陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅(jiān)

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530003）

陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪高速磨削凸輪軸的表面粗糙度研究

曹 堅(jiān)

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530003）

0 引言

立方化硼（Cubic Boron Nitride,簡稱CBN）具有僅次于金剛石的硬度，優(yōu)于金剛石的耐熱性和對鐵族金屬的化學(xué)惰性，是代替剛玉磨料磨削淬硬鋼，高強(qiáng)度鋼等高硬度、高韌性難加工金屬的最佳磨料；尤其是陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪（以下簡稱陶瓷CBN砂輪）的優(yōu)越磨削性能，不僅表現(xiàn)在高磨削比、高生產(chǎn)率方面，更重要的是能夠獲得高的零件表面質(zhì)量[1]。

磨削加工后的零件表面質(zhì)量包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力、磨削燒傷等指標(biāo)，而表面粗糙度是考察零件是否合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，本文進(jìn)行了陶瓷CBN砂輪高速磨削45淬硬鋼工件的表面粗糙度試驗(yàn)研究。

1 工藝參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究

普通磨削的砂輪速度為30～35m/s，當(dāng)砂輪速度超過45m/s或更高超過50m/s即為高速磨削[2]。高速磨削條件下的磨削加工影響因素復(fù)雜，許多認(rèn)識(shí)尚不深入，有關(guān)文獻(xiàn)資料表明，陶瓷CBN砂輪高速磨削工藝具有不同于普通磨削加工的特殊工藝要求。因此，針對汽車凸輪軸常用的45淬硬鋼進(jìn)行了模擬凸輪軸材料的磨削試驗(yàn)，探索了磨削工藝參數(shù)對45淬硬鋼工件已加工表面粗糙度的影響，揭示了CBN高速磨削在一定加工對象上表面粗糙度的變化規(guī)律和機(jī)理，為特定材料在CBN高速磨削條件下合理選擇和優(yōu)化磨削用量提供了參考依據(jù)。

磨削試驗(yàn)條件如表1所示。

由于磨削過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，影響因素很多，在實(shí)際工程計(jì)算中，目前仍以采用經(jīng)驗(yàn)公式為主，這些公式都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示的。本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，通過對CBN高速磨削條件下大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的三元線性回歸處理，得出45淬硬鋼工件在陶瓷CBN砂輪高速磨削條件下的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ra為表面粗糙度值，μm；Vs為砂輪線速度，m/s；Vf為砂輪進(jìn)給速度，μm/s；nw為工作轉(zhuǎn)速，r/min。

公式(1)表明，在陶瓷CBN砂輪高速磨削過程中，工件已加工表面粗糙度值隨砂輪進(jìn)給速度，工件轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨砂輪線速度的提高而減小，其中砂輪線速度（Vs）和砂輪進(jìn)給速度（Vf）對工件已加工表面粗糙度的影響都很顯著，而工件轉(zhuǎn)速（nw）對工件已加工表面粗糙度的影響非常小。砂輪線速度越高，單位時(shí)間內(nèi)掠過工件表面的磨粒就越多，所以工件表面粗糙度就越?。簧拜嗊M(jìn)給速度提高，即金屬磨除率增大，就會(huì)使單顆磨粒的未變形切屑厚度增大，反映到工件表面上就是工件表面的溝槽較深，隆起較高，所以工件表面粗糙度就越大。

表1 磨削試驗(yàn)條件

由公式(1)還可知，砂輪線速度的權(quán)值最大，也就是說，提高砂輪線速度可顯著減小表面粗糙度數(shù)值，從而驗(yàn)證了CBN高速磨削的優(yōu)越性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述試驗(yàn)的結(jié)論，又采用單因素試驗(yàn)法研究了磨削用量（Vs和Vf）對工件已加工表面粗糙度的影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

為了便于清晰、直觀地觀察工件已加工表面粗糙度與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系，將表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成圖1中的工件已加工表面粗糙度變化曲線。經(jīng)對比分析表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖1中的曲線，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式(1)，可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：

1）陶瓷CBN砂輪在定進(jìn)給切入外圓磨削45淬硬鋼工件的過程中，隨著砂輪線速度的提高，在本試驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)不同的砂輪進(jìn)給速度下獲得的工件已加工表面粗糙度均呈現(xiàn)了較顯著的減??；尤其是當(dāng)砂輪線速度（Vs）從35m/s提高到60m/s(砂輪進(jìn)給速度Vf 均為20μm/s)時(shí)，工件的表面粗糙度由1.75μm降為1.25μm，減小了0.5μm，降幅達(dá)到28.6%，這一方面說明，陶瓷CBN砂輪磨削中，砂輪線速度對工件已加工表面粗糙度有顯著影響，另一方面更說明了陶瓷CBN砂輪在高速磨削條件下，既可獲得較高的砂輪進(jìn)給速度，又能保證較好的工件表面質(zhì)量，充分體現(xiàn)了陶瓷CBN砂輪高速磨削高生產(chǎn)率、高磨削質(zhì)量的優(yōu)越性。

圖1 表面粗糙度與磨削工藝參數(shù)的關(guān)系

2）當(dāng)陶瓷CBN砂輪的線速度較低時(shí)（本試驗(yàn)中為35m/s、50m/s），隨著砂輪進(jìn)給速度（Vf）的增加,工件的表面粗糙度呈現(xiàn)出近于線性增大的趨勢；而當(dāng)砂輪線速度較高時(shí)（本試驗(yàn)中為60m/s），隨著Vf 的增大，工件已加工表面粗糙度呈緩慢且均勻地小幅增加，基本能維持在一個(gè)比較良好的數(shù)值上。這表明，陶瓷CBN砂輪磨削中，Vf 在較低砂輪速度下對工件已加工表面粗糙度有顯著影響，而在高速磨削條件下對工件已加工表面粗糙度的影響并不顯著，從而充分說明，陶瓷CBN砂輪磨削為了既能保證高的磨削質(zhì)量，又能獲得高的生產(chǎn)率，則必須在高速下工作。

表3 表面粗糙度與金屬磨除體積的關(guān)系

2 表面粗糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

陶瓷CBN砂輪是一種半永久性磨具，非常耐磨，所以工件已加工表面粗糙度在磨削過程中應(yīng)當(dāng)非常穩(wěn)定；為此，進(jìn)行了陶瓷CBN砂輪磨削45淬硬鋼工件的已加工表面粗糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，將CBN砂輪累計(jì)磨除一定量的金屬體積后檢測得到的表面粗糙度值與金屬磨除體積一一對應(yīng)，得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

綜合分析表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1）在各種磨削條件相匹配的合理工況下，陶瓷CBN砂輪的表面形貌保持性好，非常耐磨，所以工件已加工表面粗糙度在磨削過程中非常穩(wěn)定，可長時(shí)間維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值上。

2）在適合的磨削條件下，陶瓷CBN砂輪在磨削過程中始終存在自勵(lì)現(xiàn)象，這反映在工件已加工表面粗糙度上就是，當(dāng)累計(jì)磨除的金屬體積達(dá)到一定量時(shí)（本試驗(yàn)中為ΔVw=68萬mm3），表面粗糙度值相對會(huì)有一個(gè)明顯的增幅（本試驗(yàn)中為Ra從0.57μm明顯增大到0.67μm），但在隨后的磨削過程中，表面粗糙度值又會(huì)迅速回落到一個(gè)較穩(wěn)定的數(shù)值上。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

1）在定進(jìn)給量外圓切入磨削過程中，隨著砂輪線速度(Vs)的提高，磨削條件得以改善，從而有利于工件已加工表面粗糙度的改善。

2）在定進(jìn)給量外圓切入磨削過程中，砂輪線速度（Vs）越高，越有可能通過提高砂輪進(jìn)給速度（Vf）來提高CBN砂輪磨削的生產(chǎn)效率，而且還能保證獲得高的磨削質(zhì)量。

3）隨著砂輪線速度（Vs）提高到一定的數(shù)值（本試驗(yàn)中為Vs=60m/s）,磨削過程中陶瓷CBN砂輪會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定工作階段和自勵(lì)現(xiàn)象，在該階段獲得的工件已加工表面粗糙可長時(shí)間穩(wěn)定維持在一較理想的數(shù)值上。

4）陶瓷CBN砂輪具有極高的抗磨損能力，耐磨性很好，因此，在磨除相當(dāng)多的金屬體積后，工件已加工表面粗糙度仍能保持非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

[1]瞿曉波.陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在凸輪軸加工中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程.

[2]國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.機(jī)械與制造科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告,(2006年—2010年)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

Research on surface roughness in cam shaft high speed grinding with vitrif i ed bond CBN wheel

CAO Jian

本文通過一系列的試驗(yàn)，分析了磨削工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響，建立了磨削表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，研究了陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削表面粗糙度的變化規(guī)律及其特點(diǎn)，這些規(guī)律為凸輪軸的CBN高速磨削提供了一系列實(shí)用的工藝參數(shù)。

陶瓷結(jié)合劑；CBN砂輪；凸輪軸；表面粗糙度

曹堅(jiān)（1965 -），男，廣西南寧人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。

TP391

B

1009-0134(2011)4(上)-0049-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).16

2010-12-27

廣西教育廳科研立項(xiàng)項(xiàng)目（200911LX499）