汽車(chē)凸輪軸的CBN磨削技術(shù)-1

/汽車(chē)凸輪軸的CBN磨削技術(shù)CBN砂輪磨削具有高效、高精度、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，是凸輪軸磨削加工技術(shù)進(jìn)展的必定趨勢(shì)。依據(jù)多年試驗(yàn)討論的結(jié)果和相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，文章指出了國(guó)內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場(chǎng)的過(guò)程中重要的制約因素，并提出了積極的建議，以期在凸輪軸加工中廣泛采納CBN磨削技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體的加工技術(shù)水平。凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性；同時(shí)，凸輪軸又是一種非圓磨削的工件，其加工余量大且材料難磨，對(duì)磨削精度和生產(chǎn)效率要求都很高，加工難度比較大。因而，凸輪軸的磨削技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點(diǎn)。如何提高磨削效率和加工質(zhì)量是凸輪軸磨削急需解決的問(wèn)題，重要應(yīng)考慮如下幾個(gè)影響因素：●機(jī)床的特性；●凸輪輪廓磨削成形的方式；●砂輪性能和冷卻液；●磨削工藝，包括修整工具及修整工藝。國(guó)內(nèi)外凸輪軸磨削技術(shù)進(jìn)呈現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)轎車(chē)主機(jī)廠的凸輪軸生產(chǎn)線和專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠家均引進(jìn)了CBN磨削技術(shù)，但仍有很多的載重汽車(chē)、柴油機(jī)和摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪依舊采納傳統(tǒng)的剛玉砂輪、靠仿照形的磨削工藝。粗磨工序使用的是國(guó)產(chǎn)中低速磨床（35m/s以下），精磨工序廠家使用進(jìn)口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點(diǎn)金剛石筆居多，進(jìn)口磨床和少數(shù)國(guó)產(chǎn)磨床采納金剛石滾輪修整。這種傳統(tǒng)技術(shù)給凸輪軸的磨削帶來(lái)的問(wèn)題重要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：●凸輪輪廓精度低且難以提高采納靠模樣板磨削，凸輪輪廓形狀誤差最小只能掌控在0.03mm范圍內(nèi)，而全數(shù)控?zé)o靠模磨削則可掌控在0.01mm內(nèi)。另外，一般磨料砂輪在使用時(shí)，外徑變化范圍大（80～100mm），而砂輪直徑每變化1mm就會(huì)使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，因而難以進(jìn)一步提高凸輪輪廓精度?！裢馆啽砻嬉桩a(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，很難提高生產(chǎn)效率由于凸輪磨削余量大且材料難磨，一般磨料砂輪的性能很難適應(yīng)，磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率兩者往往不能兼顧?！窬C合經(jīng)濟(jì)效益不高一般磨料砂輪的耐用度和使用壽命低，需頻繁修整或更換，使修整工具損耗加快，輔佑襄助時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度加添，既影響了生產(chǎn)效率，又加大了生產(chǎn)成本。另外，砂輪用量大，其質(zhì)量波動(dòng)也影響了磨削工藝的穩(wěn)定性，又因大量磨削殘物的產(chǎn)生，加添了磨削液的過(guò)濾清理量，對(duì)環(huán)境造成肯定的污染。CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)凸輪軸磨削過(guò)程中的難題迎刃而解。十幾年前，有關(guān)使用CBN砂輪磨削凸輪軸的報(bào)導(dǎo)只在有限的國(guó)外文獻(xiàn)中見(jiàn)到。在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中，使用CBN專(zhuān)用數(shù)控凸輪軸磨床磨削凸輪軸的技術(shù)在某些西方發(fā)達(dá)國(guó)家也剛剛進(jìn)入應(yīng)用階段。緊跟世界先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)展的潮流，鄭州磨料磨具磨削討論所于20世紀(jì)90時(shí)代初，在國(guó)內(nèi)首先自主討論開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)凸輪軸磨削的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，在國(guó)產(chǎn)一般高速（60m/s）強(qiáng)力凸輪軸磨床上粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，取得了良好的使用效果。但由于受到當(dāng)時(shí)機(jī)床條件和砂輪制造技術(shù)的限制，還沒(méi)能達(dá)到更理想的效果。至90時(shí)代中期，工業(yè)化國(guó)家的多數(shù)汽車(chē)制造廠均已采納了CBN砂輪磨削凸輪軸，國(guó)內(nèi)重要的轎車(chē)生產(chǎn)線上也連續(xù)引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)。它是以CBN專(zhuān)用數(shù)控CNC凸輪軸磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂輪、專(zhuān)用磨削液、修整滾輪和磨削工藝整套技術(shù)的形式引進(jìn)的。該技術(shù)的重要特點(diǎn)是：砂輪使用速度高（80～125m/s），加工效率高（工件由毛坯粗、精磨一次完成，效率是一般砂輪的2～3倍）。隨著凸輪軸的CBN磨削技術(shù)及其專(zhuān)用磨床的不斷引進(jìn)，國(guó)內(nèi)討論的CBN專(zhuān)用高速數(shù)控凸輪軸磨床也即將進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)此，在完善國(guó)產(chǎn)磨床用CBN砂輪粗磨凸輪軸技術(shù)，積極討論用CBN砂輪精磨凸輪軸的同時(shí)，鄭州磨料磨具磨削討論所又開(kāi)始研制為進(jìn)口CBN專(zhuān)用數(shù)控凸輪軸磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂輪，并已取得了肯定成果。研制的砂輪使用速度為80m/s，耐用度和壽命相當(dāng)于進(jìn)口砂輪的1/2，而價(jià)格只有進(jìn)口砂輪的1/3。研制的陶瓷CBN砂輪與同類(lèi)進(jìn)口砂輪相比，重要差距在于耐用度、壽命和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性偏低，不能完全替代進(jìn)口砂輪在凸輪軸生產(chǎn)線上連續(xù)使用。為了迎頭趕上這種快速進(jìn)展的技術(shù)水平，近兩年，鄭州磨料磨具磨削討論所又研發(fā)成功了使用速度為125m/s的磨凸輪軸陶瓷CBN砂輪，其使用速度、磨削效率、磨削質(zhì)量均達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品水平，具有很高的性?xún)r(jià)比，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定質(zhì)量，完全可以替代進(jìn)口。這些都表明我國(guó)CBN砂輪的制造和應(yīng)用技術(shù)已達(dá)到了新的水平。凸輪軸的CBN磨削技術(shù)要素工業(yè)化國(guó)家在研發(fā)CBN磨削技術(shù)時(shí)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將CBN磨料、磨具、磨床和磨削工藝作為一個(gè)系統(tǒng)工程來(lái)進(jìn)行的。如美國(guó)在20世紀(jì)90時(shí)代初，為解決凸輪軸的CBN磨削技術(shù)，聯(lián)合了GE公司（CBN磨料）、Norton公司（磨具）和Landis公司（磨床）三家本行業(yè)的頂級(jí)公司共同攻關(guān)。他們最后是以高速CBN砂輪、高速數(shù)控CBN專(zhuān)用磨床和CBN磨削工藝一整套技術(shù)供給應(yīng)市場(chǎng)。在凸輪軸的磨削系統(tǒng)中，必需同時(shí)考慮到CBN砂輪制造和應(yīng)用技術(shù)所涉及的各方面的影響因素，才會(huì)最后得到令人充足的磨削結(jié)果。凸輪軸CBN磨削技術(shù)的緊要影響因素重要有：●CBN砂輪性能優(yōu)越的砂輪必需同時(shí)具備磨削鋒利、自銳性好和耐用度高等特征。在制造和選擇砂輪時(shí)重要考慮結(jié)合劑、磨料、砂輪濃度和磨具硬度。1、結(jié)合劑在CBN磨具的四種結(jié)合劑（樹(shù)脂、陶瓷、金屬、電鍍）中，以陶瓷結(jié)合劑的CBN磨具進(jìn)展最快。活著界范圍內(nèi)，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀(jì)80時(shí)代的4%上升到現(xiàn)在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高（為75%以上，其余類(lèi)型結(jié)合劑為50～60%）、砂輪使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。目前，用于凸輪軸磨削的CBN砂輪全部采納陶瓷結(jié)合劑。2、磨料選擇在磨削加工中，磨料是磨具中的主體，其性能好壞直接影響磨削效果。CBN磨料與剛玉磨料相比，具有更高的硬度和強(qiáng)度（見(jiàn)表4），因而切削鋒利且耐磨。在凸輪軸加工這樣高強(qiáng)度的磨削情況下，使用CBN磨料是最佳選擇。不同牌號(hào)的CBN磨料，因制造工藝的不同，其晶體形態(tài)、顆粒形狀也各不相同，它們各自具有不同的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性和碎裂特性。應(yīng)依據(jù)結(jié)合劑的種類(lèi)、磨削工件和磨削方式的不同，選擇不同牌號(hào)的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使其結(jié)構(gòu)受到破壞，這是在選擇磨削液的種類(lèi)、壓力和流量時(shí)必需考慮的因素。3、濃度砂輪濃度的高處與低處表示在磨削時(shí)砂輪工作面單位面積上參加磨削的磨粒數(shù)的多少，高濃度可帶來(lái)高的磨削比，200%濃度比100%濃度砂輪壽命長(zhǎng)4～5倍。目前，高速、高效磨削均采納較高的砂輪濃度，如進(jìn)口磨凸輪軸磨床配套的陶瓷CBN砂輪濃度一般均為200%。4、硬度磨具的硬度等級(jí)表示結(jié)合劑對(duì)磨料把持力的大小，它是制造商工藝掌控的緊要指標(biāo)，也是用戶(hù)選擇磨具性能的重要參數(shù)。砂輪硬度均勻和穩(wěn)定及硬度高處與低處的合理選擇是保證磨削質(zhì)量的緊要前提。國(guó)外陶瓷CBN砂輪一般有3～7個(gè)硬度等級(jí)可供選擇，國(guó)內(nèi)目前尚未訂立CBN砂輪（包括金剛石磨具）的硬度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制造商僅以配方硬度進(jìn)行掌控。●磨床砂輪作為以磨床為中心的磨削體系中的一個(gè)附件，只有通過(guò)磨床所具有的優(yōu)異特性并優(yōu)化各種磨削參數(shù)，才能最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，對(duì)CBN磨削來(lái)說(shuō)尤其如此。1、高速度提高砂輪的工作線速度可明顯提高磨削效率和磨削比，降低磨削力，從而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂輪磨削凸輪軸，當(dāng)砂輪速度從80m/s提高到160m/s時(shí)，磨削時(shí)間相同，則修整間隔（耐用度）加添2倍；當(dāng)砂輪速度由35m/s加添至60m/s時(shí)，在不同的單位金屬去除率（Qw）情況下，法向磨削力（Fn）均減小1/3左右。CBN砂輪因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及CBN磨料的特性，為高速、超高速磨削供給了可能。80～125m/s的使用速度已成為目前國(guó)內(nèi)進(jìn)口的CBN專(zhuān)用凸輪軸磨床基本特征之一。在條件允許的情況下，使用完可能高的速度是提高CBN磨削的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的緊要前提。2、機(jī)床的高剛性和抗震性高速磨削和CBN砂輪磨削的特點(diǎn)，要求機(jī)床主軸和整體要具有很高的剛性和良好的抗震性，從而保證磨削工件的精度和表面質(zhì)量，這是CBN高速磨削技術(shù)中對(duì)磨床的基本要求。不具備這些條件，在使用CBN砂輪時(shí)，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會(huì)變差。波紋是常見(jiàn)的表面質(zhì)量缺陷，它是由振動(dòng)產(chǎn)生的。引起振動(dòng)的原因有多種，包括機(jī)床剛性低、抗震性差、機(jī)床共振或砂輪參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成磨削力過(guò)大等。有資料顯示：機(jī)床的剛度應(yīng)不小于100N/0.001mm的數(shù)量級(jí)為好?！裥拚褂媒饎偸瘽L輪修整，不僅可提高修整效率，更緊要的是可獲得較好的砂輪形貌。使用其他修整工具，很難完成對(duì)高硬度砂輪表面的修整。修整裝置的進(jìn)給精度要高，每次進(jìn)給量應(yīng)在mm級(jí)，過(guò)量的修整既影響磨削質(zhì)量又會(huì)大大削減砂輪使用壽命。修整速比Vr/Vc是修整工藝中一個(gè)緊要的參數(shù)，它的更改會(huì)使砂輪表面形貌顯著變化，并最后影響到工件的表面質(zhì)量?！窭鋮s液在磨削過(guò)程中，90%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱必需被冷卻液最大限度地汲取，否則工件就會(huì)被燒傷。對(duì)CBN砂輪來(lái)講，還要考慮CBN磨料與水在高溫下所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)對(duì)磨料的破壞。正確選擇冷卻液種類(lèi)和冷卻工藝參數(shù)，往往會(huì)收到事半功倍的效果。不同的冷卻液，會(huì)使砂輪的磨削比相差幾倍甚至十幾倍。表5為冷卻液對(duì)CBN砂輪的影響，結(jié)果表明砂輪在磨削過(guò)程中的機(jī)械磨損、化學(xué)侵蝕和熱損傷的程度與冷卻效果緊密相關(guān)。問(wèn)題和建議目前，國(guó)內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場(chǎng)的過(guò)程中的制約因素重要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1、進(jìn)口的磨床和配套的CBN砂輪價(jià)格昂貴，磨床價(jià)格是國(guó)內(nèi)一般凸輪軸磨床的10倍左右，是國(guó)內(nèi)研制同類(lèi)磨床的3～4倍；進(jìn)口CBN砂輪的價(jià)格是國(guó)內(nèi)同類(lèi)砂輪的3～5倍，使得在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的進(jìn)一步推廣受到成本方面的制約。2、國(guó)產(chǎn)凸輪軸加工用的磨床大多數(shù)速度低，其精度、剛性、抗振性、修整、冷卻等條件均不能充足使用CBN砂輪的要求。因此，在使用CBN砂輪時(shí)，往往得不到期望的效果。3、國(guó)內(nèi)CBN砂輪的重要磨削性能已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平，只是在砂輪的耐用度、使用壽命和質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)性方面略低，但價(jià)格較低，因而有著較高的性?xún)r(jià)比，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性已為國(guó)內(nèi)很多汽車(chē)主機(jī)廠和配套廠所認(rèn)可，但仍需進(jìn)一步提高CBN砂輪制造技術(shù)水平。4、新技術(shù)宣揚(yáng)力度不夠，企業(yè)因循守舊，對(duì)新工藝的需求不猛烈，對(duì)提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量不重視，是這項(xiàng)技術(shù)推廣的外部制約因素。為此，提出以下幾點(diǎn)建議：1、加快開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)CBN專(zhuān)用高速數(shù)控凸輪磨床，重點(diǎn)解決其剛性和抗振性的關(guān)鍵技術(shù)，首先使80m/s的磨床盡快投放市場(chǎng)，使其技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性能充足大多數(shù)中小企業(yè)的需要。在此基