立方氮化硼磨具新近探究综述*

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,河南 郑州　450001)



立方氮化硼磨具新近探究综述*

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所,河南 郑州450001)

发展立方氮化硼磨具，是实现现代机械制造工业技术水平可持续提升走向高端的必由之路。因此，吸引了国内外广大科技工作者的关注。文章将就他们对立方氮化硼磨具技术发展的新近探究做一综述。从探究的结果不难看出，为了避免高速磨削所产生的高温对工件表面烧伤的风险，而提出了新型立方氮化硼磨具结构设计的新思路，不仅解决了镍基高温合金等难加材料的加工难题，而且还具有节能、消除环境污染等绿色发展的功效。

立方氮化硼磨具；磨削技术；综述；难加工材料

立方氮化硼磨具的磨削性能十分优越，不仅能胜任难加工材料的加工，提高生产效率，且有利于严格控制工件的形状和尺寸精度，还能有效地提高工件的磨削质量，显著提高磨削后工件表面的完整性，因而提高了零件的疲劳强度，延长了使用寿命，增加了可靠性，再加上立方氮化硼磨料生产过程在能源消耗和环境污染方面比普通磨料好，所以，扩大立方氮化硼磨具的生产和应用是机械工业发展的必然趋势。以下将对立方氮化硼磨具技术发展的新近探究做一综述。

1　磨削力与比磨削能

镍基高温合金是一种典型的难加工材料，由于具有优良的高温强度、热稳定性及抗热疲劳性，被广泛应用于航空、宇航、船舶及化学工业中。在航空工业中，主要用于发动机的热端部件，例如涡轮叶片、涡轮加力燃烧室及涡轮传动轴等。

高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的加工方法。高速磨削可大幅度提高磨削生产效率，延长砂轮使用寿命，降低磨削表面粗糙度值，减小磨削力和工件受力变形，提高工件加工精度，降低磨削温度，实现对难磨材料的高性能加工。对普通材料而言，磨削速度达100m/s以上称为高速磨削。在磨削难加工材料时，磨削速度达80m/s即被认为是高速磨削。虽然存在烧伤和裂纹的问题，但实践证明，如果选用合适的磨削用量和冷却条件，高速磨削的优势将会非常明显。

钱源等[1]采用陶瓷cBN砂轮、电镀砂轮、钎焊cBN砂轮进行了高速磨削难加工材料试验，并针对磨削力与比磨削能进行了重点研究。

钎焊cBN砂轮为该题组自主研制的单层砂轮，其结构为镶块式。单个镶块其磨粒为有序排列，排布方式为直排，磨粒间距为1mm。

而在相同的磨削用量条件下，钎焊cBN砂轮的比磨削能最小，主要原因是钎焊砂轮的磨粒为有序排布，相邻两排磨粒之间的距离较大，砂轮不容易堵塞，磨削力较小，因此可以充分发挥cBN磨粒切削能力强的优势，进一步发挥高速磨削技术的潜力。

2　克难之星

钛合金以其比其他材料强度高、抗腐蚀性好、耐高温、疲劳强度高等优异性能在世界航空航天领域得到广泛应用。但由于钛合金体存在导热系数小、弹性模量小、回弹量大等材料特性，导致其属于典型的难加工材料，其磨削加工一直是钛合金机械加工领域的难题。钛合金表面极易发生黏附，磨削力与磨削温度极高，磨削表面质量难以控制。针对钛合金磨削加工的特性，众多学者开展了积极研究[2-3]。西北工业大学任敬心，张小福[4-6]等对钛合金磨削砂轮及冷却液的选择进行了大量探究实验，研究表明，水基冷却液对钛合金磨削具有较好冷却效果，陶瓷结合剂cBN砂轮是钛合金磨削较为理想的工具。宋贵亮[2]等开展了单颗cBN磨粒高速磨削实验研究，初步探究了高速磨削机理。

伴随着飞机长寿命结构件钛合金损伤容限设计需求，新一代损伤容限钛合金备受关注。TC4钛合金作为一种中强度损伤容限钛合金，具有优异的综合材料匹配性能，被广泛应用于波音客机及F—22、C-17等新一代飞机的零部件中。

为充分发挥高速磨削技术在钛合金材料加工领域的优势，系统探究钛合金的高速磨削力、磨削温度和磨削表面形态对实现钛合金高品质磨削加工具有非常重要的意义。胥军[ 3]等通过探究得出如下结论：

(1)采用陶瓷结合剂cBN砂轮高速磨削加工钛合金材料具有可行性。

(2)砂轮线速度为60～80m/s时，磨削表面质量良好；当砂轮线速度提高至100m/s后，磨削表面出现大量凃覆物，产生网状微裂纹等热损伤缺陷。

(3)砂轮线速度和磨削深度对磨削力、磨削温度和磨削表面形态影响显著，而工作台速度对其影响不明显。当砂轮线速度达100m/s后，磨削区冷却效果变差，磨削温度急剧升高。

(4)高速磨削钛合金时，砂轮线速度不宜超过80m/s；选择较小的磨削深度和较大工作台速度，不仅可保证工件磨削加工表面质量，还可提高加工效率。

3　磨损形式

电镀cBN砂轮作为典型的超硬磨粒砂轮其成型工艺简单且在磨削加工过程中无需整形和修锐。但是，由于其磨料层仅有一层，当磨粒发生磨损以后，无后续磨粒的补充，而且随着砂轮磨损的进行，砂轮底貌也发生一定程度的变化进而影响被磨工件的表面质量。

目前，关于电镀cBN砂轮的磨损研究主要集中在30～40m/s的低速条件下，已取得显著成果。李峰，苏宏华[ 4]等，针对高速磨削的特点，采用80/100目的电镀cBN砂轮进行了120m/s高速条件下磨削镍基高温合金GH4169的砂轮磨削试验研究。研究发现，随着工件材料去除体积的增加，磨削力呈现初期快速增加，随后平稳增加的变化趋势，并且顺磨与逆磨的法向力差值在平稳磨削阶段随着砂轮的磨损程度增加将逐渐加大。当砂轮线速度为120m/s，工件材料去除率为3m3/(mms)时，通过三维体视显微镜观察，发现砂轮的磨损形式以磨粒的磨耗磨损为主。

4　磨粒有序多孔

陈珍珍等[5]针对高温合金高效磨削过程中的烧伤问题，基于氧化铝空心球造孔与钎焊技术，研制了多层磨粒有序排布的多孔cBN砂轮。

多孔cBN砂轮由砂轮基体、砂轮工作层和过渡层三部分组成。

磨削烧伤的抑制对策，主要从磨削热的产生和疏导这两方面来入手。首先，为减少磨削弧区热产生，主要通过提高砂轮的锋利度及优化磨削工艺降低磨削比能。丁文锋等[ 6]成功研制单层磨粒有序排布钎焊cBN砂轮，并应用于高效磨削铸造镍基高温合金K424。目前，单层砂轮存在寿命有限，修整困难等问题。

针对高效砂轮磨损严重问题，Y HASUDA等人采用金属结合剂cBN砂轮磨削高温合金，实现的磨削比高达200，但由于修整困难而限制了其推广应用。其次，在磨削热疏导方面，高温合金在缓进给磨削中易产生突发烧伤，很大程度上是由于不充分的冷却液所产生的，其中，包括冷却液加注方式不合理以及砂轮气孔率不高等因素。因此，新型的大气孔多层磨粒有序排列多孔cBN砂轮应运面生。与普通多孔砂轮不同之处在于，该型砂轮工作层内的闭孔结构有利于提高砂轮强度。砂轮表面大气孔在深切磨削过程中，既能提供充分的容屑空间，又能使切屑从气孔中及时排出，防止砂轮堵塞。

研究结果表明，大切深磨削时，添加石墨块导流，可明显改善磨削弧区冷却效果，抑制工件烧伤，砂轮最大材料去除率可提高3倍以上；当材料去除率为2mm/(mm.s)时，随着磨削速度的提高，磨削温度先下降后上升，越过临界磨削速度100m/s，磨削温度则呈下降趋势；不烧伤磨削温度均维持在100℃以下。高速磨削时在切深0.2mm下，砂轮可实现最大材料去除率为20mm3/(mm.s)。

5　表面粗糙度

轴承被誉为装备制造的“心脏”部件，2015年，我国轴承产量将达到280亿套，但是，我国高挡轴承仍大量依靠进口。轴承加工精度是影响产品质量的关键因素之一，轴承内、外圈和滚动体三个零件的加工，直接决定着轴承的精度。砂轮是轴承磨削加工的关键工具，既决定轴承精度和表面质量，也决定磨削工序节能、环保和效率。

在国内，由于砂轮性价比和应用两大因素的限制，加上环保意识不强，大部分企业仍然使用普通砂轮加工轴承零件。与普通(碳化硅、刚玉)砂轮相比，cBN砂轮加工效率可提高近一倍、使用寿命提高约100倍、修整间隔延长近200倍、废渣减少约90%、工人劳动强度大幅度减小，资源节约，环境友好，尽管cBN砂轮单位体积价格高近100倍，但仍然具有诱人的应用前景和重要的研究价值。

cBN砂轮的应用技术在相当程度上影响了加工工件的效果。磨削参数的优化是应用技术的重要内容之一，既影响轴承加工精度，又影响加工效率。轴承内圆磨削加工的主要技术指标包括：表面粗糙度、锥度、椭圆度、壁厚差、振纹和烧伤等。实验过程中发现，当成功满足产品不烧伤、无振纹，能达到大规模生产效率和耐用性的要求后，表面粗糙度这一技术指标最难攻克。

刘泓等[ 7]采用正交实验研究砂轮磨削过程中各种磨削参数对轴承内圆表面粗糙度的影响规律，为生产过程中不同工况下磨削参数的调整提供了参考依据。

影响表面粗糙度的因素很多，最明显的是磨料的粒度。

6　弧区冷却液动压力

冷却液在控制工件表面热损伤方面起了关键性作用。其冷却作用有利于弧区热量的疏导。研究表明，冷却液将疏导弧区最大比例的热量；其润滑作用有利于降低砂轮与工件之间的摩擦而产生的热量；其冲洗外作用有利于将磨屑排出磨削弧区，避免划伤加工表面。

冷却液在磨削过程中发挥的作用不仅与其本身的物理化学特性有关，而且还依赖于整个磨削系统，特别是砂轮的构造与冷却液的供应方式。Malkin[ 8]应用泵的工作原理分析旋转的多孔砂轮将磨削液引入磨削弧区的现象，结果表明，冷却液出口速度、喷嘴的位置以及砂轮的孔隙率是影响冷却液有效流量的关键因素。

张志伟[ 9]等人使用陶瓷cBN砂轮高效磨削镍基高温合金，分析磨削工艺参数和空气挡板对弧区压力的影响，并结合工件表面烧伤现象，以及弧区压力和热流密度得出该磨削系统的合理磨削速度范围。

实验表明，磨削工艺参数中，磨削速度对弧区冷却液动压力的影响最大，压力值随着磨削速度的提高呈先升后下降的趋势；使用空气挡板可在一定磨削速度范围内提高弧区冷却液动压力。最后基于弧区压力与热流密度的关系，分析了磨削速度对工件表面烧伤的影响。该结果可从充分发挥冷却液效果，并从避免磨削烧伤的角度为磨削速度的选择提供依据。

7　热管砂轮

由于高温合金自身热性能差，在其的磨削加工过程中极易出现磨削高温，从而产生工件表面烧伤，砂轮磨损快以及加工效率低等问题[16-17]。传统观点认为，只要尽可能多地向磨削弧区注入冷却介质，便可确保磨削低弧区的换热效果，降低磨削温度。基于上述思路，现已开发出了众多磨削冷却技术与方法[18-19]。但是随着砂轮线速度、磨削深度和材料去除率的不断提高，磨弧区的面积逐渐增大，磨削弧区密闭程度逐渐升高，致使冷却介质越来越难以进入磨削弧区。因此，探索新的在高效磨削加工过程中的快速疏导磨削热的方法，强化磨削弧区换热，成为避免高温合金材料出现磨削烧伤，进而提高其磨削加工效率的关键。

热管是一种具有极高传热能力的元件，其传热能力已经远远超过任何一种已知金属。正是基于这一特性，国外早在上世纪80年代就有将热管技术应用在车削、钻削等加工领域的报道。相关结果表明，利用热管的传热作用可以有效降低车削、钻削加工区域的温度，同时延长工具的使用寿命[10-11]。但在磨削加工领域，国内相关学者则先于国外提出了利用热管技术进一步强化磨削弧区换热的构想，并已开展了一些探索性的研究工作[12-13]。

设计制作一种能够用于磨削的热管砂轮，并通过开展磨削高温合金GH4169实验，验证热管砂轮在降低磨削弧区温度和防止工件烧伤等方面的效果，这种新的方法，对于在高效磨削时避免GH4169工件烧伤和进一步提高其磨削加工效率，有着十分重要的意义。

从制造工艺的角度出发，使用传统机械加工(车削、铣削、磨削等)方法显然是不能制作出上述热管砂轮的。因此，该砂轮的基体结构只有通过焊接盖板和钢基体，随后再进行精加工得以实现。

对于热管在制作过程中抽真空的要求，一般情况下，要求获得的真空度范围在10×10-1～1.0×10-4Pa，其目的是为了尽可能减少管内不可凝结性的气体。因此，在制作热管砂轮时对其内部环形管腔的真空度要求低于5.0×10-2Pa。

为了保证砂轮整体结构强度，在砂轮基体冷凝端薄壁处一周设置了12小段的加强筋结构。

赫青山，傅玉灿[14]等的实验结果表明，在相同的实验条件下，当使用无热管的普通砂轮时，在磨削弧区会产生高温，而使用热管砂轮时可以有效将磨削温度维持在100℃以下，避免工件烧伤。

8　单层钎焊cBN砂轮

航空齿轮工作在高温、重载、腐蚀性强等恶劣环境中，需要具有良好的抗腐蚀性能和很高的表面硬度来抵抗磨损；同时，心部要有良好的断裂韧性来抵抗运行过程的冲击；此外，还需要具有优秀的高温硬度。为满足这种需求，美国在20世纪90年代开发了CSS-42L钢，它不仅具有耐高温、抗冲击和耐腐蚀等优良特性，还能通过表面热处理改善表面状态，在航空、宇航、船舶及化学工业中具有广阔的应用前景。

但其本身优异的材料特性也给其磨削加工带来了很大的困难。磨削CSS-42L时，其高强度使磨削过程消耗更多的能量，而这些能量的90%以上都转化成磨削热，同时，由于其高合金含量导致的低热导率(室温下CSS-42L坯热导率为15.3W/(m.℃))，使得磨削区产生的热量不易导出。因此，在使用普通磨料磨削CSS-42L时，存在着磨削力大、温度高、工具损耗快等问题，加工质量不易保证。

超硬材料(金刚石和cBN)工具凭借其优异的性能在加工领域，尤其是难加工材料的磨削加工领域，表现出明显的优势。特别是cBN硬度可与金刚石媲美，而热稳定性远高于金刚石。与铁族金属又具有较大的化学惰性。因此，cBN工具在各种高强度钢、高温合金等难加工材料的加工中极具发展潜力，并获得一定的应用[15—18]。

开展单层钎焊cBN砂轮磨削CSS-42L钢的研究，可以进一步扩展单层cBN砂轮的应用，同时也为CSS-42L钢的实际磨削加工提供有益参考。

为此，杨长勇等[19]人，采用单层钎焊cBN砂轮切入式磨削CSS-42L钢，分析不同磨削条件下的磨削力、温度和比磨削能等的变化规律，并与白刚玉砂轮进行了对比。他们的研究结果表明，磨削深度对磨削力和磨削温度的影响最为明显，而工件速度的影响不明显。相同情况下，采用单层钎焊cBN砂轮磨削CSS-421时的磨削力、温度、比能都低于白刚玉砂轮，亦即在切入式磨削CSS-421钢时，单层钎焊cBN砂轮的磨削加工性能优于白刚玉砂轮。

9　高效研磨技术

电控柴油机喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，其作用的完善与否，直接影响柴油机燃烧性能以及废气的最终排放。随着国家环境要求越来越严及喷油器喷油压力越来越大，对喷油器密封性的要求也越来越高。喷油器中间体是保证喷油器密封性及可靠性的重要零部件之一，且有较高的几何精度和表面粗糙度要求。日前采用传统研磨的加工方法，存在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点。

为了满足喷油器中间体高精度、高效率、低成本的研磨加工要求，吴耀宇，刘冬敏[20]等首先选用强度高、韧性好、热稳定性好的cBN280型，其粒度采用微粉级(10～20μm)cBN做磨料，选择适当浓度cBN，经过配料——成型——干燥——烧结——检验——整形等工序做成陶瓷cBN丸片。再将丸片粘在金属磨盘上，形成磨具的切削部分，最后把磨具固定到研磨机上。

整个研磨过程分预研、研磨、精研三个阶段并一次完成。在预研阶段，其主要作用是剔除零件表面毛刺，减小零件之间的高度误差。在研磨阶段，顷恒压控制，单位压力为0.05～012MPa，可根据工件数量的多少调整此过程的压力值，其加工余量为15～30μm，研磨时间约为30～70s；在精研阶段，压力逐渐降低，此时的加工余量控制在3～5μm以内。

研究的结论是：

(1)较好地解决了传统的散粒磨料慢速研磨中存在的缺点。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，降低环境污染，保证了加工精度和表面质量的稳定性。

(2)可以通过丸片与研磨盘的制造、控制不同浓度和硬度的陶瓷cBN丸片在磨盘中的分布状态，使磨盘研磨过程中磨损均匀，保证了加工精度和表面质量的稳定性。

(3)研磨技术综合了陶瓷cBN磨具加工的高效率、长寿命和研磨加工的高精度的优势，在保证研磨加工精度和质量的同时，提高加工效率、降低了加工成本、使研磨技术进一步实用化。

(4)在保证加工表面质量的前提下(Ra003～005μm)，材料去除率可达15～25μm/min，其研磨效率约为相同加工条件下传统游离磨料加工的10倍，工序成品合格率99%以上，与同类进口产品相比，加工成本降低65%以上。

结语

随着高速、超高速数控磨床的出现，高速cBN砂轮更焕发出新的活力，取代普通刚玉砂轮，在机械加工中得到广泛应用，是一种具有高精度、高效率、低消耗、低生产成本、低污染、自动化程度高等优异性能的磨具，是现代先进磨削加工工具的发展方向。

高速陶瓷cBN砂轮单片原材料消耗仅为刚玉砂轮的1/56;而加工相同工件高速陶瓷cBN砂轮原材料制造的能源消耗仅为陶瓷结合剂刚玉砂轮的1/62，而且高速陶瓷cBN砂轮是低温烧成，在制造过程中更为节能。

由于高速cBN砂轮的磨料消耗极少，产生的磨削产物也极少，使用高速cBN砂轮加工所产生的金属磨屑可以直接回收利用，而刚玉砂轮加工的消耗是高速cBN砂轮的700余倍，其磨削物大量留于磨屑中，使得磨屑的回收利用极为困难，实际生产中基本作为废弃物处理，对环境大为不利。

由于高速cBN砂轮耐用度较高，修整频次很小，而刚玉砂轮修整频次是高速cBN砂轮的100倍左右，因此使用高速cBN砂轮，使得砂轮修整中所产生的粉尘污染降为极低。

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Review of Recent Research on Cubic Boron Nitride Grinding Tools

WANG Guang-zu

(ZhengzhouResearchInstituteforAbrasive&Grinding,Zhengzhou)

Developing cubic boron nitride grinding tools is the only road to realize the sustainable development of the technology of modern mechanical manufacture industry and move upmarket. As a result, it has attracted the attention of scientists and technicians at home and abroad. This article will make a review of the recent research on the development of the technology of cubic boron nitride grinding tools. It is not difficult to see from the result that in order to avoid risk of burn of the surface of workpiece due to the heat caused by high speed grinding, a new idea of structure design of the cubic boron nitride grinding tools has been put forward. The new design not only has solved the processing difficulty for hard-to-process materials such as nickel-based high temperature alloys, but also has the green development functions such as energy saving and environmental pollution elimination.

cubic boron nitride grinding tools; grinding technique; review; difficult-to-machine materials

2016-01-15

王光祖(1933-)，男，教授，长期从事超硬材料及制品的研发工作，出版多部专著，发表上百篇学术论文。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0042-05

引文格式：王光祖.立方氮化硼磨具新近探究综述[J].超硬材料工程，2016，28(4)：42-46.