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CBN砂轮(立方氮化硼砂轮)CBN grinding wheel

     最理想的高速、高效和高精度的磨削工具

 张国耀

(郑州超微磨料磨具有限公司 河南 郑州 450001

一、立方氮化硼(CBN)砂轮的特点:CBN作研磨材料使用时,我们主要研究CBN的硬度、 热稳定性、化学惰性、耐磨性和导热性等。

CBN的硬度远高于其它普通磨料。高硬度意味着切削能力更强、更锋利;CBN有高的耐磨性,意味着它比普通磨料更难磨损;保持磨粒形状的能力是CBN作为高性能磨料的主要特性之一;CBN的抗压强度很高,这意味着在恶劣的条件下使用时它能保持颗粒完整而不易破碎;CBN有很好的导热性,在磨削时可实现冷切削。

1、 高硬度、高韧性立方氮化硼(CBN)是人类合成的硬度仅次于金刚石的超硬材料远远高于普通刚玉与碳化硅磨料,因而具有更佳的切削能力、更锋利

2、  耐高温、热稳定性好。立方氮化硼可以承受1250-1350摄氏度的高温,比金刚石的耐热性800摄氏度还要高;在研磨和切削铁质材料时,不会出现粘屑现象,在磨削淬火钢、高钒高速钢、铝高速钢等对磨削温度较为敏感的金属材料是最理想的砂轮。

3、 化学惰性强。立方氮化硼不易和铁族元素产生化学反应,所以对于各种高速钢、工具钢、模具钢、高合金淬硬钢、铬钢、镍合金、粉末冶金钢和高温合金等温度高、硬度高、热传导率低的材料的磨削非常适宜。

4、 导热性好。CBN热导率可达刚玉砂轮的几十倍到百倍,因而能将磨削热迅速导出,减少工件热变形。对热传导率低的材料磨削非常适宜。各种喷涂(焊)材料:镍基、铁基等;耐磨铸铁类材料:钒—钛铸铁、高磷铸铁、冷硬铸铁等;钛合金类:如TC4

5、 磨削性能好、加工表面质量好。由于立方氮化硼磨具能够长期保持磨粒微刃的锋利性,会使被加工工件加工精度和表面粗糙度值都达到较为理想的效果,因此可使工件的耐用度提高10%-30%。所以即使批量加工的工件,也会始终获得较高的形状、精度及一致性。CBN砂轮磨削能获得高的尺寸精度和低的表面粗糙度,加工表面不易产生裂纹和烧伤,残余应力小。加工表面质量得到提高,一般无裂纹,不易烧伤,并可获得残余压应力,显著提高工件疲劳强度,通常,被磨工件的耐用度能提高3050%。

6、 耐磨性强、寿命长。CBN砂轮磨削比可达3500—5500,比普通刚玉砂轮高百倍,比金刚石砂轮高3—5倍。

7、 环保无污染、节能降耗。无太多的粉末灰尘。

8、 工作效率高、综合经济效益好。磨削锋利、磨削力小、CBN砂轮修整周期长、修整量较少、更换时间长;使用周期长,磨削比高,可获得较佳的经济性,使用中形状保持性好,无需经常更换砂轮和修整砂轮,节约工时,改善劳动条件,有利于加工操作

立方氮化硼不应磨削硬质合金和非金属硬材料。在磨削高温下,CBN遇碱性水溶液会发生化学反应,CBN砂轮在300碱性溶液中会分解,在沸水中能微量分解,结果将使磨粒晶形遭到破坏,所以磨削时,只能选用油性冷却液,而不能用水基冷却液。

二、立方氮化硼砂轮的最有效使用范围:

1对软钢的磨削是首选。很多的经验对进口和国产各种不锈钢与其它软钢的磨削达到非常理想的效果,并且效率提高100%左右,经济效益提高百分之200

2、在自动机床上大批量生产的工件(微型轴承、空压机、曲轴、凸轮轴、高精度螺纹、仪表等)的精磨和终磨。
3
、要求砂轮具有良好的棱角保持性的复杂型面工件(插齿刀、拉刀、高精度齿轮、靠模、冲头等)的磨削。
4
、大型精密工件(机床导轨、高精度丝杠等)的精磨和终磨。这些工件使用普通磨料往往由于磨削温度高而容易引起较大变形,最佳首选是CBN砂轮。
5
、对由耐热钢和高硬度(HRC55以上)的合金钢制成的精密零件的精磨和终磨。这些零件用普通磨具时因磨具消耗或磨钝过快而不能获得很高的精度。
6
、对特殊钢材如含钨、含钨钼高速钢,钒合金钢、钴合金钢、特种高速钢刀具刃磨,难加工耐热钢工件的超精加工,以及其他钢淬火工具的珩磨。

7含钨、含钨钼和其它高速钢,特别是钒合金钢、钴合金钢等特种高速钢刀具的刃磨和精密。

8、由耐热、不锈钢和高硬度(HRC55以上)的合金结构钢制成的精密零件的精磨和终磨。这些零件用普通磨具磨削消耗过大或磨钝过快而不能获得高的精度。

9在自动或半自动机床上大批量生产的工件如仪表和微型轴承零部件。

10、对钛合金磨削CBN是最佳的磨削砂轮选择。

三、CBN砂轮(立方氮化硼砂轮)

1CBN砂轮不同结合剂的对比

磨削性能

磨具的结合剂类型

树脂(B)

金属(M)

陶瓷(V)

电镀(E)

砂轮寿命

金属磨除率

/

/

形状保持性

功率需求

/

/

修整难易

很难

一般不修

表面粗糙度

/

最好

变化

推荐应用

工具、刀具磨
削平面磨、外
圆磨、滚刀磨、
抛光、缓进给
磨、双端面磨

成形磨削、内
圆磨削、珩磨

成形磨削、内
外圆磨削、凸
轮磨、曲轴磨、
缓进给磨、抛
光、超精磨

样板磨、成形
磨、柱面的内
外圆磨、缓进
给磨、齿轮或
花键磨

2CBN砂轮硬度
 
砂轮的硬度等级表示结合剂对磨料把持力的大小,它是制造商工艺控制的重要指标,也是用户选择磨具性能的主要参数。砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。国外陶瓷CBN砂轮一般有37个硬度等级可供选择,国内目前尚未制订CBN砂轮(包括金刚石磨具)的硬度检验标准,制造商以配方对硬度进行控制。

3CBN砂轮浓度
 
CBN砂轮浓度的高低表示在磨削时砂轮工作面单位面积上参加磨削的磨粒数的多少,树脂结合剂通常采用75-100%的浓度;陶瓷结合剂高浓度可带来高的磨削比,通常采用100-200%的浓度。目前,高速、高效磨削均采用较高的砂轮浓度,如进口磨凸轮轴磨床配套的陶瓷CBN砂轮浓度一般均为200%对于有特殊要求的加工,浓度选用还可进行调整。如,在抛光和高精度磨削中,常采用低于一般磨削时的浓度;对要求加工效率高的工序,可采用粗粒度、高浓度的CBN磨具;对于要求CBN磨具形状保持性好的成型磨削、端面磨削、沟槽磨削等,应选择较高浓度的CBN磨具。

4CBN砂轮粒度粗糙度对照

在磨加工中操作者一般都具有普通磨料磨具的使用经验,粒度选择的原则基本相同,但考虑到两大类磨料性能的差异,要求达到相同的加工表面粗糙度,由于超硬磨粒的锋利性和不易磨损性,选用的粒度号就要比普通磨料细13个粒度号。

选择CBN砂轮的粒度时,还应考虑砂轮所采用的结合剂,因为各种结合剂均有它的最佳粒度范围,太粗或太细均不利于其磨削加工。一般情况下,树脂结合剂CBN砂轮通常选用100/120-270/325;陶瓷结合剂CBN砂轮通常选用100/120230/270;金属结合剂砂轮选用70/80230/270。当然还要看加工效率和加工表面粗糙度要求等选择最佳粒度,要求加工效率高时,选用较粗粒度号。反之选较细粒度号。

四、CBN磨削系统

磨削加工的工艺系统是“磨床—工件—磨具”,自然CBN砂轮磨削的关键技术也离不开磨床、砂轮、磨削工艺和磨削液、工艺参数纳入一个整体系统来进行优化,才能获得一个最佳的技术和经济效果。

1CBN砂轮上面已做描述。

2、磨床:磨床是磨削系统的中心,磨床的性能对磨削效果有非常重要的影响。
   
砂轮作为以磨床为中心的磨削体系中的一个附件,只有通过磨床所具有的优异特性并优化各种磨削参数,才能最大限度地发挥优势,对CBN磨削来说尤其如此。
 
a、高速度
 提高砂轮的工作线速度可明显提高磨削效率和磨削比,降低磨削力,从而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂轮磨削凸轮轴,当砂轮速度从80m/s提高到160m/s时,磨削时间相同,则修整间隔(耐用度)增加2倍;当砂轮速度由35m/s增加至60m/s时,在不同的单位金属去除率(Q′w)情况下,法向磨削力(F′n)均减小1/3左右。CBN砂轮因其结构特点及CBN磨料的特性,为高速、超高速磨削提供了可能。80125m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。在条件允许的情况下,使用尽可能高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。

主轴系统:提高砂轮线速度主要是提高砂轮转速,超高速磨床的主轴最高转速都在10000r/min以上,传递的磨削功率常为几十千瓦,故要求其主轴系统刚性好、回转精度高、温升小、功耗低。近年来,超高速磨床愈来愈多地使用将电机和主轴作成一体的电主轴,其所用轴承主要是油气润滑的陶瓷球角接触球轴承和液体动静压轴承,後者多用在外圆类超高速磨床上。磁浮轴承虽然高速性能好、精度高,但价格昂贵和有发热、漏磁问题,目前尚较少采用。高速回转的砂轮轴和砂轮一起,其动不平衡引起的振动会严重影响磨削质量,除了砂轮和主轴系统预先要进行严格的动平衡外,还应当在机床进行磨削的过程中实施连续的自动平衡。此外,要充分重视超高速磨床砂轮与主轴连接的可靠性。
 b、机床的高刚性和抗震性
高速磨削和CBN砂轮磨削的特点,要求机床主轴和整体要具有很高的刚性和良好的抗震性,从而保证磨削工件的精度和表面质量,这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。不具备这些条件,在使用CBN砂轮时,要想获得更高的金属去除量,工件的几何精度和表面质量就会变差。波纹是常见的表面质量缺陷,它是由振动产生的。引起振动的原因有多种,包括机床刚性低、抗震性差、机床共振或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大等。有资料显示:机床的刚度应不小于100N/0.001mm的数量级为好。

进给系统: 超高速磨床除对主轴系统要求很高外,相应也要求进给系统速度範围宽、加速度大、刚性高、动态响应快、定位精度好,虽然滚珠丝杠和静压丝杠目前在超高速磨床上还经常采用,但在某些情况下已不能满足要求而改用无中间传动环节的直线电机驱动。众所周知,直线电机驱动方式速度範围很宽,加速度很大,响应快,运动平稳且精度好,不过用在机床上还要解决散热、隔磁和运动部件轻量化问题。丰田工机超高速数控凸轮磨床GCH63Ⅱ的砂轮架进给系统,由於该机床是通过C轴(工件回转)与X轴(砂轮架移动)的联动控制来磨出凸轮轮廓的,提高砂轮架的快速随动性是必然要求,所以推出了采用直线电机直接驱动的机型。在这种磨床上用陶瓷结合剂CBN砂轮磨削冷硬铸铁凸轮轴,磨削速度200m/s,加工余量Φ8mm,其结果是磨削时间4s/每一凸轮、凸轮轮廓误差5痠、表面粗糙度Rz1.9痠,效果明显。

注:提高速度必须在机床许可的范围内、并且在一些技术人员的指导下方可进行。

3、修整修整过程中必须要转速调低,让进刀量加大,达到0.03MM以上

      使用金刚石滚轮、修整盘及钻辊修整是最好选择, 但除了进口专用机外一般磨床都没有修整盘及钻辊的装置及驱动系统,不仅可提高修整效率,更重要的是可获得较好的砂轮形貌。使用其他修整工具,很难完成对高硬度砂轮表面的修整。修整装置的进给精度要高,每次进给量应在mm级,过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。修整速比Vr /Vc是修整工艺中一个重要的参数,它的改变会使砂轮表面形貌显著变化,并最终影响到工件的表面质量。陶瓷结合剂可以采用此法,金属与树脂的参见其它修整方法。

1)磨削整形法: 
磨削整形法是用普通磨料砂轮、金刚石砂轮、金刚石滚轮等与CBN砂轮对磨整形,或用CBN砂轮磨削低碳钢进行整形。
A、通砂轮磨削整形 
用绿色碳化硅或白刚玉陶瓷结合剂砂轮作为整形砂轮,用外圆磨削法对CBN砂轮进行整形。在整形砂轮轴上安装制动器,使整形砂轮与CBN砂轮之间产生相对速度,可提高整形效率,相对速度越大,整形效率越高。该方法也可用于修锐,但应采用细粒度(150#220#)修整砂轮。制动整形法的特点是整形压力较大、对磨床刚性要求高,对树脂结合剂砂轮容易产生过整形。
B、钢磨削整形
低碳钢磨削整形是利用CBN砂轮磨削低碳钢时形成的流状切屑来刮除结合剂,达到整形目的。该方法又可分为单滚筒法和双滚筒法。双滚筒法是利用两个滚筒的速度差实现平稳整形,可提高整形质量。低碳钢磨削整形的特点是修整效率及修整精度较低、磨粒脱落较多、整形质量不稳定。

a软铁(未硬化)、红铜、不锈钢等软钢, 利用这些材料的靭性以柔克刚, 要修约20分钟.修整效果与精度一般

b 用钼金属修, 要修约10分钟, 修整效果较好、效率较快,但钼金属较贵.

C、杯形砂轮整形法
日本东京大学的庄司克雄研制的杯形砂轮修整器将修整进给变为切入进给,提高了修整精度。采用杯形砂轮对CBN陶瓷砂轮整形后,CBN砂轮的表面磨粒产生微小破碎,具有良好的容屑槽和尖锐的切刃。杯形砂轮对CBN砂轮的整形效果优于采用金刚石砂轮的整形效果。

使用专用的杯形砂轮对CBN砂轮进行修整。这种砂轮的材质一般选用绿碳材质。砂轮的大小根据被修整砂轮的大小而决定。一般有直径:100125150175180200205。。。。。。。
D、金刚石滚轮整形
金刚石滚轮是采用电镀法或粉末冶金法将金刚石颗粒固结在金属基体的圆周表面上制成的高效成型修整工具,其修整机理是通过金刚石滚轮与CBN砂轮的旋转运动之间产生的相对运动来实现砂轮整形。修整进给量ar和修整速比q(q=vr/vsvr为金刚石滚轮线速度,vsCBN砂轮线速度)对修整后CBN砂轮的磨削性能有重要影响。采用较大修整速比q=修整后的CBN砂轮磨削力较小,但工件表面粗糙度较大。采用较大修整进给量ar修整后的砂轮较锋利。S.Malkin 等人认为,金刚石滚轮整形法的修整机理和修整后砂轮的磨削性能主要由CBN砂轮磨粒轨迹与金刚石磨粒运动轨迹之间的夹角(干涉角d)控制,d 越大,修整力越小,但修整后的砂轮表面较粗糙。中速比的选择范围为q=0.40.7,精密磨削时应选取速比q<-1.0,具体数值应根据磨削粗糙度要求和砂轮特性确定,例如磨削精密氧化锆零件时可采用速比q<-1.0 修整CBN陶瓷砂轮,这样可获得较低的粗糙度(Ra=0.06µm)和较高的圆度(0.6µm)
金刚石滚轮整形法的主要优点是结构简单、滚轮耐用度高、能同时在砂轮全宽度上进行修整、修整时间短、修整力小、能复制特定的砂轮轮廓(尤其对复杂型面砂轮具有准确的复形能力)、适用于自动化生产。该方法在有载或无载情况下均可使用,可使修整时间与其它加工辅助时间交叉重合。
E、普通砂轮磨削修锐 
用修整轮(碳化硅砂轮或刚玉砂轮)作切入式外圆磨削,修锐CBN砂轮。修整轮速度vrCBN砂轮速度vs的关系应为vr≈vs-1(m/s)。这种方法通常使用于树脂与金属砂轮的修整。
2)油石修锐 (油石大多只做修锐使用而不做为整形使用)
油石修锐是应用较广泛的修锐方法,它主要通过接触区破碎磨粒的挤研作用去除CBN砂轮的结合剂。采用不同粒度的油石修锐后磨粒的凸出高度均在610µm。由于油石修锐无法获得较大的磨粒凸出高度,因此不能用于大切削用量磨削用CBN砂轮的修锐。采用油石修锐法对电镀CBN砂轮进行微量整形可去除镀层表面过高或结合不牢的CBN磨粒,从而改善磨粒的等高性,减少电镀砂轮型面的尺寸误差。

油石大多只做修锐使用而不做为整形使用。通常使用白刚玉油石条。此种方法修整的光洁度好、锋利度好。但是此法一般不做大余量的修整。只做修整(整形)后的修锐。

3)车削法:不太经常用,这里不做详细介绍。

注:砂轮修整详见砂轮修整篇:
4、冷却与冷却液

磨削液有三大作用:润滑、冷却、清洗。CBN砂轮对磨削液的冷却与清洗作用要求更高。

在磨削过程中,90%以上的能量转化为热能,这些热必须被冷却液最大限度地吸收并带走,否则工件就会被烧伤。对CBN砂轮来讲,还要考虑CBN磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。正确选择冷却液种类和冷却工艺参数,往往会收到事半功倍的效果。不同的冷却液,会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。冷却液对CBN砂轮的影响,表明砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度与冷却效果密切相关。充分优化磨削工艺参数可使磨削效率、磨削质量和磨削成本等技术经济指标在更高的水平上达到平衡。

磨削液及其注入和过滤系统  
   
鉴於磨削液对环境的负面影响,人们正研究开发微量油润滑磨削和低温气体冷却磨削,但目前使用磨削液仍是主流。CBN砂轮在高温下会发生水解(BN+3H2OH3BO3+NH3)加剧其磨损,显然使用油基磨削液可减缓CBN砂轮磨损,但油基磨削液工作时会产生油雾并容易冒烟起火,所以超高速磨削采用高性能水基磨削液特别是水溶性透明乳化液的也比较多。超高速磨削时气流屏障阻碍磨削液注入磨削区,因此必须采用恰当的注入方法,比如采用靴状喷嘴和石墨管浮动喷嘴等,且喷嘴应尽可能靠近磨削弧区。所示为日本大隈公司超高速凸轮磨床GC-Super33的磨削液注入系统,该注入系统不仅能有效地向磨削区供液,而且磨削液引起的砂轮主轴功率消耗也较小。超高速磨削一分钟就产生许多磨屑,必须及时对磨削液进行高效高精度过滤,推荐使用离心机或硅藻土过滤系统集中处理磨削液。

对于CBN砂轮的磨削液选择只能选择油基的磨削液、而不能选择水基的磨削液。对磨削液的温度最好选用低温的、并且对磨削液要及时的过滤,以防杂质对磨削的影响。

总之CBN砂轮有着无可比拟的优越性,随着新材料、新技术的不断涌现,随着加工工业的技术进步,其应用范围不断扩大,用量不断增长,有力地推动着经济的发展。在发达的工业国家,对于大批量,高精度的磨削加工,其加工件硬度大于45HRC,基本上都用陶瓷CBN砂轮磨削。它被广泛地用在汽车的主要零件上,如凸轮轴、曲轴、变速箱的齿轮轴和齿轮、轴承和刹车片。用在机床的精密加工件,如导轨、丝杠和电机轴的磨削、印刷机零件的磨削,精度能够达到0.30.5m、对于一些难加工材料和一些韧性材料(不锈钢、钛合金等)CBN砂轮成为最佳首先,CBN陶瓷砂轮用于轧钢辊轮的磨削加工和在航空、航天和军工等领域的应用就不一一而说了。
我们在选择CBN砂轮时,对于他是耗用产品一定要用性价比而不能只看价格。作为大批量,质量稳定的生产,不可忽略的参数——时间:即效率的提高和废品率降低所带来的经济效益。由此说明其磨削成本低。经济效益最佳。由于CBN陶瓷砂轮的生产周期较长,所以用者一定要有计划订购。好的生产厂商是根据用户的生产工艺和工件的技术参数来配制砂轮。磨料的选择、磨粒的大小、组织的松紧、砂轮的硬软和形状等这些生产砂轮的参数,不仅要根据工件的技术参数,还要考虑磨床的技术参数。所以对买卖双方来说,CBN工艺是含量较高的技术,要通过专业渠道购买,才能选到适合的砂轮。

综上所述:CBN砂轮是最理想的高速、高效和高精度的磨削工具

CBN砂轮(立方氮化硼砂轮)CBN grinding wheel

 

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