资源描述
高性能立方氮化硼的开发和金刚石砂轮的高速磨削
关键词：高速磨削，立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮，金刚石砂轮
利用立方氮化硼砂轮进行高速磨削是一个很普遍的磨削方法，并且现在很需要对于这种方法在技术层面进行改善。因此，有限单元法就被用于优化砂轮形状，而且这个设计已经通过爆破试验验证。为了重复磨削试验，一个经过优化并且适合高速磨削的砂轮被研发出来。这种砂轮的性能不仅通过了磨削试验，它表面对于修整和配合的调整性也是合适的。此后，在一个相似的试验中，一个金刚石砂轮在性能验证测试中被使用。
1、 简介
对于高速磨削效率的改善已经有将近六年了，但是，在旋转破坏发生时普通的砂轮的速度是60m/s。
自从立方氮化硼出现在市场上，高速磨削就已经被研究了，高速定子的研发加速了其使用的研发。立方氮化硼具有高硬度和良好的热稳定性，这对于高速磨削的切削刃磨粒特别常重要，因为它可以持续工作更长的时间。
高速磨削在20世纪80年代向实践应用的发展是因为一系列于高速磨削相关的技术（磨粒，砂轮，磨床）。特别的，对于高效率凸轮轮廓磨削，高速磨削可以应用于汽车零件的加工。在大多生产线上，圆周速度现在已经有了工业标准，为160m/s，这对于近年来的曲柄轴的高速磨削加工技术已经很先进了，而部分生产线已经将圆周速度加快到200m/s。为了更为提高高速磨削技术，这篇报告指出了一些必要的技术。
2、 高速磨削的砂轮设计
一般，高速磨削应用的是陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮，在高速磨削使用的砂轮中，不只需要良好的磨削性能，也需要考虑到对于旋转破坏采用的安全措施，减少由于离心力而产生应力和位移，考虑如下三点是非常必要的：
* 轮芯材料的选择
* 轮芯的设计
* 粘结层的粘附方法
砂轮的设计和影响表面光洁度和形状的砂轮平衡度在下面的部分阐述。
2.1 高速磨削的砂轮轮芯
对于一个高速磨削砂轮的轮芯，他的材料应选用高硬度比。铝合金，钛合金和碳纤维强化塑料（CFRP）是满足标准的材料，因为使用这些材料产生的位移量和应力较低，材料硬度高，如下面（1）、（2）两个公式所示。
E：弹性模量；v：泊松比；ρ：比重；ω：角速度；r：内径；R：外径；
K：R/r；g：重力加速度
考虑得到所选材料的简易程度也是我们必须要考虑的。通常使用钛合金和铝合金所用到的圆周速度是200m/s，而使用钢材所达到的圆周速度为160m/s。最近，大家都倡导要从环保和减少成本角度考虑回收利用，因此，核心材料的选择也需要考虑到材料的疲劳强度极限。
2.2 砂轮形状
在核心材料的选择方面，形状对于高速磨削的砂轮来说也是非常重要的。有限元方法被应用于设计中来减少由于离心力而产生的的应力与位移。特别的，因为由于离心力而产生的位移与砂轮损坏直接相关，所以，控制这方面的位移是设计的要点。图表1阐述的就是不同形状所产生的不同的位移值。而且，为了减少替换砂轮的次数，调整最佳砂轮形状的设计工作中还需要考虑到砂轮重量的因素。
位移值
A：锥形
B：阶梯型
C：直线型
圆周速度 m/s
图表1：圆周速度与位移的关系
2.3 黏着度
许多部分结构同金属芯粘结的立方氮化硼陶瓷高速砂轮已经应用于陶瓷结合剂砂轮。因为材料同核芯的粘结同脱落和结构损坏直接有关，所以，为了阻止砂轮损坏，粘结剂的选择是很重要的。考虑零部件的形状和长度以及优化砂轮外径都可以改善砂轮损坏的速度。图表2展示的是不同零件长度同砂轮损坏速度的比较。
2.4 砂轮平衡
不平衡的原因是砂轮由于离心力而产生的震动，砂轮形状和表面粗糙度的改变增加了后会使不平衡加剧，因为不平衡度近似于旋转速度的二次方，所以在高速磨削开始前必须检查砂轮是否平衡。砂轮平衡的适应度是有标准的，但是不平衡是由于主轴的配合误差或者不准确的核芯形状造成的。图表3展示的是砂轮不平衡度同主轴的配合误差的关系。在这种情况下，由于砂轮安装后导致的重心改变是其问题所在，解决这个问题可以在轮空安装O型圈。图表4阐述的是应用O型圈之后主轴配合误差会变得微不足道。然而这种方法不会减少不平衡量，因此，即使限制砂轮出现更小的不平衡量是很重要的，也要安装一个平衡缓和装置，甚至是在工作机端，这是使工作机保持平衡适应性成为可能所需要的。即使平衡缓和装置一般采用液压技术，但是这对于在一个很高速度运行的砂轮来说仍是不够的，因为油液容易因离心力的作用流到外面。在砂轮安装到工作机上之后，为使其更好的工作，需要增加适量的重力。然而，这种方法从安全的角度上不是很合适，为了使高速磨削更广泛的得到试用，这个问题应该解决。
损坏速度
m/s
零件长度 mm
图表2：损坏速度和零件长度的对比关系
不平衡度
g·cm
主轴配合误差 μm
不平衡度
g·cm
主轴配合误差 μm
图表3（上）：不平衡度与误差的关系
图表4（下）：安装O型圈后的不平衡度
3.对高速磨削砂轮安全性能的评估
一个经过多重检测优化后的砂轮会接受一个破坏实验，之后，这个设计才会证实安全可靠。图表5阐述的是一个砂轮在旋转破坏强度试验机上的图片。一个用于压缩空气的空气涡轮作为动力源，砂轮的主轴挂装在旋转破坏强度试验机上，这个试验机可以将重达300千克的砂轮旋转至40,000转每分钟，这使得测试一个大直径砂轮的曲柄轴成为可能。经过破坏试验后的砂轮如图表6中展示的一样。试验砂轮是由轻金属合金制造的，开始的转速是200m/s，使其破坏的速度是550m/s，一组设计人员正在利用这个试验研发一个更加安全的砂轮。
图表5（左）：砂轮在旋转破坏强度试验机上的图片。
图表6（右）：破坏试验后的砂轮。
磨削负载
N/mm
磨粒损耗量 cm3
图表7：磨削负载与圆周速度的关系
4.高速磨削
4.1高速磨削的立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮
为了减少磨粒所承受的负载，需要增加砂轮的圆周速度，这使得磨削的负载也相应的降低了。这对于高速磨削来说是一个最大的优点，因为对于在固定的磨粒负载来说，它可以更好的提高磨削效率。图表7展示的就是在固定的磨削条件下中负载与圆周速度的关系。对磨削效率的改善也可以延长砂轮的使用寿命。砂轮寿命通常与砂轮上的磨粒数目有关，为了增加磨粒数，减少砂轮磨损是很必要的，这要求适用于耐磨性能符合标准的砂轮。但是，耐磨性能更好的砂轮更容易增加负载，这对于砂轮形状的准确性和表面粗糙度有很大的影响。因此，如果磨削负载降低了，必须要使用某些步骤来保证工件能够得到所要求得到的特性。砂轮修整是一种步骤，在高效的高速磨削中这个步骤是非常重要的。
现在有许多立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮应用于高速磨削中，这些砂轮能够用一个叫做滚轮大磨具的金刚石工具完成修整工作，在修整工作中，立方氮化硼陶瓷切削刃可以进行调整，圆周速比（修整速度/砂轮速度）和适应滚轮大磨具的速度也可以改变。图表8展示的是砂轮修整后得到的磨削特性的概念图。磨削修整条件是建立在一个很高的圆周速比下的，高速度减小了砂轮的磨削负载，因为使工件得到一个很高质量的程序不可能得到的，所以我们必须综合考虑能让砂轮适应的条件。因此，我们在需要的条件下让高速砂轮做磨削试验和计划的修整试验。
为了使用滚轮大磨具加工，选择适用于立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮的工件很重要，例如，修整工作经常使用高速比的立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮。考虑滚轮大磨具的耐磨性和硬度是必须的，表面情况适应的立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮可以使用这样的滚轮大磨具。图表9展示的是立方氮化硼陶瓷结合剂砂轮表面在这些工具下试验的情况，纵轴是圆周速比，横轴是磨具进给速比。通过圆周速比和进给速比我们可以知道改变陶瓷结合剂表面和立方氮化硼是可能的，当砂轮和磨具结合起来，磨削工作就会得到改善，图表10中利用一个磨削凸轮的案例展示了这些。
4.2 高速磨削中使用的金刚石砂轮
立方氮化硼砂轮在高速磨削中的的应用如上所述，在高速磨削中，金刚石砂轮也有很高的效率。应用金刚石砂轮的高速磨削用于磨削液晶显示器（LCD）玻璃和汽车玻璃，图表11展示的是一个在固定条件下板材玻璃磨削的案例。在图表中，作用很明显，随着砂轮转速增加，磨削载荷与表面粗糙度都降低了。
圆周速比 高
低
低 进给速比 高
图表8：修整概念图
圆周速比
修整的进给速比mm/rev
图表9：激光显微镜分析下的立方氮化硼陶瓷结合剂修配后的表面
比值 应力
N 表
面
粗
糙
度
之前 之后 Raμm
图表10（左）：改善之后的例子。
图表11（右）：应用金刚石砂轮磨削板材玻璃的例子。
但是不像立方氮化硼砂轮一样，应用金刚石砂轮，我们就不能即保证了效率又使砂轮磨削得到一个理想的速度，这是由金刚石热稳定性特点决定的，在高速磨削中，磨刃可以达到一个很高的温度，这使得金刚石转变为碳化物，因此，在使用金刚石砂轮进行高速磨削的时候，需要考虑降温措施。
在使用金刚石砂轮进行修整作业时，不像立方氮化硼结合剂砂轮，我们不可能控制它的磨削载荷或者表面粗糙度，因此，必须采取如下的措施
* 为了减小磨削载荷，金刚石必须使用较大尺寸的。
* 为了减小表面粗糙度，金刚石的纯度必须很高。
我们继续调整砂轮的规格来满足要求是很重要的。
5.结论
高速磨削这个设计的特点和相应砂轮的使用已经介绍完了，这里不仅介绍了立方氮化硼砂轮，而且还介绍了金刚石砂轮，许多高速磨削中的砂轮技术的改进都是由大量生产线上的实践需求所开发出来的，因此，工件的制造者所制造的工件规格必须与使用者的需求相适应。
参考文献
1）H.Aikawa 和 J.Mstsuda：JSME春季年度会议（1997）185.
2）J.Matsuda：磨削工程师学会杂志 44（2000）353.
3）H.Nishioka，K.Une，M.Mochizuki 和J.Matsuda：新型金刚石 59（2000）42.
4）T.Nishiyama：磨削工程师学会杂志 45（2000）428
5）H.Honma 和 H.Aikawa：磨料技术会议（2001）81
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