金剛石 /CBN砂輪的技術問題

金剛石/CBN砂輪的技術問題

鄭州四方金剛石工具有限公司

       選用合适的砂輪
       對不同的工件材料、不同的加工要求，應選用不同的砂輪。即使磨削同一種工件材料，不同牌号砂輪的磨削比可能相差2~5倍，因此要選用合适的砂輪。
金剛石砂輪是磨削硬質合金、光學玻璃、陶瓷、寶石和石材等高硬度脆性大的非金屬材料的最佳磨具。但因金剛石在700℃~800℃時容易碳化，所以它不适于磨削鋼料。CBN的硬度稍次于金剛石，但它的熱穩定性好(能耐1300℃~1400℃高溫)，它不象金剛石那樣在高溫中會分解，即氧化和石墨化，與鐵族元素化學惰性大，熱導率高(是剛玉的46倍)，用其制作的砂輪壽命長(可達剛玉砂輪的幾十倍到成百倍以上)，是替代剛玉砂輪磨削淬硬鋼、高速工具鋼、軸承鋼、不鏽鋼、耐熱鋼和钛合金等高硬度韌性大的金屬材料的最佳磨具。
       超硬磨料砂輪的結合劑有樹脂、金屬、陶瓷、電鍍和釺焊等。樹脂結合劑砂輪主要用于刃磨刀量具、磨孔、外圓磨及平面磨；金屬結合劑砂輪用于切入磨削、光學曲線磨床的成形磨、刃磨單刃刀具、磨削小鑽頭的螺旋槽，也适用于電解磨削；陶瓷結合劑砂輪的磨削效率高，形狀保持性好，耐用度高，易于修整，砂輪使用壽命長，并因陶瓷結合劑本身有良好的化學穩定性，耐熱、耐油、耐酸堿的侵蝕，可适應各種磨削液，磨削成本低，因而目前已成為高效、高精度磨削的首選磨具；電鍍砂輪适于高速精磨和成形磨，也适于孔的高效磨削(濕磨)和在坐标磨床上使用；釺焊砂輪适于超高速磨削。
       必須指出，不同牌号的磨料，因制造工藝不同，其晶體形态、顆粒形狀也不同，而具有不同的強度、熱穩定性和破碎特性，應根據結合劑種類、磨削工件材料和磨削方式，選擇不同的磨料。如用于高效、高精度磨削的陶瓷結合劑砂輪，可選用高強度和顆粒形狀鋒利的磨料，如DeBeers公司生産的PDA型(人造金剛石品種)及ABN800型(CBN品種)或其他類似性能的牌号。
      超硬磨産表面又有鍍金屬衣(金屬鍍層可起到補強增韌，減緩熱沖擊以及在磨粒與結合劑之間起結合橋作用，可提高砂輪使用性能)和不鍍金屬衣兩種，應根據結合劑種類、工件材料、幹磨和濕磨等不同條件選擇。幹磨一般選用銅衣，如RVD-Cu、CBN-Cu；濕磨選用鎳衣，如RVD-Ni、CBN-Ni。當前，鍍覆金屬已由鎳、銅發展到钛、鎢合金、非金屬陶瓷等，由單一鍍層發展到複合鍍層，并已由磨粒鍍覆發展到微粉鍍覆。
       超硬磨粒砂輪的濃度不能選得太低，高濃度可帶來高的磨削比，200%濃度的超硬磨料砂輪實際上是一種以超硬磨料為輔料的普通砂輪，一般不推薦命名用。目前，高速高效磨削均采用較高濃度，陶瓷結合劑CBN砂輪的濃度高效磨削均采用較高濃度，陶瓷結合劑CBN砂輪的濃度一般選擇125%以上，如進口配套的陶瓷CBN砂輪，其濃度一般均為175%~200%。
       砂輪的硬度等級表示了結合劑對磨料把持力的大小。砂輪硬度均勻和穩定及硬度高低的合理選擇，是保證磨削質量的重要前提。國外超硬磨料砂輪一般有3~7個硬度等級可供選擇，但我國生産的超硬砂輪都不标硬度等級，GB6409中也未規定相應标準，故質量不易保證，給用戶帶來不便，亟待補充與完善。

選擇合适的磨削用量

超硬磨料砂輪的磨削速度應根據砂輪類型、磨削方式和冷卻等具體條件進行選擇。提高砂輪工作速度，可顯著提高磨削效率和磨削比(如砂輪的磨削速度提高40%，磨削比可增加一倍)，降低磨削成本。金屬和樹脂結合劑的金剛石砂輪，磨削速度通常為15~35m/s，陶瓷結合劑CBN砂輪的磨削速度可提高到45~160m/s，單層CBN砂輪的磨削速度可選用125~250m/s。80~125m/s的線速度已成為當前世界CBN砂輪磨削的主流。磨削深度一般為0.002~0.010mm，工件速度通常為10~30m/min，縱向進給速度可取0.3~1.5m/min。粗磨時取大值，精磨時取小值。

超硬砂輪磨削對磨床要求

超硬砂輪磨削，尤其是高速磨削，要求加工穩定性好、振動小、線速度高。例如，在CIMT2001上展出的PLANOMAT系列平面和成形磨床砂輪的工作速度為170m/s。因此，對磨床有一要求：

(1)砂輪主軸回轉精度要高。

(2)磨床剛度要好，一般要求比普通磨床高50%左右，通常應不小于100N/μm的數量級。

(3)磨床進給系統的精度要高，進給速度應均勻準确，縱向進給最小速度應達0.3m/min，橫向進給(切深)應達0.001~0.002mm/單行程，以保證磨削的尺寸精度、幾何形狀精度和表面粗糙度。

(4)磨床各運動件，如頭架主軸和軸承部分、進給運動導軌部分等應有可靠的密封，以防超硬磨料進入，加速機件的磨損。

(5)要有比較完善的磨削液過濾和供給系統，過濾精度應小于0.5μm。(6)磨床各部分應有相應的防振和隔振措施，砂輪應作精細動平衡。

超硬磨料砂輪的修整

超硬磨料砂輪的修整，通常分為整形和修銳兩個工序。整形是對砂輪進行微量切削，使其達到所要求的幾何形狀和精度，并使磨料尖端微細破碎，形成微刃；修銳是去除磨粒間的結合劑，使磨粒間有一定容屑空間，并使磨粒突出結合劑之外，形成切削刃。

對于多氣孔陶瓷結合劑超硬磨料砂輪(包括金剛石和CBN砂輪)，由于結合劑為疏松型，通常整形和修銳可一次完成；而對于結合劑為密實型砂輪(如樹脂、金屬結合劑)，則整形和修銳須分别進行。

超硬磨料砂輪最有效的整形工具首推金剛石類修整工具。用單顆粒金剛石修整，由于修整工具磨損，常會影響型面精度。如用金剛石滾輪修整，可避免修整工具磨損過快，并可獲得較好的砂輪形貌。修整裝置的進給精度要高，每次進給量應控制在微米級。過量的修整既影響磨削質量，又會大大降低砂輪使用壽命。

修銳方法很多，一般可使用機械法(如用剛玉塊切入修銳、液壓噴射修銳法)或電加工法。後者多用于金屬結合劑的砂輪，将砂輪作為陽極通過電火花或電解法将金屬結合劑蝕除；若在結合劑中加入石墨粉，此法也适用于樹脂、陶瓷結合劑砂輪。

近幾年來日本東京大學研制出一種旋轉型金剛石杯形輪修整工具。其機理是利用從杯形輪上脫落下來的磨料對超硬(金剛石或CBN)磨粒與結合劑之間的結合橋沖擊，以及脫落下來的磨粒與超硬砂輪之間産生擠壓研磨作用而達到修整目的。采用此法，無論對多氣孔陶瓷結合劑超硬砂輪，還是密實型砂輪，整形和修銳可一次完成，同時因杯形砂輪自旋轉，故磨損很小，修整過程中整形力幾乎可保持不變，且數值要比用單顆粒金剛石修整工具修整時小得多。

正确使用磨削液

超硬磨料砂輪磨削時，可用幹磨或濕磨。但采用濕磨，既可延長砂輪壽命，又可防止工件産生磨削燒傷。不同磨削液，會使砂輪的磨削比相差幾倍、甚至十幾倍。砂輪在磨削過程中的機械磨損、化學侵蝕和熱損傷程度，與冷卻效果密切相關。但用CBN砂輪濕磨時須注意，因CBN在高溫下會同水蒸氣及空氣中的氧氣起反應，生成氨和硼酸(BN+3H2O→H3BO3+NH3)，這種反應稱為水解作用，會加速砂輪磨損。因此在使用中常用水溶性油或帶有極壓添加劑的水溶液以減弱水解作用。用不同磨削液濕磨時，CBN砂輪的相對壽命不同，以純油冷卻的砂輪壽命最長，水溶性油冷卻的砂輪壽命次之，水加防鏽添加劑冷卻的砂輪壽命最低。

超硬磨料砂輪的非常規使用

通常人們認為，因金剛石與鐵族元素化學惰性大，所以金剛石砂輪是不适于磨削灰鑄鐵一類工件的，然而這種情況隻有在高溫時才發生。例如，用金剛石砂輪磨削時，當溫度達到650℃時，金剛石會在空氣中氧化，而達到700℃~800℃時它将會石墨化。在低溫時，這些材料之間是不發生反應的。所以，隻要選用合适的磨削速度并采用濕磨方式，同時供給充足的磨削液，金剛石砂輪是完全可以磨削鑄件的，這一點已在生産實踐中得到證實。采用濕磨時，金剛石砂輪磨削灰鑄鐵的磨削比(9600)要比用CBN砂輪磨削灰鑄鐵的磨削比(2700)高得多。

一般人們還認為，CBN砂輪是不适于磨削低碳鋼一類軟材料的，因為這時産生的磨屑易使砂輪堵塞。但目前研究認為，陶瓷結合劑CBN砂輪可采取提高砂輪線速度，以形成細小的磨屑，再借助高壓噴射磨削液清除磨屑，以及供給充足磨削液等措施，可防止砂輪堵塞。因此，CBN砂輪是可以磨削低碳鋼(硬度大于30HRC)一類軟材料的。但是，CBN砂輪也不是磨削任何材料都有效的。通常它不适于磨削硬質合金及硬質合金與鋼的組合件，此時用金剛石砂輪有更好的效果。

結語

我國人造超硬磨料的生産雖然起步較晚，但發展很快，1997年我國人造金剛石年産量已達到5億克拉左右，CBN年産量為800萬克拉。目前已初步形成了超硬磨料磨具、專用磨削液、專門修整技術和裝置及專門化磨床等一個完整的技術體系。目前我國已能生産RVD、CBN及鍍金屬衣高品級磨料制品，如“金屬基體陶瓷CBN砂輪”、“65m/s陶瓷結合劑CBN砂輪”等，超硬磨料砂輪的品種規格已形成系列，超硬磨料砂輪的最大直徑可達φ750mm(正在試制φ1100mm砂輪)，最高使用線速度可達80m/s，并在開發125m/s的高速砂輪，為超硬磨料砂輪的推廣使用創造了條件。

可以預見，随着超硬磨料砂輪的廣泛使用，必将促進磨床制造業的變革與發展，而高效高性能磨床的發展，又将進一步推動超硬磨料砂輪的使用