锭杆锭尖立方氮化硼砂轮及加工工艺设计

1、 毕业设计（论文）题目： 锭杆锭尖立方氮化硼砂轮及加工工艺设计 专业年级： 机械制造及其自动化三班学生姓名： 王 立 民指导教师： 王 登 华 职称： 硕 士2007年 9月18日2007年 10月30日江西蓝天学院 毕业设计任务书 题 目 ： 锭杆锭尖立方氮化硼砂轮及加工工艺设计指导教师： 王登华学生姓名： 王立民系 别： 制造系专业班级： 机械制造及其自动化三班起讫时间： 2007.9.182007.10. 30目 录一、立方氮化硼砂轮（CBN）的设计2立方氮化硼（CBN）砂轮各特性及尺寸的确定a.砂轮的特性1） 磨基的确定2） 磨料的选择3） 粒度的选择4） 结合剂的选择5） 浓度的选择

2、b.砂轮的尺寸1）砂轮的内径2）砂轮的外径3）砂轮的宽度二、锭杆加工工艺的设计1.生产纲领2.毛坯的确定3.加工工艺方法4.机床的选择5.夹具的选择6.砂轮的选择7.量具的选择8.工艺尺寸的确定序 言机械制造与自动化专业是在学完了机械制造技术基础和大部分专业课后，并在进行了实训的基础上进行的有一个实践性教学环节。这次设计是我们能综合运用机械制造技术基础中的基本理论，并结合实训中学到的实践知识，提高了加工工艺设计能力，为今后从事的工作打下了良好的基础。由于能力所限，经验不足，设计中还有 许多不足之处，希望老师多加指教。 立方氮化硼砂轮（CBN）的设计凡在加工工序中起磨削、研磨、抛光作用的工具统称

3、磨具。磨具根据其所用的磨料不同分为普通磨具和超硬磨具两大类。所谓普通磨具是指用普通磨料制成的磨具，如刚玉系磨料、炭化硅系磨料和炭化硼系磨料制成的磨具。而所谓超硬磨具是指用超硬材料做磨料所制成的磨具，如金刚石磨具、立方氮化硼（CBN）磨具。树脂棕刚玉砂轮磨削时存在的缺点： 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大，是进一步提高锭杆锭尖外形精度非常困难；2. 砂轮用量大，砂轮质量的波动对磨削效果影响程度大；3. 由于砂轮磨削快，需要经常修整，砂轮更换频繁，使得；劳动强度大，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

4、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的最大贡献之一，导致磨削革命”。立方氮化硼（CBN）砂轮的应用早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普通磨削的使用，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

5、问题，而且适合与高速、强力和成行磨削。 为了证实立方氮化硼（CBN）砂轮的优越性，我通过书本上的实验研究表明再同样的磨削参数下，立方氮化硼（CBN）砂轮的磨削力与磨削温度均低与棕刚玉砂轮。 因此用立方氮化硼（CBN）砂轮取代棕刚玉砂轮是可取的。二立方氮化硼（CBN）砂轮各特性及尺寸的确定超硬磨料具有许多优异的的特性，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。所以，合理的选用超硬磨料磨具，才能获得良好的综合效果。 a 超硬磨料磨具特性的选择（1）磨基的确定 磨基我们选择铅合金，因为铅合金相对于铁来说，质量轻，惯性小，磨削效率相对也高。 （2）

6、磨料的选择 超硬磨料主要成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、混凝土等硬而脆的工件材料，但不已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。对受冲击负荷的场合，采用天然金刚石较好：而对于一般磨销场和，则使用人造金刚石效果更佳。 人造金刚石磨料目前有

7、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途径： 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，地质钻头和切割机工具等。 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、休整工具等。 DMD 型：颗粒为淡黄色或淡绿色，多为透明无杂质的完整八面晶体，强度高。适于制作休整工具和其他单粒工具。

8、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，立方氮化硼还有镀附金属衣和未镀附金属衣之分，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，游客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。一般于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；镀层太厚，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

9、50%为宜。干磨条件下，以采用较小增重量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，故可采用较大增重量的镀附金属衣磨料。对于一些成型磨削、间断磨削，还可选用增重量为50-100%的磨具。（3）粒度的选择 超硬磨粒力度的选择，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使用于超硬磨料。所不同的是要达到相同的粗糙度值，超硬磨粒的粒度套细一至二个力度号。同样，在满足加工表面粗糙度要求的前提条件下，应尽量选择粗粒度，以提高磨削效率。 此外，选择超硬磨粒磨具时，还应考虑结合剂结合能里的大小对粒度的影响。对于一定的结合剂来说，一般有

10、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100/120-170/200以内；金属结合剂其粒度在70/80-230/270以内。 另外，镀附金属衣磨料，其磨削粗糙度较小，因而，要达到相同磨具粒度号加工表面粗糙度Ra(um)树脂结合剂金属结合剂80/100100/120100/120-170/200170/200-270/325325/400-MP10-20MP8-12MP4-8MP4-8MP1.5-30.160.630.080.320.0

11、40.160.020.080.010.040.322.50.161.250.160.63的粗糙度，在磨具其他特征相同的情况下，镀附金属衣磨粒粒度可稍粗一些。超硬磨料磨具粒度与加工表面粗糙度的关系 （4） 结合剂的选择 结合剂选择主要依据其自身的性能而定，以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：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，高温下结合剂易烧毁。树脂磨具自锐性能良好不易堵塞，一次性休整后很少再休整，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。树脂磨具金刚石磨具用于

12、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、耐热合金刚工件的半精磨、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，且容易休整。陶瓷结合剂磨削一般用于粗磨、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。青铜结合剂钢性好、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、休整困难。青

13、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。 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，不需要休整，但磨具寿命段。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、电镀饺刀以及用于高速磨削方式之中。（5）浓度的选择 浓度是超硬磨料磨具所具有的特殊性，是指超硬磨料磨具工作层内没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,其浓度相应增加或者减少25%。浓度是超硬磨料磨

14、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类、磨料粒度大小、加工工序和磨具形状要求等因素。不同种类结合剂由于其结合能力不同，而且有最佳的浓度范围，结合剂强度越高，其最佳浓度范围也越高。如下表所示为不同结合剂人造磨具的浓度范围。结合剂及种类浓度范围（%）金刚石磨具立方氮化硼磨具树脂507575100陶瓷7510075125青铜100150100150 不同结合剂磨具的浓度范围磨具粒度较细，其浓度应当低一些。以满足细粒度磨具进行精密磨削，要获得较高光洁度的

15、要求。如抛光和高洁度磨削中，常采用低浓度树脂结合磨具，个别浓度抵达25%。对于加工效率要求高的粗磨工序，采用粗粒度、高浓度磨具进行磨削能较好的满足加工效率及工序要求。磨具浓度的选择还应考虑到磨具形状和加工方式。对于工作面宽，特别对于要求保持磨具形状精度的成型磨削方式，端面磨削和沟槽磨削，应当选择较高浓度的磨具。b.砂轮形状尺寸1.磨料的确定 磨料的性质直接影响砂轮的磨削效果，国外许多公司针对各种结合剂和加工对象的不同，研制出了很多不同牌号的立方氮化硼（CBN）磨料。从磨料的低成本，便于推广考虑，我们选用了CBN-850型磨料。立方氮化硼（CBN）是有六方氮化硼和接触，经过混配料、压型、组装，在

16、高温高压下合成的。立方氮化硼（CBN）有以下性质：1） 立方氮化硼（CBN）的几何形状 其最典型的几何形状是正四面体晶面和负四面体晶面的结合，常见的形态有：四面体、假八面体、假六角形。2） 热力学性质 衡量指标有导热率、比热容、热扩散系数等如表A所示。立方氮化硼（CBN）磨粒的热稳定性能如表B所示。从表中可以看出立方氮化硼（CBN）磨粒具有很好的热稳定性。在很高的温度才开始氧化。导热率（W/（cm.0C）0.796密度（g/cm*3）3.48比热容(J/(g.0C)0.67热扩散系数(cm*2/s)0.18熔点或分解点(0C)3227(10.5GPa)表A立方氮化硼（CBN）的热物理性质温度/

17、K周围介质及条件状态1573空气、氧气开始氧化17731873真空转变为六方结构33983498高压下（5.06.0GPa）强脉冲加热转变为六方结构表B立方氮化硼（CBN）在不同介质条件下的 热稳定性2 光学性质单晶立方氮化硼（CBN）对1.06um红外光的反射率很高，吸收率低。1）结合剂的确定 在磨料、粒度、硬度相同，并在同样条件下加工同样的工件时，陶瓷结合剂磨具磨损比其他结合剂要小，因而它的使用寿命较长。陶瓷结合剂应用的范围最广，能做成各种磨粒、硬度、组织、形状和不同大小的磨具。陶瓷结合剂在磨削时性能稳定，耐水、耐酸、耐碱、耐油，且部首天气和温度变化的影响，能在多种磨削液条件下进行磨削，也

18、可用于干磨。和其它结合剂相比，陶瓷结合剂可制成不同气孔尺寸的磨具，如大气空砂轮、松组织砂轮等，磨削时不易切削堵塞，因而磨削效率也高。通常陶瓷结合剂砂轮的使用速度在35以下，但也可制成高于35的高速砂轮，如50m/s、60m/s、80m/s乃至120m/s的高速砂轮。陶瓷结合剂砂轮在磨削过程中能较好的保持外形，所以适合于成型磨削，如磨螺纹、磨齿轮、样板磨削及其它成型磨削。陶瓷结合剂CBN砂轮具有下列优点：1）陶瓷结合剂砂轮带有大量气孔，这些气孔有利于排屑，从而减轻砂轮堵塞而产生磨削热，降低工件表面磨削温度，避免烧伤现象产生。2）结合剂耐热性好，磨料把势力强所以陶瓷砂轮耐磨损，形状保持性好，有利于

19、提高零件加工精度。3）结合剂硬而脆，容易休整。采用上面优点我们采用了陶瓷材料为本砂轮的结合剂。2）填料的确定 砂轮的工作层除了立方氮化硼（CBN）磨料和结合剂外，还应加入一定量的填料来保证立方氮化硼（CBN）磨料层的成型密度，提高砂轮强度，调整砂轮组织及降低砂轮成本。填料选择应考虑填料与立方氮化硼（CBN）磨粒热膨胀系数之差，填料和结合剂的亲和力，在烧结过程中是否变质，以及填料的强度和粒度等因素。经过对多种材料进行性能测试和不同配比的对比实验，主要加入了适量的炭化硅、铜粉、铝粉，有效的提高了磨具强度及加快磨削热的传递。3）浓度的确定 浓度是立方氮化硼（CBN）砂轮的主要特性，综合考虑加工材料、

20、磨料、粒度、磨削方式等因素，确定采用100%的浓度值。4）硬度的确定 砂轮的硬度是指砂轮上磨粒受力后自砂轮表层脱落的难易程度。也反映磨粒与结合剂的粘固程度。砂轮磨粒难脱落时叫做硬高度，反之就叫做硬低度。可见，砂轮的硬度主要由结合剂的粘结强度决定，而与磨粒的硬度没有关系的，切勿将两者混淆。软1级的砂轮结合剂体积占砂轮体积的1.5%，超硬级砂轮的结合剂约占砂轮体积的24%；结合剂体积，每增加1.5%，砂轮硬度将增加一级。在同一种结合剂下，结合剂体积百分率高时，砂轮硬度就高。 一般说来，砂轮组织较疏松时，砂轮硬度低些。树脂结合剂的砂轮，硬度比陶瓷结合剂的低些。下表为硬度分级代号等级大级超软软中软中中

21、硬硬超硬小级超软软1软2软3中软1中软2中1中2中硬1中硬2中硬3硬1硬2超硬代号GB248284DEFGHJKLMNPQRSTY砂轮硬度的选用原则：1）工件材料越硬，应选用愈软的砂轮。这是因为硬材料易使磨粒磨损，需要较软的砂轮以使磨钝的磨粒及时脱落，但是磨削有色金属（铝、黄铜、青铜等）、橡皮、树脂等软材料，却也要用较软的砂轮。这是因为这些材料易使砂轮堵塞，选用软些的砂轮可使堵塞处较易脱落，露出锋锐的新磨粒。2）砂轮与工件磨削接触面积较大时，磨粒参加切削时间较长，较易磨损，应选用较软的砂轮。3）半精磨与粗磨相比，需要较软的砂轮，以免工件发热烧伤。但精磨和成型磨削时，为了使砂轮廓形保持较长时间，

22、则需用较硬一些的砂轮。4）砂轮气孔率较低时，为防止砂轮堵塞，应选用较软的砂轮。5）树脂结合剂砂轮由于不耐高温，磨粒容易脱落，其硬度可比陶瓷结合剂砂轮选高12级。机械加工中，常用的砂轮硬度等级是软2至中2，我们这次选用的等级是K级。 6.砂轮的结构尺寸在M61329高精度外圆磨床上磨削锭杆锭尖，通过工作台的纵向移动，在砂轮宽度上可连续完成数根锭杆锭尖的磨削工作，从理论上讲砂轮宽度越大，连续加工的锭杆数越多，当砂轮宽度的增加影响砂轮的制造难度，因此确定立方氮化硼（CBN）砂轮宽度为40mm.砂轮直径同样考虑使用需要和制造难度确定为直径为400mm，内孔直径为207H7与机床主轴相配合。砂轮外径的确定：我们要用的砂轮，使得工件的表面粗糙度为Ra0.2，所以我们的齿轮的表面速度要很高而M61329的磨床壳砂轮又不能碰到它，根据两者的综合因素考虑砂轮外径取400mm。（砂轮详细尺寸见A2图纸）二 2.1 生产纲领已知零件的年生产纲领为200万件，可知起生产类型为大批量生产，初步确