CBN砂輪在磨削凸輪軸中的應(yīng)用

【摘要】CBN砂輪是新興磨削加工中采用的高效、高精度、低成本磨削材料，將其運用在汽車凸輪軸的磨削加工中能起到事半功倍的經(jīng)濟效益。

【關(guān)鍵詞】CBN砂輪；凸輪軸磨削

1、國內(nèi)外凸輪軸磨削技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

凸輪軸作為發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動機的動力特性；同時，凸輪軸又是一種非圓磨削的工件，其加工余量大且材料難磨，對磨削精度和生產(chǎn)效率要求都很高，加工難度比較大。因而，凸輪軸的磨削技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點。

目前，國內(nèi)多數(shù)轎車主機廠的凸輪軸生產(chǎn)線和專業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠家均引進了CBN磨削技術(shù)，但仍有很多的載重汽車、柴油機和摩托車發(fā)動機的凸輪依然采用傳統(tǒng)的剛玉砂輪、靠模仿形的磨削工藝。粗磨工序使用的是國產(chǎn)中低速磨床（35m/s以下），精磨工序部分廠家使用進口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點金剛石筆居多，進口磨床和少數(shù)國產(chǎn)磨床采用金剛石滾輪修整。這種傳統(tǒng)技術(shù)給凸輪軸的磨削帶來的問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）凸輪輪廓精度低且難以提高

采用靠模樣板磨削，凸輪輪廓形狀誤差最小只能控制在±0.03mm范圍內(nèi)，而全數(shù)控?zé)o靠模磨削則可控制在±0.01mm內(nèi)。另外，普通磨料砂輪在使用時，外徑變化范圍大（80～100mm），而砂輪直徑每變化1mm就會使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，因而難以進一步提高凸輪輪廓精度。

（2）凸輪表面易產(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，很難提高生產(chǎn)效率

（3）綜合經(jīng)濟效益不高

2、CBN砂輪在磨削凸輪軸中的應(yīng)用

CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)凸輪軸磨削過程中的難題迎刃而解。鄭州磨料磨具磨削研究所于20世紀(jì)90年代初，在國內(nèi)率先自主研究開發(fā)了用于汽車凸輪軸磨削的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，在國產(chǎn)普通高速（60m/s）強力凸輪軸磨床上粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，取得了良好的使用效果。但由于受到當(dāng)時機床條件和砂輪制造技術(shù)的限制，還沒能達到更理想的效果。至90年代中期，工業(yè)化國家的多數(shù)汽車制造廠均已采用了CBN砂輪磨削凸輪軸，國內(nèi)主要的轎車生產(chǎn)線上也陸續(xù)引進了這項技術(shù)。它是以CBN專用數(shù)控CNC凸輪軸磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂輪、專用磨削液、修整滾輪和磨削工藝整套技術(shù)的形式引進的。該技術(shù)的主要特點是：砂輪使用速度高（80～125m/s），加工效率高。隨著凸輪軸的CBN磨削技術(shù)及其專用磨床的不斷引進，國內(nèi)研究的CBN專用高速數(shù)控凸輪軸磨床也即將進入市場。對此，在完善國產(chǎn)磨床用CBN砂輪粗磨凸輪軸技術(shù)，積極研究用CBN砂輪精磨凸輪軸的同時，鄭州磨料磨具磨削研究所又開始研制為進口CBN專用數(shù)控凸輪軸磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂輪，并已取得了一定成果。研制的砂輪使用速度為80m/s，耐用度和壽命相當(dāng)于進口砂輪的1/2，而價格只有進口砂輪的1/3。研制的陶瓷CBN砂輪與同類進口砂輪相比，主要差距在于耐用度、壽命和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性偏低，不能完全替代進口砂輪在凸輪軸生產(chǎn)線上連續(xù)使用。為了迎頭趕上這種快速發(fā)展的技術(shù)水平，近兩年，鄭州磨料磨具磨削研究所又研發(fā)成功了使用速度為125m/s的磨凸輪軸陶瓷CBN砂輪，其使用速度、磨削效率、磨削質(zhì)量均達到進口同類產(chǎn)品水平，具有很高的性價比，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定質(zhì)量，完全可以替代進口。這些都表明我國CBN砂輪的制造和應(yīng)用技術(shù)已達到了新的水平。

3、凸輪軸的CBN磨削技術(shù)要素

在凸輪軸的磨削系統(tǒng)中，必須同時考慮到CBN砂輪制造和應(yīng)用技術(shù)所涉及的各方面的影響因素，才會最終得到令人滿意的磨削結(jié)果。凸輪軸CBN磨削技術(shù)的重要影響因素主要有：

（1）CBN砂輪

性能優(yōu)越的砂輪必須同時具備磨削鋒利、自銳性好和耐用度高等特征。在制造和選擇砂輪時主要考慮結(jié)合劑、磨料、砂輪濃度和磨具硬度。

結(jié)合劑：在CBN磨具的四種結(jié)合劑（樹脂、陶瓷、金屬、電鍍）中，以陶瓷結(jié)合劑的CBN磨具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀(jì)80年代的4%上升到現(xiàn)在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高（為75%以上，其余類型結(jié)合劑為50～60%）、砂輪使用壽命長等優(yōu)勢，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。目前，用于凸輪軸磨削的CBN砂輪全部采用陶瓷結(jié)合劑。

磨料：在磨削加工中，磨料是磨具中的主體，其性能好壞直接影響磨削效果。CBN磨料與剛玉磨料相比，具有更高的硬度和強度，因而切削鋒利且耐磨。在凸輪軸加工這樣高強度的磨削情況下，使用CBN磨料是最佳選擇。不同牌號的CBN磨料，因制造工藝的不同，其晶體形態(tài)、顆粒形狀也各不相同，它們各自具有不同的強度、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性和破碎特性。應(yīng)根據(jù)結(jié)合劑的種類、磨削工件和磨削方式的不同，選擇不同牌號的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使其結(jié)構(gòu)受到破壞，這是在選擇磨削液的種類、壓力和流量時必須考慮的因素。

濃度：砂輪濃度的高低表示在磨削時砂輪工作面單位面積上參加磨削的磨粒數(shù)的多少，高濃度可帶來高的磨削比，200%濃度比100%濃度砂輪壽命長4～5倍。目前，高速、高效磨削均采用較高的砂輪濃度，如進口磨凸輪軸磨床配套的陶瓷CBN砂輪濃度一般均為200%。

硬度：磨具的硬度等級表示結(jié)合劑對磨料把持力的大小，它是制造商工藝控制的重要指標(biāo)，也是用戶選擇磨具性能的主要參數(shù)。砂輪硬度均勻和穩(wěn)定及硬度高低的合理選擇是保證磨削質(zhì)量的重要前提。國外陶瓷CBN砂輪一般有3～7個硬度等級可供選擇，國內(nèi)目前尚未制訂CBN砂輪（包括金剛石磨具）的硬度檢驗標(biāo)準(zhǔn)，制造商僅以配方硬度進行控制。

（2）磨床 磨床要求有高速度（一般在60～125m/s）、高剛性和抗震性

（3）修整 使用金剛石滾輪修整，不僅可提高修整效率，更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。

（4）冷卻液 冷卻液要采用油基的冷卻液，高壓噴射的方法進行冷卻。

結(jié)束語

CBN砂輪的研究應(yīng)立足于提高性能、完善工藝、穩(wěn)定質(zhì)量和批量化生產(chǎn)。我們需要在磨床、磨具制造和用戶之間建立緊密聯(lián)系，加強溝通和協(xié)作，共同促進CBN磨削技術(shù)的不斷提高。