用于小螺距螺紋磨削的陶瓷CBN砂輪成型修整技術

董 超，王書銘，丁忠軍，何理論，姜建國

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

陶瓷結合劑CBN砂輪（以下簡稱陶瓷CBN砂輪），作為一種超硬磨料砂輪，與傳統的剛玉類、碳化物類砂輪相比，具有磨粒硬度高、熱穩定性好、耐磨性好等優點，在高速磨削時，砂輪質量穩定且磨損小，可以大大提高磨削效率以及加工工件精度，所以在難加工材料的高效磨削中得到廣泛應用。由于陶瓷CBN砂輪硬度僅次于金剛石砂輪，使得陶瓷CBN砂輪的修整成為其在成型磨削領域中應用的最大技術障礙，尤其對于需要成型磨削小螺距螺紋的零件，陶瓷CBN砂輪既要保證砂輪成型面良好的尺寸輪廓形貌及精度，又要實現超硬磨料的微量去除，這給陶瓷CBN砂輪的成型修整帶來更多困難。

目前，陶瓷CBN砂輪一般的修整方法有磨削油石法、磨削法、金剛石筆修整法、噴丸修銳法、金剛石滾輪修整法和金剛石碟輪修整法等[1～3]。王愛珍等[4]通過使用電鍍金剛石滾輪對陶瓷 CBN砂輪進行修整工藝的試驗研究，得出滾輪與砂輪的速差是影響修整效果的重要因素，速差過大或過小都會影響修整效果；閻秋生等[5]針對小直徑CBN砂輪，研究了砂輪結合劑、砂輪密度、砂輪粒度等砂輪要素對于砂輪磨損、已加工表面粗糙度、磨削力的影響，并對其進行了設計改進；黃震等[6]運用正交試驗方法量化了陶瓷CBN砂輪在平面磨削中的修整參數（砂輪進給速度、修整速差、修整量）對于工件表面質量的影響，以工件表面粗糙度值為檢測指標，得出修整輪的進給速度為影響工件表面粗糙度的主要因素。綜上所述，針對陶瓷結合劑CBN砂輪修整工藝參數的研究，大部分應用于平面磨削領域，而在形狀尺寸精度要求較高的小螺距螺紋成型磨削方面卻沒有相關研究。

陶瓷 CBN砂輪外形及三角形螺紋形狀如圖 1所示。以Φ20 mm陶瓷CBN砂輪為研究對象，以螺距為0.5 mm的小螺距三角螺紋為形狀要求，進行陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗。利用金剛石碟輪采用不同修整參數對陶瓷CBN砂輪進行修整，利用被修整之后的陶瓷CBN砂輪成型磨削螺紋環槽，由于螺紋環槽可以準確地反映砂輪成型面尺寸輪廓形貌及精度，且便于觀察，故以磨削得到的螺紋表面質量、輪廓形狀為評價標準，對陶瓷CBN砂輪用于小螺距螺紋成型磨削時的砂輪修整參數進行最優化選擇與分析。

圖1 三角螺紋及CBN砂輪外形示意Fig.1 Triangle Thread and CBN Grinding Wheel

1 陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗

1.1 試驗條件

a）試驗設備：本次試驗選用S21磨床，如圖2所示，其砂輪線速度最高可達到50 m/s。

圖2 S21磨床示意Fig.2 S21 CNC Grinding Machine

b）砂輪：陶瓷CBN砂輪直徑為Φ26 mm，磨粒粒度為600目。

c）試驗工件材料：高碳鉻軸承鋼GCr15，工件尺寸為：Φ15 mm×100 mm。

d）螺紋檢測設備：超景深三維顯微系統、萬能工具顯微鏡。

e）砂輪修整方法：金剛石碟輪修整，可將砂輪的整形和修銳結合在一起，修整效果較好，獲得的砂輪成型面形貌精度高、表面質量好[7,8]。試驗所用金剛石碟輪如圖3所示。

圖3 金剛石碟輪示意Fig.3 Diamond Wheel

1.2 正交試驗方案

試驗研究的陶瓷CBN砂輪修整參數為：砂輪修整速比（砂輪轉速/金剛石碟輪轉速）qd、金剛石碟輪修整進給量 aed、砂輪修整軸向進給速度 fd。試驗對這 3個修整參數進行優化，以前期磨削試驗確定各參數水平值，以此水平值為中心水平，分別調整形成高低水平，制定正交試驗因素水平表，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factor Level Table

選取磨削得到的小螺距螺紋表面質量以及螺紋牙型角與廓形形狀保持情況作為評價指標。

確定正交試驗因素、水平、指標后，采用三因素三水平正交表安排試驗，并對試驗進行編號，共進行了9組試驗，如表2所示。

表2 CBN砂輪修整參數正交試驗安排表Tab.2 Orthogonal Test Table with Dressing Parameters of CBN Grinding Wheel

通過正交試驗安排可以減少試驗量，得到在試驗條件下使用陶瓷 CBN砂輪對小螺距螺紋進行精密成型磨削最合適的砂輪修整參數組合。

陶瓷 CBN砂輪修整時其余試驗條件以及磨削GCr15試件的磨削參數如表3所示。

表3 其余試驗參數Tab.3 Other Test Parameters

2 試驗結果分析

2.1 表面質量結果及分析

利用正交試驗表2中的9組砂輪修整參數分別對陶瓷CBN砂輪進行修整，并對試驗工件進行小螺距螺紋成型磨削，通過超景深三維顯微系統觀察所磨螺紋表面是否存在振紋，結果如表4所示。

表4 螺紋表面質量試驗結果Tab.4 Test Results of Thread Surface Quality

根據螺紋表面質量觀察結果，可將9組試驗分為3類，即：螺紋表面無振紋、螺紋表面存在輕微振紋、螺紋表面存在明顯振紋，以其中第1組、第4組、第7組試驗結果為代表，如圖4所示。

圖4 螺紋表面質量觀察結果Fig.4 Results of Surface Quality Observation of Thread

從圖4可以看出：

a）此次試驗結果中，表面無振紋的修整參數組為第1組和第6組。因此，針對螺距為0.5 mm的小螺距螺紋成型磨削，初選最優的砂輪修整參數組合為：qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min與 qd=0.8，aed=7 μm，fd=8 mm/min。

b）對比第3組與第6組、第5組與第8組試驗結果可得，砂輪修整速比qd越大，被修砂輪所磨螺紋表面質量越差，說明隨著修整速比的增大，成型CBN砂輪修銳效果變差，使得砂輪表面光滑平整，磨削工件表面易產生振紋。

c）對比第4～6組試驗結果可得，碟輪修整進給量增大aed時，適當提高修整速比fd有利于改善工件表面質量。同理，當提高修整速比時，碟輪修整進給量也應適當提高。

2.2 螺紋牙型角及形狀廓形結果及分析

以萬能工具顯微鏡檢測小螺距螺紋牙型角以及螺紋形狀廓形，試驗結果如表 5所示。其中，Ki表示各因素在第i個水平下的試驗結果總和，為Ki水平值，極差R由中最大值減去最小值求得。

表5 螺紋牙型角及形狀廓形結果Tab.5 Measurement Results of the Thread Angle and Profile

根據試驗數據結果，以試驗因素的水平量為橫坐標，正交試驗指標（螺紋牙型角）為縱坐標，得到各因素與指標之間的關系如圖5所示。從圖5中可以更為直觀地了解到各因素對正交試驗指標的影響規律。

圖5 修整參數與試驗指標關系Fig.5 Relationship between Dressing Parameters and Experimental Indexes

從表5計算結果與圖5可得：

a）以小螺距螺紋牙型角是否滿足 90°為評價標準，在陶瓷CBN砂輪修整參數水平組合為：qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min時，螺紋牙型角最接近90°，因此，初選的最優水平組合為 qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min；

b）修整速比過大，容易使得砂輪成型面未修整完整，造成砂輪所磨螺紋的廓形存在缺陷；

c）極差R的大小可以反映因素對于試驗指標的影響程度，某因素 R值越大說明該因素對于指標的影響越大，因此從試驗數據結果可以看出，對于試驗指標影響最大的為砂輪修整速比qd，碟輪修整進給量aed次之，砂輪修整軸向進給速度fd影響最??；

d）由圖5可以看出砂輪修整參數對試驗指標的影響規律。

綜合分析正交試驗及結果，在陶瓷CBN砂輪修整參數中，修整速比qd對于螺紋成型磨削的影響效果最大，適當提高修整速比可以提高砂輪修整效率，但會降低螺紋尺寸精度，故當使用陶瓷CBN砂輪進行螺紋成型磨削時，在保證螺紋形狀輪廓以及螺紋牙型角精度的基礎上，要得到更好的螺紋表面質量，選用的最優砂輪修整參數組合為 qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min。

3 結 論

陶瓷CBN砂輪具有耐磨性好、加工精度高、質量穩定等優點，越來越多地應用到各種輪廓結構工件的精密成型磨削領域中，這就要求陶瓷CBN砂輪成型修整在保證砂輪型面良好的輪廓形貌精度的基礎上實現超硬磨料的微量去除，這給陶瓷CBN砂輪的高效精密修整帶來困難。

本文針對0.5 mm小螺距螺紋成型磨削，建立陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗，以3大修整要素為3個正交試驗因素，建立三因素三水平正交試驗表，選出滿足螺紋形狀輪廓精度以及表面質量要求的最優陶瓷CBN砂輪修整參數。通過分析正交試驗及檢測結果，可以看出使用陶瓷CBN砂輪進行精密螺紋磨削時，砂輪各個修整參數對于磨削效果的影響規律，對陶瓷CBN砂輪在精密成型磨削領域中的應用具有指導意義。