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CBN及CBN砂轮磨削技术参数优化

http://www.momo35.com   来源:网络  日期:2017/12/19
       CBN(Cubic Boron Nitride)是继人造金刚石问世之后,于1957年,由美国GE公司首先合成出的又一种超硬材料。我国在1966年试制成功CBN,至今已有四十余年的历史了。
  
  CBN的硬度仅低于金刚石,除了高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等性质外,还具有比金刚石优越的耐热性和对铁族金属材料的化学惰性。利用它这些优异的性能作研磨材料所制成的CBN磨具,特别适合于各类铁族金属材料的磨加工。它和金刚石用于加工硬而脆的非铁系材料相互补充,使超硬材料的应用范围大大拓宽。和普通磨料的磨具相比,CBN磨具具有高速、高效、高加工质量、长寿命、低成本的特点,可作为高速数控磨床高效、高精度磨削的首选工具。在汽车、压缩机、机床、工具、轴承等工业领域有着广泛的应用。
  
  1  CBN的性质
  
  1-1  CBN的晶体结构
  
  六方氮化硼(hBN)经高温高压合成,晶体结构由层状转变为立方结构,密度由2.25g/cm3增加到3.48g/cm3,各种性质都发生了突变。
  
  1-2  CBN的主要特性
  
  在将CBN作研磨材料使用时,我们主要关注CBN的硬度、耐磨性、强度和导热性等性质。
  
  1-2-1 硬度
  
  CBN的硬度仅次于金刚石,而远高于其它普通磨料。高的硬度意味着切削能力更强、更锋利。
  
  1-2-2 耐磨性
  
  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。
  
  1-2-3 抗压强度
  
  CBN的抗压强度很高,这意味着在高强度、大去除量磨削等恶劣条件下使用时,它能保持颗粒完整而不易破碎,因而使CBN磨具寿命更长。
  
  1-2-4 导热性
  
  CBN有良好的导热性,在磨削时可实现冷切削。从而大大减少被磨工件烧伤的可能性。
  
  另外,CBN还有高的热稳定性和较低的热膨胀系数。特别是CBN与铁、碳没有明显的化学亲和力,决定着它在磨削铁族金属时的价值。而金刚石在一定温度下与铁发生化学反应而使其结构破坏,这就是金刚石不能加工铁族金属材料的原因。
  
  由于CBN和金刚石某些性质的不同,它们加工材料的范围也不同。
  
  CBN适合加工的材料:工具钢、轴承钢、合金钢、超级合金钢、铸铁等。
  
  金刚石适合加工的材料:硬质合金、有色金属、玻璃、陶瓷、金属陶瓷、铸铁等。
  
  2  CBN磨具的特征
  
  CBN磨具是用不同类型的结合剂将CBN磨料粘接在一起并制成一定形状的一种工具。按结合剂类型、磨具的形状和用途的不同,可将CBN磨具分为不同的品种。
  
  CBN磨具的特征是由其形状、尺寸、CBN磨料粒度、浓度、结合剂类型和使用速度等参数来描述的。
  
  2-1 CBN磨料
  
  国内外CBN磨料有许多牌号,可根据需要进行选择。
  
  2-2 结合剂类型
  
  CBN磨具常用的结合剂有树脂、金属、陶瓷和电镀四种。它们的特性及应用范围各不相同。
  
  2-3 浓度
  
  根据规定,磨料在磨具中浓度为100%时,每cm3含4.4克拉(0.88克)的磨料,此值相当于体积25%。浓度代号规定见下表。
  
  浓度代号规定
  
  代号
  
  磨料含量(克拉/立方厘米)
  
  浓度
  
  25 1.1 25%
  
  50 2.2 50%
  
  75 3.3 75%
  
  100 4.4 100%
  
  150 6.6 150%
  
  200 8.8 200%
  
  2-4 形状尺寸
  
  按GB/T6409.2-1996标准可分为平行、杯形、碗形、碟形、磨头、油石等形状。磨具的主要形状及其代号可查阅有关标准。
  
  2-5 标记
  
  磨具的标记按GB/T6409.1-1994标准规定进行标记。
  
  3 CBN磨削系统
  
  CBN磨具是一种工具。它只有通过合理的磨削工艺、依靠磨床的优越性能,才能最大地发挥作用。在研究和应用CBN磨削技术时,必须把CBN磨具、磨床、工件、修整、冷却、磨削工艺等因素纳入一个系统里来进行优化,才能获得最佳的技术和经济效果。
  
  下面简述CBN磨削技术的几个重要影响因素。
  
  3-1  CBN磨具
  
  在制造和选择磨具时主要考虑下面四个方面因素的影响。
  
  3-1-1 结合剂
  
  在CBN磨具的四种结合剂中,以陶瓷结合剂的CBN磨具发展最快。在世界范围内,陶瓷CBN磨具的比例已上升到50%以上,呈迅速增长之势。这是由于陶瓷CBN磨具磨削效率高,形状保持性好,耐用度高,易于修整,砂轮使用寿命长,因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。
  
  3-1-2  磨料选择
  
  磨削时,磨料是磨具中的主体,它的性能好坏直接影响着磨削的效果。不同牌号的CBN磨料,因制造工艺的不同,其晶体形态、颗粒形状也各不相同,它们各自具有不同的强度、热稳定性、耐化学侵蚀性和破碎特性。应根据工艺和使用要求选择不同牌号的磨料。需要指出的是,CBN磨料在高温下易与水发生化学反应而使其结构受到破坏,这是在选择磨削液时必须要考虑的因素。
  
  3-1-3  浓度
  
  砂轮浓度的高低表示了在磨削时砂轮工作面上参与磨削的磨粒数的多少。高浓度可带来高的磨削比,还可降低工件表面粗糙度,但同时会增加磨削力和产生较高的磨削热。
  
  3-1-4  硬度
  
  磨具的硬度等级表示了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。国内目前的CBN砂轮还未制订出硬度检验的统一标准。
  
  3-2  工件
  
  工件材料、硬度、磨除余量、磨削质量要求(表面粗糙度,尺寸精度、形位公差等)是系统中需要考虑的重要因素。它直接影响着参数的选择。
  
  3-3  磨床
  
  磨床是磨削体系的中心,磨床的性能对磨削效果有最重要的影响,对CBN磨削来说尤其如此。
  
  3-3-1高速度
  
  提高砂轮工作线速度,可明显提高磨削效率和磨削比,提高砂轮耐用度和工件表面质量。80-125m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用磨床基本特征之一。在条件允许的情况下,尽可能使用高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。
  
  3-3-2  高刚性的抗振性
  
  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高的刚性和良好的抗振性。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。不具备这样的条件,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。可引起振动的原因之一是机床刚性低、抗振性差或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大。
  
  3-4  修整
  
  使用金刚石滚轮修整,不仅可提高修整效率,更重要的是可获得较好的砂轮形貌。使用其它修整工具,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,每次进给量应能达到微米级。过量的修整及不合理的修整工艺既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。
  
  3-5  冷却
  
  磨削中,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,否则工件就会产生烧伤。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。实验结果显示,使用不同冷却液,会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。
  
  3-6  磨削工艺
  
  切深、进刀速度、工件转速、磨削电力和时间等磨削参数应根据不同的磨削条件和要求进行调整。
  
  磨削效率、磨削质量和磨削成本等磨削效果是相互制约的,只有综合考虑上述因素和充分优化各项磨削技术参数,才可使它们在更高的水平上达到平衡。
 
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