立方氮化硼在超高速陶瓷砂轮中的应用

发布时间: 2020-06-20 发布者: 富耐克应用研究中心

一、超高速磨削技术的特点

近年来,为全面应对现代工业技术和高性能科技产品对机械零件加工精度、表面质量、加工效率的要求,出现了一些先进的磨削加工技术,其中以超高砂轮线速度和超硬磨料砂轮为主要技术特征的超高速磨削技术的发展最为引人注目。普通磨削砂轮的VS一般小于50m/s,当VS大于50m/s时为高速磨削,当VS大于150m/s时便为超高速磨削。

超高速磨削技术被誉为“现代磨削技术的最高峰”。国际生产工程学会(CIRP)将超高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一,高速磨削、超高速磨削与一般磨削相比有以下突出的优势:①大幅度提高了磨削效率,减少磨床使用数量,降低成本;②磨削力小、磨削温度低、加工表面的精准度和完整性好;③提高砂轮的耐用度,有助于实现磨削加工的自动化;④可实现对难加工材料(镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金等)的磨削加工。

二、CBN在超高速磨削中的应用优势

立方氮化硼和金刚石砂轮被称为超硬磨料砂轮,其是高效和高速磨削的保障。与金刚石磨料相比,立方氮化硼(CBN)磨料在高温下具有较高的热稳定性、耐热性、导热性以及对铁族元素的化学惰性,而陶瓷结合剂具有良好的化学稳定性,耐油、耐热、耐酸碱侵蚀,适合的磨削液种类多。由此制得的陶瓷结合剂CBN砂轮,具有多孔性,可增加容屑空间,改善了砂轮散热性能,这使得陶瓷结合剂CBN砂轮在较高使用温度下仍然稳定且硬度高,不仅具有切削锋利、磨削力小、生产效率高、使用寿命长、易于整形与修锐等优点,而且由于CBN的比磨削能低,在对大金属的切除中能够实现对工件的保护,避免工件发生烧伤,在确保磨削质量的基础上可加大进给速度,大大提高生产效率。因此,陶瓷结合剂CBN砂轮成为了能够同时实现高效、节能、高精的超高速磨削的首选磨具。

三、超高速陶瓷砂轮对CBN的要求

1.对CBN质量的要求

作为陶瓷结合剂中使用的CBN磨粒,磨具在烧结过程中,一定程度上会被结合剂中起助熔作用的各种组份如碱性氧化物(Na2O,K2O,Li20)所侵蚀,从而导致结晶完好、棱角分明的CBN单晶被侵蚀变细,失去有效的切削能力,使CBN强度受损,因此,这就要求所选用的CBN单晶必须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的特点。

2.对CBN粒度的要求

CBN磨料的粒度反映磨粒几何尺寸的大小,是砂轮的主要特性指标之一。选择磨料的粒度主要应考虑被加工工件的表面粗糙度和加工效率的要求。超高速精加工时应选择较细的磨料或多晶、微晶磨料。但是粒度过细,每颗磨粒上承受的磨削力过小,使磨粒不易切入工件,会影响磨削效率。所以,在满足加工要求的前提下一般选取较粗的粒度。有时为了提高砂轮的耐用度也采用混合磨料(韧、脆性互补、粒度不同的CBN)。表1是普通速度下的粒度与磨削方式的对应表。对超高速磨削有一定的借鉴作用,但因超高速磨削的特殊性该表的对应关系还有待修正。

表1 粒度在磨削方式中的选用

磨削方式

粗磨

半精磨

精磨

超精磨

粒 度

50/60-120/140

120/140-200/230

200/230-W36/54

W22/36-W0/0.5

注:来源于《现代磨削技术》,李伯民、赵波著。

3.对CBN浓度的要求

浓度是CBN砂轮的重要特性之一,它对超高速磨削效率和加工成本影响很大。CBN砂轮的浓度不能选得太低,否则磨削效率不高。高浓度可带来高的磨削比,但是,浓度过高,很多磨粒会过早脱落、造成浪费。CBN砂轮浓度的选择主要是根据其结合剂的种类、磨料的粒度。目前,超高速高效磨削均采用较高浓度,陶瓷结合剂CBN砂轮的浓度一般选择125%以上,如一些进口的陶瓷CBN砂轮,其浓度一般均为175%~ 200%。

超高速磨削陶瓷结合剂CBN砂轮作为超高速磨削工艺中的关键工具,在超高速磨削技术的研究、应用中扮演着非常重要的角色。同时超高速陶瓷CBN砂轮的制造技术也是一个高度集成的工艺系统,包括砂轮基体的设计制造技术、CBN磨料的选择与处理技术、陶瓷结合剂的制备技术、磨具配方及尺寸设计、磨具的成型及烧成技术、砂轮的后续加工与检测技术等。因此,超高速陶瓷CBN砂轮特性的合理选择对超高速磨削效率、磨削速度、磨削质量等都有着直接和本质的影响。

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