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汽车装备工业展讲稿
2004汽车装备工业展(上海)技术交流讲座材料
主讲人:
刘一来
二零零四年五月
立方氮化硼(CBN)磨具的应用技术
——高速、高效、高精度、低成本的磨削技术
CBN(CubicBoronNitride)是继人造金刚石问世之后,于1957年,由美国GE公司首先合成出的又一种超硬材料。
我国在1966年试制成功CBN,至今已有近四十年的历史了。
CBN的硬度仅低于金刚石,除了高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等性质外,还具有比金刚石优越的耐热性和对铁族金属材料的化学惰性。
利用它这些优异的性能作研磨材料所制成的CBN磨具,特别适合于各类铁族金属材料的磨加工。
它和金刚石用于加工硬而脆的非铁系材料相互补充,使超硬材料的应用范围大大拓宽。
和普通磨料的磨具相比,CBN磨具具有高速、高效、高加工质量、长寿命、低成本的特点,可作为高速数控磨床高效、高精度磨削的首选工具。
在汽车、机床、工具、轴承等工业领域有着广泛的应用。
1CBN的性质
1-1CBN的晶体结构
六方氮化硼(hBN)经高温高压合成,晶体结构由层状转变为立方结构(见图1,2),密度由2.25g/cm3增加到3.48g/cm3,各种性质都发生了突变。
1-2CBN的主要特性
在将CBN作研磨材料使用时,我们主要研究CBN的硬度、耐磨性、强度和导热性等性质(见图3)。
1-2-1硬度
CBN的硬度仅次于金刚石,而远高于其它普通磨料。
高的硬度意味着切削能力更强、更锋利。
1-2-2耐磨性
CBN有高的耐磨性,意味着它比普通磨料更难磨损,保持磨粒形状的能力是CBN作为高性能磨料的主要特性之一。
1-2-3抗压强度
CBN的抗压强度很高,这意味着在恶劣的条件下使用时它能保持颗粒完整而不易破碎。
1-2-4导热性
CBN有很好的导热性,在磨削时可实现冷切削。
另外,CBN还有高的热稳定性和较低的热膨胀系数(见表1)。
特别是CBN与铁、碳没有明显的化学亲和力,决定着它在磨削铁族金属时的价值。
而金刚石在一定温度下与铁发生化学反应而使其结构破坏,这就是金刚石不能加工铁族金属材料的原因。
由于CBN和金刚石某些性质的不同,它们加工材料的范围也不同。
CBN适合加工的材料:
工具钢、轴承钢、合金钢、超级合金钢、铸铁。
金刚石适合加工的材料:
硬质合金、玻璃、陶瓷、金属陶瓷、铸铁。
2CBN磨具的特征
CBN磨具是用不同类型的结合剂将CBN磨料粘接在一起并制成一定形状的一种工具。
按结合剂类型、磨具的形状和用途的不同,可将CBN磨具分为不同的品种。
CBN磨具的特征是由其形状、尺寸、CBN磨料粒度、浓度、结合剂类型和使用速度等参数来描述的。
2-1CBN磨料
国内外CBN磨料的主要牌号见表2,3,4,5,6。
2-2结合剂类型
CBN磨具常用的结合剂有树脂、金属、陶瓷和电镀四种。
它们的特性及应用范围如表7所示。
2-3浓度
根据规定,磨料在磨具中浓度为100%时,每cm3含4.4克拉(0.88克)的磨料,此值相当于体积25%。
浓度代号规定见表8。
表8浓度代号规定
代号
磨料含量(克拉/立方厘米)
浓度
25
50
75
100
150
200
1.1
2.2
3.3
4.4
6.6
8.8
25%
50%
75%
100%
150%
200%
2-4形状尺寸
按GB/T6409.2-1996标准可分为平行、杯形、碗形、碟形、磨头、油石等形状。
磨具的主要形状及其代号见图4。
2-5标记
磨具的标记按GB/T6409.1-1994标准规定,示例如下:
1A150×4×10×3CBN80/100V150
形状代号
直径(D)
总厚度(T)
孔径(H)
磨料层深度(X)
磨料
粒度
陶瓷结合剂
浓度
图4CBN砂轮的标准形状
3CBN磨削系统
CBN磨具是一种工具。
它只有通过合理的磨削工艺、依靠磨床的优越性能,才能最大地发挥它的作用。
在研究和应用CBN磨削技术时,必须把CBN磨具、磨床、工件、修整、冷却、磨削工艺等因素纳入一个系统里来进行优化,才能获得最佳的技术和经济效果。
图5显示在使用CBN磨具时工件的磨削系统中各方面的影响因素。
下面简述CBN磨削技术的几个重要影响因素。
3-1CBN磨具
性能优越的磨具必须同时具有磨削锋利、自锐性好和耐用度高的特征。
在制造和选择磨具时主要考虑下面四个方面因素的影响。
3-1-1结合剂
在CBN磨具的四种结合剂中,以陶瓷结合剂的CBN磨具发展最快。
在世界范围内,陶瓷CBN磨具的比例已上升到50%以上,呈迅速增长之势。
这是由于陶瓷CBN磨具磨削效率高,形状保持性好,耐用度高,易于修整,磨料利用率可达75%以上,砂轮使用寿命长,因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。
如用于凸轮轴磨削的CBN砂轮多数采用陶瓷结合剂。
3-1-2磨料选择
磨削时,磨料是磨具中的主体,它的性能好坏直接影响着磨削的效果。
不同牌号的CBN磨料,因制造工艺的不同,其晶体形态、颗粒形状也各不相同,它们各自具有不同的强度、热稳定性、耐化学侵蚀性和破碎特性。
应根据工艺和使用要求选择不同牌号的磨料。
需要指出的是,CBN磨料在高温下易与水和碱性氧化物发生化学反应而使其结构受到破坏,这是在选择磨削液时必须要考虑的因素。
3-1-3浓度
砂轮浓度的高低表示了在磨削时砂轮工作面上参与磨削的磨粒数的多少。
高浓度可带来高的磨削比。
如200%浓度比100%浓度砂轮寿命延长4-5倍。
目前,高速高效磨削均采用较高的浓度。
提高浓度还可降低工件表面粗糙度,但同时会增加磨削力和产生更高的磨削热。
3-1-4硬度
磨具的硬度等级表示了结合剂对磨料把持力的大小,它是制造商工艺控制的重要指标,也是用户选择磨具性能的主要参数,砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。
国内目前的CBN砂轮还未制订出硬度检验标准。
3-2磨床
磨床是磨削体系的中心,磨床的性能对磨削效果有最重要的影响,对CBN磨削来说尤其如此。
高速度
提高砂轮工作线速度,可明显提高磨削效率和磨削比,提高砂轮耐用度和工件表面质量(见图6,7)。
80~120m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。
在条件允许的情况下,尽可能使用高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。
3-2-2高刚性的抗振性
高速磨削和CBN砂轮磨削的特点,要求机床主轴和整体要具有高的刚性和良好的抗振性。
从而保证磨削工件的精度和表面质量,这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。
不具备这样的条件,在使用CBN砂轮时,要想获得更高的金属去除量,工件的几何精度和表面质量就会变差。
波纹是常见的表面质量缺陷,它是由振动产生的。
可引起振动的原因之一是机床刚性低、抗振性差或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大。
3-3修整
使用金刚石滚轮修整,不仅可提高修整效率,更重要的是可获得较好的砂轮形貌。
使用其它修整工具,很难完成对高硬度砂轮表面的修整。
修整装置的进给精度要高,每次进给量应能达到微米级。
过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。
修整速度比Vr/Vc是修整工艺中一个值得注意的参数,它的改变会使砂轮表面形貌显著变化,并最终影响到工件表面磨削质量。
3-4冷却
磨削中,90%以上的能量转化为热能,这些热必须被冷却液最大限度地吸收并带走,否则工件就会产生烧伤。
对CBN砂轮来讲,还要考虑CBN磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。
正确选择冷却液种类和冷却工艺参数,往往会收到事半功倍的效果。
不同的冷却液的使用,会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。
表9为实验的结果,显示不同冷却液对磨削比的影响。
3-5磨削工艺参数优化
充分优化磨削工艺参数可使磨削效率、磨削质量和磨削成本在更高的水平上达到平衡。
4CBN磨具的应用
4-1国内外技术发展概况
随着工业技术的进步,高速、高效、高精度磨削已成为当今磨加工技术发展的主流。
CBN磨削作为一种先进的加工技术在此大显身手。
高质量、低成本是推动它迅速发展的源动力。
CBN磨具制造和应用技术发展有以下几个特点:
①应用领域不断扩大,已从工具行业对难磨金属材料的加工,推广到轴承、汽车、机床、压缩机等行业中普通黑色金属材料的加工(见表10),磨削方式也从一般的工具磨、内圆磨,发展到缓进给磨削、高精度磨削、高速度磨、凸轮磨、曲轴磨(见表11),大有取代刚玉磨具之势。
②高速度、高效率、高质量、低成本。
使用速度普遍达到80~125m/s;大余量粗精磨一次完成;由于磨削工件表面呈压应力状态可使工件使用寿命提高20~30%;综合磨削成本可降低20%以上。
③国内进口成套CBN磨削技术呈快速增长之势。
④国产CBN磨具的制造和应用技术进入高水平和快速发展的新阶段,并已进入汽车制造业这个主流市场。
部分CBN磨具性能接近国外同类产品水平,可替代进口。
国产高速数控CBN专用磨床已研发成功。
4-2CBN磨具应用实例
4-2-1发动机凸轮轴磨削
实例1:
精磨汽车凸轮轴
砂轮:
1A1180mmV125m/s
机床:
德国肖特CF41CBN
工件:
铸铁,8个凸轮,余量D1.0mm,
Rmax3.2
修整:
金刚石滚轮,D180mm,修整间隔
200件(800个凸轮),修整量直径上
5μm×3+3μm×2/次
效果:
达到进口砂轮水平,综合成本降低30%以上。
实例2:
精磨汽车凸轮轴
砂轮:
D400V80m/s
机床:
德国肖特CF41CBN
工件:
铸铁,8个凸轮,余量D0.8~1.0mm,Ra≤0.35,磨削效率12S/凸角。
修整:
金刚石滚轮,D130mm,修整间隔600~2500个凸角,修整量3μm×3+1μm×1/次
冷却:
压力4.2kg
效果:
达到进口砂轮指标,成本降低1/3以上。
实例3:
精磨摩托车凸轮轴
砂轮:
1A1350mmV80m/s
机床:
日本丰田工机凸轮磨床
工件:
45#钢,2个凸轮,HRc60,余量
0.2~0.3mm,Rz3.2,磨削效率30S/根
修整:
金刚石滚轮,修整间隔240根,
修整量0.002mm/次。
效果:
寿命可达进口砂轮的80~90%,成本降低30%以上。
实例4:
粗磨汽车凸轮轴
砂轮:
1A1600mmV60m/s
机床:
国产MKS8312凸轮磨床
工件:
合金冷激铸铁,13个凸轮,
HRc45,余量Ф4mm,Ra2.5,磨削效率
12分钟/根
修整:
金刚石杯形滚轮,修整间隔
8~10根/次,修整量Ф0.01×2
砂轮更换周期:
5000根/片
效果:
替代白刚玉砂轮,耐用度提高100倍,寿命提高50倍,生产效率提高10%,直接工具成本降低10%。
4-2-2轴承内径磨削
实例1:
汽车轴承磨削
砂轮:
1A810×15×3.5V
机床:
国产MZ204全自动内圆磨床24000rpm
工件:
6201/02,GCr15,HRc61~65,
余量0.3~0.35mm,Ra0.8,磨削效率25S/件,
进给量0.24mm/min(粗)和0.17mm/min(精)。
修整:
金刚石笔,手动,修整间隔200件,修整量0.02mm
砂轮寿命:
2500件(刚玉砂轮30件/片)
效果:
与白刚玉砂轮相比,耐用度提高200倍,单件生产效率提高40%左右,砂轮成本消耗降低14%。
实例2:
薄壁轴承磨削
砂轮:
1A125×16×10×3V37m/s机床:
MZ2110A
工件:
1136807/029Cr18,壁厚1.4mm。
修整:
金刚石笔,修整间隔172件以上(刚玉砂轮仅0.5件)
效果:
生产效率提高1倍以上,砂轮耐用度提高300倍以上,成本消耗降低15%。
4-2-3磨冰箱(空调)压缩机芯组件内径
砂轮:
1A812×30×6,1A125×20×13×3
V50m/s
机床:
德国Overbeck公司400J-ELC-VA
内圆磨床,最高转速60000rpm。
工件:
机座,缸体(盖),HT20~40,FT20,
HB170~223,HB70~90,加工余量0.2mm,
Ra0.2~0.25,加工节拍:
90~120件/h。
修整:
金刚石滚轮,修整间隔200~300件,
修整量0.002mm/次
冷却:
含极压添加剂的冷却油。
砂轮寿命:
20000~25000件/个
日产量:
700~1300件
效果:
用CBN砂轮替代进口的普通磨料砂轮,耐用度提高200~300倍,寿命提高140~190倍,生产效率提高46%~59%,废品率降低3%~23%,单件工件的砂轮成本只有进口砂轮的1/30~1/50。
4-2-4珩磨摩托车气缸和连杆
磨具:
珩磨油石,青铜结合剂
工件:
气缸Ra0.4,圆度、圆柱度5μm,连杆孔Ra0.2,圆度、圆柱度3μm。
油石寿命:
气缸10000~15000件/付
连杆7000件/付
4-2-5汽车变速箱动力输入档轴切槽
砂轮:
3A1350×15×180×2.851V
80m/s,三片一组,
机床:
北京第二机床厂GL5P-63
工件:
35#钢,HRc45,余量:
2.5mm/单边
加工节拍:
200支/班
砂轮寿命:
5000件/组
另外还有用于汽车插杆内径磨削,汽车转向器内径磨削,电镀CBN砂轮粗磨凸轮以及螺纹磨,高速钢刀具齿形和内径磨削,压缩机芯组件双端面磨,钛合金磨削等应用实例。
在此就不一一列举。
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