超聲振動修整CBN砂輪磨削工業材料表面形貌試驗研究

趙捷

（河南工業和信息化職業學院機械工程系，河南 焦作 454000）

超聲振動修整CBN砂輪磨削工業材料表面形貌試驗研究

Test of grinding surface topography of industrial materials for ultrasonic vibration dressed CBN wheel

趙捷

（河南工業和信息化職業學院機械工程系，河南 焦作 454000）

本文采用超聲振動修整CBN砂輪對工業材料高速鋼進行磨削試驗，通過超聲振動修整CBN砂輪磨削高速鋼的表面形貌特征，研究砂輪修整方式對CBN砂輪的磨削效果的影響。實驗結果顯示，超聲振動修整的砂輪磨削比較高；修整方式及砂輪磨削速度對磨削表面的微觀形貌的影響較大。

CBN砂輪；振動修整；高速鋼磨削；表面形貌

隨著航空航天、汽車電子、光學及儀器儀表行業產品的精密性日益提高，材料的加工制造要求也越來越高。光學玻璃、陶瓷、人工晶體、半導體及單晶硅等硬脆材料具有耐腐蝕性強、耐磨性好、熱穩定性好、高溫高強度等優異性能，在這些行業中的應用愈加廣泛。但是使用性能要求其具有超光滑表面，使其加工成本較高。

因此，各種精密制造方法紛紛涌現出來，力求降低成本，提高制造精度。使用超細磨料超硬砂輪（如金剛石砂輪、CBN砂輪等）對硬脆材料進行磨削加工的需求日益增加［1］。

CBN的迅猛發展開拓了磨削領域嶄新的前景，但CBN砂輪的修整問題成為其推廣應用的關鍵問題，使其應用受到制約。CBN砂輪不能依靠普通的修整技術來解決［2～3］，目前常用的高效修整方法有：ELID在線電解修整、電火花砂輪修整、杯型砂輪修整、激光砂輪修和超聲振動修整，及上述方法復合在一起的復合修正等［4］。

高國富針對金屬結合劑金剛石砂輪存在修整精度和修整效率低、修整設備昂貴、使用維護不便等問題，提出了橢圓超聲波輔助機械修整新技術［5］。橢圓超聲振動修整后的砂輪表面具有磨粒分布均勻、靜態磨粒數多、突出高度大等優點［3］。因此，試驗嘗試采用超聲振動修整的砂輪研究其磨削高速鋼的表面質量。

1 試驗條件與方案

CBN砂輪的超聲振動輔助修整及普通機械修整采用專用修整工裝在CK6120 車床上進行。聲學系統參數與修整條件如表1所示。

表1 修整條件

K9玻璃磨削試驗在平面磨床上進行，CBN砂輪安裝在磨床主軸上，工件用虎鉗固定在床面上，磨削參數如表2所示。

2 試驗結果分析

2.1 砂輪可磨性評價

表2 磨削條件與方案

由于硬質鋼磨削加工過程比較復雜，不利于全面評價磨削過程的可磨性，因此采用磨削比G作為可磨性的判定標準，而磨削比通常被作為可磨性評價的重要參數。在磨削過程中，超聲振動修整的砂輪與普通方式修整砂輪的磨損量隨材料去除量的變化關系如圖1所示。

圖1 砂輪磨損與材料去除量的關系

圖1顯示，磨削過程中，當材料去除量相同時，普通修整的砂輪半徑減小量要比振動修整的砂輪半徑減小量大，并且隨著材料去除量達到200時，這種現象更加明顯，這說明磨削過程中，普通修整的砂輪要比振動修整砂輪磨損快。產生這種現象的原因是，超聲修整后的砂輪表面容屑空間較大，磨粒突出高度顯著，磨粒比較鋒利，極大改善了砂輪磨削特性，使磨削過程中，砂輪磨粒磨損較小，磨削溫度低，磨削比增大。

2.2 試件表面形貌評價

本試驗嘗試用振動修整的CBN砂輪實現高速鋼的精密磨削。如圖2所示為超聲振動修整方式下，CBN砂輪磨削高速鋼的表面形貌。

從圖2（a）中可以看出，砂輪轉速為1 400 r/min，機床工作臺速度為18 m/s時，高速鋼的表面波動幅度較大，峰值與溝槽起伏明顯。

圖2（b）顯示，當砂輪轉速提高到2 800 r/min機床工作臺的進給速度為12 m/s時，工件表面波動有所緩和，峰頂高度及溝槽深度均有所減小。這說明砂輪的轉速和工作臺進給速度對高速鋼工件表面質量影響較大。另外，從不同磨削參數工件的表面形貌來看

試件表面大面積磨削紋理均比較細膩，表面波動比較平和，這反映了振動修整方式下砂輪的形貌比較理想。

圖2 磨削參數對工件形貌的影響

圖3所示為白光干涉儀掃描下的工件表面粗度輪廓圖。從圖3可以看出，在砂輪轉速從1 400 r/min提高到2 800 r/min，工件進給速度從18 m/s降低到12 m/s時，高速鋼的粗糙度值從0.09 μm下降到0.06 μm。這說明在高速鋼的磨削過程中，表面粗糙度隨著砂輪轉速的提高，工作臺速度的減小而有所減小這與理論分析是一致的。

3 結論

本文對超聲修整CBN砂輪的磨削特性進行了試驗研究。實驗結果顯示，振動修整方式的砂輪表面形貌較好，砂輪磨粒的容屑空間較大，磨粒比較鋒利，因此振動修整的CBN砂輪磨削高速鋼比普通修整砂輪具有較大的磨削比和較好可磨性。同時，提高砂輪轉速，降低工件速度，可以改善高速鋼磨削表面形貌。

圖3 工件的表面粗度曲線圖

［1］ Parametric glass milling with simultaneous control Matsumura, Takashi； Kakishita, Mitsuto Source： Journal of Manufacturing Processes, v 15, n 1, p 1-7, January 2013.

［2］ Enhancement and verification of a machined surface quality for glass milling operation using CBN grinding tool-Taguchi approach Sayuti, M. Sarhan, Ahmed A. D.； Fadzil, M.； Hamdi, M. Source： International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v 60, n 9-12, p 939-950, June 2012.

［3］ Study on the rotary cup dressing of CBN grinding wheel and the grinding performance Azizi, Abdolhamid；Rezaei, Seyed Mehdi； Rahimi, Abdolreza Source：International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v 47, n 9-12, p 1053-1063, April 2010.

［4］ Zhu Z Q，Wang X H，Thangam S. Simulation and analysis of rigid/foil electrolytic in-process dressing（ELID） systems for grinding. Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transactions of the ASME，2004，Vol.126（3）：565～570.

［5］ Research on the surface characteristics in ultrasonic grinding nano-zirconia ceramics Gao, G.F.； Zhao, B.；Xiang, D.H.； Kong, Q.H. Source： Journal of Materials Processing Technology, v 209, n 1, p 32-37, January 1, 2009.

TB559

1009-797X （2015） 18-0060-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.022

趙捷（1977-），女，河南理工大學機械工程專業碩士研究生畢業，主要研究方向為精密制造及表面質量。

2015-08-04