磨削加工中CBN砂輪的概述

       CBN砂輪具有耐熱性能、熱穩定性好等特點以及與鐵族的化學惰性，磨削刃鋒利，磨削性能優異，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，我們可以采用常規的修型和修銳方法進行CBN砂輪的修型和修銳。理論上，陶瓷結合劑脆而易碎,應該能夠用常規修整方法修整。然而試驗表明,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和條件。通過研究更佳的使用條件,使得 CBN 砂輪修整和機床控制技術取得了更大的進步。

       修整過程的精確設定和先進的適應控制,使用戶的CBN砂輪工作在最佳狀態。沒有陶瓷結合劑,CBN砂輪就不可能進入大批量生產使用。正是這種多孔的結合劑材料產生了必須的小空隙,保存冷卻液并保證了CBN磨削黑色金屬所需的修整加工。

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,只需去除幾個微米就可使CBN砂輪重新銳利。

       同時,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行研究。據介紹,這種級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具有良好控制破裂強度的磨料。我們在磨削試驗中發現,修整進給速度和修整速度之比對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,砂輪與修整輪旋轉方向相同。

       在對 B64 型陶瓷結合劑CBN砂輪進行的一項研究中,砂輪由旋轉金剛石輪以+0.2 的速比修整,當修整量為 1μm 時,CBN磨粒就會出現微觀裂紋，因為它保留了具有大量切削刃并集中在表面上的磨粒 ,微觀裂紋有益于砂輪的鋒利。

       當修整量增加到 2～3μm 時,發現了明顯的宏觀裂紋。宏觀裂紋出現時,磨粒的重要部分就喪失了。結果砂輪表面只有很少鋒利的切削刃，這就產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格比。這些結果表明通過修整進給的微小改變很容易地影響了修整過程的效果。為了進行必要的微調， CBN用戶必須具備高分辨率的修整進給機構。

       改變修整速率的結果類似于改變修整深度。因為修整器與砂輪同向旋轉引起的修整力大于正常磨削力，修整去除了更多的陶瓷結合劑和較少的磨粒。當修整速率由+0.2 提高到+0.8 時，更多的結合劑被切除，磨粒的宏觀裂紋也同時加劇。甚至當進給深度為 1μm 時，很大一部分磨粒已被打碎。根據以上結果，用戶不能只因為高修整速比去除了更多的結合劑就認為速比越高越好。如果高速比加劇了宏觀裂紋，那么砂輪修整就導致了砂輪的加速磨損。在進行磨削外圓柱面的大尺寸砂輪的修整過程中還發現，增加修整速比和進給深度引起的砂輪由微觀裂紋轉變為宏觀裂紋應引起特別的關注，這是因為大磨粒更可能具有以后成為裂紋起點的缺陷，當我們觀察大裂紋時也更容易分清兩種裂紋的不同之處。

       通過其它的一些研究，我們認識到采用適合的修整速率以保證修整輪與CBN砂輪上的每一個磨粒的合適接觸的重要性。理想狀態是，一個磨粒只能被修整輪上的一粒金剛石修銳。如果每個磨粒的作用金剛石的數目不到一個，修整就會遺漏一些未被修銳的鈍磨粒。一般來說，修整輪的旋轉使金剛石對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給的情況下進行的。進給速度導致的多重修銳作用產生了一個相對不鋒利的表面。通過多年對砂輪修銳作用的研究，我們重新修改了修整裝置的設計。我們發現，獲得良好的修整效果和對于給定的砂輪轉速和CBN磨粒尺寸進一步計算出適當的修整轉速還是相對容易的。

       我們仔細地研究了修整和使用后的陶瓷結合劑CBN砂輪的表面，發現修整使得砂輪表面層CBN磨粒和陶瓷結合劑的密度低于砂輪其它部分。陶瓷結合劑普通砂輪同樣會出現這樣的表面層，它被稱為表面變質層。這種表面層可從幾微米到 30 微米深，隨著砂輪的使用，變質層的深度會繼續加大，在砂輪表面的作用會繼續加強。

       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層。由于陶瓷結合劑普通砂輪的修整進給深度遠大于陶瓷結合劑CBN砂輪，陶瓷結合劑普通砂輪的修整情況更是如此，修整進給深度確保修除了幾乎所有的磨削變質層，產生了一個僅由修整參數決定的磨粒和結合劑組成的新的表面層。但當陶瓷結合劑CBN砂輪修整時，修整進給深度可能遠小于變質層，這深刻地影響了修整后的砂輪性能。

       要完全修復CBN砂輪，用戶必須有較大進給深度的修整器。我們還發現，修整分四次共進給2微米與一次修整2微米相比，宏觀裂紋最小，且修整消除了變質層。

磨粒的脫落階段

       通過對CBN和結合劑性質的研究，制造商能夠對修整過程重新定義。但即使根據以上理論將修整過程最佳化，砂輪也需要經過修整時結合不牢的磨粒和殘余結合劑的脫落階段。

       一般情況下，砂輪經一定數量零件磨削、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，磨削力相對較大，但磨削幾個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。在砂輪性能不穩定的這一階段，零件質量還受到工件和砂輪軸偏心的影響，同時砂輪磨損更快，表面粗糙度迅速增大。為解決這些問題，用戶必須在每個零件磨削后檢查砂輪的性能，在下個零件磨削前做必要的調整。

       砂輪修整和使用以及磨削變質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修整周期的砂輪快。

       最初的脫落期后，磨削表面質量逐漸提高，磨削力趨于穩定，磨損速度趨緩，磨削變質層逐漸加深，砂輪在磨削中磨掉了結合劑而變得更加鋒利。最后，砂輪結合劑太少，砂輪開始快速磨損。這時，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。

確保修整器與砂輪的精確接觸

CBN砂輪制造商已經開發了新技術用以滿足修整中關于每步進給修整量、總進給修整量、修整速率和橫向修整速度等的技術要求。這些措施由接觸傳感器和適應控制來實現。

修整外圓柱面磨削砂輪時，制造商設計出了一個能夠實現較淺的修整砂輪的系統。外圓磨削系統相對剛性較好，磨削力的變化一般不會降低工件的質量。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，用戶應選擇只產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。

       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，砂輪磨損一般是 2～3μm，特殊情況可達 10μm。為使每次修整磨削更多的工件，用戶可在砂輪磨損 15μm 甚至更大時再修整砂輪。為保持砂輪磨損適當的變質層，用戶就要將砂輪修整幾個微米，一般修整參數是：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 全自動內圓磨床，磨削滾動軸承內圈 6203/02，結果每磨削 200 件，修整砂輪 2μm，磨削工件尺寸分散 4μm，橢圓 2μm，錐度 2μ m，表面粗糙度 Ra 值 0.2μm，磨削比提高了 70 倍。保持這些參數最困難的是機床在修整中的熱傳遞。修整過程中，機床溫度的變化導致修整器與砂輪間的位置偏移甚至比修整量還大，檢測和補償這些誤差，用戶需要一些精確測定修整器和砂輪相對位置的方法。

       現在大多采用在修整器與砂輪確切接觸時探測修整器與砂輪的相對位置。有些采取檢測磨削功率或磨削力的方法來探測是否接觸。使用壓電效應或應變儀檢測磨削力的方法廣泛應用于內圓磨削。有一種新方法采用一套壓電元件探測磨削力并轉化成修整器的進給運動。

       另一種方法采用聲發射原理，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，拾取修整器金剛石修整CBN磨粒的聲音信號，大多數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床上，主軸軸承的噪聲就會屏蔽聲音信號。如果傳感器裝在修整器主軸殼體上，信號經過軸承后也會減弱。用戶可用模擬信號儀估計信噪比，大多數AE系統都能提供拾取信號的圖形，在這些圖形上，修整器修整砂輪的信號表示為在低的背景噪聲信號上的脈沖峰值。我們測試了安裝在CNC凸輪磨床上的AE聲發射系統，這種磨床配備了高頻回轉式修整器，金剛石修整輪和陶瓷結合劑CBN砂輪。修整前機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，每循環進給 2.5μm,砂輪全長共修整 50μm，當傳感器探測到較大的幅值時，最后的一次修整循環就只進給 1μm。修整器剛接觸砂輪時，傳感器在砂輪兩端探測到兩個高點，這種情況持續了三個循環，然后修整器與整個砂輪表面接觸，傳感器探測到 1μm 進給深度的信號。通過實驗，傳感器系統在這種磨床上可以不受主軸軸承噪聲的影響探測到　 0.25μm 　進給深度的信號。
然而研究發現，一次進給修整和數次進給修整同樣進給量的修整結果存在差異，一般是 1～2μm，粗磨粒外圓磨削修整進給量是 8～10μm，這個差異不足以嚴重影響砂輪的性能，減小每次修整進給量會縮小這個差異，但這實際上會增加修整循環時間。

       另一種能夠消除軸承噪聲的AE檢測方法正在開發。這種方法由獨立的探針接觸砂輪來獲取聲信號確定砂輪的位置，砂輪修整到所需的量時，探針再次接觸砂輪校準探針與修整器的位置，并補償修整器的磨損。由于探針與修整器緊密接觸，機床的熱傳導不會影響它們的相對位置，但探針磨損將引起 1～2μm 的誤差，這個方法的另一弊端在于系統不能分析全部砂輪的信號，因為探針只接觸砂輪的一個位置，同時接觸過程必須干噪以免冷卻液錯誤信號的干擾。相對來說這些都是次要的問題，同修整進給量控制方法一樣，探針控制法已在全世界成功使用了。

CBN砂輪內圓磨削的挑戰

       陶瓷結合劑CBN砂輪內圓磨削要求一種全新的修整條件?，F代內圓磨床具有超精密的進給精度，修整時間通常遠比外圓磨床短，這是因為磨削的工件一般較小，磨削周期較短。所以砂輪磨削一定量的工件后修整時，內圓磨削修整所用時間就應比外圓磨削短。一般修整時間短到機床的熱傳導不足以影響砂輪和修整器的相對位置，實際上，在穩定的操作條件下，內圓磨床可保證 1μm 的總修整進給量，內圓磨床一般較穩定，只有高精度的系統才使用傳感器精確保證超高精度的公差。

       CBN砂輪內圓磨削的最大問題是修整時磨削力的變化引起的變形，內圓磨削的砂輪接桿本來就很弱，磨削力的任何變化都會引起接桿的變形，這些又將影響工件的尺寸、錐度和圓度。很多情況下，有些措施可使這個問題最小化，其中之一是重新設計砂輪接桿，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。

      優化修整參數也可減小接桿變形，內圓磨削的修整參數不同于外圓磨削，內圓磨削的微觀裂紋不是問題，因為磨粒比外圓磨削小得多，所以可加大切削速比以增加砂輪的鋒利度而不必擔心砂輪表面的磨粒密度的減小，開發旋轉修整器也是為增加砂輪的鋒利度，減小變質層，總的修整進給量只需不到 2μm，砂輪需要多次修整，內圓磨削典型的修整參數是：修整速比為+0.8，總修整進給量≤2μm，一次修整除了高剛性接桿和優化修整參數外，砂輪制造商還開發了有益于減小砂輪變形的特殊的陶瓷結合劑，目的是減小修整磨削力。他們開發出有一定耐用度的多孔結構砂輪，這種砂輪在汽車和軸承行業取得了巨大的成功，特別適用于要求尺寸公差≤2μm 和高效率的場合。同時因為潤滑效果好，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砂輪的耐用度就會受到影響。