用于高速磨削的高性能cBN和金剛石砂輪的發(fā)展

新金剛石和前沿碳處理技術(shù) 2005 年第 4 卷 MYU 東京 NDFCT 486 用于高速磨削的高性能 cBN 和金剛石砂輪的發(fā)展 Nofihiro Funayama 和 Junichi Matsuda* 日本千葉 市 ， 290-0515，朝日 金剛石工業(yè)有限 公司研究與 開發(fā) （ 2004 年 11 月29 日至 2005 年 3 月 19 日） 關(guān)鍵詞：高速磨削， cBN viMfied 結(jié)合劑砂輪，金剛石砂輪 高速磨削用的 cBN 輪是一般的研磨方法，對(duì)這種方法的改進(jìn)技術(shù)是必要的。因此，有限元法（ FEM）被用來優(yōu)化車輪的形狀，并設(shè)計(jì)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。為了重復(fù)研磨實(shí)驗(yàn)，一個(gè)適合用于高速研磨優(yōu)化的車輪（的技術(shù)必須要）很發(fā)達(dá)。輪的表現(xiàn)在這磨削實(shí)驗(yàn)里驗(yàn)證了，通過整修和換藥，車輪表面的調(diào)整是可能的。然后（才能）執(zhí)行用于金剛石砂輪性能確認(rèn)測(cè)試一個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)。 1.介紹 雖然對(duì)高速磨削效率的提高已經(jīng)研究了近六十年，但是破壞還是發(fā)生在常規(guī)輪圓周速度旋轉(zhuǎn)達(dá)到 60 米 /秒的時(shí)候。 cBN 晶體高速磨削研究一直以來都是出現(xiàn)在市場(chǎng)上。 高速主軸的發(fā)展加快了其實(shí)際用途的發(fā)展。因?yàn)?cBN 晶體的硬度，熱穩(wěn)定性，尤其重要的是，切削刃的磨料顆粒 ，都適合用于高速研磨，因?yàn)樗仨毐３止ぷ骱荛L(zhǎng)一段時(shí)間。 在 20 世紀(jì) 80 年代，使用（磨料，輪轂，磨床）高速磨削相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，決定了它的實(shí)際用途。特別是，高速研磨技術(shù)被應(yīng)用到到高效率的齒形磨削加工汽車零部件上。圓周速度達(dá)到 160 米 /秒的大規(guī)模生產(chǎn)線是目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高速磨削已知最先進(jìn)的加工者：電子郵箱： matsudaasahidia.co.jp 該報(bào)告提出了一些不可缺少的對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)線的部分都采用 200 米 /秒的圓周速度 進(jìn)行高速磨削的技術(shù)。 2.車輪設(shè)計(jì)的高速磨削 高速磨削，在一般情況下，是施加到玻璃化的 cBN 的車輪上的。用于車輪高速磨削，不僅是良好的磨削性能，考慮以下三個(gè)點(diǎn)，而且由離心力引起的應(yīng)力和位移引起的對(duì)安全方面旋轉(zhuǎn)的破壞的減少是很有必要的。 1】輪芯材的選擇 2】輪芯的設(shè)計(jì) 3】接合層的粘合方法 輪轂的設(shè)計(jì)和車輪的平衡，影響表面光潔度和形狀在下一節(jié)中解釋。 2.1 輪芯的高速磨削 對(duì)于輪芯的高速砂輪，所選擇的材料應(yīng)具有較高的的剛性。鋁合金，鈦合金和碳纖維增強(qiáng)塑料（ CFRP）等材料符合此標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槲灰坪蛻?yīng)力，會(huì)降低材料的剛性，就如如。 （ 1）和（ 2）所示的那樣。 E：楊氏模量， V：泊松比， p：比重 ；w：角速度 R：內(nèi)徑； R：外徑； k： R/r； g：重力加速度 此外，獲取所選擇材料的易用性是必須要考慮的。雖然最近從環(huán)境保護(hù)和降低回收成本的觀點(diǎn)出發(fā)，在圓周速度為 160m/s 時(shí)通常使用的鈦合金和鋁合金鋼，但是，在 200 米 /秒是卻不能使用。因?yàn)樾静牡倪x擇需要考慮材料的疲勞極限。 2.2 車輪的形狀 在車輪的高速磨削中，除了核心材料的選擇，形狀也是很重要的。利用有限元法（ FEM）中的設(shè)計(jì)，以降低由于離心力的應(yīng)力和位移。特別是，由于離心力的位移，直接關(guān)系到車輪的破壞，控制這種位移的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。圖 1示出的以位移值的差異作為形狀的函數(shù)。由于具有窄的點(diǎn) A 和 B 的類型是有效的位移，這樣的形狀的輪子被經(jīng)常采用。此外，車輪的重量的設(shè)計(jì)作為減少輪交換的工作的一個(gè)因素，也被認(rèn)為是在塑造最佳的車輪形狀。 圖一 旋渦的速度位移的關(guān)系。 2.3 粘附性 許多陶瓷結(jié)合劑砂輪已應(yīng)用于 CBN 高速砂輪，其中有一些附著到金屬芯的分部。由于 adherance 核心直接涉及到剝落和銷毀段 ，所以為了防止破壞的車輪，粘合劑的選擇是很重要的。此外，通過考慮的段的形狀和長(zhǎng)度，和優(yōu)化的車輪的外直徑是一個(gè)函數(shù)，車輪破壞速度是可以得到改善的。圖 2 示出了不同的段長(zhǎng)度的銷毀速度比較。 2.4 車輪平衡 由于離心力的作用，車輪由于不平衡引起振動(dòng)，形狀和表面粗糙度增加使其變得更壞。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于不平衡的重量與轉(zhuǎn)速的第二功率成正比，必須經(jīng)過高速磨削車輪平衡調(diào)整的開始，但可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的核心形狀的主軸或不準(zhǔn)確的裝修不平衡。圖 3 顯示了 不平衡量的關(guān)系為主軸的擬合誤差。 在這種情況下，因?yàn)檐囕啽环蛛x，重心的變化成為一個(gè)問 題。一個(gè)解決這個(gè)問題的方法是采用 O 環(huán)輪孔。據(jù)了解，采用此方法時(shí)擬合誤差的效果是不明顯的，就像圖4 所示。然而，該方法并不能減少不平衡量。因?yàn)?，它最重要的是要抑制車輪的不平衡，平衡必須配備改性機(jī)理，即使在機(jī)器方面來說，平衡的調(diào)整也是所需的。雖然使用了平衡變形的機(jī)制，但是，這是不夠的。因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)的車輪上使用的液體由于離心力的作用而會(huì)流向外部。由操作者加入重量進(jìn)行調(diào)整后的車輪被安裝在機(jī)器上是由最有效的解決辦法。然而，這種方法從安全的觀點(diǎn)出發(fā)并不推薦。但是隨著高速磨削使用次數(shù)的增加這個(gè)問題應(yīng)該能夠得到解決。 圖 2 段的長(zhǎng)度和破壞的速度比較 圖三（左）關(guān)系的不平衡擬合誤差。圖四（右）不平衡的車輪 O 形環(huán) 3 砂輪高速磨削的安全性評(píng)價(jià) 通過進(jìn)行破壞試驗(yàn)從各種檢查結(jié)果對(duì)砂輪進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。圖 5 示出的掛在車輪上的旋轉(zhuǎn)測(cè)試儀是一種使用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)源的空氣渦輪機(jī)，安裝懸掛在主軸上的自旋測(cè)試儀。此測(cè)試儀具有測(cè)試旋轉(zhuǎn)輪稱重可達(dá)到于 40,000 分鐘的能力，如用于曲柄軸的 300 千克的大直徑輪。就像圖。 6 所示破壞試驗(yàn)后的車輪。此測(cè)試輪是由輕合金制成的，并于 200 RN/ s 的旋轉(zhuǎn)開始。 “破壞速度為 550 米 /秒。 A 組的設(shè)計(jì)師正在研究測(cè)試的結(jié)果，開發(fā)一種更安全的車輪。 4 高速磨削 4.1 高速磨削砂輪 因?yàn)樗窃谝粋€(gè)恒定的磨料負(fù)載，能夠提高磨削效率，導(dǎo)致的結(jié)果是添加到磨料的負(fù)荷降低，增加圓周速度，和磨削負(fù)荷隨之減小。這是高速研磨的最大優(yōu)點(diǎn)。 圖 5（左）砂輪 在旋轉(zhuǎn) 測(cè)試儀中的 照片 圖 6（右） 測(cè)試后破壞的砂輪 圖 7 磨削負(fù)載與圓周速率之間的關(guān)系。 圖片顯示了在恒定的磨削條件下，磨削負(fù)載與圓周速率之間的關(guān)系。車輪零件的數(shù)目通常代表了車輪的壽命。，增加部件的數(shù)量以降低車輪的磨損，這是必要的。并且車輪的耐 磨損規(guī)格這個(gè)要求也要保證。但是，也有許多情況下，更耐磨損輪的磨削負(fù)荷增加，這對(duì)形狀和表面粗糙度的精度上右相當(dāng)大的影響。因此，如果磨削負(fù)荷降低，某些步驟必須采取確保工件的具有可以完成的所需特性。修整是其中的一些步驟，也是有效的高速磨削的重要元素。在高速磨削上有很多 CBN 陶瓷結(jié)合劑的砂輪。這些砂輪和金剛石制成的的修整器同時(shí)進(jìn)行修整工作。在整修時(shí)， cBN 的切削刃和的圓周速度之比（修整速度 /車輪速度）是可以調(diào)整的。旋轉(zhuǎn)修整器的進(jìn)料速度也是可以改變的。圖 8 顯示了出了通過以下方式獲得整修研磨特性的概念圖表。整修研磨條件 是成立一個(gè)大的圓周速度比，高進(jìn)給速度會(huì)降低車輪的磨削負(fù)荷。因?yàn)樗谖覀兪褂酶咚俜鬯闄C(jī)執(zhí)行整修研磨試驗(yàn)所需的條件下不能夠達(dá)到良好的加工工件的質(zhì)量，我們必須考慮適合的車輪結(jié)合的條件。 對(duì)于加工用旋轉(zhuǎn)修整器，重要的是要選擇適合的 cBN 輪的工件。尤其是在一個(gè)較高的圓周速度比下對(duì)一些高速磨削整修器的選擇。這是要考慮旋轉(zhuǎn)修整器的耐磨損性和剛性。這樣的旋轉(zhuǎn)修整器的使用很依賴 cBN 的陶瓷結(jié)合劑砂輪的表面調(diào)整。圖 9 示出的，在測(cè)試過程中， cBN 陶瓷結(jié)合劑的表面。垂直軸是圓周速度比，水平軸是進(jìn)給速度 率。我們知道，這是可能改變的陶瓷結(jié)合劑的表面和 cBN 的圓周速度比的組合。 4.2 金剛石砂輪高速磨削 前面所討論的是 cBN 砂輪在高速磨削中的應(yīng)用。在高速研磨中，用金剛石砂輪甚至一個(gè)鉆石輪高速磨削施加倒角磨削奧拉液晶顯示器（ LCD）玻璃和汽車玻璃可能效率會(huì)很高。 圖 8 整修研磨的概念圖 圖 9 砂輪表面修整后，用激光顯微鏡分析。 圖 10（左）改進(jìn)的例子 圖 11（右）金剛石砂輪研磨板玻璃的例子 使用金剛石砂輪，我們不能像 cBN 輪一樣達(dá)到研磨效率正比于車輪 速度。在高速磨削時(shí)，磨削頭達(dá)到高溫，以及金剛石的碳轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)榻饎偸臒崽匦?。因此，有必要考慮在高速使用金剛石砂輪磨削時(shí)的冷卻方法。 此外，使用金剛石砂輪的情況下，不同于 cBN 的陶瓷結(jié)合劑砂輪，我們無法控制磨削負(fù)荷或表面不同的粗糙度。因此，必須采取下列措施。 1 為了提高磨削負(fù)荷，金剛石晶粒尺寸必須足夠大。 2 為了改善表面粗糙度，金剛石密度必須高。 重要的是，我們將繼續(xù)調(diào)整車輪規(guī)格的要求。 結(jié)論 考慮到 cBN 輪以及金剛石砂輪，高速研磨砂輪的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及使用已經(jīng)被引進(jìn)。各種磨床高速磨削技術(shù)的改進(jìn)往往是由于應(yīng) 用在大規(guī)模生產(chǎn)線的發(fā)展的需要。因此，工具制造商必須確定適合每個(gè)個(gè)人用戶（需求的）規(guī)格。 參考文獻(xiàn) H. Aikawa and J. Matsuda: JSME Spring Annual Meeting (1997) 185. J. Matsuda: Journal of the Society of Grinding Engineers 44 (2000) 353. H. Nishioka, K.U