陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅(jiān)

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530003）

陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅(jiān)

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530003）

0 引言

立方化硼（Cubic Boron Nitride,簡(jiǎn)稱CBN）具有僅次于金剛石的硬度，優(yōu)于金剛石的耐熱性和對(duì)鐵族金屬的化學(xué)惰性，是代替剛玉磨料磨削淬硬鋼，高強(qiáng)度鋼等高硬度、高韌性難加工金屬的最佳磨料；尤其是陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪（以下簡(jiǎn)稱陶瓷CBN砂輪）的優(yōu)越磨削性能，不僅表現(xiàn)在高磨削比、高生產(chǎn)率方面，更重要的是能夠獲得高的零件表面質(zhì)量[1]。

磨削加工后的零件表面質(zhì)量包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力、磨削燒傷等指標(biāo)，而表面粗糙度是考察零件是否合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，本文進(jìn)行了陶瓷CBN砂輪高速磨削45淬硬鋼工件的表面粗糙度試驗(yàn)研究。

1 工藝參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究

普通磨削的砂輪速度為30～35m/s，當(dāng)砂輪速度超過45m/s或更高超過50m/s即為高速磨削[2]。高速磨削條件下的磨削加工影響因素復(fù)雜，許多認(rèn)識(shí)尚不深入，有關(guān)文獻(xiàn)資料表明，陶瓷CBN砂輪高速磨削工藝具有不同于普通磨削加工的特殊工藝要求。因此，針對(duì)汽車凸輪軸常用的45淬硬鋼進(jìn)行了模擬凸輪軸材料的磨削試驗(yàn)，探索了磨削工藝參數(shù)對(duì)45淬硬鋼工件已加工表面粗糙度的影響，揭示了CBN高速磨削在一定加工對(duì)象上表面粗糙度的變化規(guī)律和機(jī)理，為特定材料在CBN高速磨削條件下合理選擇和優(yōu)化磨削用量提供了參考依據(jù)。

磨削試驗(yàn)條件如表1所示。

由于磨削過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，影響因素很多，在實(shí)際工程計(jì)算中，目前仍以采用經(jīng)驗(yàn)公式為主，這些公式都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示的。本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，通過對(duì)CBN高速磨削條件下大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的三元線性回歸處理，得出45淬硬鋼工件在陶瓷CBN砂輪高速磨削條件下的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ra為表面粗糙度值，μm；Vs為砂輪線速度，m/s；Vf為砂輪進(jìn)給速度，μm/s；nw為工作轉(zhuǎn)速，r/min。

公式(1)表明，在陶瓷CBN砂輪高速磨削過程中，工件已加工表面粗糙度值隨砂輪進(jìn)給速度，工件轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨砂輪線速度的提高而減小，其中砂輪線速度（Vs）和砂輪進(jìn)給速度（Vf）對(duì)工件已加工表面粗糙度的影響都很顯著，而工件轉(zhuǎn)速（nw）對(duì)工件已加工表面粗糙度的影響非常小。砂輪線速度越高，單位時(shí)間內(nèi)掠過工件表面的磨粒就越多，所以工件表面粗糙度就越小；砂輪進(jìn)給速度提高，即金屬磨除率增大，就會(huì)使單顆磨粒的未變形切屑厚度增大，反映到工件表面上就是工件表面的溝槽較深，隆起較高，所以工件表面粗糙度就越大。

表1 磨削試驗(yàn)條件

由公式(1)還可知，砂輪線速度的權(quán)值最大，也就是說，提高砂輪線速度可顯著減小表面粗糙度數(shù)值，從而驗(yàn)證了CBN高速磨削的優(yōu)越性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述試驗(yàn)的結(jié)論，又采用單因素試驗(yàn)法研究了磨削用量（Vs和Vf）對(duì)工件已加工表面粗糙度的影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

為了便于清晰、直觀地觀察工件已加工表面粗糙度與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系，將表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成圖1中的工件已加工表面粗糙度變化曲線。經(jīng)對(duì)比分析表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖1中的曲線，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式(1)，可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：

1）陶瓷CBN砂輪在定進(jìn)給切入外圓磨削45淬硬鋼工件的過程中，隨著砂輪線速度的提高，在本試驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)不同的砂輪進(jìn)給速度下獲得的工件已加工表面粗糙度均呈現(xiàn)了較顯著的減小；尤其是當(dāng)砂輪線速度（Vs）從35m/s提高到60m/s(砂輪進(jìn)給速度Vf 均為20μm/s)時(shí)，工件的表面粗糙度由1.75μm降為1.25μm，減小了0.5μm，降幅達(dá)到28.6%，這一方面說明，陶瓷CBN砂輪磨削中，砂輪線速度對(duì)工件已加工表面粗糙度有顯著影響，另一方面更說明了陶瓷CBN砂輪在高速磨削條件下，既可獲得較高的砂輪進(jìn)給速度，又能保證較好的工件表面質(zhì)量，充分體現(xiàn)了陶瓷CBN砂輪高速磨削高生產(chǎn)率、高磨削質(zhì)量的優(yōu)越性。

圖1 表面粗糙度與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系

2）當(dāng)陶瓷CBN砂輪的線速度較低時(shí)（本試驗(yàn)中為35m/s、50m/s），隨著砂輪進(jìn)給速度（Vf）的增加,工件的表面粗糙度呈現(xiàn)出近于線性增大的趨勢(shì)；而當(dāng)砂輪線速度較高時(shí)（本試驗(yàn)中為60m/s），隨著Vf 的增大，工件已加工表面粗糙度呈緩慢且均勻地小幅增加，基本能維持在一個(gè)比較良好的數(shù)值上。這表明，陶瓷CBN砂輪磨削中，Vf 在較低砂輪速度下對(duì)工件已加工表面粗糙度有顯著影響，而在高速磨削條件下對(duì)工件已加工表面粗糙度的影響并不顯著，從而充分說明，陶瓷CBN砂輪磨削為了既能保證高的磨削質(zhì)量，又能獲得高的生產(chǎn)率，則必須在高速下工作。

表3 表面粗糙度與金屬磨除體積的關(guān)系

2 表面粗糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

陶瓷CBN砂輪是一種半永久性磨具，非常耐磨，所以工件已加工表面粗糙度在磨削過程中應(yīng)當(dāng)非常穩(wěn)定；為此，進(jìn)行了陶瓷CBN砂輪磨削45淬硬鋼工件的已加工表面粗糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，將CBN砂輪累計(jì)磨除一定量的金屬體積后檢測(cè)得到的表面粗糙度值與金屬磨除體積一一對(duì)應(yīng)，得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

綜合分析表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1）在各種磨削條件相匹配的合理工況下，陶瓷CBN砂輪的表面形貌保持性好，非常耐磨，所以工件已加工表面粗糙度在磨削過程中非常穩(wěn)定，可長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值上。

2）在適合的磨削條件下，陶瓷CBN砂輪在磨削過程中始終存在自勵(lì)現(xiàn)象，這反映在工件已加工表面粗糙度上就是，當(dāng)累計(jì)磨除的金屬體積達(dá)到一定量時(shí)（本試驗(yàn)中為ΔVw=68萬mm3），表面粗糙度值相對(duì)會(huì)有一個(gè)明顯的增幅（本試驗(yàn)中為Ra從0.57μm明顯增大到0.67μm），但在隨后的磨削過程中，表面粗糙度值又會(huì)迅速回落到一個(gè)較穩(wěn)定的數(shù)值上。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1）在定進(jìn)給量外圓切入磨削過程中，隨著砂輪線速度(Vs)的提高，磨削條件得以改善，從而有利于工件已加工表面粗糙度的改善。

2）在定進(jìn)給量外圓切入磨削過程中，砂輪線速度（Vs）越高，越有可能通過提高砂輪進(jìn)給速度（Vf）來提高CBN砂輪磨削的生產(chǎn)效率，而且還能保證獲得高的磨削質(zhì)量。

3）隨著砂輪線速度（Vs）提高到一定的數(shù)值（本試驗(yàn)中為Vs=60m/s）,磨削過程中陶瓷CBN砂輪會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定工作階段和自勵(lì)現(xiàn)象，在該階段獲得的工件已加工表面粗糙可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持在一較理想的數(shù)值上。

4）陶瓷CBN砂輪具有極高的抗磨損能力，耐磨性很好，因此，在磨除相當(dāng)多的金屬體積后，工件已加工表面粗糙度仍能保持非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

[1]瞿曉波.陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在凸輪軸加工中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程.

[2]國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.機(jī)械與制造科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告,(2006年—2010年)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

Research on surface roughness in cam shaft high speed grinding with vitrif i ed bond CBN wheel

CAO Jian

本文通過一系列的試驗(yàn)，分析了磨削工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響，建立了磨削表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，研究了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削表面粗糙度的變化規(guī)律及其特點(diǎn)，這些規(guī)律為凸輪軸的CBN高速磨削提供了一系列實(shí)用的工藝參數(shù)。

陶瓷結(jié)合劑；CBN砂輪；凸輪軸；表面粗糙度

曹堅(jiān)（1965 -），男，廣西南寧人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。

TP391

B

1009-0134(2011)4(上)-0049-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).16

2010-12-27

廣西教育廳科研立項(xiàng)項(xiàng)目（200911LX499）