机械专业毕业设计（论文）-超硬磨料磨具的磨削技术研究.doc

学号： 南湖学院 毕 业 设 计 题 目： 超硬磨料磨具的磨削技术研究 作 者届 别 系 别机械与电子工程系专 业 机械设计制造 及其自动化 指导老师职 称副教授 完成时间2011.05.16 南湖学院毕业设计 i 摘 要 立方氮化硼(cbn)是一类性能优越用途广泛的超硬材料，cbn 磨具是一类具有高 速度、高效率、高精度、低磨削成本，低环境污染的高性能磨具产品。其代表了当今 世界磨具产品发展的一个主要方向，具有广阔的发展前景。本文对 cbn 磨料的种类及 对 cbn 磨料的基本要求做了系统的阐述，在此基础之上，还对 cbn 磨具的组成及其 特点进行了分析。对影响 cbn 磨具性能的主要因素，cbn 磨具磨削对设备的要求进 行了分析研究。特别对 cbn 磨削中磨削液的选用进行了研究，磨削液的注入方式也是 应关注的问题之一。本文对 cbn 磨具的修整技术进行了较全面的研究，在 cbn 磨具 的应用技术中，cbn 磨具的修整技术占有非常重要的地位。通过对各种方法进行对比 试验及优选方法的正交试验，得出了最佳 cbn 磨具整形、修锐方法和最佳工艺参数， 试验结论与理论十分相符。 本文还对 cbn 磨具在汽车发动机加工中的实际应用情况进行了分析研究。在汽车 发动机凸轮轴加工过程中采用陶瓷结合剂 cbn 砂轮，可提高凸轮的表面质量，没有烧 伤、磨糊现象，减小廓形误差，节省修整砂轮和更换砂轮的时间，提高了劳动生产率， 降低了成本。在连杆大头孔珩磨中使用 cbn 珩磨条，可降低刀具费用 90以上，并 且提高了工件的几何精度和表面质量。 关键词： cbn(立方氮化硼)；磨削；凸轮轴；修整 南湖学院毕业设计 ii abstract cubic boron nitride(cbn)is a super hard material with many advantages and many usescubic boron nitride grinding tools is a promising abrasive tool of high performance used for high speed，high efficiency, high precision grinding with lower grinding cost and less environment pollution types and basic requests of cbn abrasives were discussed in this paper meanwhile characters and compositions of cbn grinding tools were analyzed in this parpen the research results also indicated factors that effect performance of cbn grinding tools and point out requests to the grinding machinefurthermore，this paper study on grinding coolants and dressing methods of cbn grinding toolsdressing methods are very important in application technology of cbn grinding toolsafter various experiments，optimul ti truing and dressing techniques were suggested consulting the present situation of enterprise，this paper study on the application of cbn grinding tools in motor vehicle manufacturesurface quality of camshaft and link have been ensured and lower cost has been obtained by using the cbn grinding wheelespecially at link honing，more than 90cost of cutting tools has been saved keywords：cbn；grinding；camshaft；grinding fluid 南湖学院毕业设计 iii 目 录 摘 要.i abstractii 第一章 绪 论.1 1.1 国内 cbn 磨具磨削技术发展概况1 1.2 cbn 磨具的磨削特性.1 1.3 cbn 磨具的应用.2 第二章 cbn 磨具性能及磨削技术的研究.5 2.1 cbn 磨料.5 2.2 cbn 磨具的分类及特点研究.8 2.2.1 cbn 磨具的组成特点.9 2.2.2 结合剂.10 2.2.3 气孔.10 2.3 影响 cbn 砂轮性能的主要因素分析11 2.4 cbn 陶瓷砂轮的性能调控.12 2.4.1 cbn 颗粒的表面镀覆处理.12 2.4.2 陶瓷结合剂配方的自动调控.13 2.5 cbn 磨削中磨削液的应用研究.15 2.5.1 磨削液的选择.16 2.5.2 磨削液的注入方式.16 2.6 cbn 磨具磨削对设备的要求.18 第三章 cbn 磨具的修整技术的研究.20 3.1 cbn 砂轮修整的概念.20 3.2 cbn 砂轮修整的数学模型与理论分析.21 3.3 整形方法和理论 23 第四章 cbn 磨具的磨削技术的应用研究.25 4.1 cbn 珩磨条 tj376q 发动机连杆大头孔珩磨中的应用25 4.1.1 珩磨加工的特点.25 4.1.2 cbn 珩磨油石.25 4.2 tj376q 发动机连杆大头孔珩磨工艺 26 4.2.1 国产 cbn 珩磨条应用验证28 南湖学院毕业设计 iv 4.2.2 验证数据的确定.29 4.2.3 验证结果.29 4.2.4 国产 cbn 珩磨条的经济效益30 第五章 总 结.31 参考文献.32 致 谢.33 南湖学院毕业设计 1 第一章 绪 论 本文对 cbn 磨料的种类及对 cbn 磨料的要求做了系统的阐述，对 cbn 磨具的组 成及其特点进行了分析，对影响 cbn 磨具性能的主要因素，cbn 磨具磨削对设备的 要求进行了分析研究。特别对 cbn 磨削中磨削液的选用及 cbn 磨具的修整技术做了 较全面的研究。本文最后还对 cbn 磨具在汽车发动机凸轮轴加工的实际应用情况进行 了分析研究。 1.1 国内 cbn 磨具磨削技术发展概况 cbn 磨具磨削作为新兴的磨削加工技术，已得到很快的发展和生产实际应用。但 主要集中在工业发达国家，我国 cbn 磨具应用量还比较小，主要应用在轿车生产线和 进口磨床上，并且 cbn 砂轮也以进口为主。存在差距的原因主要是因为： （1）国内 cbn 磨料生产技术水平还较低，cbn 磨料品种、数量和性能不能很好 地满足高性能 cbn 磨具的制造要求，并且缺少有关数据。 （2）对 cbn 磨具制造技术缺乏系统研究，制造技术水平不高，磨具性能不理想。 （3）机床水平落后，不能满足 cbn 磨具磨削应用要求。 （4）对 cbn 磨具磨削的修整装置和磨削液开发不够，对修整工艺和冷却工艺研 究较少，不能为 cbn 磨削应用提供有利的支持。 1.2 cbn 磨具的磨削特性 立方氮化硼(cbn)是超硬切削材料之一，它是氮与硼的化合物，是在约为 5000mpa 的高压及 1700的高温下形成的。它的硬度仅次于金刚石，但它和金刚石相 比却有如下优点。 （1）1200高温下仍可保持硬度不变。 （2） 有一定的韧性，它不仅可用于磨削强硬的铸铁，还可磨削强度大、硬度高 及热敏性高的钢件或其它合金材料。 （3）cbn 与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于磨削黑色金属，而能保持较高 的耐用度。cbn 制成的超硬磨料磨具，可应用于金属的磨削与珩磨，不仅可以代替普 通砂轮磨削，甚至可以实现铸、锻件毛坯的高速、高效一次性粗精磨，尤其适用于成 型、仿型及确定尺寸的精磨，其磨削质量和磨削效率较高、成本较低。国内外成熟的 使用经验已证明，cbn 砂轮磨削具有下述实用经济价值： 南湖学院毕业设计 2 （4）cbn 砂轮硬度相当于刚玉磨料砂轮硬度的 2 倍。其机械强度相当于碳化硅 磨料的 2 倍多，而其韧性比金刚石好，可以磨削各种高强度、高硬度的钢材与铸铁， 其磨具的耐用度与磨削效率是其他各种磨具所不及的。 （5）cbn 砂轮的导热性和热稳定性好，可承受 1300-1500的高温，其导热率 是刚玉(a1203)的 45 倍，热扩散率是 a1203 的 112 倍。cbn 砂轮特别适用于磨削热敏 性高的超硬高速钢和高硬度合金刚等，而不产生磨削烧伤裂纹 。 （6）cbn 化学惰性强、稳定性好，特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、钦合金、 镍基合金时，cbn 砂轮磨耗极小，其耐用度大约是普通砂轮的 1400 倍。 （7）cbn 砂轮磨削后的零件表面质量好，不产生磨削烧伤及龟裂等缺陷，并能 提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命 30%-50%，如 liton 工业自动化公司用 cbn 砂轮磨削凸轮轴，不仅成本降低 50%，而且凸轮表面的疲劳强度提高了 30%。 （8）cbn 砂轮磨削不需要频繁地修整砂轮。电镀或单层金属结合剂制成的 cbn 砂轮不需修整便可直接磨削。cbn 砂轮耐用度稿于普通砂轮数十倍。 （9）cbn 砂轮适宜于高速或超高速磨削，其效率是普通砂轮的 150-200 倍。总 之，采用 cbn 砂轮磨削虽然初始投资较大但其综合效益高。 1.3 cbn 磨具的应用 由于 cbn 砂轮磨削技术具有较多的优点，所以国外在 70 年代末便开始推广应用， 80 年代便相继应用于机床、工具制造业中的材料加工与复杂成型磨削，90 年代初便已 应用于航空、汽车、轴承与工具制造业。cbn 磨具应用行业及其所占比重见表 1-1。 若将 cbn 磨具磨削技术应用于国内汽车制造行业，例如凸轮轴、曲轴、连杆、缸体及 其它复杂成型或大余量粗精磨削工序等，便可大大提高其加工质量与效率，同时也提 高了机加工的工艺水平。 cbn 磨具在珩磨中的应用：由通用电器公司(ge)研制的 borazon 立方氮化硼，专 门采用了金属结合剂。这种立方氮化硼进行了复杂的表面处理，增强了晶粒与周围的 金属基体之间结合力。经实验，立方氮化硼油石比传统磨料(如 a1203)做成的油石要 优越的多。 珩磨过程（如图 1-1 所示）是立方氮化硼晶粒高速旋转从工件上切下切屑。切屑 不断产生，在晶粒前方磨出一个凹痕。同时，在珩磨过程中，油石在两个方向作往复 运动，切屑粘附在晶粒的两边，形成一个 v 形切屑沟。这些切屑沟容许切屑存留于晶 粒后面。 南湖学院毕业设计 3 表 1-1 cbn 磨具应用行业及其所占比重 序号行业名称用量比(%)本行业可用 cbnel(%) 1汽车2580 2轴承1838 3齿轮1228 4航空、航天1327 5工具1255 6其它2065 cbn 磨料高度 切屑 工件 图 1-1 珩磨过程 这可以说是因为立方氮化硼油石的宽度相对狭窄的原因。油石太宽，切屑排不出 来，可能积藏在油石和工件的交接面之间，在工件上产生不可控制的沟痕。研究表明: 结合剂的磨损与磨料的磨损应十分匹配，防止晶粒过早消耗。当结合剂的磨损可控制 时，就可在保持很高的磨削效率和使用油石的同时，获得良好的晶粒状态。 立方氮化硼金属结合剂油石的特点之一，是有一个特殊的像流星似的结合剂尾状 物，或叫支柱。这种支拄形成于晶粒后面，构成一个支撑，推动晶粒通过工件，防止 了晶粒的过早消耗。在传统的珩磨中，当油石变钝时，为恢复高速切削，操纵器会使 珩磨头反转，显露出新磨粒。然而，在立方氮化硼珩磨中，不需要这种反转。实际上， 由于这种反转破坏了“结合剂尾状物” ，从而是有害的。试验表明，立方氮化硼油石具 有下述优点: ( 1 ) 材料切除率高。用相等数量的立方氮化硼油石代替氧化铝油石，巧磨效率可 提高两倍。 ( 2 ) 磨损慢。其巧磨体积比（即去除材料体积与油石消耗体积之比）可达 800- 南湖学院毕业设计 4 1200，而典型的油石为 5-10。 ( 3 )孔加工精度较高。立方氮化硼油石即使在低工作压力下也能保持高速切削。 而氧化铝油石由于需要高工作压力以及高速切削能力差，工件内孔容易产生喇叭口或 腰鼓形。 ( 4 )珩磨过程均匀。立方氮化硼油石切削动作协调，故珩磨时间可预测。但氧化 铝油石在油石与油石之间通常缺乏均匀性，必需经常改变珩磨条件，以适应这种不协 调性。 ( 5 )珩磨噪声小。氧化铝油石，特别是以大切削用量珩磨时，常常产生刺耳的啸 叫声，不得不采取强制性措施保护听力。 ( 6 )产生的热量少。即使高速珩磨，立方氮化硼产生的热量也比氧化铝少。氧化 铝之所以产生过量的热，是因为要使油石晶粒破碎需要消耗大量的能量。使用立方氮 化硼，全部能量都用于去除工件材料，从而减少了能量的消耗。 南湖学院毕业设计 5 第二章 cbn 磨具性能及磨削技术的研究 2.1 cbn 磨料 cbn 是一种新型的超硬材料，以六方氮化硼为原料，碱金属或碱土金属或它们的 氮化物作触媒，在高压高温下转变为立方晶体的氮化硼，这个转变与石墨转变为金刚 石相似。cbn 和金刚石的结构图见图 2-1： 图 2-1 cbn 和金刚石的结构 cbn 与天然金刚石相比，有很多相似的性能，两者的性能比较见表 2-1 所示。 由于 cbn 具有优良的热稳定性，特别是对铁族金属的化学惰性好，所以它不易与钢材 起反应，磨削既硬又韧的钢材时具有独特的优点，耐磨性比普通磨料高 30-40 倍，在 加工高速钢，合金钢，耐热钢方面大大超过金刚石磨具的工作能力，也可以作为磨削 加工硬质合金及非金属材料之用。 表 2-1 cbn 与天然金刚石性能比较 物理参数cbn天然金刚石 化学组成bnc 晶体结构闪锌矿型金刚石型 晶格常数/nm0.36150.3567 最小原子间距/nm0.156(b-n)0.154(cc) 密度 3 /cmg3.483.52 熔点/3227(在 10.5mpa 下)3727(在 13mpa 下) 折射率2.117(0.583um)2.417 电阻率cm/1021030101015 介电常数4.55.58 硬度/hv750010000 热稳定性/(在空气中)1200 以上560700 南湖学院毕业设计 6 热导率/ 11 km 13002000 杨氏模量/gpa7201000 线膨胀系数/ “ m 2.1-2.310-6110-6 断裂韧性/mpa 大约 3.43.4 光学带隙/ev5.65.5 耐酸、耐碱 在酸中不浸蚀，在碱中约 300时被浸蚀 在酸和强碱中不浸蚀 目前，国内外已开发出多种品牌的立方氮化硼以适用于不同种类的结合剂，有关情况 见表 2-2，表 2-3。 ( 1 ) 对 cbn 质量的要求 以陶瓷结合剂中使用的立方氮硼磨粒为例，由于磨具烧结过程中，不仅要经受较 高温度作用，而且还会不可避免地与陶瓷结合剂中的各种组份接触，特别是其中起助 熔作用的各种组份如各种碱性氧化物(,),这些组份在高温时会与 cbn 发生如ona2ok2 下反应: ( 2-1 ) 2222 ononaonaonabn+ ( 2-2 ) 222222 hnobonaohonabn+ 表 2-2 borazon cbn 系列产品(美国 ge 公司) cbn 产 品 结合剂特性应用 型金属、陶瓷、电镀中等脆性、等体积晶体 型树脂镀金属衣的型晶体 500电镀韧性的块状晶体 精密磨削工具、 磨具钢、 超级高温合 金、 不锈钢以及其它淬硬合金钢 510金属、陶瓷 表面镀钦处理的 550 晶 体 精密磨削硬质和软质基合金和 铸铁 550金属、陶瓷特韧的微晶结构 560树脂金属镀覆的 550 晶体 570电镀特韧的、可镀 550 晶体 适宜对淬硬的和软质的铁基材料进行精 密磨削和用超硬磨料进行而又要求砂轮 特别细长的场合。 最适宜于需要磨料晶 体具有高热韧性的结合剂 微粉金属、陶瓷、电镀 中等脆性块状晶体未镀 覆 型树脂金属镀覆 对工具钢、 磨具钢、 不锈钢以及其它 淬硬合金钢进行抛光、研磨和精磨 上述反应说明高温烧结过程中结合剂对 cbn 造成一定的侵蚀，从而导致昂贵的结 晶完好棱角分明的 cbn 单晶侵蚀变细，失去有效的切削能力，使 cbn 强度受损，而 南湖学院毕业设计 7 且分解产生的气体在 cbn 陶瓷结合剂界面处富集，生成气泡，从而使两者界面间的结 合强度大大降低，减少了结合剂对 cbn 的把持力，因此，要求所选用的 cbn 单晶必 须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的特点。这样才能使制成的陶瓷结合剂 立方氮化硼磨具发挥良好的作用。 表 2-3 国产 cbn 产品 适用范围 品种代号 单颗粒抗压强度(n)(以 70/80 为代表)粒度用途 立方氮化硼 型 cbn i 不低于 19.6 40/50325/400 w40w0.5 制造树脂结合剂磨 具和研磨用 立方氮化硼 型 cbn 不低于 27.4440/50325/400 制造陶瓷、金属电 镀结合剂磨具 ( 2 ) 对 cbn 粒度的要求 磨具所用磨料的粒度，必须针对加工条件、加工要求以及最佳粒度范围综合加以 考虑进行选择。一般考虑加工表面粗糙度、加工效率和磨具寿命这三个主要因素，见 表 2-4。 表 2-4 对 cbn 粒度要求 选择因素选择方法 加工表面粗 糙度 与普通磨料相比，若要达到相同的加工表面粗糙度，选用粒度比普通磨料磨具细 1-2 个粒度号 加工效率在满足加工表面粗糙度的前提下，尽可能选用粗的粒度，以提高加工效率 磨具寿命 一般来讲，树脂结合剂磨具选用 100/120 以内，陶瓷结合剂在 100/120170/200 以内，金属结合剂粒度在 0/80.230/270 以内 ( 3 ) 对 cbn 浓度的要求 一般来讲，磨具浓度越高，其寿命越长，磨削效率增高，但磨具成本增加，选用 应综合考虑以下几个方面： 1）结合剂的结合能力强弱选择不同的浓度。由于结合剂对磨粒把持力不同，故其 合适的浓度范围也不同，参见表 25。 2）要求加工效率高，形状保持性好的成型磨削，浓度应选高一些，一般选用 。 %150%100 3）细粒度磨具浓度应低一些，对于抛光和低粗糙度磨削，常用细磨粒度的树脂结 合剂磨具，选用较低浓度。 %75%50 南湖学院毕业设计 8 表 25 结合剂的结合能力强弱 浓度范围(%) 结合剂类型 金刚石磨具立方氮化硼磨具 树脂507575100 陶瓷7510075125 青铜100150100150 4）粗磨时采用粗粒度及高浓度磨具，半精磨和精磨时采用中等浓度和低浓度磨具。 5）对于同一种结合剂来讲，立方氮化硼磨具浓度可略高于金刚石磨具。 表 2-6 不同结合剂 cbn 磨具性能及用途比较 种 类 结合剂及其 制造 结合剂特性磨具结构 整形和开 刃修整 磨具特性主要用途 树 脂 磨 具 热硬化树脂， 加热加压硬 化 弹性好热作用下 对磨粒把持力差， 用填料可以改善 性能 磨粒被埋 入结合剂 内，无气 孔 酝酿金刚 wa 油石破 碎修整 使用时感 到磨具软， 自立性能 好 适用于工基具 的磨削和机械 零件的磨削 金 属 磨 具 金属粉末， 金属烧结法 刚性好，把 持磨粒性能 磨粒被埋 入结合剂 内，无气 孔 开刃修整耐用度高 用于沟槽及 研磨加工 陶 瓷 磨 具 陶瓷一玻璃 质，高温烧 刚性好，把 持磨粒性能 好，耐热性 好 由结合剂 把持磨粒， 有气孔 金刚石笔 修整，碗 形金钢石 磨具修 适于高精 密加工， 表面光洁 度好，耐 用度高 精密加工 电 镀 磨 具 金属电镀法 把持磨粒性能好 在基体上 固定单层 磨粒 一般不进 行修整 可制造异 型磨具及 小磨 适于成型磨 削 . 2.2 cbn 磨具的分类及特点研究 cbn 磨具分为金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷结合剂 南湖学院毕业设计 9 磨具四类。不同结合剂种类的 cbn 磨具消耗量的分布情况如图 2-2 所示。 其中树脂结合剂占 60%，电镀结合剂占 15%，烧结金属结合剂占 13%，陶瓷结合剂占 12%，但是对于金属结合剂的 cbn 磨具只适用于低速加工的珩磨领域，由于它与被加 工对象金属材料易粘着、烧伤工件，所以不能充分发挥 cbn 高速高效加工要求。 而 树脂结合剂 cbn 磨具由于结合剂导热性差，结合剂对磨粒把能力差等原因，也受到限 制。尽管现在我国广泛使用树脂结合剂 cbn 磨具在工业发达国家则大力发展陶瓷结合 剂 cbn 磨具，树脂结合剂 cbn 磨具下降。陶瓷结合剂是理想的结合剂，还因为它可 以制成所要求的孔隙度，而脂和金属结合剂磨具孔隙小，甚至无孔隙，磨削加工低硬 度，低合金钢材时产生长条状切屑，陶瓷结合剂磨具的孔隙提供了一个有效的容屑空 间，陶瓷合剂的开孔结构便于使用旋转式金刚石修整器，并且当磨削时可以防止表面 挤压。不同种类结合剂 cbn 磨具磨削能耗比的对比，如图 2-2 所示。 陶瓷电镀树脂 青铜 图 2-2 不同种类结合剂 cbn 磨具磨削能耗比的对比 由图 2-2 可见陶瓷结合剂 cbn 磨具有最低的比磨削能，而金属结合剂 cbn 磨具 是最高的，由于比磨削能是磨削效率的一种量度，指的是磨具与加工工件的磨耗质量 比，所以可以清楚的看出，陶瓷结合剂 cbn 是所有所试验的磨具中磨削效率最高的。 2.2.1 cbn 磨具的组成特点 磨具是由磨粒、结合剂、气孔三要素组成。普通磨料的陶瓷结合剂磨具，其结合 剂用量范围为 5-25(vol%)，磨粒在磨具中所占体积分数范围为 4-68(vol%)，气孔所占 分数范围为 17-55(vol%)，三者之间的关系如图 2-3 所示。 南湖学院毕业设计 10 vk%vb% vp% b e p cd f g a s 图 2-3 陶瓷磨具内各组织体积百分数三角图 图 2-3 是陶瓷磨具的“磨粒结合剂气孔”三角坐标。坐标中 vk 代表磨粒率，vb 代表结合剂率，vp 代表气孔率，ae 线是最低填充密度极限，bc 线是最高填充密度极 限，de 线是最大结合剂当量。由 aedcb 围成的多边形印区是可以制造的普通陶瓷磨 具的“磨粒结合剂气孔”范围。efdg 围成的 s 区为 cbn 陶瓷磨具合适的制造范围， cbn 陶瓷磨具的结合剂用量范围为 25-70(vol%)，cbn 用量为 14-58(vol%)，磨具中气 孔所占体积分数为 17-34(vol%)，制造 cbn 陶瓷磨具最常用的结合剂用量为 20-40(vol%)。 2.2.2 结合剂 结合剂主要作用有三：把磨粒粘结在一起，做成各种形状的磨具；使磨具固 结后，能承受一定的磨削力用下能产生不同的自动脱落能力。即制成各种磨具硬度， 工作时产生自 锐作用，结合剂和回转切应力，具有足够的回转强度；使表面磨粒磨 钝后，受外力作在磨具中是以把持磨粒而存在的，结合剂随磨粒的分布而分布，其分 布情况有两种；结合剂包裹着磨粒或者与磨粒表面产生物理化学变化而形成结合剂 与磨粒的连接体，并具有一定的结合强度，其强度与结合剂对磨粒的反应能力和润湿 粘附能力有关；磨粒与磨粒之间以结合剂“桥”连接，结合剂桥的强度决定于结合 剂本身的强度，与其本身的矿物和化学组分以及焙烧工艺有关。 结合剂在磨具磨削过程中，不起磨削作用，但与工件产生摩擦或抛光作用，所以 一般情况下，只要结合剂满足磨具硬度和强度要求时，应尽量减少结合剂用量。 2.2.3 气孔 气孔也是磨具重要组成部分，是指磨具内磨粒之间的间隙和磨粒与结合剂或结合 剂之间的间隙。气孔在磨具中的分布形式有两种：气孔分布于结合剂中，磨粒之间形 南湖学院毕业设计 11 成结合桥，这种气孔在磨削过程中起到有利的作用气孔位于磨粒之间，致使磨粒在磨 削过程中容易脱落，把持力减弱，或者在结合桥中有微气孔的存在，结合剂的结合强 度差。 在陶瓷磨具中，气孔的存在有两大好处：这些气孔中能充满冷却剂和磨削液， 并携带到磨削区，致使更好的冷却和润滑，这样减少了摩擦热，延长了磨具的使用寿 命；气孔可以容纳切屑，使磨具更好地进行切削，因此切削效率高且减少磨具的磨 损。 一般情况，只要确定磨粒和结合剂含量，控制磨具的体积密度，则气孔率相应确 定，气孔是随磨粒结合剂不规则分布变化而变化。如果由于磨削上的需要，需要控制 气孔尺寸时，必须加入造气孔材料，使磨具的气孔符合特定要求，气孔的尺寸可以从。 5-4mm 范围内调整。加入的造孔材料有奈粒、焦碳粒、核桃壳粒等硬果壳、空心刚玉 粒等。造孔材料的颗粒尺寸及形状与要求磨具的气孔尺寸及形状基本相同。 2.3 影响 cbn 砂轮性能的主要因素分析 过去判断磨具的性能，主要是从被磨加工工件的表面精加工形状、尺寸的几何精 度来确定的，而现在残留应力是重要的品质基准之一。而残留应力的状态是受工具锐 利性和适用加工的参数所影响的。除磨削加工机械、工件等必要条件外，还有以下几 点是影响砂轮性能的因素。 (1)砂轮规格 cbn 砂轮的性能，是靠 cbn 磨粒的形状、尺寸、浓度、磨料的总量(也包括二次 磨粒)及结合剂的组成、结合剂量和气孔率等决定的，在一定的限度内是可以变化的。 (2)cbn 磨粒的特性和形状 所谓理想的磨料必须是非常强韧的，高硬度，并具有优异的耐磨耗性。还由于有 微小的破碎而产生新的锐利的磨削刃。另外，要有热稳定性，在化学方面与工件的反 应是非活性。所有的 cbn 特性和形状，从广义上说具有类似的性质:为高硬度、耐热， 磨削钢材时，呈化学惰情性等。 (3)浓度 为了解 cbn 浓度对工具寿命的影响，在只改变浓度的条件下进行了研究。cbn 浓度高时，g 比也大；在相同条件下，浓度为 150 的砂轮是 2 倍的 g 比值，浓度为 200 的砂轮，为 4-5 倍的 g 比值。因此，陶瓷结合剂 cbn 砂轮，其浓度不能低于 75 以下，砂轮的能量率(比能)是判断在磨削时，砂轮的效率的有效法；磨削能量率的值， 随 cbn 浓度的增加而大幅度减少。 (4)磨粒的尺寸 南湖学院毕业设计 12 一般磨粒做成陶瓷结合剂砂轮，磨粒越细，磨削作用越“硬” ，砂轮寿命长，这是 众所周知的。而陶瓷结合剂 abn600 的砂轮，作缓进给强力磨时，其粒度越粗，越能 提高 g 比。 (5)结合剂的硬度 结合剂的硬度对 cbn 砂轮的 g 比是有影响的：在往复磨削时，切深 10 微米，砂 轮的寿命随结合剂硬度的增加而直线增加；切深增至 2 倍，g 比的曲线变低；随结合 剂硬度的增加，磨削性能稍有上升。砂轮的寿命，一般来说，往复磨削时，结合剂硬 度越高，砂轮寿命长。浓度为 100 的小砂轮和浓度为 75 的大砂轮具有同样的倾向，即： 结合剂硬度增大，可提高 g 比，但浓度为 200 的砂轮不是这样。这是由于结合剂中成 分之间的相互关系作用，结合剂的体积比，浓度为 200 的砂轮体积比小于浓度为 100 的砂轮。 (6)整形和修整 对 cbn 砂轮的整形和修锐会影响工件的表面粗糙度，但激烈地修整，会减少砂轮 的寿命的。因此，修整条件应该是在自生刃稳定的状况下，形成接近于磨削时的表面 形状。这样，修整后的磨削力是与某种程度的磨削后的磨削力非常近似的。 (7)冷却液 一般来说，冷却液的选择是由磨粒的形状，工件材质、加工参数、环境卫生规定 来决定。 2.4 cbn 陶瓷砂轮的性能调控 cbn 陶瓷砂轮性能的可控问题，是砂轮与被加工工件高度相适应的问题，关系到 加工效率、质量乃至加工成本等诸方面，其实，这一问题是砂轮制造中的核心问题只 有砂轮性能合适，才能在工件软硬、韧脆、加工精度等各种不同要求前提下达到最为 满意的效果。因此，通过对 cbn 磨料的处理、陶瓷结合剂组分的调整以及工艺参数的 改变来实现对陶瓷结合剂 cbn 砂轮性能的调控。 2.4.1 cbn 颗粒的表面镀覆处理 通过在 cbn 颗粒的表面镀覆亲和性的金属如 ti 等可有效防止陶瓷结合剂中低熔 组分如、等对 cbn 的侵蚀，同时可改善 cbn 磨粒对陶瓷结合剂组ona2ok2oli2 分的敏感性，使陶瓷结合剂中组分的调整具有更大的灵活性。采用由燕山大学开发的 超硬材料真空微蒸发镀附技术可实现对 cbn 颗粒表面的金属镀覆。通过镀覆处理，使 cbn 具有了性能连续过渡的微观结构，为陶瓷结合剂的组份与性能调控奠定了基础。 南湖学院毕业设计 13 2.4.2 陶瓷结合剂配方的自动调控 通过计算机辅助设计，编制程序可对陶瓷结合剂的组分和性能进行快速、高效调 整，使其满足各方面的要求。 （1）基本算法 因为 cbn 陶瓷砂轮制造所使用的陶瓷结合剂属玻化结合剂。故陶瓷结合剂性质的计算 可采用干福熹先生的无机氧化物玻化陶瓷结合剂物理性质计算体系，利用简单的加和 法则来计算玻化陶瓷结合剂的性质 g 参见公式( 2-1) （2-1） rigig 式中各组份在陶瓷结合剂中的部分性质计算系数，gi 各组份的分子分数ri 在该计算体系中利用分子分数表达结合剂中各组份间的比例，以及进行性质计算。 当陶瓷结合剂成分用重量百分数表示时，必须先借助各氧化物分子量将其换算成分子 分数；而当比例成分用分子百分数时，为了便于以后的配料，则计算机可自动将分子 百分数换算成重量百分数。将 l5 种氧化物的部分性质参数以及在不同系统结合剂中gi 计算这些部分性质的公式，编人计算程序。根据各组份在结合剂中的结构状态不同， 有些氧化物的部分性质为常数，有些则随结合剂化学组成而变化。用计算机计算结合 剂性质首先就要将化合物的部分性质的数据或公式编写好程序输入计算机内。gi （2）算法实现 根据上述玻化陶瓷结合剂性质的计算方法，程序流程图如图 2-4 所示。 南湖学院毕业设计 14 开 始 输入n,d,e,zf 1=g01、g02j，j 判断序号对应关系 设逻辑变量，以判断系统的属性 判断有无网络生成体 判断d是否为100% di=100 m=e(i) m3 g02.eq2 多元系统 switch(s) g1=bi,k 1+1=1 mol%wt%wt%mol% 二元系统l4l5l15 g=g1di 输 出 图 2-4 程序流程图 程序内容包括： 输入部分：其中包括 l5 种氧化物的分子量、恒值的部分性质、玻化陶瓷结合剂成分； 判断部分：判断输入的是分子百分数还是重量百分数，玻化陶瓷结合剂组份是何种 化合物，玻化陶瓷结合剂系统是二元系统还是多元系统，是不是磷酸盐系统玻化陶瓷 结合剂等； 计算部分：包括玻化陶瓷结台剂成分换算，部分性质随玻化陶瓷结台剂成组份而变 化的氧化物的部分性质的计算和玻化陶瓷结合剂性质的计算； 输出部分：输出玻化陶瓷结合剂成分（重量百分数和分子百分数同时输出） ，各组份 的部分性质，玻化陶瓷结台剂的 15 种氧化物物理性质。 （3）程序编写与功能 根据上述流程图，利用 fortran 语言编写相应的计算程序并进行程序的调试， 改正程序中出现的各种错误(源程序略)。 南湖学院毕业设计 15 (,oli2ona2ok2beomgo 32o alcaosrobaoznocdopbo 32o b 2 sio 32o p )任意组合的无机氧化物玻化陶瓷结合剂系统的主要物理性质的自动计算，并能同时输 出玻化陶瓷结合剂配方的重量百分数和分子百分数。 （4）计算实例 利用该程序对不同系统的玻化陶瓷结合剂的物理性质进行了计算，具体例子有关 数据见表 2-7。 表 2-7 不系统玻化陶瓷结合剂的化学组成 编号 2 sio 32o p 32o alcaoona2ok2 172.3227.68 258.4524.9216.63 355.829.7823.1411.36 468.4211.177.8512.56 568.506.503.008.0014.00 经过计算机的自动运算，得到对应的玻化陶瓷结合剂的主要物理性质见表 2-8 所示。 表 2-8 玻化陶瓷结台剂的主要物理性质 主要物理性质12345 膨胀系数 17 10 ca o 134.8591.58167.3167.5386.61 弹性模量 25 /10cmkge 6.063.456.747.277.71 剪切模量 25 /10cmkgg 2.441.632.642.963.14 导热系数cscmcal 05 ./1022.5323.4518.5725.0824.73 密度 3 /cmg2.452.122.582.552.56 将通过该程序计算得到的有关性能指标与实际样品测试所得的对应指标进行对 比 分析发现，二者相当吻合，说明该计算程序计算结果准确可信，具有实用价值。 2.5 cbn 磨削中磨削液的应用研究 cbn 高速磨削以其优异的加工精度和磨削性能，己成为广泛采用的磨削加工方法。 特别是近年来超高速磨削的兴起，突破了以往的磨削效率极限，实现了对难磨材料的 高性能磨削，使磨削加工的能力及范围日益扩大，成为可与车、铣、刨等切削加工相 竟争的新加工工艺。 磨削形成的磨削区高温，会引起 cbn 砂轮的过度磨损，使工件表面完整性恶化， 严重影响着零件加工精度的提高。因此，选择合适的磨削液及针对 cbn 高速磨削的自 身特点研究开发磨削液的相关应用技术，对进一步完善与提高 cbn 磨削技术的应用水 平具有十分重要的意义。目前，对于磨削液的综合研究己作为高速磨削的一大支持技 南湖学院毕业设计 16 术格外引人注目，成为这一集成高技术领域的重要组成部分。 2.5.1 磨削液的选择 磨削液的功能主要有以下四个方面：（1）润滑作用；（2）冷却作用；（3）清洗 作用；（4）防锈作用等。对于高速磨削，由于磨除效率高，发热量大，因此对高速磨 削液的润滑性及冷却性能要求很高，另外还应对磨削液的第二层功能，即防腐性、防 火性、消泡性、无害性以及抗氧化安定性等加以足够重视。 油基磨削液（矿物油）的润滑作用比水基磨削液优越，它不仅可以防止 cbn 磨粒切刃 的磨耗，抑制 cbn 的水解反应，提高砂轮耐用度，而且可以有效地降低磨削功率，减 少磨削热的产生及提高工件的表面完整性。如果在油基磨削液中加入硫系及氯系极压 添加剂则可获得更为优越的效果。这一点在以高速磨削为基础的高效深磨中表现得尤 为突出。在同样的磨除率下，使用油基磨削液可使磨削比增大 5-10 倍甚至更多，而且 速度越高，效果就越明显。 但是，油基磨削液在工作时油雾很大，极容易产生冒烟，起火等。因此针对于油 基磨削液的使用必须进行防火安全保护及采用可靠的油气分离技术。尝试以一种含有 多量的表面活性剂、油性剂、极压添加剂的特殊水基磨削液来代替油基磨削液，从而 增强安全性能，降低磨削液的综合应用成本是磨削液发展的新趋势。 密闭的 cbn 高效磨床上必须使用低泡磨削液。否则伴随着磨削液流量的增大及压 力提高，磨削液中的气泡会严重影响到磨削液的实际供液量，使磨削区得不到充分的 冷却及润滑。防止磨削液的过早腐败，是关系到磨削效率的另一重要因素，频繁地更 换磨削液，会使工件磨削质量及磨削加工效率大打折扣。防锈性是以钢铁材料为主要 加工对象的 cbn 磨削的必须要求。 2.5.2 磨削液的注入方式 （1）高速砂轮周边的气障 如图 2-5 所示，在高速回转的砂轮表面存在有四种回转气流：圆周环流；浸透流； 内部流及径向流。这是由于砂轮表面与空气的摩擦以及离心力作用造成的。砂轮速度 越高，空气层越厚，特别是在砂轮表面，出现了很陡的速度梯度。同时，砂轮罩的设 置会使砂轮周围的空气动压力增大约 50%。在高速回转的工件表面也存在有空气流动 层(但只有浸透流和圆周环流)。空气层的存在使得磨削液难以进入磨削区。普通的供 液方法，如滴注法或浇注法等在高速磨削中冷却效果与干磨无异。 南湖学院毕业设计 17 1.浸透流 2.径向流 3.内部流4.圆周环流 图 2-5 砂轮周边 4 种气流 （2）高速磨削中磨削液的供液方法 根据磨削液注入方法的使用原理，可将其分为以下几种： 1）设备空气挡板在砂轮外周面及侧面设置可调节的气流挡板，阻滞空气向磨削区 的快速流动，使磨削液顺利磨削区，喷嘴是此法的典型设计。 2）高压喷射法，提高供液压力，将磨削液高速喷出，冲破环绕砂轮表面的强力气 流而进入磨削区，将磨削热迅速带走，同时清除砂轮表面的切屑。砂轮转速越高，磨 削液所需压力也就越大。在超高速度深磨中一般使用压力在几至几十 mpa 的冷却液， 采用高压供液系统。喷液压力的提高是有一定限度的，因为压力过高会引起磨削液发 热并易使空气渗入，同时进一步加剧了磨削液飞溅与雾化。 3）砂轮内冷却法。利用砂轮本身的结构特点将磨削液直接引入磨削区，为目前使 用的几种内冷却砂轮结构。为直接利用了砂轮气孔渗透磨削液，则是在砂轮基体向开 孔或侧面开槽，将磨削液注入磨削区。这几种方法在磨削耐热钢及耐热合金方面都取 得了良 好的效果。此系统需配置高精度的过滤装置及消雾设备。这两种方法可为以金 属为基体的超高速砂轮设计所采用。 4）自加速法。利用液体动压原理，使磨削液获得与砂轮周速相当的速度，从而产 生同步冷却效应。喷嘴内衬的锯齿形结构是为了限制磨削液的径向甩离。此结构对砂 轮清洗作用强烈。可有效地防止砂轮粘结及阻塞，但冷却效果不是很理想。砂轮磨损 时需要对喷嘴及砂轮外周面的间隙进行调整。利用楔形结构也可获得动压清洗效果， 原理同上。自加速结构使得它在更高速度的磨削中效果会愈明显。但它的“制动效应” 可占去砂轮总驱动功率的 1/3 以上。 5）直角喷嘴。直角喷嘴的设计简单，但效果突出，已广泛地为高速磨削所采用。 从磨削区的磨削液压力 p 测定试验可以看出直角喷嘴在很宽的砂轮速度 v 范围内基本 南湖学院毕业设计 18 上消除了空气流对磨削液的阻滞影响。 由于 cbn 高速磨削工艺应用的范围很广，所以应当根据磨削液在不同使用条件下 的具体特征来选择恰当的磨削液及供液方法。在实际应用中，一般是将各种供液方式 取长补短，进行组合设计来获得更为有利的磨削效果。 2.6 cbn 磨具磨削对设备的要求 成功使用 cbn 磨具的磨床必须具备所需的稳定性、调整装置、定位系统、测量系 统、主轴速度和冷却系统。 （1）稳定性 机床必须具有足够强度、刚性以承受动态负载和减小振动。加工过程中产生的热 量和从周围环境传给机床的热量可使磨床产生严重变形。因此，还需要考虑减小这些 变形的某些关键因素，例如主轴尺寸、夹具以及砂轮轴和工件之间的距离等。 （2）调整装置 对 cbn 砂轮的特殊保护和调整是必不可少的。尽管定义各异，但调整通常是指对 砂轮进行整形和修锐。整形是指砂轮的圆度和平衡性，修锐是指砂轮表面磨粒的状态。 调整的方法主要取决于 cbn 砂轮类型、结合剂类型及应用要求。树脂金属结合剂 砂轮需要分别进行整形和修锐。由于陶瓷结合剂砂轮的透气性结构很适合于盘形金刚 石修整，因此整形和修整过程可一次走刀完成。金刚石滚轮的速度通常是 cbn 砂轮的 0.4-0.6 倍，修整基本上是在砂轮表层进行。在为高速加工设计的磨床上，这一过程是 自动的，并由砂轮状态来控制。电镀砂轮或金属粘结剂单层砂轮不需要修整功能。不 过有些系统使用接触修整法，该方法可除去一小部分磨粒，以续持所要求的加工能力 和表面粗糙度。 由于 cbn 硬度高，用单点式金刚石对大多数砂轮进行修整，象对待许多其它磨料 那样，是不切实际的。因为 cbn 引起的金钢石磨损是很大的，以致不能对砂轮表面保 持一致性修整。不过，发展中的新型陶瓷结合剂将来可能会使单点修整成为可能。 为了正确修整，操作者必须知道砂轮的准确位置，这样修整才可加工到需要的切削深 度。尤其是精密加工时更是如此。精密修整已取得的一个发展是声接触传感器。使用 这种修整系统，仪器可以告诉操作者修整轮和 cbn 砂轮何时将接触。这样就建立了一 个修整参考点。 （3）定位 为研究 cbn 可能的加工表面粗糙度，精确的定位精度是很必要的。伺服机和滚珠 丝杠进给系统的使用可控供亚微米级精度。 南湖学院毕业设计 19 （4）测量 成功的 cbn 磨削主要取决于准确的测量。操作者不仅要知道切削工具砂轮的位置， 而且要知道它的磨损大小。三种形式的测量包括了这些要求。高精度的工件需要同时 具有这三种形式。 1）在加工过程中测量检测每个零件，并且显示出何时完成加工。 2）测量后反馈零件尺寸漂移趋势，以便控制系统能及时对设备变化或砂轮磨损进 行调整。 3）利用前面提到的声音信号对砂轮进行检测，在修整前使砂轮定位，以便于精确 有修整加工。 （5）主轴速度 更高的砂轮速度和刚性要求，都促使磨床生产者去研究特殊的电驱动装置和流体 静力轴承。以提高主轴转速。 （6）冷却液 热量控制对于保持精度和防止砂轮失效都是至关重要的。cbn 的热传导率很高， 约是氧化铝的 40 倍。因此这种材料本身阻止了热量的积聚。高速切削相对来说温度很 低，不过这需要高压冷却液和专门设计的喷嘴或能使冷却液进入工作区的砂轮。 许多人都在努力研究适于 cbn 加工的最有效的冷却液。油的润滑效果好，且可延 长砂轮寿命，不利的是对环境的影响。油的处理是非常困难的，尤其当油受磨屑污染 时。无论采用何种流体，大多数专家建议:冷却液的温度控制应使工件和砂轮的热量积 累及热冲击减小到最低程度。过滤也是很重要的因素，因为磨削会产生微小的磨屑。 （7）控制 最后一个关键内容就是控制。为了使 cbn 磨削达到一定的精度，要求控制器有能 处理所有变量的软件。修整过程是个非常重要的因素、软件应根据功率分析来确定何 时进行修整。 南湖学院毕业设计 20 第三章 cbn 磨具的修整技术的研究 3.1 cbn 砂轮修整的概念 普通砂轮修整的概念，对于 cbn 砂轮已经不够用了。由于制造砂轮方法不同，使 用结合剂材料的不同，不同 cbn 砂轮修整的概念是不同的，可以将 cbn 砂轮分为二 大类：1 )不需修整的砂轮电镀砂轮（单层 cbn 磨料） ；2 )需要修整的砂轮陶瓷、 树脂和金属结合剂砂轮（多层 cbn 磨料）树脂结合剂一般为酚醛树脂之类的热硬化树 脂，树脂结合剂 cbn 砂轮，是目前使用得最广泛的 cbn 砂轮。金属结合剂一般为青 铜（韧性青铜和脆性青铜） 。四种不同的 cbn 砂轮的修整，有着不同的概念。电镀 cbn 砂轮是用电镀的方法。 由电解镍将 cbn 单层磨粒镀复在钢的基体上(图 3-1)。工件的形由砂轮的廓形所 决定，工件的精度主要取决于砂轮基体的精度。由于工作层中有孔隙，形成了切削刃， 故一般电镀砂轮不需要修整，使用极为方便。电镀砂轮是单层磨粒，耐用度就是