單層釬焊cBN砂輪中磨粒有序排布形式對工件表面粗糙度的影響①

郭高鋒，張鳳林＊，周玉梅，2

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006，2.仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東廣州 510225）

單層釬焊cBN砂輪中磨粒有序排布形式對工件表面粗糙度的影響①

郭高鋒1，張鳳林1＊，周玉梅1，2

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006，2.仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東廣州 510225）

磨粒采用有序排布技術不僅可以降低原料成本，還可以提高cBN砂輪的磨削效率和使用壽命。本研究提出了四個磨粒有序排布的排布參數，包括橫向間距ΔX，縱向間距ΔZ，錯位距離ΔZv以及排列線傾角α，通過組合不同的磨粒排布參數，制備磨粒排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，并將其應用于磨削加工淬硬鋼實驗，研究了磨粒排布形式對工件表面粗糙度的影響。分析表明：隨著磨粒縱向間距的增大，工件表面粗糙度也隨之增大；而磨粒橫向間距和排布傾角對工件表面粗糙度的影響很小。隨著磨粒目數的增大，工件表面粗糙度也呈現逐漸減小的趨勢。

cBN砂輪；有序排布；表面粗糙度

1 引言

立方氮化硼（cBN）具有僅次于金剛石的極高硬度，而且又不易與鋼鐵材料反應而消耗，因此cBN是黑色金屬材料加工工具的理想原材料［1］。因此PcBN切削刀具及cBN砂輪在加工鑄鐵及鋼質零件中有較多的應用。在常規的多層或者單層（樹脂、燒結、電鍍）cBN砂輪中，cBN磨料在工具基體上是隨機分布的。加工時，cBN富集的地方由于濃度高，重復磨損嚴重，且由于容屑空間減小，工具易于堵塞，降低了磨削效率；而cBN稀少的地方，單顆cBN承受的工作負荷過大，易于破碎和脫落，也不能有效利用cBN，降低了磨削效率［2］。研究顯示：cBN顆粒排布的位置是影響磨粒出刃率和磨損率一個重要的因素［3］，因此近年來針對單層有序排布超硬磨料砂輪成為一個熱點研究方向，與隨機排布的單層超硬磨料砂輪相比，有序排布砂輪上的磨粒間距大，出刃高度增加，出現團聚的可能性小，磨料的浪費少，成本可以更低（圖1），比如單層釬焊超硬磨料砂輪［4，5，6］。

圖1 有序排布與隨機排布cBN工具的比較Fig.1 Comparison of orderly and random arraying cBN tools

目前單層釬焊砂輪的磨粒有序排布方式包括：復制技術、有序陣列法、孔板法、激光快速成型技術和點膠法等［7］。本論文利用模板法實現cBN磨粒的有序排布，并設定了四個磨粒有序排布參數［8］。然后通過組合不同的排布參數，制備出磨粒排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，并將其應用于磨削加工淬硬鋼的實驗。據此來研究磨粒排布形式對單層釬焊cBN砂輪磨削淬硬45鋼的工件表面粗糙度的影響。

2 實驗方案

在磨削實驗中，磨削設備采用MDK820電動數控平面磨床，實驗材料為淬硬45鋼，工件大小尺寸為：長20mm×寬20mm×高10mm，實驗所用砂輪為自制的單層釬焊有序排布cBN砂輪，主要尺寸大小為：外徑180mm×孔徑31.75mm×寬度20mm。設定的四個磨粒有序排布參數分別為橫向間距ΔX、縱向間距ΔZ、錯位距離ΔZv以及排列線傾角α，圖2為設定的磨粒排布參數示意圖。共有16個排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，其磨粒有序排布形式及砂輪編號如表1所示。實驗前砂輪經過嚴格的動、靜平衡檢測。

圖2 有序排布參數示意圖Fig.2 Schematic illustration of orderly arraying parameters

磨削實驗如圖3所示。本實驗主要研究在磨削工藝參數不變的情況下，不同的磨粒有序排布形式和不同磨粒粒度大小對磨削工件表面粗糙度的影響。

圖3 實驗工作原理示意圖Fig.3 Schematic illustration of experimental principle

本次實驗采用的磨削用量如表2所示。每磨削1分鐘后，用TR200型手持式表面粗糙度儀采用針描法測量其表面粗糙度。粗糙度參數為Ra，取樣長度為0.8mm，評定長度為取樣長度的5倍，對Ra測量4次以上取其平均值，對比各個粗糙度平均值，分析不同有序排布形式對被加工材料表面質量的影響。為了確保磨削用量不變，使測量結果不受磨削用量的影響，在加工到一定時間以后，直接退刀，使測量結果不受光磨時間的影響。

表1 砂輪編號及其磨粒排布形式Table 1 Number of grinding wheels and its arrangement forms of abrasive

表2 磨削工藝參數Table 2 Parameters of grinding technology

3 實驗分析

磨削實驗采用單因素法，研究磨粒有序排布形式對磨削溫度的影響。實驗過程中磨削工藝參數保持不變，主要考慮磨粒相同排布密度、不同排布密度、不同排列傾角和不同磨粒粒度的影響。

3.1 相同排布密度的影響

在磨粒排布密度相同的情況下，主要是改變排布參數橫向間距ΔX和縱向間距ΔZ，使磨粒排布形式發生變化。此組實驗使用的a組砂輪，編號為a1、a2、a3和a4，磨粒排布形式是橫向間距ΔX逐漸減小，縱向間距ΔZ逐漸增大。相同密度下的磨粒排布方式對工件粗糙度影響如圖4所示，實驗表明：磨粒排布密度相同時，隨著橫向間距ΔX的減小，縱向間距ΔZ的增大，工件表面粗糙度呈現逐漸增大趨勢。分析原因，主要是由于文中所測工件粗糙度為垂直于磨削紋路方向的粗糙度，主要由縱向間距ΔZ影響。所以當縱向間距ΔZ增大時，工件表面粗糙度也會相應增大。特別是ΔZ從1.0變化到1.5和從2.0變化到3.0時的工件表面粗糙度變化幅度比ΔZ從1.5變化到2.0時的大，原因可能是前者ΔZ的增加量為50%，而后者ΔZ的增加量僅約為33%。

圖4 相同密度排布形式對工件表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of same density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.2 不同排布密度的影響

不同排布密度是指砂輪磨削面單位面積磨粒數不同。本實驗中主要是在確定縱向間距ΔZ的情況下，改變橫向間距的ΔX的大小，從而實現改變磨粒排布密度的目的。使用b組砂輪做此實驗，砂輪編號為b1、b2、b3和b4，磨粒排布形式為縱向間距ΔZ不變，橫向間距ΔX的大小依次增大。不同密度下磨粒排布方式對工件表面粗糙度的影響如圖5所示。從圖中可以看出，工件表面粗糙度值在Ra6.5附近上下浮動，變化很小。據此可以判定：當縱向間距ΔZ固定不變時，無論橫向間距ΔX如何變化，工件表面粗糙度值幾乎不受影響。這個結論也正好印證了a組砂輪實驗所得到的結論：工件表面粗糙度值主要由縱向間距ΔZ所影響。

圖5 不同密度排布形式對工件表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of different density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.3 不同排布傾角的影響

實驗選用c組的四個砂輪，編號為c1、c2、c3和c4，磨粒排布傾角α依次為30°、50°、70°和90°，傾角逐漸增大，其余排布參數保持一致。不同排布傾角對工件表面粗糙度的影響如圖6所示。從圖中可以看出，隨著排布傾角α的增大，工件表面粗糙度值先減小后增大，但是變化幅度較小，只是在Ra7.5上下浮動。所以可以知道，磨粒排布傾角對工件表面粗糙度影響不大。相比較來說，排布傾角α為50°時，工件表面粗糙度更好一些，可能是因為排布傾角α為50°時，更有利于磨屑的順利排出。

圖6 不同傾角排布形式對工件表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of different alignment angle on the surface roughness of workpieces

3.4 不同磨粒粒度的影響

實驗選用d組的四個砂輪，編號分別為d1、d2、d3和d4，磨粒粒度依次為30／40目、50／60目、60／70目和80／100目，磨粒粒徑是從大到小變化的，其它各項排布參數都完全相同。不同磨粒粒度對工件表面粗糙度的影響如圖6所示。從圖中可以看出，30／40目粒度的砂輪磨削加工的工件表面粗糙度值最大，為Ra6.75；其次是50／60目粒度的砂輪，磨削加工的工件粗糙度值為Ra5.73；然后是60／70目粒度的砂輪，磨削加工的工件粗糙度值為Ra4.86。這三個粒度的砂輪隨著磨粒粒度的增加，粒徑的減小，磨削加工的工件粗糙度值也隨之減小。分析原因，是因為磨粒粒度增大，粒徑隨之減小，則在磨削加工時，單顆磨粒在工件上留下的溝槽寬度就會隨之減小，所以導致工件表面粗糙度也隨之減小。從圖中還可以看到80／100目粒度的砂輪磨削加工的工件粗糙度值為Ra5.14，反而比70／80目粒度的砂輪磨削所得的粗糙度大。分析原因，可能是由于80／100目粒度的磨粒粒徑較小，大約為0.17mm，而設定的磨粒錯位間距為0.2mm，相對較大，所以引起磨粒在工件表面留下的溝槽間距反而會比70／80目的更大，最終導致工件表面粗糙度值變大。

圖7 不同磨粒粒度對工件表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of different abrasive grits on the surface roughness of workpieces

4 結語

本文設定了4個磨粒有序排布參數，并組合不同的排布參數，形成4種排布類型，16個排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪。研究了在磨削工藝參數一定的情況下，不同的磨粒排布形式對工件表面粗糙度的影響，總結了工件表面質量變化的規律，結論如下：

（1）無論是在不同磨粒排布密度還是相同磨粒排布密度的情況下，隨著磨粒縱向間距的增大，工件表面粗糙度也隨之增大；而磨粒橫向間距對工件表面粗糙度的影響很小。

（2）磨粒排布傾角對工件表面粗糙度的影響不大，當排布傾角為50°時，工件表面粗糙度相對較好。

（3）隨著磨粒粒度號的增大，粒徑的減小，工件表面粗糙度也呈現逐漸減小的趨勢。但是要注意，當磨粒粒度小于磨粒錯位間距設定值時，工件表面粗糙度可能會反而增大。所以在制作不同粒度的cBN砂輪時，要根據磨粒粒度大小，設置合理的磨粒錯位間距，才能取得良好的磨削效果。

［1］ 王光祖，院興國.超硬材料［M］.鄭州：河南科學技術出版社，1996.

［2］ 何夢佳.有序排布釬焊單層金剛石工具研究［D］.廣州：廣東工業大學，2007.

［3］ D.N.Wright，H.Wapler.Investigations and Prediction of Diamond Wear when Sawing，Annals of the CIPR［J］，1986，35（1）：239－244.

［4］ China Grinding Wheel Corporation.Brazed beads with a diamond grid for wire sawing［J］.Industrial Diamond Review，1998（4）：134-136.

［5］ C.M.Sung.Brazed diamond grid：a revolutionary design for diamond saws［J］.Diamond and Related Materials，1999（8）：1540-1543.

［6］ 姜榮超，雷雨，李超群，周曉丹，劉谷成［J］.國外超硬材料工具的最新應用與進展（上），2008，20（4）：25－29.

［7］ 周玉梅，張鳳林.釬焊單層金剛石研究現狀［J］.焊接技術，2010（6）：1-4.

［8］ 章文姣，段隆臣，葉宏煜，等.孕鑲金剛石鉆頭中有序排布參數的設定［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010（10）：21-25.

Effect of the form for orderly arraying of cBN grits in monolayer brazed cBN grinding wheels on the surface roughness of workpieces

GUO Gao-feng1，ZHANG Feng-lin1，ZHOU Yu-mei1，2
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Zhongkai
University of Agriculture and Engineering，Guangzhou510225，China）

The ordered arraying of abrasive on grinding tool can not only reduces the cost of abrasives but also improves the service life and efficiency of tool.In this paper，four parameters for ordered arraying of cBN grits including horizontal spacing（ΔX），vertical spacing（ΔZ），alignment angle（α）and dislocation spacing（ΔZv）are considered.And the orderly arraying monolayer brazed cBN grinding wheels were made with different orderly arraying forms.The grinding wheels were tested by grinding the hardened steel.The effect of the form for orderly arraying of cBN grits on the surface roughness of workpieces was analyzed.It is shown that the surface roughness is increased with the increase of vertical spacing（ΔZ），while the influence of horizontal spacing（ΔX）and alignment angle（α）on the surface roughness are small.With increasing the mesh number of abrasive，the surface roughness is also shown a decreasing trend.

cBN grinding wheels；orderly arraying；surface roughness

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0001－05

2013－05－10

郭高鋒（1985－），男，碩士生，研究方向為超硬材料工具制造。

本研究獲得國家自然科學基金（項目編號：51275096）、中國博士后科學基金（2012M511777）、廣東省自然科學基金（S2011040000920）的資助。

張鳳林（1972－），男，博士，教授，主要研究方向為超硬材料工具制造、硬脆材料加工及仿真。zhangfl＠gdut.edu.cn