金剛石、立方氮化硼(CBN) 通常被稱為超硬材料 ,具有極高的硬度、耐磨性及熱導(dǎo)性等 ,已大量用于機械工程領(lǐng)域 。在磨削加工過程中 ,超硬磨料砂輪磨損慢、磨削比高、磨削力小、發(fā)熱量少及加工精度好 , 有利于實現(xiàn)自動化、信息化、精益化及智能化；在其全 生命周期內(nèi) ,能耗低、效率高、壽命長且污染小 ,是高效、精密、綠色及智能制造的完美載體。 由于超硬磨料砂輪優(yōu)良的磨削性能 ,現(xiàn)已廣泛用于航空航天、國防軍工、精密陶瓷、醫(yī)療器械、軌道交通、石油勘探、建筑裝飾、機械裝備、工模具、新能源、微電子及光電 子等行業(yè)難磨材料及硬脆材料的加工，并已成為高速及超高速加工、精密及超精密加工、高精度形面加工、智能及無人化加工等先進(jìn)加工技術(shù)之必備。但是 ,在超硬磨料砂輪應(yīng)用中卻遇到了嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，即砂輪修整極其困難，致使超硬磨料砂輪的優(yōu)異性能得不到充分發(fā)揮。本文從工程應(yīng)用角度分析超硬磨料砂輪修整狀況，并重點研究了點輪修整技術(shù)，希望能給相關(guān)技術(shù)人員提供參考。
一、砂輪修整
磨削之關(guān)鍵是修整。對于普通磨料( 剛玉、碳化硅等)砂輪 ,工程上應(yīng)用最多的是金剛石(單點、多點)車削法修整 ,如圖 1 所示。
車削法修整與車削加工極其相似 ,是用金剛石修整筆(單晶金剛石或 PCD、CVD ) 對旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行切削加工 ,砂輪表面磨粒受到修整筆的撞擊而被擠壓、破碎、切削及脫落。影響砂輪表面形貌的因素主要有 :金剛石筆刃口形狀( 圓弧半徑、有效寬度)、修整導(dǎo)程 Sd (砂輪每轉(zhuǎn)修整筆沿砂輪軸向移動距離)、修整深度 Ad (修整筆沿砂輪徑向單次進(jìn)給量) 以及砂輪基本特性(磨料、粒度、結(jié)合劑、組織及硬度)等 。砂輪修整基本規(guī)律是：隨著修整導(dǎo)程、修整深度變大 ,修整筆與砂輪的相互作用力變大、磨料破碎程度變大、砂輪 表面形貌更加粗糙 ,磨削力變小、磨削粗糙度變大等。 磨削加工中修整筆的選擇 ,主要依據(jù)被修整砂輪大小 (體積) ，砂輪直徑大 ,應(yīng)選用大顆粒金剛石；修整用量的選取主要根據(jù)零件表面質(zhì)量要求、砂輪基本特性及磨削加工方式等來確定。車削法修整簡單、方便、效率高及成本低。然而,車削法修整也存在明顯的不足 ,如圖2所示的單點金剛石修整筆磨損曲線,圖2中 ,70°、80°、100°均為金剛石筆筆尖的角度。
在砂輪修整過程中 ,由于金剛石筆始終與高速旋轉(zhuǎn)的砂輪接觸 ,力與熱的集中作用使金剛石筆尖磨損 高度呈非線性特征 ,金剛石初期磨損快 ;隨著修整筆的繼續(xù)使用 ,筆尖磨損速度漸漸變小 ,而磨損面積卻越來越大。對于普通磨料砂輪 , 由于剛玉、碳化硅磨料相比 金剛石硬度低、強度脆及磨料含量高 ,采用金剛石車削法修整 ,工具消耗慢、修整比(砂輪去除量/工具消耗量)高、效率高及精度高 。砂輪修整通過修整筆的優(yōu)選、修整參數(shù)的優(yōu)化即可 ;因此 ,在普通磨料砂輪修整過程中 ,通過金剛石車削修整即可同時實現(xiàn)砂輪的 整形與修銳 。車削法修整是普通磨料砂輪修整及內(nèi)圓磨削用小直徑陶瓷結(jié)合劑CBN超硬磨料砂輪修整的主要方法。
二、超硬磨料砂輪修整
據(jù)專利統(tǒng)計 ,超硬磨料砂輪修整方法眾多 ,其中車削法修整約占一半 ,達(dá)48.92 %。但是 ,與普通磨料砂輪修整相比,采用金剛石車削法修整超硬磨料砂輪 ,修整力大、工具磨損快、修整比低、修整時間長、 效率低、精度差及成本高 。同時 , 由于修整筆尖磨損面積快速加大 ,砂輪修整質(zhì)量難以保證 ,磨削精度低、 質(zhì)量不穩(wěn)定 ,甚至?xí)霈F(xiàn)磨削燒傷、振動現(xiàn)象 。車削法修整不適于超硬磨料砂輪應(yīng)用。為了提高超硬磨料砂輪修整精度、修整效率 ,多年來國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究 ,提出了許多方法 ,取得了許多成果 ,但是尚有許多不足。如 ,滾壓法修整,修整力大 ,無精度可言 ,僅適應(yīng)于陶瓷結(jié)合劑砂輪粗修整。油石法修整 ,僅適于砂輪開刃 ,不適于超硬磨料砂輪整形。磨削法修整,工程應(yīng)用相對較多 ,用普通磨料砂輪磨削修整時修整工具消耗大、效率低及精度低 ;用金剛石滾輪磨削修整時 ,修整工具制造工序多、 周期長、成本高 ,修整接觸區(qū)域大及修整力大 ,且一件 (工件)一輪(修整輪)、通用性差。制動法修整,修整力大、精度低及效率低。彈性法修整,精度低 ,適于砂輪開刃 ,不適于砂 輪整形。射流法修整 ,環(huán)境污染大、精度低。超聲法修整,裝置復(fù)雜、穩(wěn)定性不佳及工程應(yīng) 用難度大。放電法修整 ,僅適用于金屬結(jié)合劑砂輪 ,不 適于應(yīng)用較廣的陶瓷、樹脂結(jié)合劑砂輪修整。電解法修整,受加工間隙、導(dǎo)電因素影響 ,主要適于超細(xì)粒度金屬結(jié)合劑砂輪修整 ,應(yīng)用范圍有限。激光法修整 ,屬于可期待的非硬碰硬接觸的先進(jìn)修整技術(shù) ,易控制、效率高 ,但是該技術(shù)起步晚 ,目前仍處于實驗室研發(fā)試驗階段 ,尚待進(jìn)一步完善 。四大結(jié)合劑超硬磨料砂輪及各種修整方法應(yīng)用效果匯總?cè)绫?所示 ,表1中 , ●●●表示優(yōu) , ●●表示良 , ●表示一般。
三、點輪修整
從工程應(yīng)用方面看 ,超硬磨料砂輪的修整主要在于整形 。從力學(xué)角度分析 ,超硬磨料砂輪整形首推金剛石工具 。點輪修整是將金剛石修整工具設(shè)計成工作寬度為 Bd 與單顆粒金剛石大小相接近的圓環(huán)(Bd=0.2~5 mm) 。這樣 ,修整輪與砂輪的接觸面積小 ,呈點 接觸狀態(tài) ,方便冷卻、修整力小且易于控制;在砂輪修整時 ,修整輪不僅作旋轉(zhuǎn)運動 ,也沿被修砂輪軸向、徑向移動 ,柔性好 ,便于工程應(yīng)用 ,點輪修整原理如圖 3 所示。
點輪修整是集金剛石車削法修整之便利和金剛石滾輪磨削法修整耐磨兩種砂輪修整技術(shù)于一體的最佳組合 ,是一種新的砂輪修整技術(shù)。在砂輪修整過程中 ,由于修整輪工作層寬度Bd固定 ,隨著修整輪的 反復(fù)使用 ,其修整力、砂輪表面形貌均無大的變化 ,從 而提高了砂輪修整精度、改善了磨削質(zhì)量;其次 ,在修整輪圓周方向有無數(shù)個金剛石顆粒同步參與修整 ,且修整輪用金剛石粒度普遍粗于被修整砂輪粒度 ,可大幅度提高修整輪的耐磨性及其使用壽命;最后,修整輪的高耐磨性及其線性磨損規(guī)律有利于砂輪損耗補償 ,可穩(wěn)定磨削質(zhì)量 ,提高磨削效率。點輪修整過程如圖 4 所示。
圖4中，修整輪寬度前端1區(qū)(其寬度等于修整導(dǎo)程 Sd )主要用于修整 ,修整輪寬度后端2區(qū)(修整輪 寬度其余部分)相當(dāng)于車刀的修光刃 ,主要用于光修。修整與光修之比例關(guān)系主要通過修整重疊率(修整工 具工作寬度 Bd/修整導(dǎo)程 Sd )來調(diào)整 。砂輪表面磨粒去除主要是依靠修整輪旋轉(zhuǎn)運動對被修砂輪表面磨粒產(chǎn)生的碾壓、磨削作用 ,以及修整輪沿砂輪軸向運動對 被修砂輪表面磨粒的擠壓、光修作用。在修整輪對砂輪 的碾壓、擠壓、摩擦及切削作用下 ,砂輪表面磨粒發(fā)生位移、破碎、磨平及脫落 ,最后形成新的砂輪工作表面。點 輪修整的影響因素主要有修整速比(修整輪線速度/ 砂輪線速度)、修整重疊率及修整深度等 。圖5所示為修整速比對砂輪表面粗糙度的影響;圖6所示為修 整重疊率對砂輪表面粗糙度的影響。
隨著修整速比減小或修整重疊率增加 ,修整輪與砂輪擠碾作用減弱、摩擦作用增加 ,砂輪表面變得越光滑、磨削表面粗糙度趨小 ,甚至?xí)l(fā)生磨削燒傷、振動等;因此 ,工程應(yīng)用中主要通過調(diào)整修整速比或修整導(dǎo)程來改善砂輪表面鋒利性 ,以獲取相應(yīng)的零件磨削質(zhì)量。點輪修整 ,可用于超硬磨料砂輪圓柱面、錐面及端面等簡單直線修整 , 目前已開始應(yīng)用于各種結(jié)合劑超硬磨料砂輪及普通磨料砂輪修整 ,均取得了較好的效果。如果修整輪再配上PCD、CVD耐磨條 ,并對修整輪圓弧精準(zhǔn)加工 ,利用數(shù)控磨床 X、Z 二軸聯(lián)動或 X、Z、B三軸垂直聯(lián)動功能 ,可實現(xiàn)復(fù)雜型面砂輪的修整 ,用于精密成型磨削。圖7所示為點輪修整在超硬磨料砂輪軸承溝道磨削中的應(yīng)用 ,相比傳統(tǒng)單點金剛石圓弧修整 ,砂輪弧形精度、圓度及磨削溝形精度獲大幅度提高,砂輪修整質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
點輪修整對修整輪沒有特別限制 。修整輪金剛石顆粒強度應(yīng)選 MBD 級及以上;粒度一般要粗于被修整砂輪幾個粒度號 ,常用范圍 30/35~ 100/120;修整輪濃度多在200及以上;其制造方式主要采用粉末冶 金燒結(jié)法或雙側(cè)電鍍法;修整輪直徑多在50~125mm 之間 ,與金剛石滾輪相當(dāng);其精度除特殊要求外 ,通常為 IT5~IT7,低于金剛石滾輪精度 ,制造成本低、便于工程應(yīng)用;修整輪形狀可依據(jù)磨床結(jié)構(gòu)、運行空間及修整剛性等設(shè)計。點輪修整及修整輪如圖8所示 ,修整輪可以是雙面加強形 ,如圖 8a)所示、單面加強形 ,如圖 8b)所示 , 也可以是蝶形、碗形、杯形 ,如圖 8c)所示;對于內(nèi)圓磨小尺寸砂輪 ,為了節(jié)省空間 ,修整輪還可以制作成內(nèi)環(huán)式修整結(jié)構(gòu)，如圖 8d) 所示 ,修整輪與工件同軸安裝 ,提高效率 ,使用十分方便。
四、結(jié)語
1)超硬磨料砂輪修整是制約其大量應(yīng)用的主要瓶頸。目前,涉及超硬磨料砂輪修整的方法、成果眾多,但是就其實際應(yīng)用而言,各有特點也存在明顯的不足,其主要原因就是通用性差,應(yīng)用面有限。2)點輪修整是集金剛石車削修整、金剛石滾輪磨削修整兩種方法之優(yōu)點的新的砂輪修整技術(shù)。修整輪與砂輪的接觸面積小且相對穩(wěn)定,修整力小易于控制,修整工具耐磨修整精度好、效率高且壽命長,修整質(zhì)量易于保證,修整方便適用性廣,可用于超硬磨料砂輪,也適于普通磨料砂輪,值得大范圍推廣。