偏心外圓磨床使用立方氮化硼砂輪的實踐

□ 李軼龍

上海海立電器有限公司 上海 201206

1 研究背景

目前，除了昂貴的跟蹤磨削設(shè)備使用立方氮化硼（CBN）砂輪外，其余大多數(shù)磨床均使用普通砂輪。CBN砂輪的特性是在磨削時，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，還能有效提高工件的磨削質(zhì)量，顯著提高磨削后工件的表面完整性，因而可以提高零件的疲勞強度，延長使用壽命，增強可靠性。

筆者公司的曲軸偏心外圓磨床，大量使用普通砂輪。隨著市場需求的不斷提升，在不增加現(xiàn)有設(shè)備數(shù)量的情況下，如何更大程度提升現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)能，就成為工藝人員面臨的問題。產(chǎn)能在不斷提升的過程中，工藝參數(shù)調(diào)整受限于設(shè)備硬件及磨具因素，已處于瓶頸狀態(tài)，要突破該瓶頸，就需要提升目前磨具的磨削能力。

針對上述問題，筆者研究了一種能在普通外圓磨床上可以使用CBN砂輪的技術(shù)方案，并實現(xiàn)推廣，從而提升生產(chǎn)效率及加工精度。

2 砂輪原理

2.1 普通砂輪

普通砂輪顯微照片如圖1所示。

砂輪由磨粒、結(jié)合劑和氣孔組成[1]。磨粒起到磨削作用，結(jié)合劑將磨粒粘結(jié)起來，使之具有一定的形狀、硬度及強度，氣孔的作用是排屑、容納冷卻液等。

圖1 普通砂輪顯微照片

常用的八種普通砂輪，其磨粒如圖2所示。

圖2 常用普通砂輪磨粒

其中三種為筆者公司常用砂輪磨粒，其材料特性如下：WA為白剛玉，是最常見的磨粒，特點是覆蓋面廣、價格低廉；SK為經(jīng)過特殊加工的單晶剛玉，特點是磨削性能優(yōu)于傳統(tǒng)單晶剛玉，缺點是不適用于樹脂砂輪；SG為高純氧化鋁，俗稱陶瓷磨粒，特點是適合超高轉(zhuǎn)速要求的加工，如齒輪磨削中要求線速度達(dá)80 m/s以上的情況，缺點是修整器的消耗約為其它磨粒的3倍，使用成本略高。

2.2 CBN砂輪

CBN砂輪的磨粒是CBN，如圖3所示，采用人工方法在高溫高壓條件下合成，其硬度僅次于金剛石，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料，因此與金剛石合稱為超硬材料。

圖3 CBN

CBN磨粒是繼人造金剛石（圖4）問世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術(shù)產(chǎn)品，由CBN和觸媒在高溫高壓下合成原子結(jié)構(gòu)，接近于金剛石的立方晶體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。CBN磨粒具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性[2]，但其熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金鋼石，對鐵系金屬元素有較大的化學(xué)穩(wěn)定性。CBN磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工，提高生產(chǎn)率，而且能有效提高工件的磨削質(zhì)量。CBN的使用，是磨削技術(shù)的一次飛躍。

圖4 人造金剛石

圖5 CBN原子結(jié)構(gòu)

3 可行性分析

CBN超硬磨粒主要用于加工高速鋼、不銹鋼、粉末冶金、鑄鐵件等難加工材質(zhì)。加工的曲軸材質(zhì)為FCE-200/300共晶石墨鑄鐵及QT600球墨鑄鐵兩種，材料布氏硬度（HB）為 190～240，目前使用的是GC砂輪，曲軸偏心外圓加工精度要求如圖6所示。經(jīng)分析可知，使用GC砂輪可以滿足加工精度要求，理論上使用CBN砂輪也可以滿足要求。

根據(jù)CBN砂輪的特點，發(fā)現(xiàn)CBN砂輪需要在線速度大于60 m/s的情況下才能反映出較好的磨削效果[3]，所以并不是所有的設(shè)備都能滿足使用要求。

由設(shè)備說明書可知，偏心外圓磨床磨頭功率為5.5kW，采用4段變速，隨砂輪外徑從φ510 mm減小至φ400mm過程中轉(zhuǎn)速逐漸增大，具體參數(shù)見表1。

圖6 曲軸偏心外圓加工精度要求

表1 砂輪轉(zhuǎn)速參數(shù)

砂輪線速度v的計算式為：

通過式（1）計算得出，隨著砂輪外徑不斷減小，砂輪軸轉(zhuǎn)速逐漸提升，使得砂輪磨削時的線速度維持在58.5～62.7 m/s。當(dāng)使用CBN砂輪后，砂輪外徑D在494～500 mm范圍內(nèi)，砂輪線速度為60.8～61.5 m/s，大于60 m/s?？梢?，砂輪軸的功率及轉(zhuǎn)速也可滿足需求。

通過設(shè)備說明書發(fā)現(xiàn)，偏心外圓磨床砂輪軸使用的是靜壓軸承，靜壓軸承的工作原理是先啟動供油泵，油經(jīng)濾油器后經(jīng)過節(jié)流器進(jìn)入軸瓦與主軸間的油腔，此時在主軸頸表面產(chǎn)生一層油膜支撐、潤滑和冷卻主軸。由于節(jié)流器的作用，使油膜托起主軸，油經(jīng)回油孔通過回油泵回至油箱。然后啟動磨頭電機，主軸旋轉(zhuǎn)。采用極易產(chǎn)生動壓效應(yīng)的楔形油腔結(jié)構(gòu)，主軸進(jìn)入高速穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)后形成高剛度的動壓油膜，用以平衡主軸在高速運轉(zhuǎn)下的工作負(fù)載[4]。

靜壓軸承是整體套筒式結(jié)構(gòu),安裝方便，精度高。由于承載油膜的均化作用，使主軸具有很高的旋轉(zhuǎn)精度，主軸徑向跳動、軸向竄動均不大于2 μm。

由于主軸系統(tǒng)的獨特油腔結(jié)構(gòu)，軸承系統(tǒng)在工作時主軸被一層壓力油膜托起。主軸未旋轉(zhuǎn)時為純靜壓軸承，主軸旋轉(zhuǎn)時由于軸承內(nèi)孔淺腔的階梯效應(yīng)，使軸承內(nèi)自然形成動壓承載油膜，因而形成具有壓力場的動壓滑動軸承。這一結(jié)構(gòu)提高了軸承的剛度，軸向剛度可達(dá)20～50 kg/μm，徑向剛度可達(dá)100 kg/μm。高承載能力是由于動壓效果自然形成的，無需附加動力，使主軸承載能力大大提高。理論使用壽命為無限期,在正常使用條件下極少需要維修[5]。

在偏心外圓磨床上使用的砂輪，若質(zhì)量重于一定程度，將使主軸無法浮起，導(dǎo)致設(shè)備卡死，或存在砂輪質(zhì)量過量，導(dǎo)致設(shè)備加工精度走失的風(fēng)險。

GC砂輪尺寸規(guī)格為φ510 mm×25 mm×φ152.4 mm，全部為磨粒及結(jié)合劑壓制燒結(jié)成型，初始質(zhì)量為7.5 kg。制作同規(guī)格的CBN砂輪，磨粒層厚僅為6 mm，剩余部分全部為基體材質(zhì)，如圖7所示。

圖7 CBN砂輪

通過查閱《機械設(shè)計師手冊》[6]可知，GC磨粒密度為3.1 g/cm3，由于結(jié)合劑及孔隙的存在，根據(jù)砂輪規(guī)格φ510 mm×25 mm×φ152.4 mm及質(zhì)量7.5 kg推算出的GC砂輪密度僅為1.61 g/cm3。

常規(guī)砂輪金屬基體材質(zhì)之一的鑄鋼，其密度為7.81 g/cm3，制成的CBN砂輪，其質(zhì)量預(yù)計達(dá)到36.4 kg，約為GC砂輪質(zhì)量的4.7倍，存在極大風(fēng)險。

在咨詢相關(guān)砂輪廠家后，得知金屬基體除鋼以外，鋁合金也能達(dá)到相應(yīng)強度的需求[7]，而且密度僅為2.7 g/cm3。即便如此，所制得的CBN砂輪質(zhì)量預(yù)計為12.5 kg，相比GC砂輪質(zhì)量7.5 kg，要大60%，所以減小CBN砂輪的質(zhì)量，成為本次技術(shù)改造成敗的關(guān)鍵因素之一。

由于CBN砂輪消耗極低，砂輪外徑基本無太大變化，因此考慮減小砂輪外徑，即減小基體尺寸。為得到與GC砂輪相同質(zhì)量的CBN砂輪，通過體積密度換算，得到砂輪基體外徑為440 mm，CBN砂輪外徑約為450 mm。

此時，偏心外圓磨床使用段數(shù)為Ⅲ，砂輪軸轉(zhuǎn)速為2 622 r/min。進(jìn)行加工時，CBN砂輪的線速度也可大于60 m/s?？梢姡X合金基體及CBN砂輪外徑減小也可滿足需求。

4 CBN砂輪修整方案

由于CBN砂輪磨粒的維氏硬度（HV）為7 300～8 000，僅次于金剛石的維氏硬度（HV）8 800，因此需要使用金剛石滾輪修整器來進(jìn)行修整[8]。筆者選擇日本SHIGIYA公司生產(chǎn)的GPL40.40型偏心外圓磨床，使用滾輪修整器，如圖8所示。

圖8 滾輪修整器

5 效率及成本分析

通過對曲軸材料、設(shè)備情況的分析，可以確認(rèn)CBN砂輪替代GC砂輪成為曲軸偏心外圓加工的可能性非常高，但由于CBN砂輪單價要比GC砂輪高出許多，因此對成本及效率測算也是非常重要的。

CBN砂輪耐用，磨耗小，磨削比可達(dá)4 000～10 000，而GC砂輪磨削比僅為50～80。目前在使用的GC砂輪，每加工40件就需要修整一次砂輪，推測使用CBN砂輪加工時，每加工工件數(shù)在800～2 000之間修整一次砂輪。按最低每800件修整一次測算，由表2可知CBN砂輪消耗成本預(yù)計可下降20%。此外，由表2可知，加工件數(shù)從40件提升至800件，減少了加工過程中的修整時間，增大了加工時間占比，提升了生產(chǎn)效率。

綜上所述，CBN砂輪替代GC砂輪，在偏心外圓磨床上應(yīng)用成功的可能性極高，非常值得嘗試。

6 工藝試驗

6.1 砂輪選型

對比原GC砂輪及加工設(shè)備的一些特性，訂購一款符合曲軸偏心外圓磨床加工需求的CBN砂輪，并進(jìn)行磨削加工試驗。

表2 砂輪成本測算

不同的砂輪結(jié)合劑，其特性見表3[9]。

表3 砂輪結(jié)合劑特性

由表3可以看出，陶瓷結(jié)合劑比較適合用于大批量生產(chǎn)。

6.2 磨削參數(shù)設(shè)定

CBN砂輪的硬度高于GC砂輪，切削能力更強，更鋒利，且CBN砂輪具有較高的耐磨性，較GC砂輪更難磨損。首款CBN砂輪與原GC砂輪具體特性對比見表4。

表4 砂輪特性對比

在磨削程序中，對進(jìn)給速度[10]進(jìn)行調(diào)整，GC砂輪與CBN砂輪加工程序參數(shù)見表5。

6.3 試驗過程

在CBN砂輪磨削試驗的過程中，修整量設(shè)定見表6。

經(jīng)磨削試驗后，發(fā)現(xiàn)試驗代號Ⅰ和Ⅱ的CBN砂輪，其修整量不足，砂輪表面磨削區(qū)未完全修出，需手動補償修整。經(jīng)過調(diào)整修整量之后，最終選擇試驗代號Ⅲ的砂輪修整參數(shù)作為長期加工工藝規(guī)范。由于CBN砂輪在曲軸偏心外圓磨削試驗中，發(fā)現(xiàn)加工800件后砂輪表面有發(fā)黑跡象產(chǎn)生，因此最后將砂輪修整周期加工數(shù)穩(wěn)定在800件。

表5 砂輪加工程序參數(shù)

表6 CBN砂輪修整量設(shè)定

6.4 結(jié)果分析

對曲軸偏心外圓實際加工精度進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)見表7。由表7可知，曲軸偏心外圓加工精度符合圖紙要求。

表7 實際加工精度

對九臺偏心外圓磨床進(jìn)行改造，磨削砂輪使用CBN砂輪，提升了21.3%的瓶頸工序產(chǎn)能（表8），在總體產(chǎn)能提升創(chuàng)造更多收益的同時，減少了設(shè)備的投資。

表8 產(chǎn)能對比

由于CBN砂輪硬度高，砂輪表面狀態(tài)保持性遠(yuǎn)好于GC砂輪，因此在加工過程中尺寸穩(wěn)定性有極大提升，同時也極大減小了產(chǎn)品的不合格率。

CBN砂輪單價比GC砂輪高，但加工件數(shù)遠(yuǎn)大于GC砂輪的加工件數(shù)，因此，實際加工成本明顯下降，數(shù)據(jù)見表9。

表9 加工成本對比

7 結(jié)束語

筆者在偏心外圓磨床上將原有GC砂輪改造為CBN砂輪，突破了產(chǎn)能限制，滿足了市場需求，減少了設(shè)備投資，降低了加工成本，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。綜合比較，CBN砂輪具有優(yōu)良的加工性能，值得在其它磨削加工中推廣。在日常工作中，如何與時俱進(jìn)利用新工藝新方法，改良現(xiàn)有生產(chǎn)模式，是一名工藝人員需要不斷探索、不斷嘗試的。