磨削加工中的CBN砂轮
文/屈里强、朱宁（洛阳轴承研究所）
摘要：
本文概要介绍了CBN砂轮的性质、特点，以及在磨削中的修整和使用条件，从理论和实践上，向读者介绍CBN砂轮的磨削参数和应注意的事项，并对可能遇到的问题进行了分析。
关键词：
CBN砂轮；修整（修型和修锐）；AE传感器；适应控制
1、概述
CBN砂轮具有耐热性能、热稳定性好等特点以及与铁族的化学惰性，磨削刃锋利，磨削性能优异，磨削拉力小，温升低，工件表面无烧伤、裂纹，磨削表面有残余压应力，因而使得磨削工件的尺寸精度、几何精度较普通砂轮大为提高，使工件各方面性能随之提高，但CBN砂轮的使用也存在着一些问题。
首先，我们可以采用常规的修型和修锐方法进行CBN砂轮的修型和修锐。理论上，陶瓷结合剂脆而易碎，应该能够用常规修整方法修整。然而试验表明，目前的修整方法不适合于新型的CBN砂轮。为了获得最佳的修型和修锐（合称修整）效果，我们必须确定一整套新型的工作参数和条件。通过研究更佳的使用条件，使得CBN砂轮修整和机床控制技术取得了更大的进步。
修整过程的精确设定和先进的适应控制，使用户的CBN砂轮工作在最佳状态。
没有陶瓷结合剂，CBN砂轮就不可能进入大批量生产使用。正是这种多孔的结合剂材料产生了必须的小空隙，保存冷却液并保证了CBN磨削黑色金属所需的修整加工。
2、CBN砂轮的修整方法
CBN磨料是一种昂贵的磨料，砂轮制造商必须提供一种尽可能少地消耗磨料的修整方法，以便用户在丢弃砂轮之前，能够尽可能多地磨削工件。一般情况下，只需去除几个微米就可使CBN砂轮重新锐利。
同时，制造商必须找到有效的方法使磨粒的切削刃凸露出来，我们采用奥地利泰利莱公司B64型CBN砂轮作为典型磨料进行研究。据介绍，这种级别的砂轮磨料合成缺陷控制在亚微米水平。泰利莱公司能够改变磨粒的破裂特性并能生产具有良好控制破裂强度的磨料。
我们在磨削试验中发现，修整进给速度和修整速度之比对颗粒破裂特性影响极大，修整速比是指修整轮线速度与磨削线速度之比。速比为正指在修整接触位置，砂轮与修整轮旋转方向相同。
在对B64型陶瓷结合剂CBN砂轮进行的一项研究中，砂轮由旋转金刚石轮以+0.2的速比修整，当修整量为1μm时，CBN磨粒就会出现微观裂纹，因为它保留了具有大量切削刃并集中在表面上的磨粒，微观裂纹有益于砂轮的锋利。
当修整量增加到2～3μm时，发现了明显的宏观裂纹。宏观裂纹出现时，磨粒的重要部分就丧失了。结果砂轮表面只有很少锋利的切削刃，这就产生了很多不良切削表面，大量昂贵的磨粒脱落又造成表面磨粒密度的降低，缩短了砂轮使用寿命和降低了性能价格比。
这些结果表明通过修整进给的微小改变很容易地影响了修整过程的效果。为了进行必要的微调， CBN用户必须具备高分辨率的修整进给机构。
改变修整速率的结果类似于改变修整深度。因为修整器与砂轮同向旋转引起的修整力大于正常磨削力，修整去除了更多的陶瓷结合剂和较少的磨粒。当修整速率由+0.2提高到+0.8时，更多的结合剂被切除，磨粒的宏观裂纹也同时加剧。甚至当进给深度为1μm时，很大一部分磨粒已被打碎。根据以上结果，用户不能只因为高修整速比去除了更多的结合剂就认为速比越高越好。如果高速比加剧了宏观裂纹，那么砂轮修整就导致了砂轮的加速磨损。
在进行磨削外圆柱面的大尺寸砂轮的修整过程中还发现，增加修整速比和进给深度引起的砂轮由微观裂纹转变为宏观裂纹应引起特别的关注，这是因为大磨粒更可能具有以后成为裂纹起点的缺陷，当我们观察大裂纹时也更容易分清两种裂纹的不同之处。
通过其它的一些研究，我们认识到采用适合的修整速率以保证修整轮与CBN砂轮上的每一个磨粒的合适接触的重要性。理想状态是，一个磨粒只能被修整轮上的一粒金刚石修锐。如果每个磨粒的作用金刚石的数目不到一个，修整就会遗漏一些未被修锐的钝磨粒。一般来说，修整轮的旋转使金刚石对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锐作用都是在微进给的情况下进行的。进给速度导致的多重修锐作用产生了一个相对不锋利的表面。通过多年对砂轮修锐作用的研究，我们重新修改了修整装置的设计。我们发现，获得良好的修整效果和对于给定的砂轮转速和CBN磨粒尺寸进一步计算出适当的修整转速还是相对容易的。
我们仔细地研究了修整和使用后的陶瓷结合剂CBN砂轮的表面，发现修整使得砂轮表面层CBN磨粒和陶瓷结合剂的密度低于砂轮其它部分。陶瓷结合剂普通砂轮同样会出现这样的表面层，它被称为表面变质层。这种表面层可从几微米到30微米深，随着砂轮的使用，变质层的深度会继续加大，在砂轮表面的作用会继续加强。
砂轮使用后的修整能够消除使用中日益变深和更具危害的表面变质层。由于陶瓷结合剂普通砂轮的修整进给深度远大于陶瓷结合剂CBN砂轮， 陶瓷结合剂普通砂轮的修整情况更是如此，修整进给深度确保修除了几乎所有的磨削变质层，产生了一个仅由修整参数决定的磨粒和结合剂组成的新的表面层。但当陶瓷结合剂CBN砂轮修整时，修整进给深度可能远小于变质层，这深刻地影响了修整后的砂轮性能。
要完全修复CBN砂轮，用户必须有较大进给深度的修整器。我们还发现，修整分四次共进给2微米与一次修整2微米相比，宏观裂纹最小，且修整消除了变质层。
3、磨粒的脱落阶段
通过对CBN和结合剂性质的研究，制造商能够对修整过程重新定义。但即使根据以上理论将修整过程最佳化，砂轮也需要经过修整时结合不牢的磨粒和残余结合剂的脱落阶段。
一般情况下，砂轮经一定数量零件磨削、修整后，磨削力、砂轮磨损、表面变化的过程如图1所示。修整后，磨削力相对较大，但磨削几个零件后磨削力迅速下降。一般，每一修整周期的2%～10%的零件受到这一变化的影响。在砂轮性能不稳定的这一阶段，零件质量还受到工件和砂轮轴偏心的影响，同时砂轮磨损更快，表面粗糙度迅速增大。为解决这些问题，用户必须在每个零件磨削后检查砂轮的性能，在下个零件磨削前做必要的调整。
砂轮修整和使用以及磨削变质层直接决定了修整后磨削力下降的程度。一般新砂轮磨削力的下降比已使用几个修整周期的砂轮快。
最初的脱落期后，磨削表面质量逐渐提高，磨削力趋于稳定，磨损速度趋缓，磨削变质层逐渐加深，砂轮在磨削中磨掉了结合剂而变得更加锋利。最后，砂轮结合剂太少，砂轮开始快速磨损。这时，磨损使砂轮直径减小，砂轮与磨削工件不再接触，磨削力迅速下降。
4、确保修整器与砂轮的精确接触
CBN砂轮制造商已经开发了新技术用以满足修整中关于每步进给修整量、总进给修整量、修整速率和横向修整速度等的技术要求。这些措施由接触传感器和适应控制来实现。
修整外圆柱面磨削砂轮时，制造商设计出了一个能够实现较浅的修整砂轮的系统。外圆磨削系统相对刚性较好，磨削力的变化一般不会降低工件的质量。用户要确保砂轮表面不要太光滑，以免烧伤工件，所以可以修得粗一些。要获得具有满意特性的砂轮，用户应选择只产生小的微观裂纹和保持砂轮表面CBN磨粒密度高的修整参数。
图2给出了使用各种CBN砂轮磨削圆柱面特别是凸轮轴的典型砂轮磨损曲线。如图2所示，刚开始圆柱面磨削时，砂轮磨损一般是2～3μm，特殊情况可达10μm。为使每次修整磨削更多的工件，用户可在砂轮磨损15μm甚至更大时再修整砂轮。为保持砂轮磨损适当的变质层，用户就要将砂轮修整几个微米，一般修整参数是：切削速比为+0.2～+0.5，总修整深度为3μm～10μm，每次修整深度为0.25～3μm。
根据以上理论，我们采用泰利莱B64型CBN砂轮，意大利金飞（GAMFIER）电主轴，泰利莱金刚石杯形修整器，3MZ203全自动内圆磨床，磨削滚动轴承内圈6203/02，结果每磨削200件，修整砂轮2μm，磨削工件尺寸分散4μm，椭圆2μm，锥度2μm，表面粗糙度Ra值0.2μm，磨削比提高了70倍。保持这些参数最困难的是机床在修整中的热传递。修整过程中，机床温度的变化导致修整器与砂轮间的位置偏移甚至比修整量还大，检测和补偿这些误差，用户需要一些精确测定修整器和砂轮相对位置的方法。
现在大多采用在修整器与砂轮确切接触时探测修整器与砂轮的相对位置。有些采取检测磨削功率或磨削力的方法来探测是否接触。使用压电效应或应变仪检测磨削力的方法广泛应用于内圆磨削。有一种新方法采用一套压电元件探测磨削力并转化成修整器的进给运动。
另一种方法采用声发射原理，AE传感器是外圆柱面磨削最有效、最简单的方法。AE传感器工作在50-600K的频率范围内，拾取修整器金刚石修整 CBN磨粒的声音信号，大多数装置能够精确拾取给定砂轮速度和磨粒尺寸砂轮的声音频率。
固定传感器等硬件的位置对传感器的精度有很大的影响。如果AE传感器未能可靠的固定在机床上，主轴轴承的噪声就会屏蔽声音信号。如果传感器装在修整器主轴壳体上，信号经过轴承后也会减弱。用户可用模拟信号仪估计信噪比，大多数AE系统都能提供拾取信号的图形，在这些图形上，修整器修整砂轮的信号表示为在低的背景噪声信号上的脉冲峰值。
我们测试了安装在CNC凸轮磨床上的AE声发射系统，这种磨床配备了高频回转式修整器，金刚石修整轮和陶瓷结合剂CBN砂轮。修整前机床曾磨削较窄的零件并在砂轮表面的中部留下了磨损带。
首次修整，每循环进给2.5μm,砂轮全长共修整50μm，当传感器探测到较大的幅值时，最后的一次修整循环就只进给1μm。修整器刚接触砂轮时，传感器在砂轮两端探测到两个高点，这种情况持续了三个循环，然后修整器与整个砂轮表面接触，传感器探测到1μm进给深度的信号。通过实验，传感器系统在这种磨床上可以不受主轴轴承噪声的影响探测到 0.25μm 进给深度的信号。
然而研究发现，一次进给修整和数次进给修整同样进给量的修整结果存在差异，一般是1～2μm，粗磨粒外圆磨削修整进给量是8～10μm，这个差异不足以严重影响砂轮的性能，减小每次修整进给量会缩小这个差异，但这实际上会增加修整循环时间。
另一种能够消除轴承噪声的AE检测方法正在开发。这种方法由独立的探针接触砂轮来获取声信号确定砂轮的位置，砂轮修整到所需的量时，探针再次接触砂轮校准探针与修整器的位置，并补偿修整器的磨损。由于探针与修整器紧密接触，机床的热传导不会影响它们的相对位置，但探针磨损将引起1～2μm的误差，这个方法的另一弊端在于系统不能分析全部砂轮的信号，因为探针只接触砂轮的一个位置，同时接触过程必须干噪以免冷却液错误信号的干扰。相对来说这些都是次要的问题，同修整进给量控制方法一样，探针控制法已在全世界成功使用了。
5、CBN砂轮内圆磨削的挑战
陶瓷结合剂CBN砂轮内圆磨削要求一种全新的修整条件。现代内圆磨床具有超精密的进给精度，修整时间通常远比外圆磨床短，这是因为磨削的工件一般较小，磨削周期较短。所以砂轮磨削一定量的工件后修整时，内圆磨削修整所用时间就应比外圆磨削短。一般修整时间短到机床的热传导不足以影响砂轮和修整器的相对位置，实际上，在稳定的操作条件下，内圆磨床可保证1μm的总修整进给量，内圆磨床一般较稳定，只有高精度的系统才使用传感器精确保证超高精度的公差。
CBN砂轮内圆磨削的最大问题是修整时磨削力的变化引起的变形，内圆磨削的砂轮接杆本来就很弱，磨削力的任何变化都会引起接杆的变形，这些又将影响工件的尺寸、锥度和圆度。很多情况下，有些措施可使这个问题最小化，其中之一是重新设计砂轮接杆，通过减小长度、增大直径、采用高刚性材料如钼钢或亚碳化钛合金，图3所示。
优化修整参数也可减小接杆变形，内圆磨削的修整参数不同于外圆磨削，内圆磨削的微观裂 纹不是问题，因为磨粒比外圆磨削小得多，所以可加大切削速比以增加砂轮的锋利度而不必担心砂轮表面的磨粒密度的减小，开发旋转修整器也是为增加砂轮的锋利度，减小变质层，总的修整进给量只需不到2μm，砂轮需要多次修整，内圆磨削典型的修整参数是：修整速比为 +0.8 ，总修整进给量≤2μm，一次修整除了高刚性接杆和优化修整参数外，砂轮制造商还开发了有益于减小砂轮变形的特殊的陶瓷结合剂，目的是减小修整磨削力。他们开发出有一定耐用度的多孔结 构砂轮，这种砂轮在汽车和轴承行业取得了巨大的成功，特别适用于要求尺寸公差≤2μm和高效率的场合。同时因为润滑效果好，CBN砂轮磨削采用油冷却的效果较好，而出于其它的原因，磨削趋向于采用乳化油或其它合成物，这样CBN砂轮的耐用度就会受到影响。
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