冷却液及粒度对电镀CBN砂轮端面磨削的影响

工艺与检测冷却液及粒度对电镀砂轮端面磨削的影响汕头大学阎秋生日本东北大学田中宪司庄司克雄响。砂轮磨粒尺寸较小时（如230），在砂轮作业面上容易发生切屑粘结和电镀磨粒层剥离等异常损伤选取较大尺寸的磨粒（如80）可以实现砂轮的正常磨削，采用轴心普通冷却液供给和外部高压冷却液供给并用的冷却液供给方法有较长的砂轮寿命，得到的已加工表面粗糙度在Rz4μm以下。1前言具有沟槽结构并且需要对沟槽进行精密加工的零件应用很广，但目前对沟槽的磨削加工大多采用盘形砂轮。本研究采用带轴的小直径CBN砂轮对曲线形状沟槽进进精密加工，实验分析小直径CBN砂轮的磨削性能。笔者用电镀小直径CBN砂轮精密磨削沟槽底面，并对砂轮端面磨削特性进行研究。使用小直径砂轮的端面磨削，由于磨粒切削长度变大，磨粒尖端切削刃容易平坦化失去切削能力，冷却液的冷却效果成为磨削过程的重要影响因素，尤其是小直径砂轮由于其高速回转使这一倾向更明显。因此对砂轮磨削中磨削法向力随砂轮累积磨削体积的变化特性、砂轮失效形式、磨粒在磨削过程中的变化以及已加工表面粗糙度精度等进行实验研究。2实验装置及实验方法实验装置用平面磨床改装，将其主轴用油雾空气式高频主轴（最高转速80000r/min，输出功率2.8kW）替代，使用8mm的小直径CBN砂轮其圆周速度可达到33.5m/s.使用的小直径CBN砂轮结构及主要尺寸示于图1，即砂轮磨粒部分的宽度为1mm.考虑到冷却液的供给和切屑的排除，砂轮上设计了4个排屑槽，从磨削已加工表面粗糙度方面选择砂轮粒度230.考虑到在小直径CBN砂轮端面磨削时冷却液的供给是重要的因素，实验装置上配置了普通冷却泵（压力0.3MPa，流量6L/min）和高压冷却泵（压力5MPa，流量6L/min）。冷却液使用以无机盐类为主要成分的水溶性稀释液，工件材料为铸铁，尺寸（L）仪测取沿砂轮轴线作用的法向磨削力Fn.考虑磨削3实验结果分析3.1冷却液供给方式的影响采用通常杯形砂轮端面磨削时的冷却液供给方式，在磨削开始后不久磨削力急速增大发生了已加工表面磨削烧伤使磨削无法继续。对已加工表面和砂轮表面观察可以确认为是磨削点冷却不足。因此采用高压冷却液分别逆工件进给方向的前方斜上45°方向（称高压A）和顺工件进给方向的后方斜上45°方向（称高压B）供给，并降低工件进给速度到0.5m/min，进行实验，结果示于图2.由图可见，砂轮在很少的累积磨削体积时即以磨削力剧增而无法继续加工，磨削液供给压力的提高和工件进给速度的减小均未能显著改善加工效果。考虑到杯形砂轮端面磨削时砂轮与加工表面的几何关系，冷却液从外部供给到达磨粒磨削点比较困难，如果从砂轮轴内部供给冷却液，砂轮高速旋转的离心力将可能使冷却液更容易流动达到磨粒切削点，因此提出了如图3所示的使用专用喷嘴的冷却液供给方案，即轴心普通冷却液供给和外部高压冷却液供给并用。1.工件2.高压冷却液喷嘴3.轴心供给专用喷嘴由图4可见，砂轮的寿命提高到1.4倍，到砂轮失效为止，磨削力始终维持较小值。比较磨削力的变化可知，磨削力是由较小值突然变大的，可以推定砂轮是由于异常磨损而失效的。因此用电子显微镜对砂轮作业面磨粒的状态进行观察分析。3.2砂轮作业面磨粒状态首先对图2实验中失效后的砂轮进行观察分析，子显微照片。由图5可见，出现了砂轮电镀CBN磨粒层剥离和切屑粘结于砂轮作业面，可以确认这是导致砂轮磨削力突然增大的原因。因此对新提案冷却液供给方式的砂轮作业面磨粒状态进行追踪观察，分析砂轮产生这一变化的作用过程。图6是随砂轮累积磨削体积增加时磨粒状态的变化，比较图6b、a可见，其中编号为a和d的磨粒发生了脱落，编号为b、c、e、g的磨粒发生了大的破碎，编号为f的磨粒发生了微小破碎，发生脱落和破碎的磨粒其尺寸都相对比较大，并且磨粒切削刃突出高度比较高。可以说发生了脱落和破碎的磨粒对在此之前的砂轮磨削过程中都是有效磨粒起到了切削作用，但由于磨粒的脱落和破碎使磨粒切削刃消失或磨粒突出高度降低，而使有效磨粒数减少。另一方面，较突出的磨粒消失或破碎使砂轮作业面整体上磨粒切削刃的高度有趋于一致的倾向。从砂轮表面磨粒尺寸和磨粒切削刃分布的均匀性方面看，图6b比图6a更均匀，这将会使更多的磨粒切削刃具有切削作用，有效磨粒的间隔减小，有利于磨削过程稳定地进行。从图4中砂轮累积磨削体积150mm前后的磨削力稳定可以说明磨粒切削刃的这一变化对磨削过程的影响。但在砂轮累积磨削体积到295mm时磨削力突然增大，在砂轮作业面上观察到了如图6c所示的切屑粘结，也就是说砂轮失效于切屑堵塞。在发生砂轮堵塞之前的已加工表面上观察到了如图7所示的因滞留在砂轮表面切屑产生的断续划痕。对磨屑形态的观察，有如图8所示约50μm左右的切屑团块，从其形态可见，是切屑形成之后再团聚而成的。对于小直径CBN砂轮端面磨削沟槽底面时，因切屑粘着而失效被认为有如下的过程。由于砂轮和被加工表面的特定几何关系，切屑是从磨粒与加工表面之间排除的。由于砂轮以80000r/min的高速旋转，1g重的切屑会受到8N以上的离心力作用。因此切屑一旦与工件分离将会从磨粒与加工表面之间的空隙中沿半径方向排出。但切屑从砂轮和工件干涉区排除比其它的磨削加工方式要困难，尤其是位于砂轮内侧磨粒产生的切屑。实验使用的230小直径CBN砂轮的磨粒尺寸在57～75μm之间，由于电镀金属层厚度的关系，磨粒切削刃突出高度一定小于此值，并且由于如前所观察到的尺寸较大的CBN磨粒在砂轮磨削过程中会发生脱落和破碎，使磨粒的尺寸随之减小切削刃的密度增大，这同时使切屑从磨粒之间脱出的阻碍增加，如图8所示的尺寸达50μm的切屑团块，极容易滞留于砂轮磨粒之间而堵塞砂轮。基于如上分析结果，砂轮应选用较大的磨粒尺寸，因此选用80粒度、磨粒尺寸151～197μm的电镀小直径CBN砂轮进行实验。3.3磨粒粒度及冷却方式的影响采用粒度为80的小直径CBN砂轮和不同冷却液供给方式下的实验结果示于图9.由图9可见，从磨削力变化的整体来看磨削力随砂轮累积磨削体积的增加而逐渐增大，消除了如230砂轮因切屑粘结导致的磨削力突然增大现象，尽管磨削力有一定的波动，砂轮的寿命大幅提高，使已加工表面的粗糙度精度随磨削力的变动而变化，但粗糙度值小于Rz4μm.比较不同冷却液供给方式对磨削效果的影响，采用轴心普通冷却液供给和外部高压冷却液供给并用方式有较长的砂轮寿命。对于电镀小直径CBN砂轮端面磨削沟槽底面时，选用较粗的磨粒粒度和充分的冷却液供给是实现其正常磨削的关键。4结论电镀小直径CBN砂轮端面磨削沟槽底面时，冷却液供给效果及磨粒粒度对磨削力、已加工表面粗糙度的影响进行了实验研究，得出的结果归纳如下：（1）磨粒尺寸较小时（如230），容易因砂轮作业面磨粒密度高发生切屑粘结而造成磨削力突然增大砂轮失去加工能力。电镀小直径CBN砂轮有时还会发生磨粒脱落、破碎，电镀磨粒层剥离等异常损伤形式（2）砂轮选取较大尺寸的磨粒（如80）有较好的磨削效果，可以实现砂轮的正常磨削（3）采用轴心普通冷却液供给和外部高压冷却液供给并用的冷却液供结方式有较长的砂轮寿命（4）用粒度80的电镀小直径CBN砂轮得到了Rz4μm以下的已加工表面粗糙度。1阎秋生，田中宪司，庄司克雄，朴木继雄。CBN小径砥石による研削加工。日本精密工学会东北支部讲演论文集。1998，572阎秋生，田中宪司，庄司克雄。小直径CBN砂轮的要素参数选择研究。制造技术与机床，1999（9）第一作者：阎秋生，广东省汕头市大学路，广东汕（编辑周富荣）（收修改稿日期：2000―02―15）？服务热线？现有1999年北京国际机床展览会留下的世界著名机床公司生产的立式加工中心，性能优异，可靠性高，使用寿命比同类产品长，付款后可以立即提取现货。该立式加工中心规格为工作台面：915mm×356mmX、Y、Z行程：560、406、508（mm）快移速度：58000美元。有意者请直接与机床杂志社传真联系，传真：[phone]，联系人：周富荣。fahxs8e超细磨粉机