偏心外圆磨床使用立方氮化硼砂轮的实践

□ 李轶龙

上海海立电器有限公司 上海 201206

1 研究背景

目前，除了昂贵的跟踪磨削设备使用立方氮化硼（CBN）砂轮外，其余大多数磨床均使用普通砂轮。CBN砂轮的特性是在磨削时，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，还能有效提高工件的磨削质量，显著提高磨削后工件的表面完整性，因而可以提高零件的疲劳强度，延长使用寿命，增强可靠性。

笔者公司的曲轴偏心外圆磨床，大量使用普通砂轮。随着市场需求的不断提升，在不增加现有设备数量的情况下，如何更大程度提升现有设备产能，就成为工艺人员面临的问题。产能在不断提升的过程中，工艺参数调整受限于设备硬件及磨具因素，已处于瓶颈状态，要突破该瓶颈，就需要提升目前磨具的磨削能力。

针对上述问题，笔者研究了一种能在普通外圆磨床上可以使用CBN砂轮的技术方案，并实现推广，从而提升生产效率及加工精度。

2 砂轮原理

2.1 普通砂轮

普通砂轮显微照片如图1所示。

砂轮由磨粒、结合剂和气孔组成[1]。磨粒起到磨削作用，结合剂将磨粒粘结起来，使之具有一定的形状、硬度及强度，气孔的作用是排屑、容纳冷却液等。

图1 普通砂轮显微照片

常用的八种普通砂轮，其磨粒如图2所示。

图2 常用普通砂轮磨粒

其中三种为笔者公司常用砂轮磨粒，其材料特性如下：WA为白刚玉，是最常见的磨粒，特点是覆盖面广、价格低廉；SK为经过特殊加工的单晶刚玉，特点是磨削性能优于传统单晶刚玉，缺点是不适用于树脂砂轮；SG为高纯氧化铝，俗称陶瓷磨粒，特点是适合超高转速要求的加工，如齿轮磨削中要求线速度达80 m/s以上的情况，缺点是修整器的消耗约为其它磨粒的3倍，使用成本略高。

2.2 CBN砂轮

CBN砂轮的磨粒是CBN，如图3所示，采用人工方法在高温高压条件下合成，其硬度仅次于金刚石，远远高于其它材料，因此与金刚石合称为超硬材料。

图3 CBN

CBN磨粒是继人造金刚石（图4）问世后出现的又一种新型高新技术产品，由CBN和触媒在高温高压下合成原子结构，接近于金刚石的立方晶体结构，如图5所示。CBN磨粒具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性[2]，但其热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。CBN磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，而且能有效提高工件的磨削质量。CBN的使用，是磨削技术的一次飞跃。

图4 人造金刚石

图5 CBN原子结构

3 可行性分析

CBN超硬磨粒主要用于加工高速钢、不锈钢、粉末冶金、铸铁件等难加工材质。加工的曲轴材质为FCE-200/300共晶石墨铸铁及QT600球墨铸铁两种，材料布氏硬度（HB）为 190～240，目前使用的是GC砂轮，曲轴偏心外圆加工精度要求如图6所示。经分析可知，使用GC砂轮可以满足加工精度要求，理论上使用CBN砂轮也可以满足要求。

根据CBN砂轮的特点，发现CBN砂轮需要在线速度大于60 m/s的情况下才能反映出较好的磨削效果[3]，所以并不是所有的设备都能满足使用要求。

由设备说明书可知，偏心外圆磨床磨头功率为5.5kW，采用4段变速，随砂轮外径从φ510 mm减小至φ400mm过程中转速逐渐增大，具体参数见表1。

图6 曲轴偏心外圆加工精度要求

表1 砂轮转速参数

砂轮线速度v的计算式为：

通过式（1）计算得出，随着砂轮外径不断减小，砂轮轴转速逐渐提升，使得砂轮磨削时的线速度维持在58.5～62.7 m/s。当使用CBN砂轮后，砂轮外径D在494～500 mm范围内，砂轮线速度为60.8～61.5 m/s，大于60 m/s。可见，砂轮轴的功率及转速也可满足需求。

通过设备说明书发现，偏心外圆磨床砂轮轴使用的是静压轴承，静压轴承的工作原理是先启动供油泵，油经滤油器后经过节流器进入轴瓦与主轴间的油腔，此时在主轴颈表面产生一层油膜支撑、润滑和冷却主轴。由于节流器的作用，使油膜托起主轴，油经回油孔通过回油泵回至油箱。然后启动磨头电机，主轴旋转。采用极易产生动压效应的楔形油腔结构，主轴进入高速稳态旋转后形成高刚度的动压油膜，用以平衡主轴在高速运转下的工作负载[4]。

静压轴承是整体套筒式结构,安装方便，精度高。由于承载油膜的均化作用，使主轴具有很高的旋转精度，主轴径向跳动、轴向窜动均不大于2 μm。

由于主轴系统的独特油腔结构，轴承系统在工作时主轴被一层压力油膜托起。主轴未旋转时为纯静压轴承，主轴旋转时由于轴承内孔浅腔的阶梯效应，使轴承内自然形成动压承载油膜，因而形成具有压力场的动压滑动轴承。这一结构提高了轴承的刚度，轴向刚度可达20～50 kg/μm，径向刚度可达100 kg/μm。高承载能力是由于动压效果自然形成的，无需附加动力，使主轴承载能力大大提高。理论使用寿命为无限期,在正常使用条件下极少需要维修[5]。

在偏心外圆磨床上使用的砂轮，若质量重于一定程度，将使主轴无法浮起，导致设备卡死，或存在砂轮质量过量，导致设备加工精度走失的风险。

GC砂轮尺寸规格为φ510 mm×25 mm×φ152.4 mm，全部为磨粒及结合剂压制烧结成型，初始质量为7.5 kg。制作同规格的CBN砂轮，磨粒层厚仅为6 mm，剩余部分全部为基体材质，如图7所示。

图7 CBN砂轮

通过查阅《机械设计师手册》[6]可知，GC磨粒密度为3.1 g/cm3，由于结合剂及孔隙的存在，根据砂轮规格φ510 mm×25 mm×φ152.4 mm及质量7.5 kg推算出的GC砂轮密度仅为1.61 g/cm3。

常规砂轮金属基体材质之一的铸钢，其密度为7.81 g/cm3，制成的CBN砂轮，其质量预计达到36.4 kg，约为GC砂轮质量的4.7倍，存在极大风险。

在咨询相关砂轮厂家后，得知金属基体除钢以外，铝合金也能达到相应强度的需求[7]，而且密度仅为2.7 g/cm3。即便如此，所制得的CBN砂轮质量预计为12.5 kg，相比GC砂轮质量7.5 kg，要大60%，所以减小CBN砂轮的质量，成为本次技术改造成败的关键因素之一。

由于CBN砂轮消耗极低，砂轮外径基本无太大变化，因此考虑减小砂轮外径，即减小基体尺寸。为得到与GC砂轮相同质量的CBN砂轮，通过体积密度换算，得到砂轮基体外径为440 mm，CBN砂轮外径约为450 mm。

此时，偏心外圆磨床使用段数为Ⅲ，砂轮轴转速为2 622 r/min。进行加工时，CBN砂轮的线速度也可大于60 m/s。可见，铝合金基体及CBN砂轮外径减小也可满足需求。

4 CBN砂轮修整方案

由于CBN砂轮磨粒的维氏硬度（HV）为7 300～8 000，仅次于金刚石的维氏硬度（HV）8 800，因此需要使用金刚石滚轮修整器来进行修整[8]。笔者选择日本SHIGIYA公司生产的GPL40.40型偏心外圆磨床，使用滚轮修整器，如图8所示。

图8 滚轮修整器

5 效率及成本分析

通过对曲轴材料、设备情况的分析，可以确认CBN砂轮替代GC砂轮成为曲轴偏心外圆加工的可能性非常高，但由于CBN砂轮单价要比GC砂轮高出许多，因此对成本及效率测算也是非常重要的。

CBN砂轮耐用，磨耗小，磨削比可达4 000～10 000，而GC砂轮磨削比仅为50～80。目前在使用的GC砂轮，每加工40件就需要修整一次砂轮，推测使用CBN砂轮加工时，每加工工件数在800～2 000之间修整一次砂轮。按最低每800件修整一次测算，由表2可知CBN砂轮消耗成本预计可下降20%。此外，由表2可知，加工件数从40件提升至800件，减少了加工过程中的修整时间，增大了加工时间占比，提升了生产效率。

综上所述，CBN砂轮替代GC砂轮，在偏心外圆磨床上应用成功的可能性极高，非常值得尝试。

6 工艺试验

6.1 砂轮选型

对比原GC砂轮及加工设备的一些特性，订购一款符合曲轴偏心外圆磨床加工需求的CBN砂轮，并进行磨削加工试验。

表2 砂轮成本测算

不同的砂轮结合剂，其特性见表3[9]。

表3 砂轮结合剂特性

由表3可以看出，陶瓷结合剂比较适合用于大批量生产。

6.2 磨削参数设定

CBN砂轮的硬度高于GC砂轮，切削能力更强，更锋利，且CBN砂轮具有较高的耐磨性，较GC砂轮更难磨损。首款CBN砂轮与原GC砂轮具体特性对比见表4。

表4 砂轮特性对比

在磨削程序中，对进给速度[10]进行调整，GC砂轮与CBN砂轮加工程序参数见表5。

6.3 试验过程

在CBN砂轮磨削试验的过程中，修整量设定见表6。

经磨削试验后，发现试验代号Ⅰ和Ⅱ的CBN砂轮，其修整量不足，砂轮表面磨削区未完全修出，需手动补偿修整。经过调整修整量之后，最终选择试验代号Ⅲ的砂轮修整参数作为长期加工工艺规范。由于CBN砂轮在曲轴偏心外圆磨削试验中，发现加工800件后砂轮表面有发黑迹象产生，因此最后将砂轮修整周期加工数稳定在800件。

表5 砂轮加工程序参数

表6 CBN砂轮修整量设定

6.4 结果分析

对曲轴偏心外圆实际加工精度进行测量，数据见表7。由表7可知，曲轴偏心外圆加工精度符合图纸要求。

表7 实际加工精度

对九台偏心外圆磨床进行改造，磨削砂轮使用CBN砂轮，提升了21.3%的瓶颈工序产能（表8），在总体产能提升创造更多收益的同时，减少了设备的投资。

表8 产能对比

由于CBN砂轮硬度高，砂轮表面状态保持性远好于GC砂轮，因此在加工过程中尺寸稳定性有极大提升，同时也极大减小了产品的不合格率。

CBN砂轮单价比GC砂轮高，但加工件数远大于GC砂轮的加工件数，因此，实际加工成本明显下降，数据见表9。

表9 加工成本对比

7 结束语

笔者在偏心外圆磨床上将原有GC砂轮改造为CBN砂轮，突破了产能限制，满足了市场需求，减少了设备投资，降低了加工成本，提升了产品质量。综合比较，CBN砂轮具有优良的加工性能，值得在其它磨削加工中推广。在日常工作中，如何与时俱进利用新工艺新方法，改良现有生产模式，是一名工艺人员需要不断探索、不断尝试的。