超聲振動修整CBN砂輪磨削硬脆材料的表面質量特性試驗研究

何全茂， 趙捷

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454003）

0 引言

近年來各種硬脆性材料（如K9玻璃、高速鋼、硬質合金、寶石、硅晶體等）在軍用和民用裝備中獲得了越來越廣泛的應用，原因在于這些材料的硬度、耐磨性、抗蝕性、抗氧化性都明顯高于其它材料。但同時這些材料比較高的脆性、較低的斷裂韌性，使得這些硬脆材料的加工存在著很大難度，加工時稍有不甚就會引起工件表面的損傷或者破壞。因此，為了解決這些加工問題，需要研究一種新型、高效、經濟的方法。目前，磨削仍然是硬脆材料最有效的精加工手段，而加工表面質量影響因素很多，國內外研究表明超細磨料超硬砂輪（如金剛石砂輪、CBN砂輪等）已經開拓了磨削領域嶄新的前景，尤其是采用超聲輔助振動修整的CBN砂輪，因其表面形貌明顯優于普通方法修整的CBN砂輪，允許的砂輪轉速高（磨削速度高），所以其磨削效果明顯優于普通方法修整的砂輪，這點已被業內所公認。本文僅通過超聲振動修整的CBN砂輪對光學K9玻璃及高速鋼進行精密磨削加工實驗，研究磨削參數、試件材料特性對磨削表面質量的影響。

1 試驗條件與方案

試驗在M6025C平面磨床上進行，工件材料是K9玻璃與高速鋼，CBN砂輪安裝在磨床主軸上，工件用平口鉗固定在床面上，磨削參數如表1所示。

2 對超聲振動修整CBN砂輪磨削表面形貌的評價分析

目前對于硬脆材料的加工，磨削仍然是最有效的方法，尤其是采用超硬磨料砂輪進行磨削幾乎是一種唯一可行的方法。砂輪的表面形貌在很大程度上決定了磨削質量，已有研究證明，超聲振動修整的砂輪比普通修整的砂輪具有較好的表面形貌，因此本實驗采用的磨削刀具是經過超聲振動修整的CBN砂輪。磨削效果通過工件的表面形貌進行評價，表面形貌的主要評價指標是工件的表面粗糙度［1］。

假設砂輪為理想砂輪，砂輪圓周方向磨粒均勻分布，磨粒間距為L，砂輪徑向突出高度相似。砂輪磨削表面軌跡如圖 1 所示［2］。

表1 磨削條件與方案

磨粒進給量與切削軌跡間距相等，即

根據圖中廓形，工件的峰谷粗糙度為

將式（1）代入到式（2）中，可得

式（4）表明，理想砂輪磨削時，工件表面粗糙度與工件速度和砂輪轉速的比值成正比，與磨粒間距成正比。因此，選用表面形貌優良的砂輪和合理的磨削參數可以提高工件的磨削質量。但在生產實際中，砂輪表面形貌非常不規則，粗糙度與磨粒間距L值并不是線性關系，影響極其復雜。因此提高砂輪表面形貌對工件的磨削質量非常重要。

光學k9玻璃在各種光學儀器及瞄準鏡鏡頭方面有著廣泛的應用，其加工方法也在不斷改進。本試驗中，采用超聲振動修整CBN砂輪分別對光學K9玻璃和硬質鋼進行精密磨削，CBN砂輪磨削K9玻璃以及高速鋼的表面形貌如圖2所示。

圖2 工件的表面形貌

圖2結果顯示，在同樣的磨削條件下，光學K9玻璃輪廓紋路不夠整齊，表面形貌波動較大，而高速鋼的紋路細致，表面形貌起伏不大，比較光整，表面形貌比光學K9玻璃好。可見，采用超聲振動修整CBN砂輪對不同材料的工件進行磨削時，工件的表面形貌表現出巨大的差異性。

圖3所示為白光干涉儀掃描下的工件表面粗糙度輪廓圖。從圖3可以看出，高速鋼的表面粗糙度遠遠小于光學K9玻璃，這說明采用超聲振動修整CBN砂輪對光學K9玻璃和硬質鋼磨削，高速鋼的表面質量要好于光學K9玻璃，這與圖2結果一致。另外圖3中光學K9玻璃的粗糙度值為Ra0.75μm，圖3（b）光學K9玻璃的粗糙度值為Ra0.45μm；圖3（c）高速鋼的表面粗糙度為Ra0.09μm，圖3（d）高速鋼的表面粗糙度為Ra0.06μm，通過比較，可以看出，通過提高砂輪轉速和減小工件速度，可以減小光學玻璃K9和高速鋼的表面粗糙度，這與相關資料理論分析情況相符。

圖2和圖3實驗結果表明，磨削時，工件表面粗糙度值的大小在很大程度上取決于工件速度和砂輪轉速的比值，比值越小工件表面粗糙度值越小。這是由于砂輪轉速快，工件速度慢，砂輪工作面與工件磨削面接觸的時間增加，磨削充分。另外在相同的磨削條件下，超聲振動修整的CBN砂輪對不同材料進行磨削所獲Ra值會有很大的區別，這主要是因為材料的硬度和脆性等力學性能不同，脆性材料在磨削過程中，磨削表面會出現細小破碎現象，從而降低磨削表面質量。所以脆性材料在精密磨削之后要再進行研拋處理。

圖3 工件的表面粗糙度曲線圖

3 結語

本文通過超聲振動修整CBN砂輪對不同硬脆材料的可磨削性進行了試驗。影響磨削質量的因素除大家熟知的砂輪修整方式外，還包括如下兩個主要因素：1）工件速度和砂輪轉速的比值，比值越小工件表面粗糙度值越小；2）被磨材料的硬度與脆性，硬度與脆性越高工件表面粗糙度值越大。

［1］ 馬爾金.磨削技術理論與應用［M］.沈陽：東北大學出版社，2002.

［2］ 趙捷.超硬磨料CBN砂輪超聲振動修整技術研究［D］.焦作：河南理工大學，2010.