1 引言
　　
　　CBN砂輪以其優(yōu)良的磨削性能和磨削表面質(zhì)量在高速、超高速磨削、難加工材料的高性能磨削、高效成型磨削等加工領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在磨削過(guò)程中，由于磨削力和磨削區(qū)域高溫、粘附等作用，砂輪工作表面的磨粒會(huì)逐漸鈍化；同時(shí)，砂輪工作表面的磨粒會(huì)因不均勻磨損而失去正確的原始幾何形狀；此外，由于高速磨削的磨屑非常細(xì)小，很容易堵塞砂輪工作表面空隙。為使CBN砂輪始終保持良好的磨削狀態(tài)，在磨削過(guò)程中必須對(duì)砂輪進(jìn)行修整。CBN砂輪的整形、修銳技術(shù)是CBN砂輪應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)相當(dāng)重要的研究課題。
　　
　　CBN砂輪的修整可分為整形和修銳兩個(gè)步驟。整形是通過(guò)改變砂輪的宏觀形狀，使砂輪達(dá)到要求的幾何形狀和尺寸精度，并使磨粒尖端微細(xì)破碎形成鋒利的磨刃；修銳則是通過(guò)去除砂輪磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒凸出結(jié)合劑表面，形成必要的容屑空間，使砂輪具有最佳磨削能力。根據(jù)具體情況，整形和修銳可統(tǒng)一進(jìn)行或同時(shí)完成，也可分步進(jìn)行。
　　
　　2 CBN砂輪的整形方法
　　
　　CBN砂輪的整形方法較多，常用的有車削整形法、滾壓整形法、磨削整形法、電加工整形法等，近年來(lái)又出現(xiàn)了激光整形法。
　　
　　2.1 車削整形法
　　
　　車削法是采用單顆粒金剛石筆、粉末冶金金剛石筆或金剛石修整片等整形工具車削砂輪，以達(dá)到整形目的。
　　
　　1) 單顆粒金剛石筆整形
　　
　　單顆粒金剛石筆具有極高硬度和良好的耐磨性，因此常用于陶瓷結(jié)合劑或樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪的修整。金剛石筆的尖端由于受到熱和力的集中連續(xù)作用，磨損劇烈，因此修整時(shí)應(yīng)通過(guò)合理供給冷卻液進(jìn)行充分冷卻。采用單顆粒金剛石筆修整陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪后，砂輪表面狀態(tài)不易達(dá)到磨削加工要求，容屑空間較小，切削刃較寬，磨削刃不鋒利，若直接用于磨削，初期磨削力和磨削溫度均較大，容易出現(xiàn)磨削燒傷和振紋，因此必須用油石對(duì)修整后的砂輪表面進(jìn)行合理修銳。
　　
　　2) 金剛石片狀修整器整形
　　
　　采用粉末冶金方法將小粒度金剛石顆粒固結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，制成片狀修整器。用金剛石片狀修整器修整CBN砂輪的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低，且片狀修整器磨損后性能變化不大，整形時(shí)可以采用較大的修整進(jìn)給量而不會(huì)增大修整后砂輪的表面粗糙度。
　　
　　2.2 滾壓整形法
　　
　　滾壓整形法是利用旋轉(zhuǎn)的砂輪和滾壓輪之間的相對(duì)滾動(dòng)壓裂結(jié)合劑橋，使磨粒表面崩碎出現(xiàn)微刃。滾壓輪可用硬質(zhì)合金或淬硬鋼制成。滾壓整形法的特點(diǎn)是修整壓力大、修整效率及修整精度較低、修整后砂輪表面損傷層較深、切削刃密度較低、磨粒較尖銳、易磨損但不易堵塞。為降低滾壓力，增加滾壓穩(wěn)定性，可在滾壓輪表面開(kāi)出斜槽或螺旋槽。為避免砂輪表面產(chǎn)生周期性波紋，必須控制砂輪軸與滾輪軸的同軸度。
　　
　　2.3 磨削整形法
　　
　　磨削整形法是用普通磨料砂輪、金剛石砂輪、金剛石滾輪等與CBN砂輪對(duì)磨整形，或用CBN砂輪磨削低碳鋼進(jìn)行整形。
　　
　　1) 普通砂輪磨削整形
　　
　　用綠色碳化硅或白剛玉陶瓷結(jié)合劑砂輪作為整形砂輪，用外圓磨削法對(duì)CBN砂輪進(jìn)行整形。在整形砂輪軸上安裝制動(dòng)器，使整形砂輪與CBN砂輪之間產(chǎn)生相對(duì)速度，可提高整形效率，相對(duì)速度越大，整形效率越高。該方法也可用于修銳，但應(yīng)采用細(xì)粒度(150#～220#)修整砂輪。制動(dòng)整形法的特點(diǎn)是整形壓力較大、對(duì)磨床剛性要求高，對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪容易產(chǎn)生過(guò)整形。
　　
　　2) 低碳鋼磨削整形
　　
　　低碳鋼磨削整形是利用CBN砂輪磨削低碳鋼時(shí)形成的流狀切屑來(lái)刮除結(jié)合劑，達(dá)到整形目的。該方法又可分為單滾筒法和雙滾筒法。雙滾筒法是利用兩個(gè)滾筒的速度差實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)整形，可提高整形質(zhì)量。低碳鋼磨削整形的特點(diǎn)是修整效率及修整精度較低、磨粒脫落較多、整形質(zhì)量不穩(wěn)定。
　　
　　3) 杯形砂輪整形
　　
　　日本東京大學(xué)的莊司克雄研制的杯形砂輪修整器將修整進(jìn)給變?yōu)榍腥脒M(jìn)給，提高了修整精度。采用杯形砂輪對(duì)CBN陶瓷砂輪整形后，CBN砂輪的表面磨粒產(chǎn)生微小破碎，具有良好的容屑槽和尖銳的切刃。杯形砂輪對(duì)CBN砂輪的整形效果優(yōu)于采用金剛石砂輪的整形效果。
　　
　　4) 金剛石滾輪整形
　　
　　金剛石滾輪是采用電鍍法或粉末冶金法將金剛石顆粒固結(jié)在金屬基體的圓周表面上制成的高效成型修整工具，其修整機(jī)理是通過(guò)金剛石滾輪與CBN砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)砂輪整形。修整進(jìn)給量ar和修整速比q(q=vr/vs，vr為金剛石滾輪線速度，vs為CBN砂輪線速度)對(duì)修整后CBN砂輪的磨削性能有重要影響。采用較大修整速比q=修整后的CBN砂輪磨削力較小，但工件表面粗糙度較大。采用較大修整進(jìn)給量ar修整后的砂輪較鋒利。S.Malkin 等人認(rèn)為，金剛石滾輪整形法的修整機(jī)理和修整后砂輪的磨削性能主要由CBN砂輪磨粒軌跡與金剛石磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡之間的夾角(干涉角d)控制，d 越大，修整力越小，但修整后的砂輪表面較粗糙。中速比的選擇范圍為q=0.4～0.7，精密磨削時(shí)應(yīng)選取速比q<-1.0，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)磨削粗糙度要求和砂輪特性確定，例如磨削精密氧化鋯零件時(shí)可采用速比q<-1.0 修整CBN陶瓷砂輪，這樣可獲得較低的粗糙度(Ra=0.06μm)和較高的圓度(0.6μm)。
　　
　　金剛石滾輪整形法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滾輪耐用度高、能同時(shí)在砂輪全寬度上進(jìn)行修整、修整時(shí)間短、修整力小、能復(fù)制特定的砂輪輪廓(尤其對(duì)復(fù)雜型面砂輪具有準(zhǔn)確的復(fù)形能力)、適用于自動(dòng)化生產(chǎn)。該方法在有載或無(wú)載情況下均可使用，可使修整時(shí)間與其它加工輔助時(shí)間交叉重合。
　　
　　2.4 電加工整形法
　　
　　電加工整形法只能用于金屬結(jié)合劑砂輪，主要有電解法、電火花法等。電解法用于整形相對(duì)比較困難。
　　
　　電火花整形法是利用旋轉(zhuǎn)砂輪與工具電極之間產(chǎn)生脈沖火花放電的電腐蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除砂輪表面的金屬結(jié)合劑，以達(dá)到整形和修銳目的。在電火花整形過(guò)程中，砂輪與工具電極間產(chǎn)生的電火花放電脈沖在砂輪表面形成放電凹坑，在重復(fù)放電過(guò)程中，放電凹坑相互重疊，逐漸將砂輪修整到所需形狀。電火花修整的特點(diǎn)是加工力小、適于小直徑和極薄砂輪的修整；如配以高精度電極和合理的放電參數(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)成型砂輪的快速、高精度整形。
　　
　　3 CBN砂輪的修銳方法
　　
　　常用的CBN砂輪修銳方法有自由磨粒修銳法、固結(jié)修銳工具修銳法、電加工修銳法、激光修銳法等。
　　
　　3.1 自由磨粒修銳法
　　
　　1) 氣體噴砂修銳
　　
　　以碳化硅、剛玉或玻璃珠等游離磨粒作為修銳介質(zhì)，用壓縮空氣將修銳介質(zhì)高速噴射到轉(zhuǎn)動(dòng)的CBN砂輪表面，以去除部分結(jié)合劑，形成切削刃，達(dá)到修銳砂輪的目的。采用氣體噴砂修銳法時(shí)，應(yīng)正確選擇磨料粒徑、噴射壓力和修銳時(shí)間。例如用粒徑為100～150μm 的玻璃珠，以60～70KPa 的壓力(或用粒徑50μm 的WA 顆粒，以100～140KPa 壓力)對(duì)CBN砂輪進(jìn)行噴砂修銳，只需數(shù)分鐘即可獲得滿意的修銳效果。
　　
　　2) 超聲振動(dòng)修銳
　　
　　被修砂輪以一定速度旋轉(zhuǎn)，將超聲振動(dòng)修銳裝置調(diào)整到諧振狀態(tài)，按一定頻率和振幅作超頻縱向振動(dòng)。將混油磨料(20#機(jī)油+碳化硅或剛玉磨粒)注入到修銳器與砂輪之間，利用修整元件傳遞的能量和主動(dòng)顫振，使游離磨粒直接撞擊砂輪表面，對(duì)結(jié)合劑進(jìn)行切削去除，使CBN磨粒凸出砂輪表面，獲得較好的修整效果。試驗(yàn)表明，CBN砂輪與修整元件之間的預(yù)留間隙小于游離磨粒平均尺寸的1/2時(shí)，間隙大小對(duì)修銳效果沒(méi)有影響。
　　
　　3) 彈性修銳
　　
　　將混油磨料注入CBN砂輪與修整元件之間，由旋轉(zhuǎn)的砂輪帶動(dòng)混油磨料通過(guò)砂輪與修整元件的間隙，游離磨粒擠研CBN砂輪上的結(jié)合劑以達(dá)到修銳目的。當(dāng)游離磨粒碰到硬質(zhì)點(diǎn)CBN磨粒時(shí)，可以轉(zhuǎn)向或退讓，而專門切削和擠研軟質(zhì)點(diǎn)結(jié)合劑，同時(shí)修整過(guò)程中修整元件的自然顫振也增強(qiáng)了修整效果。彈性修銳法能有效修銳CBN砂輪，而不會(huì)破壞砂輪的形狀精度，可以通過(guò)選擇修整磨粒的平均尺寸，較準(zhǔn)確地控制CBN磨粒的凸出高度。彈性修銳法常用于樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪的修銳。
　　
　　4) 游離磨粒擠壓修銳
　　
　　利用壓力(也可不用壓力)將碳化硅或剛玉磨粒注射到CBN砂輪與鋼修整輪之間，二者間隙應(yīng)小于磨粒平均直徑。游離磨粒擠研CBN砂輪上的結(jié)合劑，使砂輪磨粒凸出結(jié)合劑表面，達(dá)到修銳目的。用該法修銳樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪時(shí)，初始磨損較大，磨削比較低。
　　
　　5) 液壓噴砂修銳
　　
　　該方法是利用高壓液體和磨粒的運(yùn)動(dòng)達(dá)到去除砂輪表面結(jié)合劑的目的。高壓泵以約15MPa的壓力和20 l/min的流量輸出冷卻液，冷卻液進(jìn)入旋渦室形成負(fù)壓，并從側(cè)孔吸入大量空氣和修銳介質(zhì)(碳化硅或剛玉游離磨粒)，與冷卻液混合后，通過(guò)陶瓷噴嘴以一定速度和傾角a噴射到轉(zhuǎn)動(dòng)的CBN砂輪表面。
　　
　　用金剛石滾輪對(duì)CBN砂輪整形后再進(jìn)行液壓噴砂修銳(修銳時(shí)間為30 秒)，可獲得良好的修銳效果。若砂輪僅進(jìn)行整形，砂輪表面粗糙度為10～15μm；若整形后再進(jìn)行液壓噴砂修銳，則砂輪表面粗糙度可增大到30～35μm。比較修銳后的表面粗糙度及CBN磨粒的平均直徑，可知CBN砂輪表面磨粒間的結(jié)合劑去除量約占CBN磨粒直徑的一半。若單獨(dú)增加修銳時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致更多結(jié)合劑被去除，易使CBN磨粒脫落，因此修銳時(shí)間不宜超過(guò)極限修銳時(shí)間。
　　
　　液壓噴砂修銳是一種高效修銳方法，可在短時(shí)間內(nèi)獲得滿意的修銳效果。用金剛石滾輪整形的同時(shí)進(jìn)行液壓噴砂修銳可減少金剛石滾輪的磨損。在磨削過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行液壓噴砂修銳可增加金屬切除率。
　　
　　3.2 固結(jié)修銳工具修銳法
　　
　　碳化硅或剛玉塊切入修銳修銳塊在半徑方向上以切入速度vfr壓向CBN砂輪進(jìn)行修銳，修銳塊磨粒的硬度足以切除CBN磨粒間的結(jié)合劑。當(dāng)CBN磨粒與修銳塊磨粒相遇時(shí)，由于CBN磨粒硬度更高，修銳塊磨粒將發(fā)生破碎。修銳塊磨粒間隙中填滿碎磨粒有助于對(duì)結(jié)合劑進(jìn)行切削，從而使CBN砂輪上較淺的磨粒脫落。被修整砂輪的有效粗糙度與剛玉塊單位寬度磨耗體積以及切入速度vfr有關(guān)，被修整砂輪的有效粗糙度最終將趨于一極限值，該極限值隨vfr的增大而增大。
　　
　　1) 普通砂輪磨削修銳
　　
　　用修整輪(碳化硅砂輪或剛玉砂輪)作切入式外圓磨削，修銳CBN砂輪。修整輪速度vr與CBN砂輪速度vs的關(guān)系應(yīng)為vr≈vs-1(m/s)。
　　
　　2) 油石修銳
　　
　　油石修銳是應(yīng)用較廣泛的修銳方法，它主要通過(guò)接觸區(qū)破碎磨粒的擠研作用去除CBN砂輪的結(jié)合劑。采用不同粒度的油石修銳后磨粒的凸出高度均在6～10μm。由于油石修銳無(wú)法獲得較大的磨粒凸出高度，因此不能用于大切削用量磨削用CBN砂輪的修銳。采用油石修銳法對(duì)電鍍CBN砂輪進(jìn)行微量整形可去除鍍層表面過(guò)高或結(jié)合不牢的CBN磨粒，從而改善磨粒的等高性，減少電鍍砂輪型面的尺寸誤差。
　　
　　除上述修銳方法外，還有修銳棒、修銳膏、金屬絲刷、硬質(zhì)合金塊、低碳鋼磨削修銳法、磁性磨料修銳法等。
　　
　　3.3 電加工修銳法
　　
　　常用的電加工修銳法有電解在線修整法(ELID)、電火花修銳法、電解電火花復(fù)合修銳法等。電加工修銳法的效率較高，可進(jìn)行在線、在位修銳。
　　
　　電解在線修銳(ELID)法可實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶硅、陶瓷鋼結(jié)硬質(zhì)合金等的精密超精密鏡面磨削。在軸承鋼外圓磨削方面也取得了良好效果。例如用ELID 法磨削軸承鋼外圓，采用4000#鑄鐵結(jié)合劑CBN砂輪，表面粗糙度約為Ra0.020μm，磨后表面壓應(yīng)力為150～400MPa。
　　
　　電火花修銳方法包括電火花放電修銳法、接觸放電修整(ECDD)法等，其工作原理與電火花整形相同。ECDD 修銳技術(shù)可使磨粒凸出量為常數(shù)，并能獲得高的材料去除率。應(yīng)用ECDD 在線修銳磨削，可減小磨削力，延長(zhǎng)砂輪壽命，提高磨削質(zhì)量。
　　
　　3.4 新型修銳方法
　　
　　1) 激光修銳法
　　
　　將激光束垂直照射于砂輪上，利用激光產(chǎn)生的熱量使砂輪表面的結(jié)合劑部分融化蒸發(fā)或汽化，從而增加砂輪表面磨粒高度和有效磨粒數(shù)，改善容屑空間和磨粒等高性。當(dāng)掃描能量密度一定時(shí)，激光的脈沖頻率和占空比對(duì)修銳效果有一定影響，其中激光頻率的影響更為顯著，頻率越高，修銳效果越差；增大占空比有利于改善修銳效果；增大激光功率有助于增大磨粒凸出高度。
　　
　　2) 高壓水噴射修銳法
　　
　　將高壓水柱垂直噴射于砂輪表面，利用水柱的高壓沖擊力去除砂輪表面的磨屑及部分結(jié)合劑，從而增加磨粒凸出高度，形成足夠的容屑空間。合理控制噴射壓力和噴射距離，可獲得良好的修銳效果。例如用325#CBN砂輪精磨Ti6Al4V合金時(shí)，采用107.1MPa的噴射壓力和20mm 的噴射距離進(jìn)行修銳，可顯著延長(zhǎng)修整周期和降低工件表面粗糙度，但過(guò)高的噴射壓力會(huì)導(dǎo)致砂輪損傷。高壓水噴射修銳法的特點(diǎn)是無(wú)需考慮修銳工具的磨損，修銳裝置簡(jiǎn)單，易于控制和操作。
　　
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　
　　CBN砂輪的整形方法較多，其中以金剛石滾輪整形法效果較好，在實(shí)際操作中可根據(jù)需要選擇合適的整形方法。CBN砂輪修銳方法的特點(diǎn)是避開(kāi)對(duì)CBN磨粒的作用，直接針對(duì)結(jié)合劑進(jìn)行蝕除，因此在各種CBN砂輪修銳方法中，自由磨粒修銳法效果較好。
　　
　　為提高CBN砂輪的修整技術(shù)水平，應(yīng)加快對(duì)新型修整原理及其應(yīng)用技術(shù)的研究。修整系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)優(yōu)先考慮通用的高效修整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。目前東北大學(xué)正在進(jìn)行超高速磨削和智能磨削技術(shù)的研究，與之相關(guān)的修整技術(shù)和智能修整系統(tǒng)的研究也在進(jìn)行中。
　　
　　本文作者:東北大學(xué) 馮寶富 蔡光起
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