超声振动修整CBN砂轮磨削工业材料表面形貌试验研究

赵捷

（河南工业和信息化职业学院机械工程系，河南 焦作 454000）

超声振动修整CBN砂轮磨削工业材料表面形貌试验研究

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

赵捷

（河南工业和信息化职业学院机械工程系，河南 焦作 454000）

本文采用超声振动修整CBN砂轮对工业材料高速钢进行磨削试验，通过超声振动修整CBN砂轮磨削高速钢的表面形貌特征，研究砂轮修整方式对CBN砂轮的磨削效果的影响。实验结果显示，超声振动修整的砂轮磨削比较高；修整方式及砂轮磨削速度对磨削表面的微观形貌的影响较大。

CBN砂轮；振动修整；高速钢磨削；表面形貌

随着航空航天、汽车电子、光学及仪器仪表行业产品的精密性日益提高，材料的加工制造要求也越来越高。光学玻璃、陶瓷、人工晶体、半导体及单晶硅等硬脆材料具有耐腐蚀性强、耐磨性好、热稳定性好、高温高强度等优异性能，在这些行业中的应用愈加广泛。但是使用性能要求其具有超光滑表面，使其加工成本较高。

因此，各种精密制造方法纷纷涌现出来，力求降低成本，提高制造精度。使用超细磨料超硬砂轮（如金刚石砂轮、CBN砂轮等）对硬脆材料进行磨削加工的需求日益增加［1］。

CBN的迅猛发展开拓了磨削领域崭新的前景，但CBN砂轮的修整问题成为其推广应用的关键问题，使其应用受到制约。CBN砂轮不能依靠普通的修整技术来解决［2～3］，目前常用的高效修整方法有：ELID在线电解修整、电火花砂轮修整、杯型砂轮修整、激光砂轮修和超声振动修整，及上述方法复合在一起的复合修正等［4］。

高国富针对金属结合剂金刚石砂轮存在修整精度和修整效率低、修整设备昂贵、使用维护不便等问题，提出了椭圆超声波辅助机械修整新技术［5］。椭圆超声振动修整后的砂轮表面具有磨粒分布均匀、静态磨粒数多、突出高度大等优点［3］。因此，试验尝试采用超声振动修整的砂轮研究其磨削高速钢的表面质量。

1 试验条件与方案

CBN砂轮的超声振动辅助修整及普通机械修整采用专用修整工装在CK6120 车床上进行。声学系统参数与修整条件如表1所示。

表1 修整条件

K9玻璃磨削试验在平面磨床上进行，CBN砂轮安装在磨床主轴上，工件用虎钳固定在床面上，磨削参数如表2所示。

2 试验结果分析

2.1 砂轮可磨性评价

表2 磨削条件与方案

由于硬质钢磨削加工过程比较复杂，不利于全面评价磨削过程的可磨性，因此采用磨削比G作为可磨性的判定标准，而磨削比通常被作为可磨性评价的重要参数。在磨削过程中，超声振动修整的砂轮与普通方式修整砂轮的磨损量随材料去除量的变化关系如图1所示。

图1 砂轮磨损与材料去除量的关系

图1显示，磨削过程中，当材料去除量相同时，普通修整的砂轮半径减小量要比振动修整的砂轮半径减小量大，并且随着材料去除量达到200时，这种现象更加明显，这说明磨削过程中，普通修整的砂轮要比振动修整砂轮磨损快。产生这种现象的原因是，超声修整后的砂轮表面容屑空间较大，磨粒突出高度显著，磨粒比较锋利，极大改善了砂轮磨削特性，使磨削过程中，砂轮磨粒磨损较小，磨削温度低，磨削比增大。

2.2 试件表面形貌评价

本试验尝试用振动修整的CBN砂轮实现高速钢的精密磨削。如图2所示为超声振动修整方式下，CBN砂轮磨削高速钢的表面形貌。

从图2（a）中可以看出，砂轮转速为1 400 r/min，机床工作台速度为18 m/s时，高速钢的表面波动幅度较大，峰值与沟槽起伏明显。

图2（b）显示，当砂轮转速提高到2 800 r/min机床工作台的进给速度为12 m/s时，工件表面波动有所缓和，峰顶高度及沟槽深度均有所减小。这说明砂轮的转速和工作台进给速度对高速钢工件表面质量影响较大。另外，从不同磨削参数工件的表面形貌来看

试件表面大面积磨削纹理均比较细腻，表面波动比较平和，这反映了振动修整方式下砂轮的形貌比较理想。

图2 磨削参数对工件形貌的影响

图3所示为白光干涉仪扫描下的工件表面粗度轮廓图。从图3可以看出，在砂轮转速从1 400 r/min提高到2 800 r/min，工件进给速度从18 m/s降低到12 m/s时，高速钢的粗糙度值从0.09 μm下降到0.06 μm。这说明在高速钢的磨削过程中，表面粗糙度随着砂轮转速的提高，工作台速度的减小而有所减小这与理论分析是一致的。

3 结论

本文对超声修整CBN砂轮的磨削特性进行了试验研究。实验结果显示，振动修整方式的砂轮表面形貌较好，砂轮磨粒的容屑空间较大，磨粒比较锋利，因此振动修整的CBN砂轮磨削高速钢比普通修整砂轮具有较大的磨削比和较好可磨性。同时，提高砂轮转速，降低工件速度，可以改善高速钢磨削表面形貌。

图3 工件的表面粗度曲线图

［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

赵捷（1977-），女，河南理工大学机械工程专业硕士研究生毕业，主要研究方向为精密制造及表面质量。

2015-08-04