陶瓷結合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅

（廣西工業職業技術學院，南寧 530003）

陶瓷結合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅

（廣西工業職業技術學院，南寧 530003）

0 引言

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

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

1 工藝參數關系的試驗研究

普通磨削的砂輪速度為30～35m/s，當砂輪速度超過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雜，許多認識尚不深入，有關文獻資料表明，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，針對汽車凸輪軸常用的45淬硬鋼進行了模擬凸輪軸材料的磨削試驗，探索了磨削工藝參數對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象上表面粗糙度的變化規律和機理，為特定材料在CBN高速磨削條件下合理選擇和優化磨削用量提供了參考依據。

磨削試驗條件如表1所示。

由于磨削過程是一個十分復雜的過程，影響因素很多，在實際工程計算中，目前仍以采用經驗公式為主，這些公式都是以磨削條件的冪指數函數形式表示的。本試驗采用正交試驗法，通過對CBN高速磨削條件下大量試驗數據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驗公式：

式中：Ra為表面粗糙度值，μm；Vs為砂輪線速度，m/s；Vf為砂輪進給速度，μm/s；nw為工作轉速，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給速度，工件轉速的增大而增大，隨砂輪線速度的提高而減小，其中砂輪線速度（Vs）和砂輪進給速度（Vf）對工件已加工表面粗糙度的影響都很顯著，而工件轉速（nw）對工件已加工表面粗糙度的影響非常小。砂輪線速度越高，單位時間內掠過工件表面的磨粒就越多，所以工件表面粗糙度就越小；砂輪進給速度提高，即金屬磨除率增大，就會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 磨削試驗條件

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

為了進一步驗證上述試驗的結論，又采用單因素試驗法研究了磨削用量（Vs和Vf）對工件已加工表面粗糙度的影響規律，試驗參數及結果如表2所示。

表2 單因素試驗的試驗參數及結果

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的關系，將表2中的試驗數據繪成圖1中的工件已加工表面粗糙度變化曲線。經對比分析表2的試驗數據和圖1中的曲線，并結合經驗公式(1)，可進一步發現：

1）陶瓷CBN砂輪在定進給切入外圓磨削45淬硬鋼工件的過程中，隨著砂輪線速度的提高，在本試驗設定的各個不同的砂輪進給速度下獲得的工件已加工表面粗糙度均呈現了較顯著的減小；尤其是當砂輪線速度（Vs）從35m/s提高到60m/s(砂輪進給速度Vf 均為20μm/s)時，工件的表面粗糙度由1.75μm降為1.25μm，減小了0.5μm，降幅達到28.6%，這一方面說明，陶瓷CBN砂輪磨削中，砂輪線速度對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給速度，又能保證較好的工件表面質量，充分體現了陶瓷CBN砂輪高速磨削高生產率、高磨削質量的優越性。

圖1 表面粗糙度與磨削工藝參數的關系

2）當陶瓷CBN砂輪的線速度較低時（本試驗中為35m/s、50m/s），隨著砂輪進給速度（Vf）的增加,工件的表面粗糙度呈現出近于線性增大的趨勢；而當砂輪線速度較高時（本試驗中為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，基本能維持在一個比較良好的數值上。這表明，陶瓷CBN砂輪磨削中，Vf 在較低砂輪速度下對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量，又能獲得高的生產率，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系

2 表面粗糙度變化規律的試驗研究

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當非常穩定；為此，進行了陶瓷CBN砂輪磨削45淬硬鋼工件的已加工表面粗糙度變化規律的試驗研究，將CBN砂輪累計磨除一定量的金屬體積后檢測得到的表面粗糙度值與金屬磨除體積一一對應，得到如表3所示的試驗結果。

綜合分析表3中的試驗數據可知：

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定，可長時間維持在一個比較穩定的數值上。

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現象，這反映在工件已加工表面粗糙度上就是，當累計磨除的金屬體積達到一定量時（本試驗中為ΔVw=68萬mm3），表面粗糙度值相對會有一個明顯的增幅（本試驗中為Ra從0.57μm明顯增大到0.67μm），但在隨后的磨削過程中，表面粗糙度值又會迅速回落到一個較穩定的數值上。

3 結論

通過試驗研究，可以得到以下結論：

1）在定進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給速度（Vf）來提高CBN砂輪磨削的生產效率，而且還能保證獲得高的磨削質量。

3）隨著砂輪線速度（Vs）提高到一定的數值（本試驗中為Vs=60m/s）,磨削過程中陶瓷CBN砂輪會出現穩定工作階段和自勵現象，在該階段獲得的工件已加工表面粗糙可長時間穩定維持在一較理想的數值上。

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

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

[2]國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.機械與制造科學學科發展戰略研究報告,(2006年—2010年)[M].北京:科學出版社,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，分析了磨削工藝參數對工件表面粗糙度的影響，建立了磨削表面粗糙度的經驗公式，研究了陶瓷結合劑CBN砂輪磨削表面粗糙度的變化規律及其特點，這些規律為凸輪軸的CBN高速磨削提供了一系列實用的工藝參數。

陶瓷結合劑；CBN砂輪；凸輪軸；表面粗糙度

曹堅（1965 -），男，廣西南寧人，副教授，碩士，主要從事機械設計與制造研究。

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項目（200911LX499）