陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的制備及應(yīng)用

李志宏,朱玉梅

(天津大學材料科學與工程學院 教育部先進陶瓷及加工技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

1 前言

現(xiàn)代機械加工技術(shù)正加速向高速高效高精加工方向發(fā)展。在加工技術(shù)各要素中，高性能磨具是實現(xiàn)高速高效高精加工的關(guān)鍵和保證。金剛石( DIAMOND )和立方氮化硼(cBN)是當今世界上已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用的兩種超硬材料[1]。這兩種材料由于其硬度很高，強度很高，用其制造的磨削工具磨削能力很強，磨削效率高，磨具磨損小，形狀保持性好，使用壽命長，所以其在磨削加工方面顯示了很大的優(yōu)勢。因此，在磨具制造和磨削應(yīng)用方面，世界上日益呈現(xiàn)B(cBN，borazon)取代A(aluminum oxide)、D(diamond)取代C(silicon carbide)的趨勢，超硬材料磨具的發(fā)展速度較快[2，3]。在各類磨具中，砂輪是最常見、應(yīng)用最廣泛、應(yīng)用量最大的磨具形式和類別。其中，cBN磨料因為惰性高，不與鋼鐵材料發(fā)生某些化學反應(yīng)，所以cBN砂輪應(yīng)用范圍更加廣泛。按照結(jié)合劑劃分，cBN砂輪有金屬結(jié)合劑cBN砂輪、樹脂結(jié)合劑cBN砂輪、陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪三類。其中，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的性能更加優(yōu)越，發(fā)展最快，特別適合對磨具形狀保持性要求很高的成型磨削生產(chǎn)和對磨具壽命要求很高的自動化生產(chǎn)[4，5]。本文結(jié)合我們對陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的研究實踐，就陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的特點、制備原則及我們研制的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在主要磨削應(yīng)用中的情況作簡要介紹。

2 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的特點

與其它結(jié)合劑cBN相比，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪具有如下特性[5-7]：

(1)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪具有可控的氣孔率。氣孔對磨具是重要的，尤其對磨削鋼鐵的cBN砂輪是非常重要的。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪表面的氣孔能夠為磨屑提供容屑和排屑空間，有利于磨屑從磨削區(qū)排除而避免砂輪的堵塞和由此產(chǎn)生的摩擦熱。砂輪表面的氣孔同時能為冷卻液提供通道，使冷卻液在磨削接觸區(qū)及其附近廣泛分布。因而使磨削溫度較低，減少或避免磨削燒傷。

(2)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的開放式結(jié)構(gòu)使磨粒能夠最佳暴露突出而保證砂輪具有極好的自由切削性能和高的工件材料去除速率。砂輪磨削力小，比磨削能低，磨削性能好。

(3)陶瓷結(jié)合劑良好的耐熱性能使cBN磨料得到充分利用，砂輪使用壽命較長。而樹脂結(jié)合劑在200℃左右就不能有效地保持磨粒。

(4)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪熱膨脹系數(shù)較小，剛性好，磨削時讓刀小，適合高精度低粗糙度磨削。

(5)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪容易修整，修正和修銳可一次完成，維護費用較低。

(6)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪自銳性較好，修整間隔較長，減少了修整頻度。

(7)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪化學穩(wěn)定性好，對磨削液的適應(yīng)范圍較廣。

(8)陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪磨削工件表面完整性好，工件質(zhì)量高，使用壽命長。

由于陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪具有上述一系列優(yōu)點，因而受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注， 成為世界上磨具產(chǎn)品研究開發(fā)的熱點。先進陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪磨削被視為磨加工領(lǐng)域中的高新技術(shù)。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪作為一類高速、高效、高精度、低磨削成本、低環(huán)境污染的高性能磨具產(chǎn)品，它代表了當今磨具產(chǎn)品的一個主要發(fā)展方向，應(yīng)用前景十分廣闊。

3 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的制備

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪從宏觀組成上來看，屬于由cBN磨料、輔助磨料、結(jié)合劑等材料構(gòu)成的多組分陶瓷基復合材料。作為磨削加工特定應(yīng)用的陶瓷基復合材料，我們認為，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的制備一方面應(yīng)以復合材料的理論為指導，另一方面應(yīng)以磨削加工理論為指導[4，7]。從復合材料角度，應(yīng)該注意陶瓷結(jié)合劑與cBN磨料及其它組成材料之間的物理和化學相容性：陶瓷結(jié)合劑與cBN磨料及輔助磨料之間熱膨脹系數(shù)應(yīng)該相匹配，從而保證相互之間的牢固結(jié)合；陶瓷結(jié)合劑與cBN磨料之間不能有明顯化學反應(yīng)，從而避免cBN磨料表面結(jié)構(gòu)的損壞及硬度等主要性能的劣化；在砂輪制備條件下，cBN磨料及主要材料的性能不能產(chǎn)生退化。從磨削理論角度來看，陶瓷cBN砂輪制備，應(yīng)根據(jù)磨削工件材料的性能(如材質(zhì)、硬度等)、加工方式、加工余量、加工節(jié)拍、加工精度要求等因素，來合理選擇cBN磨料的種類、粒度、濃度和砂輪硬度，以適應(yīng)特定的磨削要求。

陶瓷結(jié)合劑是陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪制備的首要關(guān)鍵因素。我們總結(jié)出了結(jié)合劑的制備與選擇的基本原則：結(jié)合劑耐火度及燒成溫度要低 ；結(jié)合劑的強度要高；結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)與磨料的熱膨脹系數(shù)要匹配；高溫潤濕性要好 ；結(jié)合劑與磨料之間要無明顯的化學反應(yīng)；結(jié)合劑要具有較好的導熱性 ；具有良好的工藝性能，較高的干坯濕坯強度，較小的收縮率，較好的高溫穩(wěn)定性，較寬的燒結(jié)溫度范圍，不易出現(xiàn)變形、開裂、發(fā)泡等廢品。性能良好的陶瓷結(jié)合劑是制備高質(zhì)量陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的重要保證。

我們課題組從1990年起開始研究cBN磨具用低溫陶瓷結(jié)合劑，并提出采用化工原料和試劑原料精確配比的方法來實現(xiàn)結(jié)合劑組成和性能的可控性，并研制成功適合cBN磨具制備的結(jié)合劑[8]。隨后課題組對陶瓷結(jié)合劑、cBN磨具用結(jié)合劑的組成設(shè)計、結(jié)合劑制備工藝、結(jié)合劑的改性、cBN磨具組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)合劑性能對磨具性能影響等多方面進行了系統(tǒng)研究[9-11]，并開發(fā)出了新的陶瓷結(jié)合劑，完善了cBN砂輪關(guān)鍵制備工藝，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的cBN磨具制造技術(shù)[12]。我們研究的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

4 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的磨削應(yīng)用

4.1 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于滾刀齒型磨削

目前，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于高速鋼滾刀的齒型磨削。這類cBN砂輪磨削鋒利，形狀保持性好，其用于滾刀齒面的成型磨削，很好地保證了滾刀的形狀精度，顯著提高了磨削加工效率。與傳統(tǒng)的剛玉砂輪相比，生產(chǎn)效率可提高30%以上，精度等級明顯提高，磨削燒傷現(xiàn)象減少，刀具性能和壽命明顯提高。此類產(chǎn)品已成功替代了德國知名品牌產(chǎn)品。

圖1 滾刀磨床及陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪Fig.1 Hob grinding machine and vitrified bond CBN grinding wheel

圖2 滾刀前刃面磨削及砂輪Fig.2 Grinding of front edge of hob and grinding wheel

1.2 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于滾刀前刃磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于高速鋼滾刀前刃面的磨削。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪較高的鋒利度和較低的磨削溫度，減少了刀刃的磨削缺陷，提高了刀具切削性能和使用壽命。超硬材料砂輪的高耐用度和低磨損特性，減少了砂輪修整頻次，提高磨削生產(chǎn)效率。此類產(chǎn)品已達到德國、日本等國知名品牌產(chǎn)品水平。

1.3 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于拉刀磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于高速鋼拉刀的磨削，主要用來成型磨削拉刀的容屑槽、分屑槽及齒面。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的使用，很大地提高了拉刀的加工效率和加工質(zhì)量精度，減少了磨削燒傷。此類產(chǎn)品已成功替代了德國、奧地利等國知名品牌產(chǎn)品。

圖3 幾種拉刀磨削的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪Fig.3 Ceramic bond CBN grinding wheel with several broach grinding

1.4 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于鉆頭和銑刀磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪分別用于高速鋼鉆頭和銑刀的排屑槽的成型磨削，大切深、高去除速率，極大提高了磨削生產(chǎn)效率，很好地保證了刀具加工精度。

圖4 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪磨削鉆頭和銑刀Fig.4 Vitrified bond CBN wheel grinding bit and milling cutter

圖5 汽車傳動軸部件磨削用cBN砂輪Fig.5 CBN grinding wheel for grinding automotive transmission shaft parts

1.5 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車傳動軸磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車傳動軸萬向節(jié)球籠溝道成型磨削和保持架內(nèi)型面的成型磨削。良好的砂輪形狀保持性，使砂輪修整間隔增加了20～50倍，減少了砂輪修整頻次，提高了生產(chǎn)效率，保證了工件的型面幾何精度和工件的一致性。

1.6 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于轉(zhuǎn)子槽的的成型磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于液壓件和汽車轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)子槽的磨削，砂輪優(yōu)異的磨削能力和形狀保持性，大大提高了這些部件的加工精度，保證了同一部件上不同槽之間寬度和深度的一致性，以及不同部件之間的一致性。普通剛玉砂輪的修整間隔為1槽/次，cBN砂輪修整間隔10件/次，每件有10～12個槽，比普通剛玉砂輪延長100倍以上，生產(chǎn)效率提高40%以上。

圖6 轉(zhuǎn)子槽磨削機床及cBN砂輪Fig.6 Rotor groove grinding machine and cBN grinding wheel

1.7 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車油泵定子成型磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車油泵定子內(nèi)曲面的成型磨削，砂輪很好的形狀保持性和鋒利度，保證了加工工件的幾何精度和表面質(zhì)量要求。砂輪的修整間隔長、使用壽命長，減少了砂輪修整和更換時間，保證了高的磨削生產(chǎn)效率。我們研制的這類產(chǎn)品成功替代了國外著名品牌的同類產(chǎn)品。

圖7 汽車油泵定子及cBN砂輪Fig.7 Motor oil pump stator and cBN grinding wheel

1.8 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車曲軸磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車和摩托車曲軸的主軸頸和連桿頸的成型磨削，可以實現(xiàn)軸外徑和軸肩的一次磨削，減少了磨削工序。同時砂輪好的磨削性能、較大的磨除速率、很好的形狀保持性、較長的修整間隔，都極大提高了磨削生產(chǎn)效率和工件加工質(zhì)量。與傳統(tǒng)砂輪相比，磨削效率可以提高一倍以上。在加工效率、加工精度、砂輪壽命等各主要指標方面，我們研制的曲軸磨cBN砂輪達到了國際同類產(chǎn)品水平，且具有明顯的性價比優(yōu)勢。

圖8 汽車曲軸磨床與cBN砂輪Fig.8 Automotive crankshaft grinding machine and CBN grinding wheel

4.9 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車凸輪軸的磨削

凸輪軸也是汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其加工效率和質(zhì)量很大程度上影響著部件的成本和使用壽命。在全數(shù)控磨床上，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪工作速度可以達到120～160m/s,使用單片砂輪磨削，加工8凸桃磨削余量達4mm的冷激鑄鐵凸輪軸，每根軸的加工節(jié)拍由普通砂輪的5min縮短到2min，采用雙片砂輪磨削時節(jié)拍可以縮短到1min之內(nèi)，砂輪的修整間隔達到普通砂輪的100倍以上，砂輪壽命達到普通砂輪的50倍以上，極大地提高了加工效率、加工精度和部件使用壽命。生產(chǎn)效率的提高、勞動力費用和管理費用的降低，可以使綜合生產(chǎn)成本顯著降低。我們研制的凸輪軸磨cBN砂輪達到德國、日本、奧地利等國知名品牌同類產(chǎn)品水平。

圖9 汽車凸輪軸磨削及使用速度160m/s 的雙片結(jié)構(gòu)cBN砂輪Fig.9 Grinding of automobile camshaft and double speed structure CBN grinding wheel with speed 160m/s

4.10 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于油泵柱塞磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車油泵柱塞的直槽和斜槽的成型磨削，砂輪鋒利，生產(chǎn)效率高，不易產(chǎn)生燒傷和毛刺，磨出的槽尺寸一致性很好。我們研制的cBN砂輪替代了德國勇克磨床上配套的德國知名品牌產(chǎn)品。

4.11 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于汽車液壓挺桿的磨削

汽車液壓挺桿是汽車的重要零部件。由于其屬于偶件配合，精度要求高。過去采用普通砂輪很難達到精度要求。cBN砂輪形狀保持性好，磨削能力強，采用cBN砂輪很好解決了殼體內(nèi)圓錐度不易保證的難題，并將生產(chǎn)效率顯著提高。我們研制的cBN砂輪，磨削效率、加工質(zhì)量、砂輪使用壽命均優(yōu)于進口同類產(chǎn)品，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造了顯著社會經(jīng)濟效益，曾獲得省級科技進步二等獎。

4.12 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于油泵油嘴的磨削

噴油嘴是汽車燃油噴射的關(guān)鍵部件，關(guān)系著燃油燃燒和尾氣排放的標準水平。噴油嘴加工精度要求很高，如圓度≤0.6μm，錐度≤1.0μm，粗糙度≤Ra0.1μm。我們研制的cBN砂輪，達到國際先進水平，在國內(nèi)各大油泵油嘴生產(chǎn)企業(yè)使用，很好地滿足了用戶生產(chǎn)要求，取得了很好的應(yīng)用效果[13]。經(jīng)過這些年的發(fā)展，在品種系列方面不斷擴展和完善，以優(yōu)越的性能和很好的性價比優(yōu)勢，已成為德國、瑞士等國知名企業(yè)產(chǎn)品的強有力的競爭者。

圖10 汽車柱塞槽成型磨削機床及cBN砂輪Fig.10 Forming machine and CBN grinding wheel for automobile plunger groove

圖11 汽車液壓挺桿磨削用cBN砂輪Fig.11 CBN grinding wheel for automobile hydraulic tappet grinding

圖12 汽車噴油嘴中孔座面和端面磨削用cBN砂輪Fig.12 CBN grinding wheel for grinding the seat and end face of automobile fuel injection nozzle

4.13 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于軸承溝道和內(nèi)孔磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于軸承的內(nèi)徑磨削和溝道磨削，砂輪很好的形狀保持性和磨削性能，很好地保證了工件形狀的準確性，減少了工件的尺寸分散性，軸承溝道磨削砂輪修整間隔可以達到普通砂輪的40倍以上，軸承內(nèi)孔磨削砂輪修整間隔可以達到普通砂輪的100倍以上，并大大提高了生產(chǎn)效率。

圖13 用于軸承溝道和內(nèi)孔磨削的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪Fig.13 Vitrified bond CBN grinding wheel for bearing raceway and bore grinding

4.14 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于冰箱、空調(diào)壓縮機部件的磨削

冰箱、空調(diào)是應(yīng)用很廣的家電產(chǎn)品，壓縮機是這些產(chǎn)品的核心部件，其產(chǎn)量很大，對自動化生產(chǎn)的要求比較迫切，因而該行業(yè)也是較早在生產(chǎn)線上采用數(shù)控磨床和cBN砂輪進行高效生產(chǎn)的領(lǐng)域。在主要品牌的生產(chǎn)線上，壓縮機的氣缸、上法蘭和下法蘭上的孔，法蘭的端面，全部采用陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪進行磨削，大大縮短了加工節(jié)拍，提高了生產(chǎn)效率，保證了工件的一致性。我們研制的cBN砂輪，成功替代了在生產(chǎn)線上廣泛使用的日、韓知名企業(yè)的產(chǎn)品。

圖14 用于冰箱、空調(diào)壓縮機部件磨削的陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪Fig.14 Vitrified bond CBN grinding wheel for grinding parts of refrigerator, air conditioner and compressor

4.15 陶瓷結(jié)合劑cBN磨盤用于雙端面磨削

雙端面磨削是一種零部件端面高效加工的工藝，目前廣泛用于壓縮機閥片、汽車轉(zhuǎn)向器的定子、轉(zhuǎn)子、軸承圈、刀片等多種工件的雙端面磨削加工，其單次加工工件數(shù)量多，加工時間短，加工效率高，加工工件平面度及平行度好。我們開發(fā)的陶瓷結(jié)合劑cBN磨盤，達到了德國和韓國知名品牌產(chǎn)品水平，獲得了很好的推廣應(yīng)用。

圖15 雙端面磨削機床及cBN磨盤Fig.15 Double end grinding machine and CBN grinding disc

4.16 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于機床導軌滑塊的成型磨削

陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪用于精密機床導軌滑塊等功能部件的磨削，砂輪優(yōu)異的磨削能力和形狀保持性，大大提高了這些關(guān)鍵部件的加工精度和一致性，砂輪修整間隔比普通剛玉砂輪延長30倍以上，生產(chǎn)效率提高50%以上。而很高的磨削精度和一致性則對高精度機床的制備提供了可靠保證。

圖16 機床導軌滑塊磨削機床及cBN砂輪Fig.16 Machine tool guide block grinding machine and CBN grinding wheel

5 結(jié)束語

由于超硬磨料本身的極高硬度和耐磨性，以及陶瓷結(jié)合劑本身的優(yōu)點，決定了陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪本身的優(yōu)異磨削能力、很高的耐磨性和很長的使用壽命。這些砂輪的應(yīng)用，不但帶來磨削效率的提高，而且?guī)砟ハ骷庸ぞ群捅砻婺ハ髻|(zhì)量的提高，以及工件一致性的改善。砂輪磨損小，產(chǎn)生的廢渣少，對于磨削液的清潔與減少廢棄物排放，也有很大好處，屬于綠色磨削。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的優(yōu)越性能使其已經(jīng)應(yīng)用于汽車、摩托車、軸承、機床、工具、空調(diào)、冰箱、飛機、工程陶瓷等許多領(lǐng)域的部件磨削加工中。隨著高端磨削設(shè)備的不斷出現(xiàn)和推廣應(yīng)用，陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在成型磨削、高效磨削、高精磨削等各類磨削中應(yīng)用會越來越多，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣。陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪的應(yīng)用一定會為機械加工行業(yè)的技術(shù)提升、質(zhì)量提高、增效節(jié)能帶來顯著的經(jīng)濟及社會效益。

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