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    立方氮化硼(CBN)磨具的應用技術及領域

    作者:河南恒遠超硬材料有限公司 日期:2020-06-15 人氣:936

    高速、高效、高精度、低成本的磨削技術CBN(Cubic Boron Nitride)是繼人造金剛石問世之后,于1957年,由美國GE公司首先合成出的又一種超硬材料。我國在1966年試制成功CBN,至今已有近四十年的歷史了。CBN的硬度僅低于金剛石,但具有比金剛石優越的耐熱性和對鐵族金屬材料的化學惰性。利用它這些優異的性能作研磨材料所制成的CBN磨具,特別適合于各類鐵族金屬材料的磨加工。它和金剛石主要用于加工硬而脆的材料相互補充,使超硬材料的應用范圍大大拓寬。和普通磨料的磨具相比,CBN磨具具有高速、高效、高加工質量、長壽命、低成本的特點,可作為高速數控磨床高效、高精度磨削的首選工具。在汽車、機床、工具、軸承等工業領域有著廣泛的應用。

    1、CBN的性質在把CBN作研磨材料使用時,我們主要研究它的硬度、耐磨性、強度和導熱性等性質。

    ◆CBN的硬度遠高于其它普通磨料。高的硬度意味著切削能力更強、更鋒利;  

    ◆CBN有高的耐磨性,意味著它比普通磨料更難磨損。保持磨粒形狀的能力是CBN作為高性能磨料的主要特性之一; 

    ◆CBN的抗壓強度很高,這意味著在惡劣的條件下使用時它能保持顆粒完整而不易破碎;  

    ◆CBN有很好的導熱性,在磨削時可實現冷切削。由于CBN和金剛石某些性質的不同,它們加工材料的范圍也不同。CBN適合加工的材料為工具鋼、軸承鋼、合金鋼、超級合金、鑄鐵。金剛石適合加工的材料為硬質合金、玻璃、陶瓷、金屬陶瓷、鑄鐵。

    2、CBN磨削系統CBN磨具是用不同類型的結合劑將CBN磨料粘接在一起并制成一定形狀的一種工具。它只有通過合理的磨削工藝,依靠磨床的優越性能,才能最大限度地發揮它的作用。在研究和應用CBN磨削技術時,必須把CBN磨具、磨床、工件、修整、冷卻、磨削工藝等因素納入一個系統里來進行優化,才能獲得最佳的技術和經濟效果。CBN磨削技術中要考慮的幾個重要因素如下。

    CBN磨具在制造和選擇磨具時主要考慮其形狀、尺寸、CBN磨料粒度、濃度、結合劑類型和使用速度等參數。

    ◆CBN磨具的形狀、尺寸和標記按GB/T6409.2-1996和GB/T6409.1-1994的標準規定;  

    ◆在CBN磨具的四種結合劑(樹脂、金屬、陶瓷、電鍍)中,以陶瓷結合劑發展最快。這是由于陶瓷CBN磨具磨削效率高,形狀保持性好,耐用度高,易于修整,砂輪使用壽命長,因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。   

    ◆砂輪濃度的高低表示了在磨削時砂輪工作面上參與磨削的磨粒數的多少。高濃度可帶來高的磨削比和低的工件表面粗糙度。如200%濃度比100%濃度砂輪壽命延長4-5倍。

    ◆磨具的硬度等級表示了結合劑對磨料把持力的大小。砂輪硬度的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。2-2磨床磨床是磨削體系的中心,磨床的性能對磨削效果有最重要的影響,對CBN磨削來說尤其如此。 

    ◆提高砂輪工作線速度,可明顯提高磨削效率、磨削比和工件表面質量。80~125m/s的使用速度已成為目前國內進口的CBN專用凸輪軸磨床基本特征之一。盡可能使用高的速度是提高CBN磨削的技術性和經濟性的重要前提。  

    ◆高速磨削和CBN砂輪磨削的特點,要求機床主軸和整體要具有高的剛性和良好的抗振性,這是CBN高速磨削技術中對磨床的基本要求。不具備這樣的條件,在使用CBN砂輪時,要想獲得更高的金屬去除量,工件的幾何精度和表面質量就會變差。波紋是常見的表面質量缺陷,它是由振動產生的。可引起振動的原因是機床剛性低、抗振性差或砂輪參數設計不合理造成磨削力過大。

    修整使用金剛石滾輪修整,不僅可提高修整效率,更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。修整裝置的進精度要高,每次進給量應能達到微米級。過量的修整既影響磨削質量又會大大減少砂輪使用壽命。

    冷卻正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數,往往會收到事半功倍的效果。

    磨削工藝參數優化充分優化磨削工藝參數可使磨削效率、磨削質量和磨削成本等技術經濟指標在更高的水平上達到平衡。

    3、CBN磨具的應用3-1國內外技術發展概況隨著工業技術的進步,高速、高效、高精度磨削已成為當今磨加工技術發展的主流。CBN磨削作為一種先進的加工技術在此大顯身手。

    CBN磨具制造和應用技術發展有以下幾個特點:

    ①應用領域不斷擴大,已從工具行業對難磨金屬材料的加工,推廣到軸承、汽車、機床、壓縮機等行業中普通黑色金屬材料的加工,磨削方式也從一般的工具磨、內圓磨,發展到緩進給磨削、高精度磨削、高速度磨、凸輪磨、曲軸磨、大有取代剛玉磨具之勢。

    ②高速度、高效率、高質量、低成本是其主要特點。使用速度普遍達到80~125m/s;大余量粗精磨一次完成;由于被磨削工件表面呈壓應力狀態可使工件使用壽命提高20~30%;綜合磨削成本可降低10%以上。

    ③國內進口成套CBN磨削技術呈快速增長之勢。

    ④國產CBN磨具的制造和應用技術進入高水平和快速發展的新階段,并已進入汽車制造業這個主流市場。部分CBN磨具性能接近國外同類產品水平,可替代進口。

    ⑤國產高速數控CBN專用磨床已研發成功。

    CBN磨具應用實例◆發動機凸輪軸磨削

    實例1:精磨汽車凸輪軸砂輪:1A1180mmV125m/s鄭州磨料磨具磨削研究所;機床:德國肖特CF41CBN;工件:鑄鐵,8個凸輪,余量D1.0mm,Rmax3.2;修整:金剛石滾輪,D180mm,修整間隔200件(800個凸輪),修整量直徑上5μm×3+3μm2/次;冷卻:合成液,壓力23bar;效果:達到進口砂輪水平,綜合成本降低30%以上。

    實例2:精磨摩托車凸輪軸砂輪:1A1350mmV80m/s鄭州磨料磨具磨削研究所;機床:日本豐田工機凸輪磨床;工件:45#鋼,2個凸輪,HRc60,余量0.2~0.3mm,Rz3.2,磨削效率30S/根;修整:金剛石滾輪,修整間隔240根,修整量0.002mm/次;效果:壽命可達進口砂輪的80~90%,成本降低30%以上。

    實例3:粗磨汽車凸輪軸砂輪:1A1660mmV60m/s鄭州磨料磨具磨削研究所;機床:國產MKS8312凸輪磨床;工件:合金冷激鑄鐵,13個凸輪,HRc45,余量φ4mm,Ra2.5,磨削效率12分鐘/根;修整:金剛石杯形滾輪,修整間隔8~10根/次,修整量φ0.01x2;冷卻:高效磨削液,壓力4kg,流量120L/min;砂輪更換周期:5000根/片;效果:替代白剛玉砂輪,耐用度提高100倍,壽命提高50倍,生產效率提高10%,直接工具成本降低10%。

    ◆汽車軸承內徑磨削實例砂輪:1A810×15×3.5 V鄭州磨料磨具磨削研究所機床:國產MZ204全自動內圓磨床24000rpm;工件:6201/02,GCr15,HRc61~65,余量0.3~0.35mm,Ra0.8,磨削效率25S/件,進給量0.24mm/min(粗)和0.17mm/min(精);修整:金剛石筆,手動,修整間隔200件,修整量0.02mm;冷卻:乳化液,集中供給;砂輪壽命:2500件(剛玉砂輪30件/片);效果:與白剛玉砂輪相比,耐用度提高200倍,單件生產效率提高40%左右,砂輪成本消耗降低14%。

    ◆磨冰箱(空調)壓縮機芯組件內徑實例砂輪:1A8 12×30×6,1A125×20×13×3V 50m/s鄭州磨料磨具磨削研究所機床:德國Overbeck公司400J-ELC-VA內圓磨床,最高轉速60000rpm;工件:機座,缸體(蓋),HT20~40,FT20,HB170~223,HB70~90,加工余量0.2mm,Ra0.2~0.25,加工節拍:90~120件/h.修整:金剛石滾輪,修整間隔200~300件,修整量0.002mm/次;冷卻:含極壓添加劑的冷卻油;砂輪壽命:20000~2500件/個。另外還有用于螺紋磨,高速鋼刀具齒形和內徑磨削,壓縮機芯組件雙端面磨,珩磨摩托車氣缸和連桿,鈦合金磨削,汽車插桿內徑磨削,汽車轉向器內徑磨削等應用實例。在此就不一一列舉。

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