不同磨削層圖案對cBN砂帶磨削性能的影響研究

肖樂銀，林 峰，謝德龍，陳 超，蔣燕麟，陳家榮，潘曉毅

(1. 廣西超硬材料重點實驗室，桂林 541004； 2. 國家特種礦物材料工程技術研究中心，桂林 541004；3. 中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，桂林 541004)

超硬材料工具，包括超硬材料砂帶，將在高效、精密、節能、環保的現代制造業中扮演重要角色。目前已知硬度最高的金剛石為磨料的砂帶，在工程陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削加工中表現出無可比擬的優越性，但在磨削鐵族元素材料過程中會發生碳化反應，不宜用于鋼鐵材料的加工[1-2]。cBN的硬度僅次于金剛石，惰性強，特別適合又硬又韌鐵基合金的加工，同時，砂帶形狀保持性好，使用壽命長，具有很好的綜合性能。在西方發達國家cBN砂帶已廣泛應用于汽車、機械、航空航天、涂層、儀器儀表等領域[3-4]。

cBN砂帶具有優異的磨削性能，不僅因為磨料本身的硬度高，還因為其涂覆圖案的特殊性。針對不同的加工對象和要求，目前市場上已出現了各種不同磨削層圖案的cBN砂帶[5-6]。本文采用圓點和箭頭兩種磨削層圖案砂帶進行磨削試驗，分析磨削層圖案對cBN砂帶加工表面質量、磨削效率及壽命的影響。

1 試驗條件和方法

1.1 cBN砂帶規格

砂帶規格見表1。

表1 砂帶規格

1.2 磨削條件

機床：自行改裝的CM6125車床，使用時轉速為1600r/min

接觸輪：Ф152×38mm；海綿輪；邵氏硬度為22A°

工件：線切割45號鋼，尺寸為(13×11×50)mm

磨削及冷卻方式：采用恒進給的磨削方式，冷卻液為水

1.3 試驗方法

本試驗采用相同規格不同磨削層圖案的兩種cBN砂帶，分別對45號鋼進行磨削，其磨削原理如圖1所示，分析并比較兩者之間的磨削性能。

圖1 砂帶磨削原理圖Fig.1 Schematic diagram of abrasive belt grinding

2 試驗結果分析與討論

2.1 不同磨削層圖案對cBN砂帶加工表面質量的影響

表面質量是指表面粗糙度及表面層的物理機械性能，也稱表面完整性[7]。圖2為不同磨削層圖案砂帶在壽命期內磨削表面粗糙度的變化曲線，通過圖2我們可以發現，在砂帶使用初期，由于表面形貌中磨粒高度的標準偏差較大，兩種磨削層圖案砂帶都獲得較大的粗糙度。隨著磨削過程的繼續進行，cBN砂帶進入以摩擦磨耗為主的穩定磨損階段，磨粒的磨損使砂帶表面形貌標準偏差穩定下降，磨粒等高性得到改善，表面粗糙度便逐漸地趨于線性關系的緩慢下降。

圖2 磨削表面粗糙度隨時間的變化Fig.2 The change of grinding surface roughness with time

但是，在整個磨削過程中，箭頭圖案cBN砂帶表面粗糙度都要大于圓點圖案砂帶，主要由于箭頭圖案砂帶硬度大，彎曲圓度誤差大易造成磨削震動[8]，使加工表面粗糙度增大。同時，通過計算求得箭頭砂帶磨削工作層的有效面積為50.8%、圓點砂帶有效面積為56.1%，單位面積內圓點砂帶的磨粒數要多于箭頭砂帶，單顆磨粒切削深度變小，金屬表面變形小，減少了金屬因磨粒耕犁形成的隆起高度以及熱塑性變形[8]，因而粗糙度值隨之變小，最終測得圓點砂帶的表面粗糙度為0.215μm、箭頭砂帶為0.355μm。

磨削完畢后，觀察加工工件的表面形貌，如圖3所示，通過圖3可以看出箭頭砂帶磨粒劃痕殘留的波峰、波谷，要稍明顯于圓點砂帶，但兩者加工工件的質量都無燒傷情況，表面質量較好，這主要是由于冷卻液容易進入磨削界面，將磨削區域的磨削熱快速帶走，磨削溫度低。

圖3 不同磨削層圖案cBN砂帶加工工件表面形貌Fig.3 The surface topography of workpieces with two kinds of cBN abrasive belts pattern

2.2 不同磨削層圖案對cBN砂帶磨削效率和壽命的影響

不同磨削層圖案cBN砂帶磨削效率隨時間的變化如圖4所示，在磨削初期，砂帶刃形鋒利，參加切削的磨粒數目多，砂帶切削能力強，材料切除效率大[9]。

但在磨削前期，箭頭圖案砂帶表現出比圓點圖案砂帶更優異的切削性能。在柔曲過程中，我們發現圓點砂帶比箭頭砂帶具有更好的彈性和柔曲性能，箭頭砂帶在進行磨削時，磨痕深度接近于磨粒切刃的露出高度；而圓點砂帶磨削時較多凸出的磨粒被壓向背襯材料，磨痕深度淺，從而使箭頭砂帶表現出更強的切削能力，加工時磨削效率也越大。同時，箭頭形狀對砂帶具有自銳性，有利于磨粒以不同的角度和工件接觸并切入工件[8]，切除能力也更強。但隨著磨削的繼續進行，箭頭圖案砂帶磨粒受到的沖擊作用力更大，cBN磨料顆粒更易脫落，如圖5所示，磨削150分鐘后，箭頭砂帶的磨削效率要低于圓點砂帶。最終，稱量求得箭頭砂帶的磨耗比為219.1、圓點砂帶為216.5，相差不是很大，主要由于箭頭砂帶高的材料去除質量抵消了部分cBN磨料的脫落。

圖4 磨削效率隨時間的變化Fig.4 The change of grinding efficiency with time

圖5 磨削150分鐘后cBN砂帶表面形貌Fig.5 The surface topography of cBN abrasive belts after 150min of grinding

3 結論

(1)在cBN砂帶使用初期，兩種磨削層圖案砂帶都獲得較大的粗糙度，隨后緩慢下降趨于穩定，整個磨削過程，箭頭砂帶表面粗糙度要大于圓點砂帶，兩者加工工件都能獲得較好的表面質量。

(2)在磨削前期，箭頭砂帶表現出比圓點砂帶更好的磨削效率，隨著磨削的繼續進行，箭頭砂帶磨削效率下降較快，但兩種磨削層圖案cBN砂帶磨耗比相差不大。