立方氮化硼在超高速陶瓷砂輪中的應(yīng)用

一、超高速磨削技術(shù)的特點(diǎn)

近年來(lái)，為全面應(yīng)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、表面質(zhì)量、加工效率的要求，出現(xiàn)了一些先進(jìn)的磨削加工技術(shù)，其中以超高砂輪線速度和超硬磨料砂輪為主要技術(shù)特征的超高速磨削技術(shù)的發(fā)展最為引人注目。普通磨削砂輪的VS一般小于50m/s，當(dāng)VS大于50m/s時(shí)為高速磨削，當(dāng)VS大于150m/s時(shí)便為超高速磨削。

超高速磨削技術(shù)被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將超高速磨削技術(shù)確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向之一，高速磨削、超高速磨削與一般磨削相比有以下突出的優(yōu)勢(shì)：①大幅度提高了磨削效率，減少磨床使用數(shù)量，降低成本；②磨削力小、磨削溫度低、加工表面的精準(zhǔn)度和完整性好；③提高砂輪的耐用度，有助于實(shí)現(xiàn)磨削加工的自動(dòng)化；④可實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工材料（鎳基耐熱合金、高溫合金、鋁及鋁合金等）的磨削加工。

二、CBN在超高速磨削中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

立方氮化硼和金剛石砂輪被稱為超硬磨料砂輪，其是高效和高速磨削的保障。與金剛石磨料相比，立方氮化硼（CBN）磨料在高溫下具有較高的熱穩(wěn)定性、耐熱性、導(dǎo)熱性以及對(duì)鐵族元素的化學(xué)惰性，而陶瓷結(jié)合劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐油、耐熱、耐酸堿侵蝕，適合的磨削液種類多。由此制得的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，具有多孔性，可增加容屑空間，改善了砂輪散熱性能，這使得陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在較高使用溫度下仍然穩(wěn)定且硬度高，不僅具有切削鋒利、磨削力小、生產(chǎn)效率高、使用壽命長(zhǎng)、易于整形與修銳等優(yōu)點(diǎn)，而且由于CBN的比磨削能低，在對(duì)大金屬的切除中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件的保護(hù)，避免工件發(fā)生燒傷，在確保磨削質(zhì)量的基礎(chǔ)上可加大進(jìn)給速度，大大提高生產(chǎn)效率。因此，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪成為了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、高精的超高速磨削的首選磨具。

三、超高速陶瓷砂輪對(duì)CBN的要求

1.對(duì)CBN質(zhì)量的要求

作為陶瓷結(jié)合劑中使用的CBN磨粒，磨具在燒結(jié)過(guò)程中，一定程度上會(huì)被結(jié)合劑中起助熔作用的各種組份如堿性氧化物（Na2O，K2O，Li20）所侵蝕，從而導(dǎo)致結(jié)晶完好、棱角分明的CBN單晶被侵蝕變細(xì)，失去有效的切削能力，使CBN強(qiáng)度受損，因此，這就要求所選用的CBN單晶必須具有晶形完整、無(wú)缺陷、耐熱性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

2.對(duì)CBN粒度的要求

CBN磨料的粒度反映磨粒幾何尺寸的大小，是砂輪的主要特性指標(biāo)之一。選擇磨料的粒度主要應(yīng)考慮被加工工件的表面粗糙度和加工效率的要求。超高速精加工時(shí)應(yīng)選擇較細(xì)的磨料或多晶、微晶磨料。但是粒度過(guò)細(xì)，每顆磨粒上承受的磨削力過(guò)小，使磨粒不易切入工件，會(huì)影響磨削效率。所以，在滿足加工要求的前提下一般選取較粗的粒度。有時(shí)為了提高砂輪的耐用度也采用混合磨料（韌、脆性互補(bǔ)、粒度不同的CBN）。表1是普通速度下的粒度與磨削方式的對(duì)應(yīng)表。對(duì)超高速磨削有一定的借鑒作用，但因超高速磨削的特殊性該表的對(duì)應(yīng)關(guān)系還有待修正。

表1 粒度在磨削方式中的選用

注：來(lái)源于《現(xiàn)代磨削技術(shù)》，李伯民、趙波著。

3.對(duì)CBN濃度的要求

濃度是CBN砂輪的重要特性之一，它對(duì)超高速磨削效率和加工成本影響很大。CBN砂輪的濃度不能選得太低，否則磨削效率不高。高濃度可帶來(lái)高的磨削比，但是，濃度過(guò)高，很多磨粒會(huì)過(guò)早脫落、造成浪費(fèi)。CBN砂輪濃度的選擇主要是根據(jù)其結(jié)合劑的種類、磨料的粒度。目前，超高速高效磨削均采用較高濃度，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的濃度一般選擇125%以上，如一些進(jìn)口的陶瓷CBN砂輪，其濃度一般均為175%～ 200%。

超高速磨削陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪作為超高速磨削工藝中的關(guān)鍵工具，在超高速磨削技術(shù)的研究、應(yīng)用中扮演著非常重要的角色。同時(shí)超高速陶瓷CBN砂輪的制造技術(shù)也是一個(gè)高度集成的工藝系統(tǒng)，包括砂輪基體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、CBN磨料的選擇與處理技術(shù)、陶瓷結(jié)合劑的制備技術(shù)、磨具配方及尺寸設(shè)計(jì)、磨具的成型及燒成技術(shù)、砂輪的后續(xù)加工與檢測(cè)技術(shù)等。因此，超高速陶瓷CBN砂輪特性的合理選擇對(duì)超高速磨削效率、磨削速度、磨削質(zhì)量等都有著直接和本質(zhì)的影響。