超聲振動(dòng)修整CBN砂輪磨削工業(yè)材料表面形貌試驗(yàn)研究

趙捷

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 焦作 454000）

超聲振動(dòng)修整CBN砂輪磨削工業(yè)材料表面形貌試驗(yàn)研究

Test of grinding surface topography of industrial materials for ultrasonic vibration dressed CBN wheel

趙捷

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 焦作 454000）

本文采用超聲振動(dòng)修整CBN砂輪對工業(yè)材料高速鋼進(jìn)行磨削試驗(yàn)，通過超聲振動(dòng)修整CBN砂輪磨削高速鋼的表面形貌特征，研究砂輪修整方式對CBN砂輪的磨削效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超聲振動(dòng)修整的砂輪磨削比較高；修整方式及砂輪磨削速度對磨削表面的微觀形貌的影響較大。

CBN砂輪；振動(dòng)修整；高速鋼磨削；表面形貌

隨著航空航天、汽車電子、光學(xué)及儀器儀表行業(yè)產(chǎn)品的精密性日益提高，材料的加工制造要求也越來越高。光學(xué)玻璃、陶瓷、人工晶體、半導(dǎo)體及單晶硅等硬脆材料具有耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、熱穩(wěn)定性好、高溫高強(qiáng)度等優(yōu)異性能，在這些行業(yè)中的應(yīng)用愈加廣泛。但是使用性能要求其具有超光滑表面，使其加工成本較高。

因此，各種精密制造方法紛紛涌現(xiàn)出來，力求降低成本，提高制造精度。使用超細(xì)磨料超硬砂輪（如金剛石砂輪、CBN砂輪等）對硬脆材料進(jìn)行磨削加工的需求日益增加［1］。

CBN的迅猛發(fā)展開拓了磨削領(lǐng)域嶄新的前景，但CBN砂輪的修整問題成為其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題，使其應(yīng)用受到制約。CBN砂輪不能依靠普通的修整技術(shù)來解決［2～3］，目前常用的高效修整方法有：ELID在線電解修整、電火花砂輪修整、杯型砂輪修整、激光砂輪修和超聲振動(dòng)修整，及上述方法復(fù)合在一起的復(fù)合修正等［4］。

高國富針對金屬結(jié)合劑金剛石砂輪存在修整精度和修整效率低、修整設(shè)備昂貴、使用維護(hù)不便等問題，提出了橢圓超聲波輔助機(jī)械修整新技術(shù)［5］。橢圓超聲振動(dòng)修整后的砂輪表面具有磨粒分布均勻、靜態(tài)磨粒數(shù)多、突出高度大等優(yōu)點(diǎn)［3］。因此，試驗(yàn)嘗試采用超聲振動(dòng)修整的砂輪研究其磨削高速鋼的表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)條件與方案

CBN砂輪的超聲振動(dòng)輔助修整及普通機(jī)械修整采用專用修整工裝在CK6120 車床上進(jìn)行。聲學(xué)系統(tǒng)參數(shù)與修整條件如表1所示。

表1 修整條件

K9玻璃磨削試驗(yàn)在平面磨床上進(jìn)行，CBN砂輪安裝在磨床主軸上，工件用虎鉗固定在床面上，磨削參數(shù)如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 砂輪可磨性評價(jià)

表2 磨削條件與方案

由于硬質(zhì)鋼磨削加工過程比較復(fù)雜，不利于全面評價(jià)磨削過程的可磨性，因此采用磨削比G作為可磨性的判定標(biāo)準(zhǔn)，而磨削比通常被作為可磨性評價(jià)的重要參數(shù)。在磨削過程中，超聲振動(dòng)修整的砂輪與普通方式修整砂輪的磨損量隨材料去除量的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 砂輪磨損與材料去除量的關(guān)系

圖1顯示，磨削過程中，當(dāng)材料去除量相同時(shí)，普通修整的砂輪半徑減小量要比振動(dòng)修整的砂輪半徑減小量大，并且隨著材料去除量達(dá)到200時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯，這說明磨削過程中，普通修整的砂輪要比振動(dòng)修整砂輪磨損快。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，超聲修整后的砂輪表面容屑空間較大，磨粒突出高度顯著，磨粒比較鋒利，極大改善了砂輪磨削特性，使磨削過程中，砂輪磨粒磨損較小，磨削溫度低，磨削比增大。

2.2 試件表面形貌評價(jià)

本試驗(yàn)嘗試用振動(dòng)修整的CBN砂輪實(shí)現(xiàn)高速鋼的精密磨削。如圖2所示為超聲振動(dòng)修整方式下，CBN砂輪磨削高速鋼的表面形貌。

從圖2（a）中可以看出，砂輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，機(jī)床工作臺速度為18 m/s時(shí)，高速鋼的表面波動(dòng)幅度較大，峰值與溝槽起伏明顯。

圖2（b）顯示，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速提高到2 800 r/min機(jī)床工作臺的進(jìn)給速度為12 m/s時(shí)，工件表面波動(dòng)有所緩和，峰頂高度及溝槽深度均有所減小。這說明砂輪的轉(zhuǎn)速和工作臺進(jìn)給速度對高速鋼工件表面質(zhì)量影響較大。另外，從不同磨削參數(shù)工件的表面形貌來看

試件表面大面積磨削紋理均比較細(xì)膩，表面波動(dòng)比較平和，這反映了振動(dòng)修整方式下砂輪的形貌比較理想。

圖2 磨削參數(shù)對工件形貌的影響

圖3所示為白光干涉儀掃描下的工件表面粗度輪廓圖。從圖3可以看出，在砂輪轉(zhuǎn)速從1 400 r/min提高到2 800 r/min，工件進(jìn)給速度從18 m/s降低到12 m/s時(shí)，高速鋼的粗糙度值從0.09 μm下降到0.06 μm。這說明在高速鋼的磨削過程中，表面粗糙度隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，工作臺速度的減小而有所減小這與理論分析是一致的。

3 結(jié)論

本文對超聲修整CBN砂輪的磨削特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，振動(dòng)修整方式的砂輪表面形貌較好，砂輪磨粒的容屑空間較大，磨粒比較鋒利，因此振動(dòng)修整的CBN砂輪磨削高速鋼比普通修整砂輪具有較大的磨削比和較好可磨性。同時(shí)，提高砂輪轉(zhuǎn)速，降低工件速度，可以改善高速鋼磨削表面形貌。

圖3 工件的表面粗度曲線圖

［1］ Parametric glass milling with simultaneous control Matsumura, Takashi； Kakishita, Mitsuto Source： Journal of Manufacturing Processes, v 15, n 1, p 1-7, January 2013.

［2］ Enhancement and verification of a machined surface quality for glass milling operation using CBN grinding tool-Taguchi approach Sayuti, M. Sarhan, Ahmed A. D.； Fadzil, M.； Hamdi, M. Source： International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v 60, n 9-12, p 939-950, June 2012.

［3］ Study on the rotary cup dressing of CBN grinding wheel and the grinding performance Azizi, Abdolhamid；Rezaei, Seyed Mehdi； Rahimi, Abdolreza Source：International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v 47, n 9-12, p 1053-1063, April 2010.

［4］ Zhu Z Q，Wang X H，Thangam S. Simulation and analysis of rigid/foil electrolytic in-process dressing（ELID） systems for grinding. Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transactions of the ASME，2004，Vol.126（3）：565～570.

［5］ Research on the surface characteristics in ultrasonic grinding nano-zirconia ceramics Gao, G.F.； Zhao, B.；Xiang, D.H.； Kong, Q.H. Source： Journal of Materials Processing Technology, v 209, n 1, p 32-37, January 1, 2009.

TB559

1009-797X （2015） 18-0060-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.022

趙捷（1977-），女，河南理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)，主要研究方向?yàn)榫苤圃旒氨砻尜|(zhì)量。

2015-08-04