葉輪驅動式自潤滑單層CBN砂輪*

張 嵐 丁元法 霍文國② 蘇向東

(①貴州省新材料研究開發基地，貴州 貴陽 550002； ②天津職業技術師范大學，天津 300222；③貴州省輕金屬材料制備技術重點實驗室，貴州 貴陽 550003)

鈦合金應用最為廣泛，在眾多材料中具有較小的密度和較高的強度，機械性能、韌性及抗蝕性都很好，但鈦合金磨削加工性相對較差。傳統的磨削工藝通過使用大量冷卻液降低加工區域溫度，不僅給環境和操作者帶來健康隱患，并且增加了回收成本。綠色加工是現代機械加工過程中，在保證產品質量和成本的前提下，減少對周圍環境、污染等影響的加工方式[1-2]。大力發展綠色加工技術，杜絕或減少冷卻液的使用，可以充分降低對加工現場和生態環境的負面影響，能夠實現能源節約，有利于環境保護，實施機械加工綠色化勢在必行[3-5]。綠色磨削加工技術大致有全干式磨削技術、微量潤滑技術、液氮冷卻技術、氣體射流冷卻技術、內冷卻技術、固體潤滑技術等等[6-11]。

本文設計并制作出一種葉輪式自潤滑單層CBN砂輪及其冷卻介質輸送系統，冷卻介質由輸送管道進入砂輪內部，在砂輪內部葉輪的驅動下冷卻介質直接噴出到磨削表面，并以固定角度噴向磨削弧區，實現用少量冷卻介質控制磨削區域砂輪與工件產生的磨削熱，抑制磨削燒傷，保護工件，提高砂輪壽命。

1 單層CBN砂輪制備

1.1 方案設計

葉輪式自潤滑單層CBN外圓砂輪主要由砂輪基體、砂輪軸、軸承、葉輪、端蓋和冷卻介質輸送銅管等零件組成。砂輪基體表面為單層立方氮化硼(CBN)，CBN粒度選擇為80/100目，砂輪磨粒濃度75%。砂輪基體安裝在砂輪軸上，砂輪軸通過軸承與葉輪相連，葉輪上方安裝砂輪端蓋，端蓋上加工有潤滑劑流道孔，該孔通過銅管與冷卻介質輸送系統相連。基體與砂輪軸分離的好處在于當基體使用完全磨損后，可以直接換掉基體。

冷卻介質輸送系統由壓力泵、橡膠管、銅管、控制電路和溫度傳感器等部分組成。潤滑介質通過壓力泵進入砂輪內腔，并在砂輪內腔葉輪壓力的作用下由砂輪表面析出微孔進入磨削弧區。通過測得溫度的高低控制冷卻泵供給冷卻介質流量的大小。

1.2 內噴單層CBN砂輪結構設計

傳統砂輪都是冷卻介質從外部直接給到砂輪與工件加工表面，在砂輪高速旋轉磨削的過程中冷卻介質不易進入磨削弧區，因此磨削溫度較高，加工工件表面質量差，而內噴CBN砂輪就恰恰解決了這樣的難題。冷卻液在冷卻泵的加壓下連續進入到砂輪機體內，通過砂輪內部葉輪設計口噴出，進而精準地對磨削弧區進行冷卻。

砂輪軸直徑為20 mm，砂輪基體外徑為60 mm，高度為30 mm，微孔直徑為1.5 mm，冷卻介質進口直徑為6 mm。內噴單層CBN砂輪是利用冷卻泵加壓冷卻液進入砂輪內部，然后由砂輪內部噴出冷卻介質，使其達到磨削加工時降低磨削溫度，工件不被燒傷，冷卻工件。砂輪基體如圖1所示，單層電鍍CBN砂輪如圖2所示。

砂輪的高速旋轉產生離心力，一部分冷卻介質從砂輪微型孔中甩出，達到一級冷卻效果。如果一級冷卻效果達不到預期的冷卻效果，磨削溫度將超過預期值。此時，系統起動溫度控制系統，把采集到的溫度電信號傳輸給溫控系統，溫控系統發出電信號到冷卻泵，驅動冷卻泵將冷卻介質供給給砂輪內部，從而實現磨削溫度的降低。

1.3 砂輪表面形貌

圖3所示為電鍍單層CBN砂輪表面磨粒區域的微觀形貌圖，圖4則為冷卻液噴出微孔區域的微觀形貌圖。由兩圖可以看出，制作的砂輪表面磨粒分布較為均勻，電鍍單層CBN砂輪磨粒的等高性和出露性較好，未見明顯磨粒破損和脫落。

2 中心內噴單層CBN砂輪性能實驗

2.1 實驗條件

實驗機床為SZ-1800V型數顯銑床，夾具為自制夾具，選定的工件材料是TC4鈦合金。冷卻系統為自制可控內噴冷卻裝置。

2.2 磨削溫度的影響

采用頂絲法測量鈦合金在磨削過程中磨削弧區的溫度。工件上鉆有φ1 mm的孔，孔底部與工件表面距離為1 mm。首先將熱感應器安裝到鈦合金工件內孔，采用高溫膠密封固定。當砂輪與工件進行磨削時，產生大量的熱，并通過熱傳導的方式把熱能傳遞給鈦合金內部的熱傳感器，傳感器感受到工件溫度變化時會產生電信號，產生的電信號通過電荷放大器傳遞給NI USB-6211信號采集卡。實驗過程中，利用測溫系統測出在不同磨削深度下，工件表面產生的不同溫度來控制冷卻液的流量的大小，在溫度高于設定的50 ℃時冷卻液開啟，對鈦合金工件進行冷卻，當冷卻溫度低于20 ℃時冷卻液慢慢停止，這樣就保證在可控制的范圍內對工件進行有效的冷卻。

工件磨削表面溫度與磨削深度的關系如圖5所示。由圖可見，在磨削深度從0.02 mm到0.2 mm的過程中，磨削溫度逐漸升高，但直接使用碳化硅砂輪磨削的溫度高于內噴砂輪磨削溫度。這是由于內噴砂輪在磨削過程中，冷卻介質由砂輪內部直接噴涂到砂輪表面，冷卻潤滑減摩效果良好。

2.3 工件磨削表面粗糙度

圖6為工件磨削表面粗糙度與磨削深度的關系。由圖可見，在磨削深度從0.02～0.2 mm的過程中，工件表面粗糙度值總體上呈增大趨勢。這是由于增大磨削深度時使單位時間內磨削的材料增加，消耗的能量增多，使單顆磨粒未變形而磨削厚度變大，導致磨削力增大，因此表面粗糙度值增大。單層內噴CBN砂輪磨削工件表面粗糙度值總體上小于直接磨削的碳化硅砂輪，內噴冷卻介質砂輪內部冷卻介質持續地噴出使磨粒切削刃能長時間保持鋒銳，切削性能好，易于獲得較小的表面粗糙度值。

2.4 砂輪微觀表面形貌

使用高倍顯微鏡觀察磨削后砂輪表面典型立方氮化硼磨粒的高度與寬度，并對比磨削前后的變化，具體數值如表1所示。

表1 磨削前后磨粒值對比表

項目高度值/μm寬度/μm磨削前12946530磨削后95983105差值33423425

由表1數值可知：在立方氮化硼與鈦合金的磨削實驗中，砂輪表面磨粒高度差33.42 μm，砂輪磨粒的高度變化并不是特別大，所以只有一小部分磨粒在磨削過程中發生了磨粒的磨損。但是磨損磨粒會發生自銳現象，因此砂輪的磨削效果不會受到太大的影響。

3 結語

本文主要設計了一種中心內噴潤滑介質砂輪基體結構，并進行表面電鍍立方氮化硼磨粒，完成了磨削鈦合金的實驗，研究了內噴潤滑介質對砂輪磨削性能的影響。實驗結果表明，磨削深度在0.02～0.2 mm的范圍內，隨著磨削深度的增加，工件表面溫度與表面粗糙度值增大，而內噴砂輪的表面層溫度與粗糙度值皆小于普通碳化硅砂輪。在磨削過程中，只有少部分磨粒發生磨損，磨損磨粒會發生自銳現象，所以砂輪的磨削效果不會受太大影響。綜上所述，采用冷卻介質內噴砂輪技術能夠提高砂輪的磨削加工性能，用少量的冷卻介質實現理想的冷卻效果，降低磨削溫度，實現綠色磨削。

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