锭杆锭尖立方氮化硼（CBN）砂轮磨削和修整机理研究

1、授予单位代码 学号或申请号 密 级 中 原 工 学 院硕士学位论文论文题目：锭杆锭尖立方氮化硼（CBN）砂轮磨削和修整机理研究 研究生姓名： 王 登 化 研究方向： 磨削理论及测试技术 指导教师： 陈剑飞 教授 牛永生 教授 指导教师单位： 中原工学院 学科专业名称： 机械制造及其自动化 申请学位级别： 硕士 论文提交日期: 2006年10月 论文答辩日期: 2006年12月 培养单位: 中原工学院 学位授予单位: 中原工学院 答辩委员会主席： 中原工学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，

2、不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名: 年 月 日中原工学院学位论文知识产权声明本人完全了解中原工学院有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于中原工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者

3、签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日锭杆锭尖立方氮化硼（CBN）砂轮磨削和修整机理研究专 业：机械制造及其自动化硕 士 生：王登化指导老师：陈剑飞 教授 牛永生 教授摘 要为了解决目前锭杆锭尖磨削过程中的严重磨削烧伤现象，对工厂里现有的锭杆锭尖磨削加工工艺进行了改进研究，提出了采用立方氮化硼（CBN）砂轮磨削锭杆锭尖的新磨削加工工艺。为此，设计了一1A1/T2 400×20×203×5 CBN 100/120 V 100的陶瓷结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮，通过立方氮化硼（CBN）砂轮与棕刚玉砂轮磨削轴承钢GCr15时，其磨削力与磨削温度的对比实测分析，实

4、测分析结果表明立方氮化硼（CBN）砂轮锋利性好、耐磨、磨削力小且稳定。而棕刚玉砂轮磨削300min后，砂轮表面钝化厉害，磨削力急剧增加；同样，立方氮化硼（CBN）砂轮由于耐磨、锋利性好、磨削温度低且稳定，而棕刚玉砂轮磨削300min后磨削温度明显升高，表明砂轮钝化需修整。因此，采用本论文中所设计的立方氮化硼（CBN）砂轮取代传统的棕刚玉砂轮磨削锭杆锭尖，可大大减少磨削烧伤现象的产生。为使所设计的立方氮化硼（CBN）砂轮在河南二纺机厂股份有限公司里确实应用起来，对立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理也作了比较深入的研究，为确定其最佳的修整参数，如修整速比与顺、逆向修整等问题。拟采用一简易的金刚石滚

5、轮修整装置，在型号为MG1432的高精度万能外圆磨床上进行了上述两方面的研究，以观察修整后砂轮地貌的JSM-6360LU扫描电镜图情况为研究，研究结果表明当修整速比为0.5并以逆向修整时，砂轮修整效果最佳。据此，设计了一整套用来修整立方氮化硼（CBN）砂轮的修整装置，本修整装置采用的是金刚石滚轮磨削修整法，其修整速比为0.5并设计为逆向修整。同时，为评价此修整装置的修整效果，提出了以比较修整前后砂轮地貌的评价方法，通过对比分析说明了本修整装置的修整效果很好。至此，本论文的研究成果为立方氮化硼（CBN）砂轮磨削锭杆锭尖的磨削加工工艺在工厂里确实应用起来作了很好的铺垫。关键词：磨削烧伤；磨削加工工

6、艺；立方氮化硼（CBN）砂轮；修整速比；修整装置；砂轮地貌IIIResearch On the Grinding and Dressing Mechanism of CBNGrinding Wheel Grinds the Spindle Blade Spindle PivotSpecialty:Mechanical Manufacture and AutomationName:Wang DenghuaInstructor:Professor Chen Jianfei Professor Niu YongshengABSTRACTIn order to solve the severe gri

7、nding burn phenomenon during the course of the grinding process of the spindle blade spindle pivot at present ,researching on the grinding process craftwork of the spindle blade spindle pivot in the factory nowadays,and proposing CBN grinding wheel grinds the spindle blade spindle pivos new craftwor

8、k.Therefore,to design a 1A1/T2 400×20×203×5 CBN 100/120 V 100 ceramics bond CBN grinding wheel,by contrast with the grinding force and temperature when CBN and A grinding wheel grind the bearing steel GCr15,the analysis result proved that CBN grinding wheel is sharp and wearable,and i

9、ts grinding force is small and stable,however,the grinding wheels surface becomes seriously blunt for the A grinding wheel,and the grinding force increased sharply after grinding 300 minutes.Its the same thing, the CBN grinding wheels grinding temperature is lower and steady for its wearable and sha

10、rp,but A grinding wheels grinding temperature rised obviously after grinding 300 minutes,it implys that the grinding wheel is need to dress.Therefore, the severe grinding burn phenomenon will be disappeared if we adopt the CBN grinding wheel takes the place of the traditional A grinding wheel.In ord

11、er to make the CBN grinding wheel used in the second textile mechanical factory of Henan province,deep researchments have been put on the dressing principle of CBN grinding wheel. In order to assure its optimal dressing parameter,such as the proportion of dressing speed() and clockwise or anticlockw

12、ise dressing.Above two problems have been studied by adopting a set of simple diamond idler wheel dressing equipment on the omnipotent outer circle grinding machine tool of model MG1432,by observing the CBN grinding wheels physiognomy after dressing which was scanned by JSM-6360LU,the researching re

13、sults turned out to be that the optimal dressing result will be gained at the condition of equals 0.5 and dressed by anticlockwise.At the same time,to propose the evaluating method which by the comparision of the CBN grinding wheels physiognomy before and after dressing,such set of dressing equipmen

14、ts dressing result which was proved by the contrast analysis is perfect.By far,the papers researching results have made a good matting for the CBN grinding wheel grinds the spindle blade spindle pivot.Keywords: grinding burn；the craftwork of grinding process；CBN grinding wheel；the proportion of dres

15、sing speed()；dressing equipment；grinding wheels physiognomy目 录1.前 言11.1课题的来源11.2课题的提出11.3本课题研究现状及意义21.4本课题所做的主要工作51.5本论文的构思62. 磨削加工的概述62.1磨削加工的概念62.1.1磨削加工的含义62.1.2磨削加工方法的分类62.1.3磨削加工的优点62.2磨削加工的特点62.2.1磨粒的刃形和分布处于随机状态72.2.2磨粒切削时具有较大的负前角72.2.3磨削加工时的切削速度高72.2.4一个磨粒的切削厚度非常薄72.2.5砂轮有自励作用82.2.6磨削加工的力比值（法

16、向磨削力Fn与切向磨削力Ft之比）较大82.3磨削加工的发展方向82.3.1精密磨削和磨料加工技术的发展82.3.2高效率磨削技术的发展92.3.3磨削自动化、数控化和智能化93.立方氮化硼（CBN）砂轮的设计113.1立方氮化硼（CBN）砂轮相对于棕刚玉砂轮的优越性113.2立方氮化硼（CBN）砂轮各特性的确定123.2.1 超硬磨料磨具特性的选择123.2.2锭杆锭尖立方氮化硼（CBN）砂轮的特性及形状尺寸确定153.3小结184.立方氮化硼（CBN）砂轮磨削锭杆锭尖的分析与研究194.1锭杆锭尖磨削运动分析194.1.1磨削加工类型和运动194.1.2磨削过程214.1.3磨削基本参数2

17、44.1.4锭杆锭尖磨削运动分析284.2锭杆锭尖磨削力分析与研究294.2.1磨削力的产生及各分力294.2.2磨削加工的力学模型及磨削力理论公式304.2.3磨削力的测量334.3锭杆锭尖磨削温度分析与研究344.3.1磨削热的产生与传散344.3.2磨削温度的几种含义364.3.3磨削温度的分析和计算374.3.4磨削温度的测量394.3.5锭杆锭尖磨削温度分析研究434.4小结445.立方氮化硼(CBN)砂轮修整机理的研究455.1修整砂轮的常用方法455.1.1车削法455.1.2滚轧法485.1.3磨削法495.2立方氮化硼（CBN）砂轮锭杆锭尖磨削修整装置的设计495.2.1立方

18、氮化硼（CBN）砂轮磨削修整参数的研究495.2.2电动机选型及传动设计525.2.3所设计的修整器545.3小结546.修整器修整效果的砂轮地貌评价研究566.1砂轮修整后砂轮地貌的理论分析与研究566.1.1理想的砂轮地貌质量评价566.1.2实际的砂轮地貌及其评价576.2小结647.全文总结及展望657.1研究结论657.2 课题展望66参考文献67附录：硕士研究生学习阶段发表论文70致谢71III中原工学院硕士学位论文 第一章 前言1.前 言1.1课题的来源 本课题来源于细纱机锭杆锭尖的生产实际需要。锭杆锭尖的粗糙度要求Ra0.2m和形状精度（IT5-IT6），且已立项，为河南省科技

19、攻关项目（0424220214）。 1.2课题的提出河南二纺机厂股份有限公司是国内生产纱机锭子的主要生产基地，国内市场占有率为25%。锭子是环锭细纱机的重要部件，锭子的转速随纺纱支数而异，一般纺粗支纱的锭速较低，而纺中、细支纱的锭速较高。高速锭子速度达800020000r/min，锭子运动情况之好坏直接影响细纱的产量和质量。锭杆是锭子的关键零件，因其高速回转，故必须十分平直、无震动、坚韧而有弹性。锭尖与锭底的球半径相互配合而形成两对摩擦副，故轴承与锭底同样要求足够的硬度以及保持高的制造精度及低的粗糙度。锭杆材料采用GCr15轴承钢。锭杆属大批量生产零件，锭杆锭尖的粗糙度Ra0.2m和形状精度（

20、IT5-IT6）要求很高，因此最后的加工工序一般为在锭杆锭尖专用磨床上，用100#粒度宽40mm的棕刚玉砂轮伴随锭杆夹具作回转运动，进行成型圆弧磨削加工。但是用树脂棕刚玉砂轮磨削时有不少缺点，特别是树脂棕刚玉砂轮锋利保持性差，且锭杆锭尖尺寸小极易造成表面烧伤和产生变质层。而我们非常清楚，工件表面一旦发生表面烧伤现象，其抗磨损、抗腐蚀能力降低；抗疲劳性能下降。从而降低了零件的使用寿命和工作的可靠性。这对于高速旋转的锭杆而言是绝不允许的。因此，在工厂生产实践中，一旦发现表面烧伤的锭杆都将以废品的形式处理掉，这势必要大大降低工厂的经济效益。为此，河南二纺机厂股份有限公司出资并立了此科研项目。在前期的

21、科研过程中，已取得了阶段性的成果，提出了用立方氮化硼（CBN）砂轮对锭杆锭尖磨削的方法并设计了一套立方氮化硼（CBN）砂轮的修整装置。使用结果表明：经立方氮化硼（CBN）砂轮磨削后表面质量得到了明显的提高，无磨削烧伤现象的产生，且生产率提高了20倍以上。然而到目前为此，在工厂生产实践中依旧采用的是传统的棕刚玉砂轮磨削锭杆锭尖。为什么呢？原来到目前为此，我们对立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理依然缺乏足够的认识，还尚未有一套理想的立方氮化硼（CBN）砂轮修整装置，致使立方氮化硼（CBN）砂轮在工厂里无法得到推广应用。本课题将本着解决这一迫在眉睫的问题展开研究工作，就锭杆锭尖磨削和修整机理进行深一

22、步的研究。图1.1细纱机锭杆1.3本课题研究现状及意义磨削加工曾一度被称为是一种“黑色加工技术”。因为磨削加工是一个相当复杂的过程。在磨削加工过程中，被切削金属层较薄，与切削加工相比，被切削金属层薄几十倍至几百倍。如此小的切削厚度使得磨削力很大，磨削比能很高并产生大量的热量，其中60%90%的热量被传入工件，仅有不到10%的热量被切削带走1。这些传入工件的热量在磨削加工过程中常常来不及传入工件深处，而聚集在工件表面形成局部高温，工件表面温度可达1000以上，并在表面层形成极大的温度梯度（可达6001000/mm）。因此，磨削的热效应对工件的表面质量和使用性能有极大的影响。特别是当温度在界面上超

23、过某一临界值时会引起表面的热损伤（包括表面的氧化、烧伤、残余应力和裂纹），其结果将会导致零件的抗磨损、抗腐蚀能力降低；抗疲劳性能下降。从而降低了零件的使用寿命和工作的可靠性。此外，磨削周期中工件的累积温升，也会导致工件产生尺寸和形状精度误差2。 磨削区所产生的磨削热不仅影响工件寿命，同时也影响砂轮的使用寿命。因此，研究工件表面（尤其是磨削区）的温度分布状况和磨削烧伤前后磨削温度的分布特征，对深入探讨磨削机理和被磨零件的表面完整性具有重要意义。 磨削温度直接地影响工件的表面温度、磨具磨损、加工效率、加工精度和成本。因此，磨削温度一直成为国内外学者研究的重要课题。人们研究磨削温度最初是从测量磨削时

24、工件表面产生的温度分布开始的。但由于测温传感器总是比一个磨粒的切削面积大得多，使测量结果的准确性受到限制，而且磨削能量输入的面积非常小以及无论时间还是空间其温度梯度非常大，除非温度传感器作得比一个磨粒的切削面积小得多，否则测量的温度分布只能表示平均温度分布。由于磨削温度测量方面存在许多困难，以及随着生产过程自动化发展的需要，迫使从头尝试着研究磨削温度的计算法。 磨削加工区的热传导问题实际上可以归纳为热源已知（包括热源的形状、尺寸、热流量和运动速度等）需要求解热源界面附近的非稳态温度分布的问题。求解这一问题的一种比较有效的方法是所谓的热源法。半个世纪前，J.C.Jaeger首先给出了在半无限体上

25、以恒定移动的带状热源在其作用时间趋于无穷时在热源附近引起的似稳态温度分布的解析结果1。其后，高泽与何村即先后引用这一结果给出了计算磨削温度场的两个经典公式。以上磨削温度的求解方法采用的是基于移动热源理论的近似解析法，其以数学分析为基础，得到了用函数形式表示的解。所得到的解能够比较清楚地表示出各种因素对热传导的过程或温度分布的影响。但情况稍微复杂，解析解法就很难或不可能求解了，除非对原有问题进行简化。由于上述原因，特别是随着计算机技术的发展，现国内有部分学者提出采用数值解法，以离散数学为基础，以计算机为工具来求解磨削温度场的方法。由于该方法对实际问题有很大的适应性，一般稍微复杂的热传导问题都可以

26、采用这种方法来求解。因此，采用这种方法来分析温度场的分布已逐步成为一种必然趋势。常用的数值解法有数值积分法、有限差分法和有限元法。从大量的阅读文献来看，当前，美国麻省理工大学的S.Malkin采用自行开发研制的描述磨削过程的分析模块的软件包对外圆磨削加工进行了仿真、优化；山东大学的王霖博士采用计算机编程得到了平面磨削温度场的三维分布图，本课题将采用ANSYS8.0有限元分析软件对锭杆锭尖立方氮化硼（CBN）砂轮磨削实现计算机仿真，并通过现场测试同计算机仿真相结合，得出温度场的三维分布图。这对于用户控制和提高磨削质量，确定合理的磨削用量有着积极的意义。 磨削温度场的正确测量与显示，是研究磨削温度

27、场理论的前提与有效途径，并有利于在实际磨削加工过程中对加工零件的表面温度进行监控，根据测定的磨削温度调整磨削用量，分析磨削加工过程中造成工件表面质量缺陷，甚至产品不合格的原因，从而保证产品质量。许多资料表明，国内外对磨削温度的研究与测量都非常重视，如美国已采用红外线来测量磨削温度。国内东北大学利用进口的AGA782型红外热像仪对磨削温度场的形态和大小测量并进行了研究。 随着计算机技术的普及和发展，借助计算机进行大量计算的有限元法得到越来越广泛的应用。有限元分析是借助计算机对各种结构和场进行近似计算的方法。用有限元法可以对结构、热、电磁、流体等领域中的某些具有复杂关系的自变量等研究对象进行分析。

28、它采用离散的概念使整个问题由整体连续转化为分段连续，由整体解析转化为分段解析，即把一个连续的物体剖分为相互连接在有限个节点上的有限个单元，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据平衡条件进行分析，然后根据协调条件把这些单元组合成整体进行综合求解。由于单元数和节点数都是有限的，所以称为“有限元法”。以磨削温度场为例：由于整个工件满足热传导方程。因此，把空间域离散化分成有限个单元，每个单元都应该满足这一方程；对每个单元求解，由于其边界条件简单，因此可得到有限个热传导方程；求解这些数学方程式就可得到所需的温度场分布。由于每个单元都是由诺干个节点组成，单元内部某一点的温度可由节点温度与形函数的乘积得到，这

29、样整个温度场就可以用节点温度来表示。应用有限元法对磨削温度场进行分析，不需简化就可综合考虑各种因素对温度场的影响，由此得出的温度场分布与实际状况较吻合。 仿真就是在模拟环境下实现和预测产品在真实环境下的性能和特征（动态或静态），它包含了从建模、施加载荷和约束到预测产品在真实情况下的响应等一系列步骤。通过对仿真实验过程的观察和估计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，由此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。仿真技术借助计算机，可以在复杂的磨削加工过程中得到不同输入参数下的各种磨削温度场的变化，从而为深入研究磨削加工机理创造条件。 对磨削加工的研究内容主要有以下几个方面3：模型的建立、磨

30、削温度的计算方法和磨削温度的测试技术三个方面。随着计算机技术的发展和应用，采用有限元方法计算磨削温度场并实现磨削温度场的计算机仿真，是随着计算机性能的日益提高和仿真技术在工业中个应用的一种新的思路和研究方法。 立方氮化硼（CBN）砂轮被世界权威机构誉为“过去半个世纪提高工业生产率的最大贡献之一，导致磨削革命”4。立方氮化硼（CBN）砂轮的应用在某些工业化国家中已进入普及阶段，在日本工具制造厂的磨削加工车间已难以见到普通磨料的使用，而我国纺织机械加工中很少见到立方氮化硼（CBN）砂轮的磨削加工。我国一直也比较重视立方氮化硼（CBN）砂轮磨削的研究工作，但效果甚微，全国使用面积很小，根据项目申请课

31、题组成人员多年对砂轮研究和市场分析，立方氮化硼（CBN）砂轮磨削加工推广迟缓的主要原因是对立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理缺乏足够认识和没有厂家提供一套理想的立方氮化硼（CBN）砂轮修整装置。 本课题将在前期研究的成果之上对立方氮化硼（CBN）砂轮修整机理作进一步的研究，并拟设计一套理想的立方氮化硼（CBN）砂轮修整装置，对立方氮化硼（CBN）砂轮磨削加工推广效果是十分明显的。本课题的完成将产生以下五方面的意义：1.锭杆锭尖采用立方氮化硼（CBN）砂轮磨削后，表面质量将得到明显的提高，变质层小，锭尖表面粗糙度由Ra0.4降低至Ra0.2；2.立方氮化硼（CBN）砂轮将完全克服过去锭杆锭尖磨削

32、时严重烧伤的现象；3.立方氮化硼（CBN）砂轮耐磨性好，修整砂轮次数大大减少，生产率将得到显著的提高；4.对立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理将有更深一步的认识；5.所设计的修整器将彻底解决立方氮化硼（CBN）砂轮的修整问题，使立方氮化硼（CBN）砂轮在纺织机械厂的推广应用成为可能。1.4本课题所做的主要工作1.针对锭杆锭尖的磨削加工情况，确定了砂轮的特性（即配方问题），并设计了一400×20×203×5的陶瓷结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮；2.对立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理进行了深入的试验研究，试验在一型号为MG1432的高精度万能外圆磨床上进行，得出了其

33、最佳的修整速比为0.5；3.设计了一套立方氮化硼（CBN）砂轮的修整装置，很好地解决了立方氮化硼（CBN）砂轮的修整问题；4.提出了砂轮地貌的评价方法，并以此对用JSM-6360LU扫描电镜观测图进行分析等方法，对所设计修整装置的修整效果进行了评价，评价结果表明所设计的修整装置修整效果良好。1.5本论文的构思 本论文首先在第二章介绍了磨削加工的含义、特点和发展方向，接着分四章论述了我所作的课题研究内容与成果。第三章主要论述了立方氮化硼（CBN）砂轮的设计思路与过程，然后在第四章讲述了立方氮化硼（CBN）砂轮磨削锭杆锭尖的分析与研究，接着在第五章探讨了立方氮化硼（CBN）砂轮的修整机理，得出了最

34、佳的修整速比，并设计了一整套立方氮化硼（CBN）砂轮的修整装置，再接着在第六章提出了砂轮地貌评价修整器修整效果的方法。最后，在第七章进行了全文的总结，并对课题给予了两点展望。74中原工学院硕士学位论文 第二章 磨削加工的概述2. 磨削加工的概述2.1磨削加工的概念12.1.1磨削加工的含义 磨削加工是指用磨料或磨具进行加工的总称。磨粒可以呈游离状态，也可以呈固结状态。可以机动，也可以手动进行加工。其中采用高速回转的砂轮来磨削工件的方法用得最多。2.1.2磨削加工方法的分类 根据加工对象的工艺目的和要求不同，磨削加工已发展为多种加工形式的加工工艺。按照不同的分类方式，具有多种的分类方法。 一般磨

35、削方式根据加工对象、表面生成方法不同可分成平面磨削、外圆磨削、内圆磨削、无心磨削、自由磨削和成型磨削六种基本形式。 也可按工具类型进行分类，分为使用固定磨粒加工与使用自由磨粒加工两大类，其中固定磨粒加工又分为固结磨具加工与涂附磨具加工；固结磨具加工包括砂轮磨削、振动磨削、电解磨削、超精磨削等，涂附磨具加工包括砂带磨削和叶轮磨削。而自由磨粒加工又包括研磨、抛光、滚磨、喷射加工与弹性发射。2.1.3磨削加工的优点 1.磨削加工可加工的材料范围非常广，可对钛合金、高强度钢、高温合金、淬火钢和不绣钢等难加工材料以及工程陶瓷、玻璃、碳素纤维塑料、花岗石等硬脆材料在内的各种材料进行加工。 2.磨削加工可加

36、工各种表面，可磨削外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮廓形、花键及其它复杂的成型表面。 3.磨削加工精度高、表面光洁，尺寸精度可达IT56级，粗糙度一般可达Ra=0.100.40m，超精密磨削和镜面磨削可达Ra=0.010.025m。2.2磨削加工的特点1 磨削加工虽然在本质上说是一种切削加工，但与车削、铣削等切削加工方式相比较有以下显著特点：2.2.1磨粒的刃形和分布处于随机状态 普通切削加工刀具刀刃的形状和分布是确定的，而磨削中每个磨粒的形状是不确定的，并且不保证有后角，它的分布呈随机状态。2.2.2磨粒切削时具有较大的负前角 用砂轮进行磨削时磨粒上的切刃参数如图2.1所示。包括：磨刃的切削角g和

37、前角g，磨刃顶尖角g，刃口钝圆半径rg，以及参加切削的有效磨粒数G。它们都影响着砂轮的锋利程度和切削能力。有些学者在显微镜下测量磨刃顶尖角g的大小，所测多为90°120°，因此，认为磨粒切刃的前角g=-15°-60°，另外一些学者曾从砂轮修整后的表面上测量磨粒的前角大小，统计后认为g=-80°。总之，这些结果说明，磨粒切削刃上的前角是负值。2.2.3磨削加工时的切削速度高 普通磨削的砂轮线速度常在3035m/s左右，而高速磨削时线速度可达60250m/s。通常为车、铣等切削加工方式切削速度的1020倍，因此被磨削的工件的材料变形速度很快，在磨削

38、区域内短时间大量的发热，磨削弧区温度很高。图2.1砂轮的磨刃参数2.2.4一个磨粒的切削厚度非常薄在切削加工中，除铰削、拉削和研究中的极薄切削外，最小的切削厚度都大于0.02mm，而在磨削时切削厚度则小到微米以下，与其它切削加工方法相比则相差几十倍甚至数百倍，所以可以得到高的加工精度和低的表面粗糙度。2.2.5砂轮有自励作用 在切削加工中，如果刀具磨损、损坏，切削就不能继续进行而必须重磨刀具。磨削情况则不同，因为砂轮上的切削刃是由硬材料的磨粒尖端形成的，当磨粒的锋刃变钝时，作用在磨粒上的力增大，使磨粒局部被压碎形成新的锋刃或者整粒磨粒脱落露出新的磨粒锋刃来参与磨削，这种刀刃的自励作用对磨削加工

39、是有用的。2.2.6磨削加工的力比值（法向磨削力Fn与切向磨削力Ft之比）较大 一般磨削加工Fn/Ft=314，而车削力比值只有0.5左右。2.3磨削加工的发展方向5 质量效率和成本是制造业的永恒主题。现在用户要求完美的产品性能和高的可靠性，并要求第一次制造产品就合格。这就要求零件加工有更高的精度表面粗糙度表面完整性和严格的制造一致性。磨削和磨粒加工则始终是主要的精密和超精密加工方法。近代为提高产品性能还大量使用新型工件材料，对这些超硬材料和难加工材料，也非采用磨削加工不可。另外，由于CBN磨料磨削技术的发展与大量使用，高速等高效率磨削技术的应用，磨削过程自动化数控化和智能化的发展，已使磨削和

40、磨料加工在机械制造领域占有越来越重要的地位。2.3.1精密磨削和磨料加工技术的发展 当前精密加工是指零件加工精度达10.1m，表面粗糙度Ra为0.20.01m的加工技术，超精密加工是指被加工零件的尺寸误差小于0.1m，表面粗糙度Ra0.025m，机床定位精度的分辨率和重复精度小于0.01m的加工技术。超精密加工正从微米、亚微米加工技术向纳米级的加工技术发展。磨具磨削及磨粒加工是进行精密加工及超精密加工的主要途径。使用氧化铝、碳化硅、立方氮化硼、金刚石等磨粒制成的砂轮、砂带对黑色金属、硬脆材料、非金属材料进行磨削加工，加工精度可达10.01m，表面粗糙度Ra达0.100.05m。用超细（氧化锆）

41、微粉的弹性发射游离磨削加工芯片，可实现纳米级加工，加工精度达0.10.001m，表面粗糙度达镜面。超精研磨、抛光、磁流体抛光、砂带研磨、超精研磨等游离磨粒加工方法，精密电解磨削及研磨、抛光、精密超声磨削、机械化学研磨、化学机械抛光等复合加工工艺方法，都是实现精密加工、镜面加工的有效工艺技术。2.3.2高效率磨削技术的发展 由于材料磨除率等于磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间内的作用磨粒数的积，所以高效率磨削方法有增大磨屑平均断面积的重负荷磨削和强力磨削，增大磨屑平均长度的沟槽深磨、切断磨削和立轴平磨，增大单位时间内的作用磨粒数的高速磨削和宽砂轮、多砂轮磨削。其中，重负荷磨削、超高速磨削和高

42、效深磨技术的发展尤其引人注目，它们的共同基础是高的砂轮速度。(1)重负荷磨削 以尽量高的经济磨除率为目的的重负荷磨削，近年技术有很大的发展。在磨削参数上砂轮线速度普遍达到80m/s，个别达到120m/s；磨削压力一般为1000012000N，个别达到30000N；磨削功率一般为100150kw，个别达到300kw；最高金属磨除率可达500kg/h。特别是在机床自动化方面，实现了自动上下钢和夹翻钢，自动定长往复，自动随进给速度变化调整压力和保持砂轮恒周速，使磨削生产率有了很大提高。(2)超高速磨削 超高速磨削是砂轮圆周速度为150 m/s以上的磨削。Guhring Automation公司最早研

43、制了超高速磨削，并于1984年首先推向市场。超高速磨削可以大幅度提高磨削效率、延长砂轮寿命和降低表面粗糙度，可以对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性材料和难磨材料也有良好的磨削效果，国外在实验室已开发了500 m/s的超高速磨削。(3)高效深磨技术 缓进给磨削应用较早，它采用增大磨削深度来增大磨屑长度，从而获得高的金属切除率。它在沟槽磨削成型磨削和外圆磨削中都有应用。使用金刚石滚轮的砂轮连续修整技术使缓进给磨削更趋完善。 在立方氮化硼（CBN）砂轮应用的基础上，集砂轮超高速高进给速度和大切深的高效深磨技术成为又一大飞跃，是超高速磨削在高效磨削方面的典型。它可以获得高于切削加工的金属切除率。目前欧

44、洲企业在高效深磨技术的应用方面居领先地位。2.3.3磨削自动化、数控化和智能化(1)磨削数控化、智能化 近年随着对磨削过程和机理的大量深入研究，已充分地建立了各种内容可靠的工艺数据库，为实现磨削过程有效控制建立了直接的联系和对应关系，从而为磨削数控化和智能化奠定了基础。 近年CNC磨削技术发展很快，国外CNC工具磨床已从三轴发展到十轴。几乎所有的磨床种类都有CNC磨床产品，磨削加工中心的出现，标志着磨削自动化达到了一个新的水平。它可以实现联机测量、自动交换砂轮和自动装卸工件。(2)磨削过程的仿真与虚拟 随着磨削建模和计算机模拟技术的发展，研究人员可以在计算机上进行磨削工艺的仿真研究，进一步加深

45、了人们对磨削加工的认识和增加了研究手段。目前能使用建立的砂轮地貌模型对砂轮进行仿真，并考虑磨削和几何参数、磨削力和磨削热、磨削振动和受力变形，能对磨屑运动形成过程、能量转换、磨削力变化和磨削表面质量进行计算机仿真。 虚拟磨床是虚拟制造技术中一个新的研究领域。它依靠建模与模拟技术仿真磨削过程，其三维动态模型随着虚拟环境的变化而变化，最终为磨削加工建立一个逼真的虚拟磨削环境，用于评估以及预测磨削加工过程和产品质量。中原工学院硕士学位论文 第三章 立方氮化硼（CBN）砂轮的设计3.立方氮化硼（CBN）砂轮的设计 凡在加工工序中起磨削、研磨、抛光作用的工具统称磨具。磨具根据其所用的磨料不同分为普通磨具

46、和超硬磨具两大类。所谓普通磨具是指用普通磨料制成的磨具，如刚玉系磨料、碳化硅系磨料和碳化硼磨料制成的磨具。而所谓超硬磨具是指用超硬材料作磨料所制成的磨具，如金刚石磨具、立方氮化硼（CBN）磨具。3.1立方氮化硼（CBN）砂轮相对于棕刚玉砂轮的优越性4 通过在河南二纺机（信阳）的调研实习发现，目前二纺机仍旧采用100#粒度，宽40mm的树脂棕刚玉砂轮伴随锭杆夹具作回转运动进行成型圆弧磨削加工，但是用树脂棕刚玉砂轮磨削时存在下列缺点：1.磨削时棕刚玉砂轮磨耗大，因此批量生产时工件的尺寸分散度大，使进一步提高锭杆锭尖外形精度变得非常困难；2.砂轮用量大，砂轮质量的波动对磨削效果影响程度大；3.由于砂

47、轮磨削快，需经常修整，砂轮更换频繁，使得劳动强度加大，工具费用高，辅助工时增加，难以提高生产效率；4.棕刚玉砂轮锋利保持性差，锭杆锭尖尺寸小极易造成表面烧伤和产生变质层；5.树脂棕刚玉在磨削过程中产生的粉尘和异味影响操作工人的身心健康。立方氮化硼（CBN）砂轮被世界权威机构誉为“过去半个世纪提高工业生产率的最大贡献之一，导致磨削革命”。立方氮化硼（CBN）砂轮的应用在某些工业化国家中已进入普及阶段，在日本工具制造厂的磨削加工车间已难以见到普通磨料的使用，而我国纺织机械加工中很少见到立方氮化硼（CBN）砂轮的磨削加工。立方氮化硼（CBN）砂轮磨削的优点：1.立方氮化硼（CBN）砂轮能长期保持良好

48、的切削性能和磨削性能，立方氮化硼（CBN）磨料磨粒锋利，磨削比大,磨削温度低，工件材料变质层小，可大大提高工件磨削表面质量和生产率；2.解决某些难加工材料的问题，而且适合于高速、强力和成形磨削。为了证实立方氮化硼（CBN）砂轮磨削的优越性，我们作了磨削力与磨削温度的对比实验研究，研究结果表明：在同样的磨削参数下，立方氮化硼（CBN）砂轮的磨削力与磨削温度均低于棕刚玉砂轮。 因此，用立方氮化硼（CBN）砂轮取代棕刚玉砂轮是可取的。3.2立方氮化硼（CBN）砂轮各特性的确定超硬磨料具有许多优异的性能，因而其磨具也有许多异于普通磨具的特性。但由于超硬磨料本身价格昂贵，使用不当也会导致加工成本上升。所

49、以，合理地选用超硬磨料磨具，才能获得良好的综合效果。3.2.1 超硬磨料磨具特性的选择1(1)磨料的选择 超硬磨料主要分为金刚石磨料和立方氮化硼两大类，由于两种超硬磨料性质的不同，金刚石磨料主要用于硬质合金，陶瓷、光学玻璃、宝石、半导体材料、石材、混泥土等硬而脆的工件材料，但不易用于加工铁族金属材料，否则，金刚石本身易导致强烈的化学磨损。而立方氮化硼的化学稳定性较好，加工一些难磨的金属材料尤其是磨削工具钢、磨具钢、不锈钢、耐热合金钢等具有独特的优点。金刚石磨料有天然和人造之分，天然金刚石晶粒表面光滑，抗冲击性能好。而人造金刚石晶粒表面粗糙，脆性大，两类金刚石的磨削性能各具特色。对受冲击负荷的场

50、合，采用天然金刚石较好；而对于一般磨削场合，则使用人造金刚石效果更佳。人造金刚石磨料目前有五种牌号：RVD、MBD、SCD、SMD、DMD，它们分别有其自身的特点和适用于不同的用途：RVD型：晶体呈针状，晶面粗糙，用于树脂、陶瓷结合剂制品，加工硬质合金材料或作研磨膏等。MBD型：晶体大部分为等积形，晶面较粗糙，用于金属结合剂制品、电镀制品、钻探工具或研磨膏等，加工硬质合金及非金属材料。SCD型：晶体较完整，表面光滑，抗压强度高。用于制造金属结合剂制品，地质钻头和切割工具等。SMD型：晶形完整，表面光滑，抗压强度高于SCD。用于制造切割工具、地质钻头、修整工具等。DMD型：颗粒为淡黄色或淡黄绿色

51、，多为透明无杂质的完整八面晶体，强度高。适于制作修整工具和其他单粒工具。立方氮化硼（CBN）目前还无牌号之分，只大致地分为一型、二型。立方氮化硼一型抗压强度较二型低，主要用于制造树脂结合剂磨具和研磨膏；立方氮化硼二型主要用于制造陶瓷、金属及电镀结合剂磨具。另外，立方氮化硼磨料还有镀附金属衣和未镀金属衣之分，和金刚石磨料一样，镀附金属衣磨料主要用于树脂结合剂磨具。磨粒表面镀金属衣之后，既可提高磨粒的抗压能力，又可增加磨粒和结合剂的结合强度，延长砂轮的使用寿命，降低加工成本。一般干磨时用镀铜金属衣磨料，湿磨时选用镀镍金属衣磨料。镀层厚薄会影响磨具的使用效果，镀层太薄，达不到所期望的目的；镀层太厚，

52、对避免工件烧伤，提高磨削效率不利。一般情况下，镀层增重量以不超过磨料原重量的50%为宜。干磨条件下，以采用较小增重和不镀金属衣磨料为宜。平磨、外圆磨磨具多在有磨削液条件下使用，故可采用较大增重的镀附金属衣磨料。对于一些成型磨削、间断磨削，还可选用增重量为50100%的磨具。(2)粒度的选择 超硬磨粒粒度的选择，一般根据工件的粗糙度要求，磨削效率要求以及结合剂的最佳粒度范围来选择。普通磨粒粒度的选择原则基本上适用于超硬磨料。所不同的是要达到相同的粗糙度值，超硬磨粒的粒度要细一至二个粒度号。同样，在满足加工表面粗糙度要求的前提下，应尽量选用粗粒度，以提高磨削效率。此外，选择超硬磨粒磨具时，还应考虑

53、结合剂结合能力的大小对粒度的影响。对于一定的结合剂来说，一般有一最佳的粒度范围，过粗或过细都不利于磨削加工。粒度过粗，则磨粒在磨削中受力较大而使磨具磨损过快。过细则砂轮表面易堵塞导致磨削温度上升。一般来说，树脂结合剂磨具，选用100/120以细；陶瓷结合剂磨具在100/120170/200以内；金属结合剂其粒度在70/80230/270以内。另外，镀附金属衣磨料，其磨削粗糙镀较小，因而，要达到相同的粗糙度，在磨具其它特征相同的情况下，镀附金属衣磨粒粒度可稍粗一些。(3)结合剂的选择 结合剂选择主要依据其自身的性能而定，因为结合剂本身性能的好坏对磨具的磨削性能影响较大。超硬磨料磨具结合剂主要有：

54、树脂结合剂、陶瓷结合剂及金属结合剂。1)树脂结合剂（B） 结合剂本身弹性好，有抛光作用，高温度下结合剂易烧毁。树脂磨具自锐性能良好，不易堵塞，一次修整后很少再修整，磨削效率高，磨削粗糙度低。由于树脂结合剂磨具的优越性能，其在超硬磨料磨具中使用广泛。树脂金刚石磨具用于硬质合金刀具、工具钢、硬质合金工件及部分非金属材料的半精磨、精磨。树脂立方氮化硼磨具主要用于高钡高速钢刀具刃磨，磨具钢、不锈钢、耐热合金钢工件的半精磨、精磨等。2)陶瓷结合剂（V） 陶瓷结合剂强度较高，耐热性能好，磨具耐磨性好，切削锋利，磨削效率高，磨削过程中不易发热和堵塞，热膨胀量小，易控制加工精度，且容易修整。陶瓷结合剂磨削一般

55、用于粗磨、半精磨，解除面积较大的成型磨削，超硬磨料烧结体的磨削等。3)金属结合剂（M） 金属结合剂分青铜结合剂和电镀结合剂两种。青铜结合剂刚性好、强度大，其磨具强度高、耐磨性好、使用寿命长、形状保持性好、能承受较大的负荷、但其自锐性差，容易堵塞发热、修整困难。青铜结合剂金刚石磨具主要用于玻璃、陶瓷、石材、混泥土、半导体材料和超硬材料等非金属材料的粗、精磨和切割，少量用于硬质合金的粗磨和成型磨削及各种材料的珩磨。立方氮化硼（CBN）磨具可用于金属材料的成型磨削和各种合金钢的珩磨。电镀结合剂强度更高。其磨具磨料层薄，磨粒密度高，砂轮表面切削锋利，磨削效率高，经济性好，不需要修整，但磨具寿命短。电镀结合剂磨具主要是用于形状复杂的成型磨具、小磨头、套料刀、切割锯片、电镀铰刀以及用于高速磨削方式之中。(4)浓度的选择 浓度是超硬磨料磨具所具有的特殊特性，是指超硬磨料磨具工作层内每立方厘米体积内所含的超硬磨料的重量。国际规定单位体积内含0.88g超硬磨料其浓度为100%。含量每增加或减少0.22g，其浓度相应增加或减少25%。浓度是超硬磨料磨具的重要特性之一，它对磨具的磨削效率和工序的加工成本有着重大影响。浓度过高，很多磨料易过早脱落，导致磨料的浪费；浓度过低，磨削效率不高，不能满足加工要求。磨具浓度的选择主要考虑结合剂种