件，正逐渐向飞机和汽车领域扩展，并使用了各式各样ＣＢＮ砂轮的立式磨床。

２．２ＣＢＮ磨削对磨床的要求

应用ＣＢＮ砂轮实现高速高效磨削，磨削机床必须在以下方面进行改进：

（１）磨床的稳定性：ＣＢＮ磨床必须具有足够的强度和刚性以承受磨削动载荷，并只产生极小的振动。床身通常采用花岗岩材料，它的抑振能力是生铁的４５倍，这种材料既增加了磨床的重量又降低了各种变形。约有６０％的精密磨床制造厂采用这种床身。

（２）满足ＣＢＮ砂轮的修整条件：ＣＢＮ磨削必须具备基本的修整条件，修整通常包括整形和修锐两个过程。整形是指保持砂轮的正确形状，得到砂轮的几何形状和精度（如圆度等），修锐是指去除磨粒间的结合剂，使锋利的磨粒露出，保持磨粒的锋利。ＣＢＮ砂轮的修整和修锐方法很多，需根据砂轮磨粒、接合剂、应用场合而定。整形的主要方法有磨削法、挤压法、车削法、旋转金刚石工具法等，对金属结合剂ＣＢＮ砂轮还可用电解法、电火花法、超声波等。修锐的方法主要有固结式磨料、自由式磨粒及电加工三大类。固结式磨料包括油石、修锐膏、金属丝刷和硬质合金块等，自由式磨粒包括喷砂、液体喷砂、磨粒挤压等。电加工修锐法只局限于金属结合剂砂轮，主要包括电解、电火花及超声波等。ＣＢＮ砂轮硬度高，若象普通砂轮修整一样采用单点金刚石笔修整，金刚石磨损太快，而且修出的砂轮表面不一致，因此，对ＣＢＮ砂轮采用单点金刚石笔修整效果不好。

ＣＢＮ砂轮所用结合剂不同，其修整方法也不一样。树脂和金属结合剂ＣＢＮ砂轮，整形与修锐两过程需单独进行，一般采用ＳＩＣ砂轮或金刚石盘把ＣＢＮ砂轮修成要求的形状，再用ＡＬ２Ｏ３油石块修锐。多孔结构陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮则可使用回转金刚石轮一次完成整形和修锐。金刚石修整轮的转速应是ＣＢＮ砂轮的０．４～０．６。但有时单点金刚石可用于陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮的修整。修整砂轮时必须精确确定砂轮与修整金刚轮的位置，采用声发射装置通过接收砂轮与修整轮接近时不同的声波即可精确确定两者间的位置。

（３）进给机构的位置精度：ＣＢＮ磨床的进给机构分辨精度必须达到０．１μｍ，，通常采用交流伺服电机和精密滚珠丝杠就可实现这样的精度分辨率。

（４）自动检测：控制系统必须精确测定砂轮的位置和砂轮的磨损状况，因而ＣＢＮ磨床必须采用精密测量装置。目前采用的精密测量装置有以下几种：①在线测量装置，用以检测控制磨削各工步转换；②机后测量装置，用以测量磨削工件尺寸并反馈给磨床控制系统进行调整，可获得精确加工尺寸；③砂轮检测装置，如前所述的声发射装置，可精确测定砂轮与修整轮的位置，保证控制系统精密修整砂轮［３］。

（５）精密砂轮主轴：ＣＢＮ磨削需要高速及高刚性的砂轮主轴，于是就开发了专用的中、高频电驱动和静压轴承等结构的砂轮主轴，同时研制了控制功率或控制力的适应控制系统来控制磨削过程。

（６）冷却系统：为了保证磨削精度和避免砂轮失效都必须控制磨削热量。ＣＢＮ砂轮的热传导速度是氧化铝砂轮的４０倍，因而需要效果优异的冷却系统。我们对冷却液的种类进行了深入研究，采用油冷却的润滑效果明显优于水基冷却液，同时砂轮耐用度也高。其缺点是环境污染，清理污染的油液是比较困难的。目前，正通过合理考虑ＣＢＮ磨粒粒度、结合剂种类、冷却液流量、流速等因素，研究开发水基冷却液，希望采用水冷液

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