淺析CBN砂輪修整和使用的條件
發(fā)表時(shí)間：2017/8/23 14:04:06
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磨削加工中的CBN砂輪
文/屈里強(qiáng)、朱寧（洛陽軸承研究所）
摘要：
本文概要介紹了CBN砂輪的性質(zhì)、特點(diǎn)，以及在磨削中的修整和使用條件，從理論和實(shí)踐上，向讀者介紹CBN砂輪的磨削參數(shù)和應(yīng)注意的事項(xiàng)，并對(duì)可能遇到的問題進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：
CBN砂輪；修整（修型和修銳）；AE傳感器；適應(yīng)控制
1、概述
CBN砂輪具有耐熱性能、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)以及與鐵族的化學(xué)惰性，磨削刃鋒利，磨削性能優(yōu)異，磨削拉力小，溫升低，工件表面無燒傷、裂紋，磨削表面有殘余壓應(yīng)力，因而使得磨削工件的尺寸精度、幾何精度較普通砂輪大為提高，使工件各方面性能隨之提高，但CBN砂輪的使用也存在著一些問題。
首先，我們可以采用常規(guī)的修型和修銳方法進(jìn)行CBN砂輪的修型和修銳。理論上，陶瓷結(jié)合劑脆而易碎，應(yīng)該能夠用常規(guī)修整方法修整。然而試驗(yàn)表明，目前的修整方法不適合于新型的CBN砂輪。為了獲得最佳的修型和修銳（合稱修整）效果，我們必須確定一整套新型的工作參數(shù)和條件。通過研究更佳的使用條件，使得CBN砂輪修整和機(jī)床控制技術(shù)取得了更大的進(jìn)步。
修整過程的精確設(shè)定和先進(jìn)的適應(yīng)控制，使用戶的CBN砂輪工作在最佳狀態(tài)。
沒有陶瓷結(jié)合劑，CBN砂輪就不可能進(jìn)入大批量生產(chǎn)使用。正是這種多孔的結(jié)合劑材料產(chǎn)生了必須的小空隙，保存冷卻液并保證了CBN磨削黑色金屬所需的修整加工。
2、CBN砂輪的修整方法
CBN磨料是一種昂貴的磨料，砂輪制造商必須提供一種盡可能少地消耗磨料的修整方法，以便用戶在丟棄砂輪之前，能夠盡可能多地磨削工件。一般情況下，只需去除幾個(gè)微米就可使CBN砂輪重新銳利。
同時(shí)，制造商必須找到有效的方法使磨粒的切削刃凸露出來，我們采用奧地利泰利萊公司B64型CBN砂輪作為典型磨料進(jìn)行研究。據(jù)介紹，這種級(jí)別的砂輪磨料合成缺陷控制在亞微米水平。泰利萊公司能夠改變磨粒的破裂特性并能生產(chǎn)具有良好控制破裂強(qiáng)度的磨料。
我們?cè)谀ハ髟囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，修整進(jìn)給速度和修整速度之比對(duì)顆粒破裂特性影響極大，修整速比是指修整輪線速度與磨削線速度之比。速比為正指在修整接觸位置，砂輪與修整輪旋轉(zhuǎn)方向相同。
在對(duì)B64型陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，砂輪由旋轉(zhuǎn)金剛石輪以+0.2的速比修整，當(dāng)修整量為1μm時(shí)，CBN磨粒就會(huì)出現(xiàn)微觀裂紋，因?yàn)樗Ａ袅司哂写罅壳邢魅胁⒓性诒砻嫔系哪チ＃⒂^裂紋有益于砂輪的鋒利。
當(dāng)修整量增加到2～3μm時(shí)，發(fā)現(xiàn)了明顯的宏觀裂紋。宏觀裂紋出現(xiàn)時(shí)，磨粒的重要部分就喪失了。結(jié)果砂輪表面只有很少鋒利的切削刃，這就產(chǎn)生了很多不良切削表面，大量昂貴的磨粒脫落又造成表面磨粒密度的降低，縮短了砂輪使用壽命和降低了性能價(jià)格比。
這些結(jié)果表明通過修整進(jìn)給的微小改變很容易地影響了修整過程的效果。為了進(jìn)行必要的微調(diào)， CBN用戶必須具備高分辨率的修整進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
改變修整速率的結(jié)果類似于改變修整深度。因?yàn)樾拚髋c砂輪同向旋轉(zhuǎn)引起的修整力大于正常磨削力，修整去除了更多的陶瓷結(jié)合劑和較少的磨粒。當(dāng)修整速率由+0.2提高到+0.8時(shí)，更多的結(jié)合劑被切除，磨粒的宏觀裂紋也同時(shí)加劇。甚至當(dāng)進(jìn)給深度為1μm時(shí)，很大一部分磨粒已被打碎。根據(jù)以上結(jié)果，用戶不能只因?yàn)楦咝拚俦热コ烁嗟慕Y(jié)合劑就認(rèn)為速比越高越好。如果高速比加劇了宏觀裂紋，那么砂輪修整就導(dǎo)致了砂輪的加速磨損。
在進(jìn)行磨削外圓柱面的大尺寸砂輪的修整過程中還發(fā)現(xiàn)，增加修整速比和進(jìn)給深度引起的砂輪由微觀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^裂紋應(yīng)引起特別的關(guān)注，這是因?yàn)榇竽チ８赡芫哂幸院蟪蔀榱鸭y起點(diǎn)的缺陷，當(dāng)我們觀察大裂紋時(shí)也更容易分清兩種裂紋的不同之處。
通過其它的一些研究，我們認(rèn)識(shí)到采用適合的修整速率以保證修整輪與CBN砂輪上的每一個(gè)磨粒的合適接觸的重要性。理想狀態(tài)是，一個(gè)磨粒只能被修整輪上的一粒金剛石修銳。如果每個(gè)磨粒的作用金剛石的數(shù)目不到一個(gè)，修整就會(huì)遺漏一些未被修銳的鈍磨粒。一般來說，修整輪的旋轉(zhuǎn)使金剛石對(duì)每一磨粒的作用多于一次，即每一磨粒的有效修整多于一次。由于在磨粒的表面，第一次后的每一次修銳作用都是在微進(jìn)給的情況下進(jìn)行的。進(jìn)給速度導(dǎo)致的多重修銳作用產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)不鋒利的表面。通過多年對(duì)砂輪修銳作用的研究，我們重新修改了修整裝置的設(shè)計(jì)。我們發(fā)現(xiàn)，獲得良好的修整效果和對(duì)于給定的砂輪轉(zhuǎn)速和CBN磨粒尺寸進(jìn)一步計(jì)算出適當(dāng)?shù)男拚D(zhuǎn)速還是相對(duì)容易的。
我們仔細(xì)地研究了修整和使用后的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的表面，發(fā)現(xiàn)修整使得砂輪表面層CBN磨粒和陶瓷結(jié)合劑的密度低于砂輪其它部分。陶瓷結(jié)合劑普通砂輪同樣會(huì)出現(xiàn)這樣的表面層，它被稱為表面變質(zhì)層。這種表面層可從幾微米到30微米深，隨著砂輪的使用，變質(zhì)層的深度會(huì)繼續(xù)加大，在砂輪表面的作用會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)。
砂輪使用后的修整能夠消除使用中日益變深和更具危害的表面變質(zhì)層。由于陶瓷結(jié)合劑普通砂輪的修整進(jìn)給深度遠(yuǎn)大于陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪， 陶瓷結(jié)合劑普通砂輪的修整情況更是如此，修整進(jìn)給深度確保修除了幾乎所有的磨削變質(zhì)層，產(chǎn)生了一個(gè)僅由修整參數(shù)決定的磨粒和結(jié)合劑組成的新的表面層。但當(dāng)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪修整時(shí)，修整進(jìn)給深度可能遠(yuǎn)小于變質(zhì)層，這深刻地影響了修整后的砂輪性能。
要完全修復(fù)CBN砂輪，用戶必須有較大進(jìn)給深度的修整器。我們還發(fā)現(xiàn)，修整分四次共進(jìn)給2微米與一次修整2微米相比，宏觀裂紋最小，且修整消除了變質(zhì)層。
3、磨粒的脫落階段
通過對(duì)CBN和結(jié)合劑性質(zhì)的研究，制造商能夠?qū)π拚^程重新定義。但即使根據(jù)以上理論將修整過程最佳化，砂輪也需要經(jīng)過修整時(shí)結(jié)合不牢的磨粒和殘余結(jié)合劑的脫落階段。
一般情況下，砂輪經(jīng)一定數(shù)量零件磨削、修整后，磨削力、砂輪磨損、表面變化的過程如圖1所示。修整后，磨削力相對(duì)較大，但磨削幾個(gè)零件后磨削力迅速下降。一般，每一修整周期的2%～10%的零件受到這一變化的影響。在砂輪性能不穩(wěn)定的這一階段，零件質(zhì)量還受到工件和砂輪軸偏心的影響，同時(shí)砂輪磨損更快，表面粗糙度迅速增大。為解決這些問題，用戶必須在每個(gè)零件磨削后檢查砂輪的性能，在下個(gè)零件磨削前做必要的調(diào)整。
砂輪修整和使用以及磨削變質(zhì)層直接決定了修整后磨削力下降的程度。一般新砂輪磨削力的下降比已使用幾個(gè)修整周期的砂輪快。
最初的脫落期后，磨削表面質(zhì)量逐漸提高，磨削力趨于穩(wěn)定，磨損速度趨緩，磨削變質(zhì)層逐漸加深，砂輪在磨削中磨掉了結(jié)合劑而變得更加鋒利。最后，砂輪結(jié)合劑太少，砂輪開始快速磨損。這時(shí)，磨損使砂輪直徑減小，砂輪與磨削工件不再接觸，磨削力迅速下降。
4、確保修整器與砂輪的精確接觸
CBN砂輪制造商已經(jīng)開發(fā)了新技術(shù)用以滿足修整中關(guān)于每步進(jìn)給修整量、總進(jìn)給修整量、修整速率和橫向修整速度等的技術(shù)要求。這些措施由接觸傳感器和適應(yīng)控制來實(shí)現(xiàn)。
修整外圓柱面磨削砂輪時(shí)，制造商設(shè)計(jì)出了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)較淺的修整砂輪的系統(tǒng)。外圓磨削系統(tǒng)相對(duì)剛性較好，磨削力的變化一般不會(huì)降低工件的質(zhì)量。用戶要確保砂輪表面不要太光滑，以免燒傷工件，所以可以修得粗一些。要獲得具有滿意特性的砂輪，用戶應(yīng)選擇只產(chǎn)生小的微觀裂紋和保持砂輪表面CBN磨粒密度高的修整參數(shù)。
圖2給出了使用各種CBN砂輪磨削圓柱面特別是凸輪軸的典型砂輪磨損曲線。如圖2所示，剛開始圓柱面磨削時(shí)，砂輪磨損一般是2～3μm，特殊情況可達(dá)10μm。為使每次修整磨削更多的工件，用戶可在砂輪磨損15μm甚至更大時(shí)再修整砂輪。為保持砂輪磨損適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)層，用戶就要將砂輪修整幾個(gè)微米，一般修整參數(shù)是：切削速比為+0.2～+0.5，總修整深度為3μm～10μm，每次修整深度為0.25～3μm。
根據(jù)以上理論，我們采用泰利萊B64型CBN砂輪，意大利金飛（GAMFIER）電主軸，泰利萊金剛石杯形修整器，3MZ203全自動(dòng)內(nèi)圓磨床，磨削滾動(dòng)軸承內(nèi)圈6203/02，結(jié)果每磨削200件，修整砂輪2μm，磨削工件尺寸分散4μm，橢圓2μm，錐度2μm，表面粗糙度Ra值0.2μm，磨削比提高了70倍。保持這些參數(shù)最困難的是機(jī)床在修整中的熱傳遞。修整過程中，機(jī)床溫度的變化導(dǎo)致修整器與砂輪間的位置偏移甚至比修整量還大，檢測和補(bǔ)償這些誤差，用戶需要一些精確測定修整器和砂輪相對(duì)位置的方法。
現(xiàn)在大多采用在修整器與砂輪確切接觸時(shí)探測修整器與砂輪的相對(duì)位置。有些采取檢測磨削功率或磨削力的方法來探測是否接觸。使用壓電效應(yīng)或應(yīng)變儀檢測磨削力的方法廣泛應(yīng)用于內(nèi)圓磨削。有一種新方法采用一套壓電元件探測磨削力并轉(zhuǎn)化成修整器的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
另一種方法采用聲發(fā)射原理，AE傳感器是外圓柱面磨削最有效、最簡單的方法。AE傳感器工作在50-600K的頻率范圍內(nèi)，拾取修整器金剛石修整 CBN磨粒的聲音信號(hào)，大多數(shù)裝置能夠精確拾取給定砂輪速度和磨粒尺寸砂輪的聲音頻率。
固定傳感器等硬件的位置對(duì)傳感器的精度有很大的影響。如果AE傳感器未能可靠的固定在機(jī)床上，主軸軸承的噪聲就會(huì)屏蔽聲音信號(hào)。如果傳感器裝在修整器主軸殼體上，信號(hào)經(jīng)過軸承后也會(huì)減弱。用戶可用模擬信號(hào)儀估計(jì)信噪比，大多數(shù)AE系統(tǒng)都能提供拾取信號(hào)的圖形，在這些圖形上，修整器修整砂輪的信號(hào)表示為在低的背景噪聲信號(hào)上的脈沖峰值。
我們測試了安裝在CNC凸輪磨床上的AE聲發(fā)射系統(tǒng)，這種磨床配備了高頻回轉(zhuǎn)式修整器，金剛石修整輪和陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪。修整前機(jī)床曾磨削較窄的零件并在砂輪表面的中部留下了磨損帶。
首次修整，每循環(huán)進(jìn)給2.5μm,砂輪全長共修整50μm，當(dāng)傳感器探測到較大的幅值時(shí)，最后的一次修整循環(huán)就只進(jìn)給1μm。修整器剛接觸砂輪時(shí)，傳感器在砂輪兩端探測到兩個(gè)高點(diǎn)，這種情況持續(xù)了三個(gè)循環(huán)，然后修整器與整個(gè)砂輪表面接觸，傳感器探測到1μm進(jìn)給深度的信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)，傳感器系統(tǒng)在這種磨床上可以不受主軸軸承噪聲的影響探測到 0.25μm 進(jìn)給深度的信號(hào)。
然而研究發(fā)現(xiàn)，一次進(jìn)給修整和數(shù)次進(jìn)給修整同樣進(jìn)給量的修整結(jié)果存在差異，一般是1～2μm，粗磨粒外圓磨削修整進(jìn)給量是8～10μm，這個(gè)差異不足以嚴(yán)重影響砂輪的性能，減小每次修整進(jìn)給量會(huì)縮小這個(gè)差異，但這實(shí)際上會(huì)增加修整循環(huán)時(shí)間。
另一種能夠消除軸承噪聲的AE檢測方法正在開發(fā)。這種方法由獨(dú)立的探針接觸砂輪來獲取聲信號(hào)確定砂輪的位置，砂輪修整到所需的量時(shí)，探針再次接觸砂輪校準(zhǔn)探針與修整器的位置，并補(bǔ)償修整器的磨損。由于探針與修整器緊密接觸，機(jī)床的熱傳導(dǎo)不會(huì)影響它們的相對(duì)位置，但探針磨損將引起1～2μm的誤差，這個(gè)方法的另一弊端在于系統(tǒng)不能分析全部砂輪的信號(hào)，因?yàn)樘结樦唤佑|砂輪的一個(gè)位置，同時(shí)接觸過程必須干噪以免冷卻液錯(cuò)誤信號(hào)的干擾。相對(duì)來說這些都是次要的問題，同修整進(jìn)給量控制方法一樣，探針控制法已在全世界成功使用了。
5、CBN砂輪內(nèi)圓磨削的挑戰(zhàn)
陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪內(nèi)圓磨削要求一種全新的修整條件?，F(xiàn)代內(nèi)圓磨床具有超精密的進(jìn)給精度，修整時(shí)間通常遠(yuǎn)比外圓磨床短，這是因?yàn)槟ハ鞯墓ぜ话爿^小，磨削周期較短。所以砂輪磨削一定量的工件后修整時(shí)，內(nèi)圓磨削修整所用時(shí)間就應(yīng)比外圓磨削短。一般修整時(shí)間短到機(jī)床的熱傳導(dǎo)不足以影響砂輪和修整器的相對(duì)位置，實(shí)際上，在穩(wěn)定的操作條件下，內(nèi)圓磨床可保證1μm的總修整進(jìn)給量，內(nèi)圓磨床一般較穩(wěn)定，只有高精度的系統(tǒng)才使用傳感器精確保證超高精度的公差。
CBN砂輪內(nèi)圓磨削的最大問題是修整時(shí)磨削力的變化引起的變形，內(nèi)圓磨削的砂輪接桿本來就很弱，磨削力的任何變化都會(huì)引起接桿的變形，這些又將影響工件的尺寸、錐度和圓度。很多情況下，有些措施可使這個(gè)問題最小化，其中之一是重新設(shè)計(jì)砂輪接桿，通過減小長度、增大直徑、采用高剛性材料如鉬鋼或亞碳化鈦合金，圖3所示。
優(yōu)化修整參數(shù)也可減小接桿變形，內(nèi)圓磨削的修整參數(shù)不同于外圓磨削，內(nèi)圓磨削的微觀裂 紋不是問題，因?yàn)槟チ１韧鈭A磨削小得多，所以可加大切削速比以增加砂輪的鋒利度而不必?fù)?dān)心砂輪表面的磨粒密度的減小，開發(fā)旋轉(zhuǎn)修整器也是為增加砂輪的鋒利度，減小變質(zhì)層，總的修整進(jìn)給量只需不到2μm，砂輪需要多次修整，內(nèi)圓磨削典型的修整參數(shù)是：修整速比為 +0.8 ，總修整進(jìn)給量≤2μm，一次修整除了高剛性接桿和優(yōu)化修整參數(shù)外，砂輪制造商還開發(fā)了有益于減小砂輪變形的特殊的陶瓷結(jié)合劑，目的是減小修整磨削力。他們開發(fā)出有一定耐用度的多孔結(jié) 構(gòu)砂輪，這種砂輪在汽車和軸承行業(yè)取得了巨大的成功，特別適用于要求尺寸公差≤2μm和高效率的場合。同時(shí)因?yàn)闈櫥Ч?，CBN砂輪磨削采用油冷卻的效果較好，而出于其它的原因，磨削趨向于采用乳化油或其它合成物，這樣CBN砂輪的耐用度就會(huì)受到影響。
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