王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001)

立方氮化硼砂輪在高技術(shù)制造業(yè)中的應用

王光祖

(鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001)

鈦合金、鎳基高溫合金與淬硬鋼等難加材料在高技術(shù)制造業(yè)中的廣泛應用，驅(qū)動著立方氮化硼(cBN)砂輪向高速/超高速磨削方向快速發(fā)展。文章對立方氮化硼砂輪在難加工材料中的應用進行了闡述。指出，發(fā)展高速cBN砂輪，有利于加工效率和工件表面質(zhì)量的提高，有利節(jié)約能源與資源，降低生產(chǎn)成本，有利于環(huán)境保護，符合綠色發(fā)展的方向。同時還列舉了眾多的國內(nèi)專家學者科研所取得的成果結(jié)論，以展示其重要的意義與價值。

立方氮化硼砂輪;難加工材料;高速/超高速磨削;綜述;應用

用cBN磨料制備的砂輪，在鈦合金、鎳基高溫合金與淬硬鋼等難加工材料的加工中得到應用。

超高速磨削加工是先進制造領域最引人關(guān)注的高效加工技術(shù)之一。超高速磨削有生產(chǎn)效率高、砂輪使用壽命長、磨削表面粗糙度值低、磨削溫度低及磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高等特點。

鈦合金以其比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫、疲勞強度高等一系列優(yōu)異性能在世界航空航天領域得到廣泛應用。由于鈦合金存在導熱系數(shù)小、彈性模量小、回彈量大等材料特性，導致其屬于典型難加工材料，其磨削加工一直是鈦合金機械加工領域的難題。為充分發(fā)揮高速磨削技術(shù)在鈦合金材料加工領域的優(yōu)勢，系統(tǒng)探究鈦合金高速磨削力、磨削溫度和磨削表面形態(tài)對實現(xiàn)鈦合金高品質(zhì)磨削加工具有非常重要的意義。

1 在船舶曲軸磨削中的應用

船舶曲軸是船舶發(fā)動機的關(guān)鍵零部件，被視為船舶柴油機的“心臟”，對船舶的安全起著至關(guān)重要的作用，其加工質(zhì)量和加工效率直接影響發(fā)動機的質(zhì)量與成本。為提高曲軸的質(zhì)量與加工效率，采用高速陶瓷cBN砂輪加工成為普遍趨勢之一。隨著我國高速/超高速汽車曲、凸輪軸數(shù)控磨床的研制成功，高速cBN砂輪在相關(guān)制造行業(yè)得到了推廣應用。國家從中長期科學和技術(shù)發(fā)展的角度出發(fā)，由工信部支持了兩項與曲軸高速磨削加工相關(guān)的國家科技重大專項項目。基于這兩個項目，魯濤，杜雄［1］等介紹了超高速磨削船舶曲軸用陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪在大型船舶曲軸磨床上的磨削成果，并以此為契機推動高速超高速陶瓷cBN砂輪在船舶等行業(yè)發(fā)動機關(guān)鍵零部件加工方面的應用。

他們對陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪工作層配方和砂輪基體進行優(yōu)化設計后，制備了船舶曲軸用cBN砂輪，并進行了磨削試驗研究，其結(jié)論是:

(1)對于硬度較低、韌性較好、不進行熱處理的鋼材料，采用自銳性好、硬度品級的cBN磨料和高份量結(jié)合劑、高濃度磨料制作的砂輪工作層，能夠達到對材料進行高速磨削的要求。

(2)通過對基體進行有限元分析和優(yōu)化設計，優(yōu)化了基體的結(jié)構(gòu)，使其在滿足砂輪對基體力學要求的前提下，達到了質(zhì)量最小化，優(yōu)化后基體的質(zhì)量減少了45%。

(3)砂輪磨削曲軸時，砂輪的修整方法對砂輪的磨削效果影響較為顯著，砂輪的動平衡量對磨削效果影響較小。砂輪的最佳修整參數(shù)為:順修，滾輪轉(zhuǎn)速3000r/min，砂輪轉(zhuǎn)速 450r/min，縱向的移動速度230mm/min。

2 在航空發(fā)動機零件高效精密加工中的應用

近幾年來，航空業(yè)對發(fā)動機性能的要求不斷提高，零件的結(jié)構(gòu)越來越復雜，所用的材料性能也在不斷提高，加工難度越來越大。高速、高效、高精度的cBN砂輪在航空發(fā)動機零件磨削加工中的應用，可大大提高加工效率和零件的質(zhì)量，成為高效精密加工領域研究的方向之一。

航空發(fā)動機零件的結(jié)構(gòu)比較復雜，材質(zhì)多為鈦合金和鎳基高溫合金。磨削加工中，通常使用陶瓷剛玉或碳化硅砂輪，采用平面、外圓或成型磨削工藝，在低速磨床上進行深切緩進磨削。這種磨削方式材料去除率很低，砂輪損耗較快，需要頻繁修整，工件加工質(zhì)量一致性差。

與傳統(tǒng)的磨削工藝相比，高效精密磨削技術(shù)可以有效提高磨削加工效率及加工表面的質(zhì)量，實現(xiàn)高的材料去除率。同時作為高效精密磨削加工中的重要工具，cBN砂輪具有導熱性好、穩(wěn)定性好、耐用度高等特點，特別適合于鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的加工。所以，越來越多的專家和學者開始關(guān)注cBN砂輪在航空零件高效精密磨削中的應用，并圍繞cBN砂輪在航空領域的應用開展了多方面的研究工作。

鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司的閆寧，李學文等［2］通過對cBN砂輪在航空發(fā)動機零件的高效磨削進行研究，在他們的分析中指出:

(1)在航空發(fā)動機零件的加工中，與普通陶瓷砂輪相比，cBN砂輪具有明顯優(yōu)勢及廣闊的應用前景。

(2)航空發(fā)動機零件高效精密磨削技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了cBN砂輪市場的需求，給cBN砂輪制造廠家?guī)砹饲八从械臋C遇和挑戰(zhàn)。

(3)cBN環(huán)砂輪在航空發(fā)動機行業(yè)的推廣應用，需要航空發(fā)動機生產(chǎn)廠家、砂輪廠家及磨床廠家的共同合作，從而實現(xiàn)產(chǎn)品升級換代，技術(shù)創(chuàng)新。

3 磨削軸承內(nèi)圓

軸承被譽為裝備制造的“心臟”部件，2015年，我國軸承產(chǎn)量將達到280億套，但是，我國高檔軸承仍大量依靠進口。軸承加工精度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，軸承內(nèi)、外圓和滾動體三個零件的磨削加工，直接決定著軸承的精度［3］。砂輪是軸承磨削加工的關(guān)鍵工具，既決定軸承精度和表面質(zhì)量，也決定磨削工序節(jié)能、環(huán)保和效率。在國內(nèi)，由于砂輪性價比和應用技術(shù)兩大因素的限制，加工環(huán)保意識不強，大部分企業(yè)仍然使用普通砂輪加工零件。與普通砂輪相比，cBN砂輪加工效率可提高近一倍、使用壽命提高約100倍、修整間隔延長近200倍、廢渣減少約90%、工人勞動強度大幅度降低、資源節(jié)約、環(huán)境友好，盡管cBN砂輪單位體積的價格高了近100倍，但仍有誘人的應用前景和重要的研究價值。

cBN砂輪應用技術(shù)在相當程度上影響了加工工件的效果。實驗發(fā)現(xiàn)，當成功滿足產(chǎn)品不燒傷、無振紋、能達到大規(guī)模生產(chǎn)效果和耐用性要求后，表面粗糙度這一技術(shù)指標最難攻克。在兼顧效率和效果時，為了使表面粗糙度滿足要求，各種參數(shù)如何調(diào)整，調(diào)整幅度多大比較合適?劉泓，劉仲武［4］等采用正交實驗研究這一問題。預選砂輪磨削參數(shù)的研究區(qū)間，采用正交實驗研究砂輪磨削過程中各種磨削參數(shù)對軸承內(nèi)圓表面粗糙度的影響規(guī)律［5-6］，為生產(chǎn)過程中不同工況下磨削參數(shù)的調(diào)整提供了參考依據(jù)。

研究的結(jié)論是:

(1)光磨時間和線速度對加工內(nèi)圓表面粗糙度影響明顯，振蕩頻率和進給速度對表面粗糙度的影響相對較小。

(2)正交實驗可以一定程度的量化各參數(shù)對表面粗糙度的影響幅度。利用這種影響規(guī)律，可在實際生產(chǎn)過程中優(yōu)化磨削參數(shù)。

(3)正交實驗理論分析優(yōu)化實驗參數(shù)組合時，粗糙度值是0.824 5μm，與實際結(jié)果為 0.775 4μm～0.837 5μm基本相符，證明正交實驗是一種用于優(yōu)化磨削參數(shù)的合適的研究方法。

4 高速cBN砂輪在機械加工中的應用［7］

陶瓷cBN砂輪，從原材料生產(chǎn)過程，砂輪的制造過程及砂輪的使用過程，對資源和能源的消耗都是極低的，屬于節(jié)能型的高技術(shù)產(chǎn)品，是其它磨削工具無法比擬的。

4.1 節(jié)約原材料和能源

以加工凸輪軸和曲軸為例進行分析:

(1)磨削汽車零件——凸輪軸加工

在加工相同的工件條件下，高速陶瓷cBN砂輪的耐用度是普通陶瓷剛玉砂輪的100倍，是普通陶瓷剛玉砂輪壽命的44.4倍，單片原材料消耗僅為普通陶瓷剛玉砂輪的1/56。從實際生產(chǎn)過程來看，普通砂輪的更換頻繁，修整次數(shù)多，采用高速陶瓷cBN砂輪可替代剛玉砂輪提高生產(chǎn)率30%以上。

(2)磨削汽車零件——曲軸加工

在砂輪制造過程中，高速陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪采用低溫結(jié)合劑，燒成溫度在900℃左右，而剛玉砂輪燒成溫度在1300℃，同等重量的砂輪可節(jié)約能源消耗近一半。如此算來，加工同等數(shù)量的工件，在砂輪制造過程中的能源消耗，普通剛玉砂輪是高速磨陶瓷cBN砂輪的100倍以上。

由于高速cBN砂輪的磨料消耗極少，產(chǎn)生的磨削產(chǎn)物也極少，使用高速cBN砂輪加工所產(chǎn)生的金屬磨屑可以直接回收利用，而相同的工件數(shù)量，使用剛玉砂輪進行加工，剛玉磨料的消耗是高速cBN砂輪的100余倍，其磨削殘留物留于磨屑中，使得磨屑的回收利用極為困難，實際生產(chǎn)中基本作為廢棄物處理，對環(huán)境保護大為不利。高速cBN砂輪耐用度較高，修整頻次很小，而剛玉砂輪修整頻次是高速cBN砂輪的100倍左右。因此，使用高速cBN砂輪可以極大地減少砂輪修整次數(shù)，使得砂輪修整中所產(chǎn)生的粉塵污染大幅度降低。

4.2 減少加工工序，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本

同樣，以加工凸輪軸和曲軸為例進行分析:

(1)凸輪軸磨削

實驗結(jié)果顯示，高速陶瓷cBN砂輪的磨損速度比剛玉砂輪少上百倍，cBN砂輪的磨削生產(chǎn)周期較短，單片cBN砂輪磨削一根4缸8凸輪轎車凸輪軸僅用2min，采用雙片cBN砂輪的加工效率可以在1min之內(nèi)完成;而剛玉砂輪則需要3min，cBN砂輪修整時間少，剛玉砂輪每磨4個凸輪就需要修整，cBN砂輪磨600個凸輪才需修整一次。cBN砂輪較高的生產(chǎn)效率減少了勞動費用和企業(yè)管理費用，綜合生產(chǎn)成本比剛玉砂輪磨削降低了60%。

(2)曲軸磨削

用cBN砂輪磨削一個四缸轎車發(fā)動機曲軸軸頸及側(cè)面，耗時不到1min。而這個過程要去除曲頸上10mm的余量和曲頸端面上3mm的余量，一片砂輪可以磨削40 000～60 000個工件［8］。采用陶瓷cBN砂輪加工，不僅節(jié)省了車削、車鉸等粗加工工序，同時也縮短了粗、精加工之間所需熱處理時間，使生產(chǎn)周期大為縮短。

5 應用技術(shù)研究成果薈萃

徐西鵬［9］等采用SiC、cBN砂輪對TC4進行了緩進給的磨削對比試驗，結(jié)果表明，cBN砂輪的磨削性能明顯優(yōu)于SiC砂輪。

徐西鵬［10］等分別采用Al2O3、cBN砂輪對k417航空葉片材料進行了緩進給的磨削對比試驗，結(jié)果顯示，與Al2O3砂輪相比，cBN砂輪在磨削效率和耐磨性方面具有很大優(yōu)勢。

傅玉燦［11-12］等針對鈦合金的燒傷機理進行了分析，研究了開槽cBN砂輪深切緩進給磨削鈦合金的過程，采用構(gòu)造的熱源模型，得到了磨削弧區(qū)工件表層溫度分布的理論解析式，并結(jié)合表層溫度的數(shù)據(jù)，證實了開槽cBN砂輪輔以弧區(qū)定向高壓水射流沖擊強化了換熱時，具有良好的冷卻效果。

陳琛［13］等采用熱管砂輪緩進給深切磨削鈦合金試驗，結(jié)果表明，熱管砂輪能將磨削弧區(qū)聚集的熱量，通過砂輪內(nèi)部熱管的換熱作用快速疏導岀去，從而有效降低磨削熱，避免了工件的燒傷。

鄭州三磨所研制的陶瓷cBN砂輪，采用深切緩進的磨削工藝磨削高溫合金榫齒，與普通陶瓷剛玉砂輪相比，在切深不變的情況下，工件的進給速度可由原來的200mm/min增加到600mm/min，工件表面粗糙度值由原來的Ra0.8～1.6μm降低到04μm。目前，已有部分規(guī)格的cBN砂輪在航空零件緩進深切磨削工藝中得到應用。

邱琦［14］研究了高速/超高速磨削加工原理，結(jié)果表明，普通磨削是通過磨粒切削刃對材料的剪切作用實現(xiàn)去除材料的目的，而高速/超高速磨削是通過磨料對材料的高速沖擊，形成一橢圓形的高溫高壓流動體，流動體內(nèi)的流動物質(zhì)在磨粒的高速擠壓下從磨粒的前端溢出來，同時隨磨粒的運動被帶出磨削區(qū)域，從而形成磨屑。該技術(shù)用于加工鈦合金材料為代表的高黏度、高韌性的工件時，也能獲得良好的加工效果。

盛曉敏［15］等，采用陶瓷cBN砂輪對TiC4鈦合金進行了超高速磨削，當砂輪速度為150m/s、切削深度為18mm時，材料去除率達到180mm3/(mm·s)。

黑華征［16］對鈦合金進行了砂輪速度為150m/s的高效成型磨削試驗，材料去除率達到 100mm3/ (mm·s)，結(jié)果顯示，工件表面形貌較好，無燒傷。

6 結(jié)語

(1)cBN砂輪是高速磨削技術(shù)發(fā)展的必要條件，隨著高速/超高速磨削技術(shù)的發(fā)展，其在航空發(fā)動機零件加工中的應用備受關(guān)注。

(2)近年來，高效深切磨削技術(shù)作為“現(xiàn)代磨削技術(shù)發(fā)展高峰”，是緩進給磨削和高速/超高速磨削的完美結(jié)合。此磨削技術(shù)是加工鈦合金材料的一種切實可行的方法，能極高地提高加工效率，降低加工成本，并能得到較好的表面質(zhì)量。

(3)近年來，隨著超高速磨削技術(shù)的快速發(fā)展，高強度結(jié)合劑的制備、砂輪基體優(yōu)化設計、異型砂輪的成型等關(guān)鍵技術(shù)已成為專家學者研究開發(fā)的熱點。

(4)cBN砂輪在航空發(fā)動機行業(yè)的推廣應用，需要航空發(fā)動機生產(chǎn)廠家、砂輪廠家及磨床廠家的共同合作，從而實現(xiàn)產(chǎn)品升級換代，技術(shù)創(chuàng)新。

(5)cBN砂輪由于其自身的優(yōu)異性能，已有部分規(guī)格型號在航空發(fā)動機零件磨削加工中得到應用。但是，如果從砂輪－工藝－磨床的綜合性能優(yōu)化匹配方面考慮，cBN砂輪在航空領域的推廣目前還存在諸如磨床性能需要提升，cBN砂輪的匹配性不好等問題。

(6)使用高速cBN砂輪不僅能有效地減少原材料的消耗，而且能顯著地節(jié)約能源。

(7)高速cBN砂輪具有高效率、高精度、低磨削成本、低環(huán)境污染等優(yōu)勢，代表了今后磨具產(chǎn)品的發(fā)展方向，是實現(xiàn)綠色加工的有效手段。

(8)從實際的生產(chǎn)過程來看，普通砂輪更換頻繁，修整次數(shù)多，采用高速陶瓷cBN砂輪代替剛玉砂輪可提高生產(chǎn)效率30%以上，綜合生產(chǎn)成本比剛玉磨削降低60%。

［1］魯濤，杜雄，等.陶瓷cBN砂輪在船舶曲軸磨削中的應用［J］.金剛石與磨料磨具工程，2015(6):28-21.

［2］閆寧，李學文，等.cBN砂輪在航空發(fā)動機零件下高效磨削加工中的應用［J］.金剛石與磨料磨具工程，2015(4):15-21.

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Applications of cBN grinding wheels in the high-tech manufacturing

Wang Guang-zu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasive＆Grinding，Zhengzhou 450001)

The wide application of difficult-to-cut materials such as titanium alloy，nickel-base superalloy and quenched steel in high-tech industries has been pushing the development of cBN grinding wheel towards high/ultra-high speed grindng.The applications of cBN grinding wheels in the machining of difficult-to-cut materials has been expounded in this article.It is pointed out that the development of cBN grinding wheel can help to improve processing efficiency and workpiece surface quality，save energy and resources，reduce production cost and protect environment，which is in line with the direction of green development.Meanwhile，research results of many domestic experts，scholars and scientific research institutes have been listed in order to demonstrate its significance and value.

cBN grinding wheel;difficult-to-cut materials;high/ultra-high speed grinding;overview;application

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0037－04

2016－07－15

王光祖(1933－)，男，教授，長期從事超硬材料及制品的研發(fā)工作，出版多部專著，發(fā)表上百篇學術(shù)論文。

王光祖.立方氮化硼砂輪在高技術(shù)制造業(yè)中的應用［J］.超硬材料工程，2016，28(6):37-40.