摘要：實(shí)驗(yàn)研究了小直徑CBN砂輪平面磨削時(shí)砂輪修整方法和砂輪要素(接合劑、粒度、硬度、密度)對(duì)磨削過(guò)程的影響。磨削過(guò)程中CBN磨粒的早期脫落影響了小直徑CBN砂輪磨削性能的發(fā)揮。
　　小直徑CBN砂輪采用杯形(SiC)砂輪修整，選擇陶瓷接合劑、粒度170#～230#、高硬度和200%高密度的要素參數(shù)可取得良好的磨削效果。具有溝槽結(jié)構(gòu)并且需要對(duì)溝槽進(jìn)行精密加工的零件應(yīng)用很廣，如渦旋式壓縮機(jī)渦旋輪、溝槽凸輪等，目前一般都是采用指狀銑刀切削加工溝槽。隨著這類(lèi)零件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，材料的高強(qiáng)度、高硬度化，加工過(guò)程簡(jiǎn)單化(鑄鍛件無(wú)切削成型)和低成本化以及零件加工精度要求的提高等，需要對(duì)溝槽進(jìn)行磨削加工的情況越來(lái)越多，但到目前為止對(duì)溝槽進(jìn)行的磨削加工幾乎限于采用盤(pán)形砂輪加工直線(xiàn)形狀的溝槽。
　　本研究采用帶軸的小直徑CBN砂輪進(jìn)行溝槽精密磨削，包括磨削曲線(xiàn)形狀溝槽的側(cè)面和底面。但為了分析小直徑CBN砂輪磨削加工時(shí)的特性，將其分解為側(cè)面磨削和端面磨削兩種狀態(tài)分別進(jìn)行研究。小直徑CBN砂輪加工曲線(xiàn)溝槽側(cè)面時(shí)，由于溝槽曲線(xiàn)曲率的變化，砂輪與工件之間的相對(duì)曲率隨之變化。有關(guān)小直徑砂輪磨削加工過(guò)程的研究多限于內(nèi)圓磨削，對(duì)于工件和砂輪相對(duì)曲率較大的平面磨削的研究很少，所以本研究首先進(jìn)行小直徑CBN砂輪平面磨削的基礎(chǔ)研究，分析其加工特性，討論加工參數(shù)的選擇。
　　本文在對(duì)小直徑CBN砂輪進(jìn)行修整精度、加工方法研究的基礎(chǔ)上，對(duì)小直徑CBN砂輪平面磨削時(shí)，修整方法及砂輪要素(接合劑、粒度、硬度、密度)對(duì)磨削過(guò)程的影響，參數(shù)選擇等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并按以上實(shí)驗(yàn)確定的原則選擇小直徑CBN砂輪要素參數(shù)分析磨削效果。
　　1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
　　實(shí)驗(yàn)裝置用平面磨床改裝，將平面磨床的主軸用油霧空氣式高頻主軸(精工精機(jī)公司產(chǎn)品，最高轉(zhuǎn)速80000r/min，輸出功率2.8kW)替代。考慮到砂輪剛性對(duì)磨削過(guò)程的影響，取磨削寬度為5mm，采用砂輪最前端進(jìn)行磨削。砂輪用杯形GC(SiC)砂輪修整法(CT法)和旋轉(zhuǎn)薄片金剛石砂輪修整法(RD法)修整(表1)。冷卻液為5%水溶性乳化液，采用順切方式磨削。工件材料為鑄鐵，尺寸為125mm×45mm×5mm(L×H×W)。磨削力用平行平板式測(cè)力儀測(cè)量，砂輪磨損值采用碳片復(fù)寫(xiě)砂輪表面后用表面糙度測(cè)量?jī)x測(cè)取，已加工表面粗糙度采用東京精密Surfcom 1020C表面粗糙度儀測(cè)量。
　　各種因素對(duì)磨削過(guò)程的影響通過(guò)對(duì)已加工表面粗糙度Rz(µm)、砂輪磨損值(砂輪半徑減小量)Wr(µm)和單位磨削寬度的法向磨削力fn(N/mm)隨磨粒累積切削長(zhǎng)度Ic(m)的變化進(jìn)行分析和比較。在砂輪一轉(zhuǎn)中磨粒的切削弧長(zhǎng)(砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng))Ig(mm)和磨粒累積切削長(zhǎng)度Ic(m)由式(1)、(2)求得。式中：D——砂輪直徑，mm
　　ap——磨削深度，mm
　　v——磨削進(jìn)給速度，m/min
　　L——工件磨削長(zhǎng)度，mm
　　n——砂輪轉(zhuǎn)速，r/min
　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　Ig=(D×ap)½ (1)
　　Ic=L×(n/v)×Ig×10-6 (2)
　　2.1砂輪修整方法的影響
　　不同砂輪修整方法修整的砂輪磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，相同磨削條件下旋轉(zhuǎn)金剛石砂輪修整法(RD)與GC(SiC)杯形砂輪修整法(CT)相比較，RD法的已加工表面粗糙度值明顯減小，但隨磨粒累積切削長(zhǎng)度Ic的增大而增大，磨削力值增大，砂輪磨損值略微減小。RD法已加工表面粗糙度值隨磨粒累積切削長(zhǎng)度快速增大和磨削力隨磨粒累積切削長(zhǎng)度快速減小對(duì)小直徑CBN砂輪磨削過(guò)程的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。經(jīng)過(guò)對(duì)小直徑CBN砂輪修整過(guò)程的觀察分析，由于RD法修整器為旋轉(zhuǎn)金剛石砂輪，在砂輪修整過(guò)程中金剛石磨粒既去除了CBN砂輪的接合劑使磨粒切削刃突出，也會(huì)切削CBN磨粒的棱角產(chǎn)生平面或使CBN磨粒破碎，同時(shí)金剛石磨粒對(duì)CBN磨粒的修整作用力對(duì)較突出的CBN磨粒周?chē)慕雍蟿┯幸欢ǔ潭鹊膿p傷，削弱了CBN磨粒的保持力。而CT法采用磨粒硬度比CBN磨粒軟的SiC砂輪，修整過(guò)程用游離SiC磨粒對(duì)CBN砂輪表面進(jìn)行梳理去除比它軟的CBN砂輪的接合劑，對(duì)比它硬的CBN磨粒只起修銳作用，小直徑CBN砂輪采用CT修整法可以得到良好的砂輪磨粒狀態(tài)，磨削過(guò)程比較穩(wěn)定。所以小直徑CBN砂輪采用杯形砂輪修整法(CT)修整較好，以后的實(shí)驗(yàn)中均采用CT法修整。
　　2.2砂輪接合劑的影響
　　由于CBN砂輪的接合劑各有特點(diǎn)，如金屬接合劑砂輪具有較大的磨粒保持力，樹(shù)脂接合劑砂輪的接合劑材料可以產(chǎn)生微弱的彈性變形、增大磨削過(guò)程中砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)，而陶瓷接合劑砂輪具有氣孔結(jié)構(gòu)磨粒切削刃鋒銳且便于修整，因此分別選用金屬接合劑(M40)、樹(shù)脂接合劑(BW6)和陶瓷接合劑(VN1)的小直徑CBN砂輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果示于圖2。即使在v=0.625m/min，ap=0.02mm的輕磨削條件下，樹(shù)脂接合劑砂輪和金屬接合劑砂輪都急劇磨損無(wú)法繼續(xù)磨削，只有陶瓷接合劑砂輪的磨損值最小，已加工表面粗糙度值也最小，所以小直徑CBN砂輪選用陶瓷接合劑有較好的磨削效果。但提高陶瓷接合劑小直徑CBN砂輪的磨削進(jìn)給速度，砂輪磨損、已加工表面粗糙度值和磨削力均隨之顯著增大。
　　2.3砂輪粒度的影響
　　小直徑CBN砂輪磨削時(shí)砂輪粒度對(duì)磨削過(guò)程的影響如圖3所示。一般磨削過(guò)程中選用細(xì)磨粒的砂輪可以期待得到較小的已加工表面粗糙度值。但由圖可見(jiàn)，對(duì)于小直徑CBN砂輪的磨削過(guò)程則是隨砂輪粒度由230#、325#、400#的順序細(xì)化，已加工表面粗糙度和砂輪磨損依此順序增大，磨削力減小。
　　對(duì)以上采用不同的砂輪修整方法修整砂輪、不同接合劑以及不同砂輪粒度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納分析，小直徑CBN砂輪磨削過(guò)程有如下特征。隨著磨粒累積切削長(zhǎng)度的增加，已加工表面粗糙度值增大、砂輪磨損值直線(xiàn)增大，但是磨削力保持不變甚至緩慢減小。經(jīng)過(guò)對(duì)砂輪表面CBN磨粒狀態(tài)的追蹤觀察，發(fā)現(xiàn)小直徑CBN砂輪在磨削過(guò)程中發(fā)生了CBN磨粒的早期脫落，并且CBN磨粒的脫落是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，在磨粒突出高度相近的相鄰磨粒之間，一個(gè)磨粒脫落后下一個(gè)磨粒隨之脫落，接著再下一個(gè)磨粒脫落，同時(shí)突出高度較高的磨粒加入切削，總的使砂輪有效切削磨粒數(shù)量減少。因此，伴隨砂輪磨粒的脫落砂輪半徑持續(xù)減小(砂輪磨損增大)、磨削力不變或減小，已加工表面粗糙度惡化。CBN磨粒的早期脫落使小直徑CBN砂輪無(wú)法發(fā)揮CBN磨粒鋒銳、耐磨性好的特長(zhǎng)，導(dǎo)致小直徑CBN砂輪過(guò)早失效，這正是小直徑CBN砂輪平面磨削過(guò)程的問(wèn)題所在。防止和減少小直徑CBN砂輪磨粒的脫落是提高其磨削性能的有效措施。
　　根據(jù)以上分析，可以解釋陶瓷接合劑砂輪有較好磨削效果是因?yàn)槠渚哂袣饪捉Y(jié)構(gòu)、接合劑耐熱性和強(qiáng)度較高，對(duì)CBN磨粒有較大的把持力。小直徑CBN砂輪磨削時(shí)細(xì)粒度砂輪的已加工表面粗糙度反而增大的原因是由于砂輪的脫落型磨損，砂輪磨粒變細(xì)，單個(gè)磨粒與接合劑的聯(lián)接面積減小，磨粒的被保持力減小，磨粒脫落加劇，所以小直徑CBN砂輪不宜于選擇比230#細(xì)的粒度。
　　2.4砂輪硬度的影響
　　為了抑制小直徑CBN砂輪磨粒的脫落，選擇硬度以0、P、R順次提高的小直徑CBN砂輪，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖4。由圖可見(jiàn)，砂輪磨損順次減小、磨削力順次增大，硬度增大到R時(shí)已加工表面粗糙度明顯減小并且比較穩(wěn)定。從已加工表面粗糙度、砂輪磨損和磨削力隨磨粒累積切削長(zhǎng)度的變化特征可以認(rèn)為，在小直徑CBN砂輪硬度達(dá)到R時(shí)仍然存在磨粒脫落，但已向砂輪正常磨損狀態(tài)過(guò)渡。所以選用新的接合劑配方改進(jìn)小直徑砂輪制造工藝，以提高磨粒的保持力減少磨粒脫落是小直徑CBN砂輪要素參數(shù)設(shè)計(jì)的方向。
　　2.5砂輪磨粒密度的影響
　　砂輪磨粒密度對(duì)磨削過(guò)程的影響結(jié)果如圖5所示，磨削進(jìn)給速度不同時(shí)磨粒密度對(duì)磨削效果有不同的影響，在v=0.625m/min的低速進(jìn)給、砂輪密度在150%時(shí)有最佳的磨削效果，而在較高進(jìn)給速度v=2.5m/min時(shí)以高密度為好。砂輪密度對(duì)磨粒保持力有一定的影響，對(duì)磨削過(guò)程的影響表現(xiàn)為，低密度可以獲得鋒利的磨粒切削刃，而高密度可以減緩砂輪磨損，較低磨削進(jìn)給速度時(shí)，單個(gè)磨粒切削深度小，磨粒較少脫落，砂輪在接近正常狀態(tài)下磨削，密度150%時(shí)磨粒達(dá)到了最佳的切削狀態(tài)，磨削進(jìn)給速度提高則砂輪單個(gè)磨粒切削深度增大，磨粒容易發(fā)生脫落，砂輪磨粒高密度有利。
　　2.6小直徑CBN砂輪要素參數(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)效果
　　按以上實(shí)驗(yàn)確定的小直徑CBN砂輪要素參參數(shù)選擇原則，即選用高強(qiáng)度陶瓷接合劑、粒度大于230#、高硬度和高密度的砂輪要素參數(shù)進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果示于圖6。可見(jiàn)磨削表面粗糙度穩(wěn)定在Rz5µm以下，且?guī)缀醪浑S磨粒累積切削長(zhǎng)度的增大而增大，砂輪磨損緩慢增大，磨削力平緩減小，說(shuō)明磨削時(shí)磨粒的脫落得到了相當(dāng)程度的抑制，砂輪在接近于正常磨損的狀態(tài)下磨削，達(dá)到了較好的磨削效