（机械工程专业论文）cbn磨具应用技术的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 立方氮化硼( c b n ) 是一类性能优越用途广泛的超硬材料，c b n 磨具是一类具 有高速度、高效率、高精度、低磨削成本，低环境污染的高性能磨具产品。其 代表了当今世界磨具产品发展的一个主要方向，具有广阔的发展前景。 本文对c b n 磨料的种类及对c b n 磨料的基本要求做了系统的阐述，在此基 础之上，还对c b n 磨具的组成及其特点进行了分析。对影响c b n 磨具性能的主 要因素，c b n 磨具磨削对设备的要求进行了分析研究。特别对c b n 磨削中磨削液 的选用进行了研究，磨削液的注入方式也是应关注的问题之一。本文对c b n 磨 具的修整技术进行了较全面的研究，在c b n 磨具的应用技术中，c b n 磨具的修整 技术占有非常重要的地位。通过对各种方法进行对比试验及优选方法的正交试 验，得出了最佳c b n 磨具整形、修锐方法和最佳工艺参数，试验结论与理论十 分相符。 本文还对c b n 磨具在汽车发动机加工中的实际应用情况进行了分析研究。 在汽车发动机凸轮轴加工过程中采用陶瓷结合剂c b n 砂轮，可提高凸轮的表面 质量，没有烧伤、磨糊现象，减小廓形误差，节省修整砂轮和更换砂轮的时间， 提高了劳动生产率，降低了成本。在连杆大头孔珩磨中使用c b n 珩磨条，可降 低刀具费用9 0 以上，并且提高了工件的几何精度和表面质量。 关键词c b n ( 立方氮化硼) 修整 磨削 磨削液 凸轮轴 连杆 英文摘要 a b s t r a c t c u b i cb o r o nn i t r i d e ( c b n ) i sas u p e r h a r dm a t e r i a lw i t hm a n ya d v a n t a g e sa n d m a n yu s e s c u b i cb o r o nn i t r i d eg r i n d i n gt o o l si s ap r o m i s i n ga b r a s i v et o o lo fh i g h p e r f o r m a n c e u s e df o rh i g hs p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲p r e c i s i o ng r i n d i n gw i t hl o w e r g r i n d i n gc o s ta n dl e s se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t y p e sa n db a s i cr e q u e s t s o fc b na b r a s i v e sw e r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r m e a n w h i l e ，c h a r a c t e r sa n dc o m p o s i t i o n so fc b n g r i n d i n gt o o l sw e r ea n a l y z e di nt h i s p a p e nt h er e s e a r c hr e s u l t sa l s oi n d i c a t e d f a c t o r st h a te f f e c tp e r f o r m a n c eo fc b n g r i n d i n gt o o l sa n dp o i n to u tr e q u e s t st ot h eg r i n d i n gm a c h i n e f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r s t u d yo ng r i n d i n gc o o l a n t sa n dd r e s s i n gm e t h o d so fc b ng r i n d i n gt o o l s d r e s s i n g m e t h o d sa r ev e r yi m p o r t a n ti na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fc b n g r i n d i n gt o o l s a f t e r v a r i o u s e x p e r i m e n t s ，o p t i m u l t it r u i n ga n dd r e s s i n gt e c h n i q u e sw e r es u g g e s t e d c o n s u l t i n g t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f e n t e r p r i s e ，t h i sp a p e rs t u d yo nt h ea p p l i c a t i o n o fc b n g r i n d i n gt o o l si nm o t o rv e h i c l em a n u f a c t u r e s u r f a c eq u a l i t yo fc a m s h a f ta n d l i n kh a v eb e e ne n s u r e da n dl o w e rc o s th a sb e e no b t a i n e db y u s i n g t h ec b n g r i n d i n g w h e e l e s p e c i a l l ya t l i n kh o n i n g ，m o r et h a n9 0 c o s to f c u t t i n gt o o l sh a sb e e n s a v e d k e y w o r d s ：c u b i cb o r o nn i t r i d e d r e s s i n g m e t h o d s g r i n d i n g g r i n d i n gc o o l a n t s l i n k c a m s h a f t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二耄胴。签字目期：砂加噼f 月f2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨澶盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二舀训 签字日期：咎，口牛年f 月z 日 r 导师签名 孑勘 签字日期： 矿乒年月卫 第一章绪论 第一章绪论 1 1c b n 磨具的磨削特性 立方氮化硼( c b n ) 是超硬切削材料之，它是氮与硼的化合物，是在约为 5 0 0 0 m p a 的高压及1 7 0 0 的高温下形成的。它的硬度仅次于金刚石，但它和金刚 石相比却有如下优点。 ( 1 ) 1 2 0 0 高温下仍可保持硬度不变。 ( 2 ) 有一定的韧性，它不仅可用于磨削强硬的铸铁，还可磨削强度大、硬度高 及热敏性高的钢件或其它合金材料。 ( 3 ) c b n 与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于磨削黑色金属，而能保持较高 的耐用度。c b n 制成的超硬磨料磨具，可应用于金属的磨削与珩磨，不仅 可以代替普通砂轮磨削，甚至可以实现铸、锻件毛坯的高速、高效一次性 粗精磨，尤其适用于成型、仿型及确定尺寸的精磨，其磨削质量和磨削效 率较高、成本较低。 国内外成熟的使用经验已证明，c b n 砂轮磨削具有下述实用经济价值。 ( 1 ) c b n 砂轮硬度相当于刚玉磨料砂轮硬度的2 倍。其机械强度相当于碳化硅 磨料的2 倍多，而其韧性比金刚石好，可以磨削各种高强度、高硬度的钢 材与铸铁，其磨具的耐用度与磨削效率是其他各种磨具所不及的。 ( 2 ) c b n 砂轮的导热性和热稳定性好，可承受1 3 0 0 。c 1 5 0 0 的高温，其导 热率是刚玉( a 1 。0 3 ) 的4 5 倍，热扩散率是a 1z o 。的1 1 2 倍。c b n 砂轮特别 适用于磨削热敏性高的超硬高速钢和高硬度合金刚等，而不产生磨削烧伤 裂纹。 ( 3 ) c b n 化学惰性强、稳定性好，特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、钛合金、 镍基合金时，c b n 砂轮磨耗极小，其耐用度大约是普通砂轮的1 4 0 0 倍。 ( 4 ) c b n 砂轮磨削后的零件表面质量好，不产生磨削烧伤及龟裂等缺陷，并能 提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命3 0 5 0 ，如l i t o n 工业自动化 公司用c b n 砂轮磨削凸轮轴，不仅成本降低5 0 ，而且凸轮表面的疲劳 强度提高了3 0 。 ( 5 ) c b n 砂轮磨削不需要频繁地修整砂轮。电镀或单层金属结合剂制成的c b n 砂轮不需修整便可直接磨削。c b n 砂轮耐用度稿于普通砂轮数十倍。 ( 6 ) c b n 砂轮适宜于高速或超高速磨削，其效率是普通砂轮的1 5 0 2 0 0 倍。 总之，采用c b n 砂轮磨削虽然初始投资较大但其综合效益高。 第一章绪论 1 2 c b n 磨具的应用 由于c b n 砂轮磨削技术具有较多的优点，所以国外在7 0 年代末便开始推广 应用，8 0 年代便相继应用于机床、工具制造业中的材料加工与复杂成型磨削，9 0 年代初便己应用于航空、汽车、轴承与工具制造业。c b n 磨具应用行业及其所占 比重见表1 - 1 表1 1c b n 磨具应用行业及其所占比重 本行业可用 序号行业名称用量比( ) c b n 比( ) 1汽车 2 58 0 2轴承1 83 8 3齿轮1 22 8 4航空、航天1 32 7 5工具1 25 5 6其它2 06 5 若将c b n 磨具磨削技术应用于国内汽车制造行业，例如凸轮轴、曲轴、连 杆、缸体及其它复杂成型或大余量粗精磨削工序等，便可大大提高其加工质量与 效率，同时也提高了机加工的工艺水平。c b n 磨具，不同磨削方式所占的比重见 图1 1 一 术 一 茬 丑 成 型 瘩 酎 1 2 凸 轮 地 轴 磨 捌 工 具 毫 9 弧 其 它 磨 舶 哥罔周国画瘫 图1 - 1 不同磨削方式所占比重 第一章绪论 1 2 1 凸轮的粗精磨削 凸轮轴的凸轮粗精磨削采用c b n 砂轮，可以保证凸轮轮廓曲线始终接近靠 模凸轮曲线，用c b n 砂轮磨削凸轮，砂轮直径可以制成等于磨削工作靠模时的 滚轮直径f 如中5 7 0 m m l ，磨削后的凸轮轮廓曲线将趋近于工作靠模曲线，使误差 达到最小。由于c b n 砂轮的磨耗量很小，直径方向上一般不超过1 0 m m ，而磨削 的凸轮数可相当于数片普通砂轮磨削的凸轮数，因此可稳定地保证凸轮曲线始终 在最佳状态。 丰田机工公司采用新型无靠模数控磨床和陶瓷结合齐r j c b n 砂轮进行凸轮轴磨 削试验。结果表明：采用新型无靠模数控磨床避免了传统靠模磨床由靠模精度而 带来的误差；新型磨床设备利用率高，其实现不同型号凸轮磨削生产转换仅需2 5 分钟，而使用靠模磨床实现这种转换需要4 天时间来进行安装调试；c b n 砂轮的磨 损速度比刚玉砂轮小上百倍，丽使用数控系统又能够实现砂轮直径变化的自动补 偿，因而磨削加工出的凸轮形状很准确；c b n 砂轮磨削的生产周期较短，磨削一 根4 缸轿车凸轮轴，仅用2 分钟，而普通砂轮则需要3 分钟。c b n 修整时间少，刚玉 砂轮每磨4 个凸桃就需要修整，c b n 砂轮磨6 0 0 个凸桃才需修整一次。c b n 砂轮较高 的生产效率减少了劳动力费用和企业管理费用，而且不需要昂贵的靠模，生产成 本比刚玉砂轮磨削降低了6 0 。c b n 砂轮磨削温度较低，减少了刚玉砂轮磨削中时 常出现的裂纹和烧伤质量问题。c b n 砂轮磨削形成的表面残留压应力改善了凸轮 轴的疲劳寿命。 天津内燃机厂采用进口全数控无靠模凸轮轴磨床和进e 3 c b n 砂轮( 1 a 1 2 5 0 2 2 5 0 8c b8 0 m2 0 0 v n l ) ，以8 0 m s 砂轮速度磨i i j j t j 3 7 6 q 发动机凸轮轴( 工件 材料为冷激铸铁，加工余量为3 5 m m ) ，修整间隔达至j j l o o 件次( 是单晶刚玉砂轮 的1 0 0 倍) ，磨削比达t 1 8 7 0 0 ( 是单晶刚玉砂轮的1 1 9 倍) ，砂轮寿命为6 0 0 0 件( 是单 晶刚玉砂轮的2 1 倍) ，生产效率提高3 4 。磨削廓形精度和表面质量有明显提高。 虽然c b n 砂轮价格是单晶刚玉砂轮的3 7 倍，但综合成本比较合理。 1 2 2 应用c b n 砂轮磨削曲轴 在曲轴加工中，l a n d i s 磨床公司设计的3 lc n c 曲轴磨床，为曲轴和其它不同 心零件的精密磨削提供了可能。特别是其双磨头磨床与陶瓷结合剂c b n 砂轮的结 合， 可在铸件或锻件出厂时在粗加工工序磨削铸件或锻件。这样不需分别进行 车削、车饺等粗加工，就可完成曲轴淬硬之前所需的机械加工。使用一台双磨头 第一章绪论 磨床，能加工多种直径曲轴铸件，进一步提高了生产效率，减少了设备投资，节 省了生产占地面积。c b n 磨床的精度也可使粗磨尺寸接近工件最终形状尺寸，比 车、铰粗加工所留余量显著减少( 粗磨加工所留余量一般为0 5 m m ，车铰加工所留 余量为1 5 m m ) ，这不仅使精磨时间缩短，而且使粗、精加工之间所需的热处理时 间也短。采用c b n 砂轮和l a n d i s3 lc n c 轨道函数曲轴轴颈磨床( 4 5 k w 功率、单片 砂轮) ，磨削一个四缸发动机曲轴的轴颈及侧面，耗时不到一分钟。而这个过程 要去除轴颈直径上1 0 r a m 的余量和轴颈端面上3 m m 的余量。片砂轮可以磨削 4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 个工件。磨削结果表明，采用c b n 磨削可以得到较好尺寸精度、圆 度、曲轴轴颈行程的径向定位精度、主轴颈与连杆颈的同心度、侧向定位精度、 残留应力状况等。 1 2 3c b n 磨具在珩磨中的应用 由通用电器公司( g e ) 研制的b o r a z o n 立方氮化硼，专门采用了金属结合剂。 这种立方氮化硼进行了复杂的表面处理，增强了晶粒与周围的金属基体之间结合 力。经实验，立方氮化硼油石比传统磨料( 如a 1 。0 。) 做成的油石要优越的多。 珩磨过程( 如图卜2 所示) 是立方氮化硼晶粒高速旋转从工件上切下切屑。切 屑不断产生，在晶粒前方磨出一个凹痕。同时，在珩磨过程中，油石在两个方向 作往复运动，切屑粘附在晶粒的两边，形成一个v 形切屑沟。这些切屑沟容许切 屑存留于晶粒后面。 图卜2 珩蘑过程 这可以说是因为立方氮化硼油石的宽度相对狭窄的原因。油石太宽，切屑排 不出来，可能积藏在油石和工件的交接面之间，在工件上产生不可控制的沟痕。 研究表明：结合剂的磨损与磨料的磨损应十分匹配，防止晶粒过早消耗。当结合 剂的磨损可控制时，就可在保持很高的磨削效率和油石寿命的同时获得良好的 晶粒状态。 立方氮化硼金属结合剂油石的特点之一，是有一个特殊的象流星似的结合剂 第一章绪论 尾状物，或叫支柱。这种支拄形成于品粒后面，构成一个支撑，推动晶粒通过工 件，防止了晶粒的过早消耗。在传统的珩磨中，当油石变钝时，为恢复高速切削， 操纵器会使珩磨头反转，显露出新磨粒。然而，在立方氮化硼珩磨中，不需要这 种反转。实际上，由于这种反转破坏了“结合剂尾状物”，从而是有害的。 试验表明，立方氮化硼油石具有下述优点： ( 1 ) 材料切除率高。用相等数量的立方氮化硼油石代替氧化铝油石。珩磨效率 可提高两倍。 ( 2 ) 磨损慢。其珩磨体积比( 即去除材料体积与油石消耗体积之比) 可达8 0 0 1 2 0 0 ，而典型的油石为5 1 0 。 ( 3 ) 孔加工精度较高。立方氮化硼油石即使在低工作压力下也能保持高速切 削。而氧化铝油石由于需要高工作压力以及高速切削能力差，工件内孔容 易产生喇叭口或腰鼓形。 ( 4 ) 珩磨过程均匀。立方氮化硼油石切削动作协调，故珩磨时间可预测。但氧 化铝油石在油石与油石之间通常缺乏均匀性，必需经常改变珩磨条件，以 适应这种不协调性。 ( 5 ) 珩磨噪声小。氧化铝油石，特别是以大切削用量珩磨时，常常产生刺耳的 啸叫声，不得不采取强制性措施保护听力。 ( 6 ) 产生的热量少。即使高速珩磨，立方氮化硼产生的热量也比氧化铝少。氧 化铝之所以产生过量的热，是因为要使油石晶粒破碎需要消耗大量的能 量。使用立方氮化硼，全部能量都用于去除工件材料，从而减少了能量的 消耗。 1 _ 3 本文的主要内容 c b n 磨具磨削作为新兴的磨削加工技术，已得到很快的发展和生产实际应用。 但主要集中在工业发达国家，我国c b n 磨具应用量还比较小，主要应用在轿车生 产线和进口磨床上，并且c b n 砂轮也以进口为主。存在差距的原因主要是因为： ( 1 ) 国内c b n 磨料生产技术水平还较低，c b n 磨料品种、数量和性能不能很好 地满足高性能c b n 磨具的制造要求，并且缺少有关数据。 ( 2 ) 对c b n 磨具制造技术缺乏系统研究，制造技术水平不高，磨具性能不理想。 ( 3 ) 机床水平落后，不能满足c b n 磨具磨削应用要求。 ( 4 ) 对c b n 磨具磨削的修整装置和磨削液开发不够，对修整工艺和冷却工艺研 究较少，不能为c b n 磨削应用提供有利的支持。 第一章绪论 本文对c b n 磨料的种类及对c b n 磨料的要求做了系统的阐述，还对c b n 磨 具的组成及其特点进行了分析，对影响c b n 磨具性能的主要因素，c b n 磨具磨削 对设备的要求进行了分析研究。特别对c b n 磨削中磨削液的选用及c b n 磨具的修 整技术做了较全面的研究。本文还对c b n 磨具在汽车发动机凸轮轴加工及连杆大 头孔珩磨加工中的实际应用情况进行了分析研究。 6 兰三皇! ! 垡堕垦丝堑垦堡旦垫查塑婴茎 一 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 2 1c b n 磨料 c b n 是一种新型的超硬材料，以六方氮化硼为原料，碱金属或碱土金属或 它们的氯化物作触媒，在高压高温下转变为立方晶体的氮化硼，这个转变与石 墨转变为金刚石相似。c b n 和金刚石的结构图见图2 - i ( a ) 为c b n 结构图( b ) 为金刚石结构图 图2 - 1c b n 和金刚石的结构 c b n 与天然金刚石相比有很多相似的性能。两者的性能比较见表2 一l 所示 表2 - 1c b n 与金剐石性能比较 物理参数 c b n天然金刚石 化学组成 b nc 晶体结构闪锌矿型金刚石型 晶格常数r i m o 3 6 1 50 3 5 6 7 最小原子间e g n m0 1 5 6 ( b n )01 5 4 ( c c ) 密度g c l n 4 3 4 83 ，5 2 熔点3 2 2 7 ( 在i 0 ，5 m p a 下)3 7 2 7 ( 在1 3 m p a 下) 折射率 2 1 1 7 ( 0 5 8 3 u m )2 4 1 7 电阻率q c m1 0 2 1 0 ”1 0 1 0 ” 介电常数 455 5 8 硬度h v7 5 0 01 0 0 0 0 热稳定性 c ( 在空气中)1 2 0 0 以上 5 6 0 7 0 0 热导率m l k l1 3 0 02 0 0 0 杨氏模量6 p a7 2 01 0 0 0 线膨胀系数k 。2 ，i 2 3 1 0 。61 x i 0 6 断裂韧性m p a ，i l l o 5 大约3 43 4 光学带隙e v5 65 5 在酸中不浸蚀在碱中约3 0 0 耐酸、耐碱在酸和强碱中不浸蚀 时被浸蚀 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 由于c b n 具有优良的热稳定性，特别是对铁族金属的化学惰性好，所以 它不易与钢材起反应，磨削既硬又韧的钢材时具有独特的优点，耐磨性比普通 磨料高3 0 4 0 倍，在加工高速钢，合金钢，耐热钢方面大大超过金刚石磨具的工 作能力，也可以作为磨削加工硬质合金及非金属材料之用 2 1 1c b n 磨料种类的分析 目前，国内外已开发出多种品牌的立方氮化硼以适用于不同种类的结合剂， 有关情况见表2 。2 ，表2 - 3 ，表2 - 4 ，表2 5 。 表2 - 2 b o r a z o n c b n 系列产品( 美国g e 公司) c b n 产品结合剂特性应用 i 型金属、陶瓷、电镀中等脆性、等体积晶体精密磨削工具、磨具钢、超级高 i i 型树脂镀金属衣的i 型晶体温合金、不锈钢以及其它淬硬台 5 0 0电镀韧性的块状晶体金钢 精密磨削硬质和软质基合金利 5 1 0 金属、陶瓷表面镀钛处理的5 5 0 晶体 铸铁 5 5 0金属、陶瓷 特韧的微晶结构适直对淬硬的和软质的铁基材 5 6 0 树脂金属镀覆的5 5 0 晶体料进行精密磨削和用超硬磨料 进行而又要求砂轮特别细长的 5 7 0 电镀特韧的、可镀的5 5 0 晶体场合。最适宜于需要磨料晶体具 有高热韧性的结合荆 中等脆性块状晶体未镀对工具钢、磨具钢、不锈钢以及 微粉金属、陶瓷、电镀 覆其它淬硬台金钢进行抛光、研磨 li i 型树脂金属镀覆和精磨 表2 - 3a b n 系列产品( d eb e e r sc o ) a b n 系列产品特点应用 透明琥珀色、呈不规则晶形， a b n 3 0 0金属和电镀结合剂磨具 密度3 4 8 9 e r a 3 镀6 0 w t 镍的a b n 3 0 0 晶体，用于各种树脂结合剂磨具，千磨和湿 a b n 3 6 0 密度5 2g c m 3磨都可获得优异的使用性能 黑色等体积晶体，强度高， a b n 6 0 0 最适用于电镀和烧结金属结合剂磨具 晶粒粗，密度3 a s g c m 3 镀6 0 w t 镍的a b n 6 0 0 晶体，对提 a b n 6 1 5 高磨粒热稳定性具有特殊意义，陶瓷结合剂磨具 密度3 , 5 5 9 e m 3 适用于树脂结合剂磨具：在重负荷和 a b n 6 6 0 镀6 0 w t 镍的a b n 6 0 0 晶体 缓进给磨削时优越性更显著 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 表2 4日本昭和i 电工公司c b n 产品 c b n 产品代号 特点 应用 黑色、脆性、耐热的颗粒， 陶瓷结台剂，用它的超细微 s b n - f粉制成的烧结制品可用丁切 具有良好的切削性能 削工具 陶瓷和金属结合剂磨具用 s b n - s琥珀色、强度高丁s b n f 于加上黑色和有色金属 可用于珩磨块和有机、陶瓷 s b n t高强度镀金属农的单晶体 及金属结合剂砂轮 s b n s n 一种锒白色、表面用专门电 可用于磨削黑色金属、铸铁、 镀工艺镀上的针状金属层的 s b n t n工具钢、碳素钢和特种钢 材料 b b n n 镀6 0 w t 镍的标准磨粒 b b n 4 0 0强度较高的标准磨粒 t j 于苛刻条件下的工作 脆的、耐热并具有良好的切 b b n v陶瓷结合剂磨具 削性能的磨粒 表2 - 5 国产c n n 产品 单颗粒抗压强度( n )适用范围 品种代号 ( 以7 0 8 0 为代表)粒度用途 4 0 5 0 3 2 5 4 0 0 制造树脂结合剂 立方氮化硼i 型c b ni不低下1 9 6 w 4 0 w 0 5 磨具和研磨用 4 0 ，5 0 3 2 5 4 0 0制造陶瓷、金属、 立方氮化硼i i 型c b n i i不低于2 7 4 4 电镀结台剂磨具 2 1 2 对c b n 磨料的基本要求 ( 1 ) 对c b i n 质量的要求 以陶瓷结合剂中使用的立方氮硼磨粒为例，由于磨具烧结过程中，不仅要 经受较高温度作用，而且还会不可避免地与陶瓷结合剂中的各种组份接触，特 别是其中起助熔作用的各种组份如各种碱性氧化物( n a 2 0 ，k 2 0 ，l i 2 0 ) ，这些组份在 高温时会与c b n 发生如下反应： b n + n a 2 0 + 0 2 一n a 2 0 b 2 0 3 + n 2 f ( 1 ) b n + n a 2 0 + h 2 0 一n a 2 0 b 2 0 3 + h n 2 f ( 2 ) 上述反应说明高温烧结过程中结合剂对c b n 造成一定的侵蚀，从而导致昂 贵的结晶完好棱角分明的c b n 单晶侵蚀变细，失去有效的切削能力，使c b n 强 度受损，而且分解产生的气体在c b n 陶瓷结合剂界面处富集，生成气泡，从而 使两者界面间的结合强度大大降低，减少了结合剂对c b n 的把持力，因此，要 9 第二童c b n 磨具性能及使用技术的研究 求所选用的c b n 单晶必须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的特点。 这样才能使制成的陶瓷结合剂立方氮化硼磨具发挥良好的作用。 ( 2 ) 对c b n 粒度的要求 磨具所用磨料的粒度，必须针对加工条件、加工要求以及最佳粒度范围综 合加以考虑进行选择。一般考虑加工表面粗糙度、加工效率和磨具寿命这三个 主要因素，见表2 - 6 表2 - 6 对c b n 粒度的要求 l选择因素选择方法 与普通磨料相比，若要达到相同的加工表面粗糙度，选用粒度比普通磨料 加l 表面粗糙度 磨具细i 2 个粒度号 加工效率在满足加t 表面粗糙度的前提下，尽可能选用粗的粒度，以提高加工效率 般来讲树脂结合剂磨具选用1 0 0 1 2 0 以内，陶瓷结合剂在1 0 0 1 2 0 磨具寿命 1 7 0 2 0 0 以内，金属结合剂粒度在0 8 0 2 3 0 2 7 0 以内 ( 3 ) 对c b n 浓度的要求 一般来讲磨具浓度越高，其寿命越长，磨削效率增高，但磨具成本增加， 选用应综合考虑以下几个方面： a )结合剂的结台能力强弱选择不同的浓度。由于结合剂对磨粒把持力不 同，故其合适的浓度范围也不同，参见表2 ，7 。 表2 7 不同结合剂超硬磨料磨具般浓度范围 浓度范围( ) 结合剂类型 金剐石磨具立方氮化硼磨具 树脂5 0 7 57 5 1 0 0 陶瓷7 5 1 0 07 5 1 2 5 青铜1 0 01 5 01 0 0 1 5 0 b ) 要求加工效率高，形状保持性好的成型磨削，浓度应选高一些，般选 用1 0 0 1 5 0 。 c ) 细粒度磨具浓度应低一些，对于抛光和低粗糙度磨削，常用细磨粒度的 树脂结合剂磨具，选用较低浓度5 0 7 5 。 1 0 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 d ) 粗磨时采用粗粒度及高浓度磨具，半精磨和精磨时采用中等浓度和低浓 度磨具。 e ) 对于同一种结合剂来讲。立方氮化硼磨具浓度可略高于金刚石磨具。 ( 4 ) c b n 的镀覆处理 为了解决c b n 与陶瓷结合剂在高温时所发生的不良反应对c b n 磨具性能 的劣化作用，目前大多采用在c b n 磨料的表面进行镀覆处理，即在c b n 单晶 表面镀覆t i 的技术，尤其是琥珀色c b n 镀t i 技术在镀覆过程中，界面反应外 延生长成难熔t i n 和硼化钛和外层纯t i ，在高温烧制过程中，t i 氧化形成t i 0 2 和 r i 0 1 ，部分熔入玻璃相中，既防止了c b n 表面的氧化，又与玻璃顺利封接， 实现了c b n 与硼硅玻璃相的结合。另外难熔化合物t i n 、t i b 、t i b 2 有效隔离了 s i 0 2 b 2 0 3 n a 2 0 玻璃与c b n 接触，防止了c b n 受蚀。大量试验结果表明， 末镀钛c b n 在9 0 0 c 以上遭受结合剂强烈腐蚀，单晶棱角圆钝，抗压强度下降， 颗粒尺寸减小；镀钛c b n 不仅保护了晶体免受腐蚀，还使整个陶瓷立方氮化硼 砂轮的强度、抗冲击性提高3 0 以上，也即提高了砂轮工作线速度和安全性。 这是因为钛镀层与陶瓷之间有强烈化学亲和性，良好的桥梁作用使砂轮整体强 度提高( 图2 - 2 、图2 3 ) 。 3 0 1 0 表面t 五与皋蕞c b n 单晶在啊瓷绪合剂中经 不同强度2 小时保甚后单曩粒抗压强度变亿曲线 一例键曩玉键屉 相同结合剩邙n 不同处理试样 弯曲璺度示意酉 图2 - 2 抗压强度变化曲线图2 - 3 弯曲强度示意图 ( 5 ) 对国产c b n 磨粒未来的展望 目前，国产c b n 的产量和质量部有了一定的发展，有些品种的磨粒已达到 工业化的程度。不像廉价的刚玉、碳化硅普通磨料磨具，由于超硬磨料磨具昂 贵的价格及用户对超硬工具的寿命和效率的苛刻要求，从超硬工具投放市场开 始，制造商就对于如何充分发挥立方氮化硼的使用性能予以极大的注意，避免 璺三兰! ! 型壁墨丝堑丝堡旦苎查堕竺瑟 一 工具制造过程c b n 受到损伤，防止在工作过程中过早脱落。立方氯化硼表面镀 覆金属是解决上述问题的主要手段。渡层主要有两大类：一类是镀镍、镀铜适 用于树脂结合剂的低品级超硬磨料；另一类是镀钛、镀钨、镀铬等适用于金属 和陶瓷结合剂的较高品级磨料。 各类镀层都有明确的应用目的镀镍用于湿磨条件下的树脂结合剂砂轮制 造；镀铜则用于干磨条件下的树脂结合剂砂轮；镀钛、镀钨、镀铬用于金属烧 结结合剂的各类工具。镀钛及镀镍c b n ，可以提高单晶强度和热稳定性，弥补 单品缺陷，提高单晶的使用性能和质量稳定性，增加了新品种，提高附加值， 促进单晶销售并提高市场竞争力。 2 2c b n 磨具的分类及特点研究 c b n 磨具分为金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷 结合剂磨具四类。不同结合剂种类的c b n 磨具消耗量的分布情况如表2 8 所示。 表2 - 8 不同结台剂c b n 磨具性能及用途比较 种结合剂及其 结合剂特性磨具结构 整形和开刃 f 类制造修整 磨具特性主要用途 弹性好，热 树 热硬化树 作用下对磨适用丁一r 基 脂 脂，加热加 粒把持力 磨粒被埋入酝酿金刚石使用时感到 磨 压硬化 差，用填料 结合荆内，w a 油石破磨具软，自 具的磨削和 机械零件的 具可以改善性 无气孔碎修整立性能好 磨削 能 金 属金属粉末， 刚性好，把磨粒被埋入 磨金属烧结法 持磨粒性能结合剂内，开刃修整耐用度高 用于沟槽及 研磨加工 具 好无气孔 陶刚性好，把 由结合剂把 金刚石笔修适于高精密 瓷 陶瓷一玻璃 持磨粒性能 持磨粒，有 整，碗形金加工，表面 精密加1 ： 磨 质，高温烧 好，耐热性刚石磨具修光洁度好， 具 成 气孔 好整耐用度高 电 可制造异型 镀 金属电镀法 把持磨粒性在基体上固一般不进行 磨具及小磨 适丁| 成型磨 磨能好定单层磨粒修整削 具 头 其中树脂结合剂占6 0 ，电镀结合剂占1 5 ，烧结金属结合剂占1 3 ，陶瓷结 合剂占1 2 ，但是对于金属结合剂的c b n 磨具只适用于低速加工的珩磨领域， 由于它与被加工对象金属材料易粘着、烧伤工件，所以不能充分发挥c b n 高速 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 高效加工要求；而树脂结合剂c b n 磨具由于结合剂导热性差、结合剂对磨粒把持 能力差等原因，也受到限制，尽管现在我国广泛使用树脂结合剂c b n 磨具，但 在工业发达国家则大力发展陶瓷结合剂c b n 磨具，树脂结合剂c b n 磨具比重 下降。陶瓷结合剂是理想的结合剂，还因为它可以制成所要求的孔隙度，而树 脂和金属结合剂磨具孔隙小，甚至无孑l 隙，磨削加工低硬度，低合金钢材时， 产生长条状切屑，陶瓷结合剂磨具的孔隙提供了一个有效的容屑空间，陶瓷结 合剂的开孔结构便于使用旋转式金刚石修整器，并且当磨削时可以防止表面受 挤压。 不同种类结合剂c b n 磨具磨削能耗比的对比，如图2 - 4 所示 图2 - 4 不同结合剂c b n 磨具磨削能耗的对比 由图2 - 4 可见陶瓷结合剂c b n 磨具有最低的比磨削能，而金属结合剂c b n 磨具是最高的，由于比磨削能是磨削效率的一种量度，指的是磨具与加工工件 的磨耗质量比，所阻可以清楚的看出，陶瓷结合剂c b n 磨具是所试验的磨具中 效率最高的。 2 2 ic b n 磨具的组成特点 磨具是由磨粒、结合剂、气孔三要素组成。普通磨料的陶瓷结合剂磨具， 其结合剂用量范围为5 2 5 ( v o l ) ，磨粒在磨具中所占体积分数范围为4 0 6 8 ( v 0 1 ) ，气孔所占分数范围为1 7 5 5 ( v 0 1 ) ，三者之间的关系如图2 5 所示。 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 7 p 图2 - 5 陶瓷磨具内各组织体积百分数三角图 图2 ，5 是陶瓷磨具的“磨粒结合剂气孔”三角坐标。坐标中v k 代表磨粒 率，v b 代表结合剂率，v p 代表气孔率，a e 线是最低填充密度极限，b c 线是 最高填充密度极限，d e 线是最大结合剂当量。由a e d c b 围成的多边形( p 区) 是可以制造的普通陶瓷磨具的“磨粒结合剂一气孔”范围。e f d g 围成的s 区为 c b n 陶瓷磨具合适的制造范围，c b n 陶瓷磨具的结合剂用量范围为2 5 7 0 【v 0 1 ) ，c b n 用量为1 4 5 8 ( v o p o ) ，磨具中气孔所占体积分数为1 7 3 4 ( v 0 1 ) ，制造c b n 陶瓷磨具最常用的结合剂用量为2 0 4 0 ( v o l ) 。 2 2 2 结合剂 结合剂主要作用有- - ：把磨粒粘结在一起，做成各种形状的磨具：使 磨具固结后，能承受一定的磨削力和回转切应力，具有足够的回转强度：使 表面磨粒磨钝后受外力作用下能产生不同的自动脱落能力。即制成各种磨具 硬度，工作时产生自锐作用，结合荆在磨具中是以把持磨粒而存在的，结合剂 随磨粒的分布面分布，其分布情况有两种( 见图2 - 6 ) ：结合剂包裹着磨粒或者 与磨粒表面产生物理化学变化而形成结合剂与磨粒的连接体，并具有一定的结 合强度，其强度与结合剂对磨粒的反应能力和润湿粘附能力有关：磨粒与磨 粒之间以结合剂“桥”连接，结合剂桥的强度决定于结合剂本身的强度，与其 本身的矿物和化学组分以及焙烧工艺有关。 结合剂在磨具磨削过程中，不起磨削作用，但与工件产生摩擦或抛光作用， 所以一般情况下，只要结合剂满足磨具硬度和强度要求时，应尽量减少结合剂 用量。 结 二 1 j 包 蟹 鹰 托 图2 - 6 磨具中结合剂的分布状况 2 2 3 气孔 气孔也是磨具重要组成部分，是指磨具内磨粒之间的间隙和磨粒与结合剂或 结合剂之间的间隙。气孔在磨具中的分布形式有两种：气孔分布于结合剂中， 磨粒之间形成结合桥，如图2 7 所示，这种气孔在磨削过程中起到有利的作用； 气孔位于磨粒之间，如图2 - 8 ，致使磨粒在磨削过程中容易脱落，把持力减弱， 或者在结合桥中有微气孔的存在，结合剂的结合强度差。 詹 譬丰王 图2 7 位于结合剂中的气孔图2 - 8 位于磨粒之间的气孔 在陶瓷磨具中，气孔的存在有两大好处：这些气孔中能充满冷却剂和磨削 液，并携带到磨削区，致使更好的冷却和润滑，这样减少了摩擦热，延长了磨 具的使用寿命；气孔可以容纳切屑，使磨具更好地进行切削，因此切削效率 高且减少磨具的磨损。 一般情况，只要确定磨粒和结合剂含量，控制磨具的体积密度，则气孔率 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 相应确定，气孑l 是随磨粒结合剂不规则分布变化而变化。如果由于磨削上的需 要，需要控制气孔尺寸时，必须加入造气孔材料，使磨具的气孔符合特定要求， 气孔的尺寸可以从0 5 4m m 范围内调整。加入的造孔材料有奈粒、焦碳粒、 核桃壳粒等硬果壳、空心刚玉粒等。造孔材料的颗粒尺寸及形状与要求磨具的 气孔尺寸及形状基本相同。 2 3 影响c b n 砂轮性能的主要因素分析 过去，判断磨具的性能，主要是从被磨加工工件的表面精加工形状、尺寸 的几何精度来确定的，而现在。残留应力是重要的品质基准之一。而残留应力 的状态是受工具锐利性和适用加工的参数所影响的。除磨削加工机械、工件等 必要条件外，还有以下几点是影响砂轮性能的因素。 ( 1 ) 砂轮规格 c b n 砂轮的性能，是靠c b n 磨粒的形状、尺寸、浓度、磨料的总量f 也包 括二次磨粒) 及结合剂的组成、结合剂量和气孔率等决定的，在一定的限度内是 可以变化的。 ( 2 ) c b n 磨粒的特性和形状 所谓理想的磨料必须是非常强韧的，高硬度，并具有优异的耐磨耗性。还 由于有微小的破碎丽产生新的锐利的磨削刃。另外，要有热稳定性，在化学方 面与工件的反应是非活性。所有的c b n 特性和形状，从广义上说具有类似的性 质：为高硬度、耐热，磨削钢材时，呈化学惰情性等。 ( 3 ) 浓度 为了解c b n 浓度对工具寿命的影响，在只改变浓度的条件下进行了研究。 c b n 浓度高时，g 比也大：在相同条件下，浓度为1 5 0 的砂轮是2 倍的g 比值， 浓度为2 0 0 的砂轮，为4 5 倍的g 比值。因此，陶瓷结合剂c b n 砂轮，其浓 度不能低于7 5 以下，砂轮的能量率( 比能) 是判断在磨削时，砂轮的效率的有效 法：磨削能量率的值，随c b n 浓度的增加而大幅度减少。 ( 4 ) 磨粒的尺寸 一般磨粒做成陶瓷结合剂砂轮，磨粒越细，磨削作用越“硬”，砂轮寿命长， 这是众所周知的。而陶瓷结合剂a b n 6 0 0 的砂轮，作缓进给强力磨时，其粒度 越粗，越能提高g 比。 ( s ) 结合剂的硬度 结合剂的硬度对c b n 砂轮的g 比是有影响的；在往复磨削时，切深为l o 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 微米，砂轮的寿命随结合剂硬度的增加而直线增加；切深增至2 倍，g 比的曲 线变低：随结合剂硬度的增加，磨削性能稍有上升。砂轮的寿命，一般来况， 往复磨削时，结合剂硬度越高，砂轮寿命长。浓度为1 0 0 的小砂轮和浓度为7 5 的大砂轮具有同样的倾向，即：结合剂硬度增大，可提高g 比，但浓度为2 0 0 的砂轮不是这样。这是由于结合剂中成分之间的相互关系作用，结合剂的体积 比，浓度为2 0 0 的砂轮体积比小于浓度为1 0 0 的砂轮。 ( 6 ) 整形和修整 对c b n 砂轮的整形和修锐会影响工件的表面粗糙度，但激烈地修整，会减 少砂轮的寿命的。因此，修整条件应该是在自生刃稳定的状况下，形成接近于 磨削时的表面形状。这样，修整后的磨削力是与某种程度的磨削后的磨削力非 常近似的。 ( 7 ) 冷却液 一般来说，冷却液的选择是由磨粒的形状，工件材质、加工参数、环境卫 生规定来决定。 2 4c b n 磨削中磨削液的应用研究 2 4 1 引言 c b n 高速磨削以其优异的加工精度和磨削性能，已成为广泛采用的磨削加 工方法。特别是近年来超高速磨削的兴起，突破了以往的磨削效率极限，实现 了对难磨材料的高性能磨削，使磨削加工的能力及范围日益扩大，成为可与车、 铣、刨等切削加工相竞争的新加工工艺。 高速磨削形成的磨削区高温，会引起c b n 砂轮的过度磨损，使工件表面完 整性恶化，严熏影响着零件加工精度的提高。因此，选择合适的磨削液及针对 c b n 高速磨削的自身特点研究开发磨削液的相关应用技术，对进一步完善与提 高c b n 磨削技术的应用水平具有十分重要的意义。目前，对于磨削液的综合研 究己作为高速磨削的一大支持技术格外引人注目，成为这一集成高技术领域的 重要组成部分。 2 4 2 磨削液的选择 磨削液的功能主要有以下四个方面：( 1 ) 润滑作用；( 2 ) 冷却作用；( 3 ) 清洗 作用；( 4 ) 防锈作用等。对于高速磨削，由于磨除效率高，发热量大，因此对高 速磨削液的润滑性及冷却性能要求很高，另外还应对磨削液的第二层功能，即 第二章c b n 磨具性能及使用技术的研究 防腐性、防火性、消泡性、无害性以及抗氧化安定性等加以足够重视。 油基磨削液( 矿物油) 的润滑作用比水基磨削液优越，它不仅可以防止c b n 磨粒切刃的磨耗，抑制c b n 的水解反应，提高砂轮耐用度，而且可以有效地降 低磨削功率，减少磨削热的产生及提高工件的表面完整性。如果在油基磨削液 中加入硫系及氯系极压添加剂则可获得更为优越的效果。这一点在以高速磨削 为基础的高效深磨中表现得尤为突出。在同样的磨除率下，使用油基磨削液可 使磨削比增大5 1 0 倍甚至更多，而且速度越高，效果就越明显。 但是，油基磨削液在工作时油雾很大，极容易产生冒烟，起火等。因此针 对于油基磨削液的使用必须进行防火安全保护及采用可靠的油气分离技术。尝 试以一种含有多量的表面活性剂、油性剂、极压添加剂的特殊水基磨削液来代 替油基磨削液，从而增强安全性能，降低磨削液的综合应用成本是磨削液发展 的新趋势。 在密闭的c b n 高效磨床上必须使用低泡磨削液。否则伴随着磨削液流量的 增大及压力提高，磨削液中的气泡会严重影响到磨削液的实际供液量，使磨削 区得不到充分的冷却及润滑。防止磨削液的过早腐败，是关系到磨削效率的另 一重要因素，频繁地更换磨削液，会使工件磨削质量及磨削加工效率大打折扣。 防锈性是以钢铁材料为主要加工对象的c b n 磨削的必须要求。 2 4 3 磨削液的注入方式 ( 1 ) 高速砂轮周边的气障 如( 图2 9 ) 所示，在高速回转的砂轮表面存在有四种回转气流：圆周环流； 浸透流；内部流及径向流。这是由于砂轮表面与空气的摩擦以及离心力作用造 成的。图2 1 0 示出砂轮圆周速度f v ) 与空气流( v a ) 的关系，图中s 为到砂轮周面 的距离。可以看出，砂轮速度越高，空气层越厚，特别是在砂轮表面，出现了 很陡的速度梯度。同时，