立方氮化硼磨具磨削技術(shù)的試驗(yàn)研究

劉偉香

（湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，岳陽(yáng) 414006）

1 珩磨的特點(diǎn)

珩磨是一種將工件表面精度和光潔度加工到較高水平的加工過(guò)程。與研磨、超精密磨削等加工方法比較，珩磨加工效率高，表面幾何精度高，粗糙度低，形狀誤差小，因而表面加工質(zhì)量高，已成為高精度、大批量生產(chǎn)的汽車(chē)制造業(yè)中廣泛采用的加工方式。以TJ376Q 連桿大頭孔珩磨為例，加工過(guò)程中由機(jī)床主軸帶動(dòng)珩磨頭上下往復(fù)和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在工件表面形成了交錯(cuò)的切削網(wǎng)紋。

2 立方氮化硼珩磨油石

珩磨效果不僅取決于機(jī)床自身，也取決于珩磨中的油石是否合適。油石根據(jù)磨料硬度、磨料粒度、磨料種類、黏結(jié)劑種類等因素進(jìn)行篩選。油石的硬度、磨具的硬度和黏結(jié)劑的黏合程度有關(guān)。黏結(jié)劑強(qiáng)度不但要足以將磨粒黏在一起，而且要能夠脫落變鈍的磨粒，露出下面銳利的磨粒。

珩磨使用的材料主要有碳化硅、氧化鋁、立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）以及金剛石等。它們的性質(zhì)見(jiàn)表1，適用于不同材料的珩磨。立方氮化硼具有效率高、變鈍慢的特點(diǎn)。連桿是高硬度鋼，又是大批量生產(chǎn)的汽車(chē)零部件，因此選擇立方氮化硼珩磨條進(jìn)行加工非常適宜[1]。

表1 磨料特性

3 TJ376Q 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔的珩磨工藝

連桿的作用是把活塞所承受的燃料燃燒的爆炸力迅速傳遞給曲軸，使活塞在氣缸中不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，重量輕，受力較大，加工工藝較高。

連桿的材質(zhì)是40MnVBA，是一種易于切割的鋼材，硬度為23 ～268 HB，可在表面用噴丸處理。它的脫炭層簇不大于0.10 mm，金相組織為索氏體細(xì)晶粒。連桿桿身為“工”字形斷面，質(zhì)量控制在365 g±18 g。連桿厚為22 mm， 大頭孔Φ43+0.021mm， 按公差0.008 mm 分為3 組，保證與瓦片有良好的配合。珩磨決定連桿的最終質(zhì)量。該工序要求連桿大頭孔珩磨后的粗糙度為5.0 μm，連桿的兩端面對(duì)大頭孔軸的中心線垂直度不大于0.05 mm，小頭孔對(duì)大頭孔的平行度為0.07/100，大頭孔的圓度不大于0.08 mm。連桿的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿（單位：mm）

本次連桿珩磨采用日本富士C-5S 系列專用連桿珩磨機(jī)，其采用計(jì)算機(jī)編程，液壓控制磨刀頭，是一種自動(dòng)循環(huán)的立式珩磨機(jī)。主軸旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)兩組雙速馬達(dá)和一組行星錐齒輪的無(wú)級(jí)減速裝置實(shí)現(xiàn)。主軸的往復(fù)通過(guò)一個(gè)曲柄-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，行程短（10 ～80 mm）且換向頻率高，適用于Φ20 ～100 mm孔的珩磨加工。

連桿大頭孔珩磨的上道工序是粗鏜、精鏜，在日本臥式鏜床上進(jìn)行。該設(shè)備具有刀具自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)檢測(cè)功能，可確保大頭孔mm 的尺寸要求，以及大頭孔中心距、小頭孔中心距、兩孔平行度、大頭孔圓度、小頭孔圓度和粗糙度要求。將珩磨余量為0.008～0.062 mm的連桿在機(jī)床的浮動(dòng)夾具上進(jìn)行夾緊，開(kāi)始用較低的壓力上下往復(fù)進(jìn)行預(yù)珩，然后用較高的壓力在機(jī)床上進(jìn)行正式珩磨，最后進(jìn)行低壓修光[2]。

4 國(guó)產(chǎn)立方氮化硼珩磨條應(yīng)用試驗(yàn)

原TJ376Q 連桿大頭孔磨用單晶剛玉的德國(guó)進(jìn)口i7 磨條，價(jià)格為361.3 元/條。加工2 000 臺(tái)份（每臺(tái)份3 個(gè)連桿）換一副珩磨條（6 條），按年產(chǎn)10 萬(wàn)臺(tái)，則一年的刀具費(fèi)用為10.8 萬(wàn)元，刀具費(fèi)用太高，影響產(chǎn)品成本。為降低成本適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，目前采用國(guó)產(chǎn)CBN 珩磨條替代試驗(yàn)[3]。

4.1 珩磨速度和壓力的選取

珩磨時(shí)，往復(fù)轉(zhuǎn)速Va與轉(zhuǎn)動(dòng)速度Vr的合速稱為珩磨速度，即

一般V的取值為5 ～80 m·min-1，低于磨削速度。增加Vr可以增加珩磨頭的回旋效率和轉(zhuǎn)速。磨料中，切削力的方向變化越大，磨料的自作力越大，即切削效率越高，加工表面的粗糙程度越低。粗珩時(shí)，網(wǎng)眼最適宜的角度是40°～60°。增加Vr也就是增加了珩磨頭的轉(zhuǎn)速。在每一個(gè)行程中，磨粒與工件表面的工作距離會(huì)增加，磨料的自礪能力會(huì)下降，即切削效率下降，而被處理的工件的粗糙度減小。精珩時(shí)，以網(wǎng)紋角度20°～40°為宜。但是，當(dāng)珩磨轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定極限時(shí)，會(huì)因油石比較容易阻塞造成排屑困難、摩擦發(fā)熱，從而導(dǎo)致磨料磨損迅速，珩磨效率降低。

為了保證珩磨過(guò)程中露出的磨粒能順利到達(dá)工件表面，需要在珩磨過(guò)程中施加壓力，對(duì)磨料的使用壽命和珩磨效果都有一定的影響。在低工作壓力時(shí)，工作效率下降，但表面粗糙度好；在高工作壓力下，磨粒的自磨性能得到改善，切削效率提高，氮?dú)鈸p耗增大，發(fā)熱量增加，加工表面粗糙度降低；當(dāng)工作壓力過(guò)大時(shí)，它會(huì)很快被磨損甚至破裂。在沒(méi)有損壞前，最大壓力稱為臨界壓力。因此，TJ376Q 連桿大頭孔的珩磨是一種精加工技術(shù)，磨料磨損小，能保證產(chǎn)品的尺寸相對(duì)穩(wěn)定，但在高工作壓力下不能使用[4]。

4.2 TJ376Q 大端孔立方氮化硼珩磨條的黏合劑性質(zhì)及類型

黏合劑可以將立方氮化硼顆粒聚合起來(lái)，使其成為一種有效的磨料。黏合劑是影響珩磨條質(zhì)量的重要因素，影響珩磨條是否被有效珩磨，是否能夠獲得更好的加工表面，以及珩磨條是否能夠擁有正常的使用壽命。黏合劑分為金屬黏合劑和樹(shù)脂黏合劑兩類。珩磨TJ376Q 連桿采用銅基金屬黏合劑的立方氮化硼珩磨條，因?yàn)槠涫褂脡勖L(zhǎng)，表面粗糙度低。

4.3 立方氮化硼珩磨條的磨料品位選取

在正式試驗(yàn)前，選擇高品位和中等品位兩種不同的立方氮化硼珩磨條進(jìn)行珩磨試驗(yàn)比較。試驗(yàn)表明，中等品位的立方氮化硼珩磨條在連桿的大頭孔中珩磨時(shí)，珩磨效率高，沒(méi)有發(fā)熱現(xiàn)象，且有較好的表面加工質(zhì)量。但是，高品質(zhì)的珩磨條在研磨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫，磨削效率不穩(wěn)定，加工表面甚至出現(xiàn)了劃傷。因此，TJ376Q 連桿選用中等品位的立方氮化硼珩磨條進(jìn)行珩磨[5]。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

試驗(yàn)中，為保證連桿大頭孔獲得較好的圓度，連桿的珩磨行程取17 mm，磨長(zhǎng)為18 mm，大頭孔的孔深為22 mm，磨長(zhǎng)為孔深的2/3，超程量為6.5 mm（約為磨石長(zhǎng)的1/30）。

試驗(yàn)時(shí)，冷卻液使用珩磨油。珩磨頭旋轉(zhuǎn)速度為60 m·min-1，珩磨頭往復(fù)速度為6 m·min-1，立方氮化硼珩磨條的尺寸為18 mm×5 mm×3 mm，黏合劑為銅基金屬基膠黏劑，磨料粒度為中等品位（粒度為80#），工作時(shí)珩磨條粗磨為8 ～1 000 Pa、精磨為8 ～6 000 Pa。

結(jié)果表明：采用立方氮化硼珩磨條能完全保證連桿大頭孔的加工質(zhì)量，珩磨過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，大頭孔也沒(méi)有劃傷，無(wú)須打磨修整立方氮化硼珩磨條。

6 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔可以采用超硬磨料立方氮化硼珩磨條進(jìn)行珩磨，珩磨后的表面加工質(zhì)量能夠滿足要求。立方氮化硼磨料具有良好的磨削特性，磨削效率高，磨削表面質(zhì)量好，可進(jìn)行精密磨削。