郭高鋒，張鳳林＊，周玉梅，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006，2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510225）

單層釬焊cBN砂輪中磨粒有序排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響①

郭高鋒1，張鳳林1＊，周玉梅1，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006，2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510225）

磨粒采用有序排布技術(shù)不僅可以降低原料成本，還可以提高cBN砂輪的磨削效率和使用壽命。本研究提出了四個(gè)磨粒有序排布的排布參數(shù)，包括橫向間距ΔX，縱向間距ΔZ，錯(cuò)位距離ΔZv以及排列線傾角α，通過組合不同的磨粒排布參數(shù)，制備磨粒排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，并將其應(yīng)用于磨削加工淬硬鋼實(shí)驗(yàn)，研究了磨粒排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響。分析表明：隨著磨?？v向間距的增大，工件表面粗糙度也隨之增大；而磨粒橫向間距和排布傾角對(duì)工件表面粗糙度的影響很小。隨著磨粒目數(shù)的增大，工件表面粗糙度也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

cBN砂輪；有序排布；表面粗糙度

1 引言

立方氮化硼（cBN）具有僅次于金剛石的極高硬度，而且又不易與鋼鐵材料反應(yīng)而消耗，因此cBN是黑色金屬材料加工工具的理想原材料［1］。因此PcBN切削刀具及cBN砂輪在加工鑄鐵及鋼質(zhì)零件中有較多的應(yīng)用。在常規(guī)的多層或者單層（樹脂、燒結(jié)、電鍍）cBN砂輪中，cBN磨料在工具基體上是隨機(jī)分布的。加工時(shí)，cBN富集的地方由于濃度高，重復(fù)磨損嚴(yán)重，且由于容屑空間減小，工具易于堵塞，降低了磨削效率；而cBN稀少的地方，單顆cBN承受的工作負(fù)荷過大，易于破碎和脫落，也不能有效利用cBN，降低了磨削效率［2］。研究顯示：cBN顆粒排布的位置是影響磨粒出刃率和磨損率一個(gè)重要的因素［3］，因此近年來針對(duì)單層有序排布超硬磨料砂輪成為一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，與隨機(jī)排布的單層超硬磨料砂輪相比，有序排布砂輪上的磨粒間距大，出刃高度增加，出現(xiàn)團(tuán)聚的可能性小，磨料的浪費(fèi)少，成本可以更低（圖1），比如單層釬焊超硬磨料砂輪［4，5，6］。

圖1 有序排布與隨機(jī)排布cBN工具的比較Fig.1 Comparison of orderly and random arraying cBN tools

目前單層釬焊砂輪的磨粒有序排布方式包括：復(fù)制技術(shù)、有序陣列法、孔板法、激光快速成型技術(shù)和點(diǎn)膠法等［7］。本論文利用模板法實(shí)現(xiàn)cBN磨粒的有序排布，并設(shè)定了四個(gè)磨粒有序排布參數(shù)［8］。然后通過組合不同的排布參數(shù)，制備出磨粒排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，并將其應(yīng)用于磨削加工淬硬鋼的實(shí)驗(yàn)。據(jù)此來研究磨粒排布形式對(duì)單層釬焊cBN砂輪磨削淬硬45鋼的工件表面粗糙度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

在磨削實(shí)驗(yàn)中，磨削設(shè)備采用MDK820電動(dòng)數(shù)控平面磨床，實(shí)驗(yàn)材料為淬硬45鋼，工件大小尺寸為：長(zhǎng)20mm×寬20mm×高10mm，實(shí)驗(yàn)所用砂輪為自制的單層釬焊有序排布cBN砂輪，主要尺寸大小為：外徑180mm×孔徑31.75mm×寬度20mm。設(shè)定的四個(gè)磨粒有序排布參數(shù)分別為橫向間距ΔX、縱向間距ΔZ、錯(cuò)位距離ΔZv以及排列線傾角α，圖2為設(shè)定的磨粒排布參數(shù)示意圖。共有16個(gè)排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪，其磨粒有序排布形式及砂輪編號(hào)如表1所示。實(shí)驗(yàn)前砂輪經(jīng)過嚴(yán)格的動(dòng)、靜平衡檢測(cè)。

圖2 有序排布參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic illustration of orderly arraying parameters

磨削實(shí)驗(yàn)如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)主要研究在磨削工藝參數(shù)不變的情況下，不同的磨粒有序排布形式和不同磨粒粒度大小對(duì)磨削工件表面粗糙度的影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)工作原理示意圖Fig.3 Schematic illustration of experimental principle

本次實(shí)驗(yàn)采用的磨削用量如表2所示。每磨削1分鐘后，用TR200型手持式表面粗糙度儀采用針描法測(cè)量其表面粗糙度。粗糙度參數(shù)為Ra，取樣長(zhǎng)度為0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度為取樣長(zhǎng)度的5倍，對(duì)Ra測(cè)量4次以上取其平均值，對(duì)比各個(gè)粗糙度平均值，分析不同有序排布形式對(duì)被加工材料表面質(zhì)量的影響。為了確保磨削用量不變，使測(cè)量結(jié)果不受磨削用量的影響，在加工到一定時(shí)間以后，直接退刀，使測(cè)量結(jié)果不受光磨時(shí)間的影響。

表1 砂輪編號(hào)及其磨粒排布形式Table 1 Number of grinding wheels and its arrangement forms of abrasive

表2 磨削工藝參數(shù)Table 2 Parameters of grinding technology

3 實(shí)驗(yàn)分析

磨削實(shí)驗(yàn)采用單因素法，研究磨粒有序排布形式對(duì)磨削溫度的影響。實(shí)驗(yàn)過程中磨削工藝參數(shù)保持不變，主要考慮磨粒相同排布密度、不同排布密度、不同排列傾角和不同磨粒粒度的影響。

3.1 相同排布密度的影響

在磨粒排布密度相同的情況下，主要是改變排布參數(shù)橫向間距ΔX和縱向間距ΔZ，使磨粒排布形式發(fā)生變化。此組實(shí)驗(yàn)使用的a組砂輪，編號(hào)為a1、a2、a3和a4，磨粒排布形式是橫向間距ΔX逐漸減小，縱向間距ΔZ逐漸增大。相同密度下的磨粒排布方式對(duì)工件粗糙度影響如圖4所示，實(shí)驗(yàn)表明：磨粒排布密度相同時(shí)，隨著橫向間距ΔX的減小，縱向間距ΔZ的增大，工件表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。分析原因，主要是由于文中所測(cè)工件粗糙度為垂直于磨削紋路方向的粗糙度，主要由縱向間距ΔZ影響。所以當(dāng)縱向間距ΔZ增大時(shí)，工件表面粗糙度也會(huì)相應(yīng)增大。特別是ΔZ從1.0變化到1.5和從2.0變化到3.0時(shí)的工件表面粗糙度變化幅度比ΔZ從1.5變化到2.0時(shí)的大，原因可能是前者ΔZ的增加量為50%，而后者ΔZ的增加量?jī)H約為33%。

圖4 相同密度排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of same density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.2 不同排布密度的影響

不同排布密度是指砂輪磨削面單位面積磨粒數(shù)不同。本實(shí)驗(yàn)中主要是在確定縱向間距ΔZ的情況下，改變橫向間距的ΔX的大小，從而實(shí)現(xiàn)改變磨粒排布密度的目的。使用b組砂輪做此實(shí)驗(yàn)，砂輪編號(hào)為b1、b2、b3和b4，磨粒排布形式為縱向間距ΔZ不變，橫向間距ΔX的大小依次增大。不同密度下磨粒排布方式對(duì)工件表面粗糙度的影響如圖5所示。從圖中可以看出，工件表面粗糙度值在Ra6.5附近上下浮動(dòng)，變化很小。據(jù)此可以判定：當(dāng)縱向間距ΔZ固定不變時(shí)，無論橫向間距ΔX如何變化，工件表面粗糙度值幾乎不受影響。這個(gè)結(jié)論也正好印證了a組砂輪實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論：工件表面粗糙度值主要由縱向間距ΔZ所影響。

圖5 不同密度排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of different density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.3 不同排布傾角的影響

實(shí)驗(yàn)選用c組的四個(gè)砂輪，編號(hào)為c1、c2、c3和c4，磨粒排布傾角α依次為30°、50°、70°和90°，傾角逐漸增大，其余排布參數(shù)保持一致。不同排布傾角對(duì)工件表面粗糙度的影響如圖6所示。從圖中可以看出，隨著排布傾角α的增大，工件表面粗糙度值先減小后增大，但是變化幅度較小，只是在Ra7.5上下浮動(dòng)。所以可以知道，磨粒排布傾角對(duì)工件表面粗糙度影響不大。相比較來說，排布傾角α為50°時(shí)，工件表面粗糙度更好一些，可能是因?yàn)榕挪純A角α為50°時(shí)，更有利于磨屑的順利排出。

圖6 不同傾角排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of different alignment angle on the surface roughness of workpieces

3.4 不同磨粒粒度的影響

實(shí)驗(yàn)選用d組的四個(gè)砂輪，編號(hào)分別為d1、d2、d3和d4，磨粒粒度依次為30／40目、50／60目、60／70目和80／100目，磨粒粒徑是從大到小變化的，其它各項(xiàng)排布參數(shù)都完全相同。不同磨粒粒度對(duì)工件表面粗糙度的影響如圖6所示。從圖中可以看出，30／40目粒度的砂輪磨削加工的工件表面粗糙度值最大，為Ra6.75；其次是50／60目粒度的砂輪，磨削加工的工件粗糙度值為Ra5.73；然后是60／70目粒度的砂輪，磨削加工的工件粗糙度值為Ra4.86。這三個(gè)粒度的砂輪隨著磨粒粒度的增加，粒徑的減小，磨削加工的工件粗糙度值也隨之減小。分析原因，是因?yàn)槟チＡ６仍龃?，粒徑隨之減小，則在磨削加工時(shí)，單顆磨粒在工件上留下的溝槽寬度就會(huì)隨之減小，所以導(dǎo)致工件表面粗糙度也隨之減小。從圖中還可以看到80／100目粒度的砂輪磨削加工的工件粗糙度值為Ra5.14，反而比70／80目粒度的砂輪磨削所得的粗糙度大。分析原因，可能是由于80／100目粒度的磨粒粒徑較小，大約為0.17mm，而設(shè)定的磨粒錯(cuò)位間距為0.2mm，相對(duì)較大，所以引起磨粒在工件表面留下的溝槽間距反而會(huì)比70／80目的更大，最終導(dǎo)致工件表面粗糙度值變大。

圖7 不同磨粒粒度對(duì)工件表面粗糙度的影響Fig.7 Effect of different abrasive grits on the surface roughness of workpieces

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)定了4個(gè)磨粒有序排布參數(shù)，并組合不同的排布參數(shù)，形成4種排布類型，16個(gè)排布形式各異的單層釬焊cBN砂輪。研究了在磨削工藝參數(shù)一定的情況下，不同的磨粒排布形式對(duì)工件表面粗糙度的影響，總結(jié)了工件表面質(zhì)量變化的規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）無論是在不同磨粒排布密度還是相同磨粒排布密度的情況下，隨著磨?？v向間距的增大，工件表面粗糙度也隨之增大；而磨粒橫向間距對(duì)工件表面粗糙度的影響很小。

（2）磨粒排布傾角對(duì)工件表面粗糙度的影響不大，當(dāng)排布傾角為50°時(shí)，工件表面粗糙度相對(duì)較好。

（3）隨著磨粒粒度號(hào)的增大，粒徑的減小，工件表面粗糙度也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。但是要注意，當(dāng)磨粒粒度小于磨粒錯(cuò)位間距設(shè)定值時(shí)，工件表面粗糙度可能會(huì)反而增大。所以在制作不同粒度的cBN砂輪時(shí)，要根據(jù)磨粒粒度大小，設(shè)置合理的磨粒錯(cuò)位間距，才能取得良好的磨削效果。

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Effect of the form for orderly arraying of cBN grits in monolayer brazed cBN grinding wheels on the surface roughness of workpieces

GUO Gao-feng1，ZHANG Feng-lin1，ZHOU Yu-mei1，2
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Zhongkai
University of Agriculture and Engineering，Guangzhou510225，China）

The ordered arraying of abrasive on grinding tool can not only reduces the cost of abrasives but also improves the service life and efficiency of tool.In this paper，four parameters for ordered arraying of cBN grits including horizontal spacing（ΔX），vertical spacing（ΔZ），alignment angle（α）and dislocation spacing（ΔZv）are considered.And the orderly arraying monolayer brazed cBN grinding wheels were made with different orderly arraying forms.The grinding wheels were tested by grinding the hardened steel.The effect of the form for orderly arraying of cBN grits on the surface roughness of workpieces was analyzed.It is shown that the surface roughness is increased with the increase of vertical spacing（ΔZ），while the influence of horizontal spacing（ΔX）and alignment angle（α）on the surface roughness are small.With increasing the mesh number of abrasive，the surface roughness is also shown a decreasing trend.

cBN grinding wheels；orderly arraying；surface roughness

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0001－05

2013－05－10

郭高鋒（1985－），男，碩士生，研究方向?yàn)槌膊牧瞎ぞ咧圃臁?/p>

本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：51275096）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2012M511777）、廣東省自然科學(xué)基金（S2011040000920）的資助。

張鳳林（1972－），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槌膊牧瞎ぞ咧圃臁⒂泊嗖牧霞庸ぜ胺抡?。zhangfl＠gdut.edu.cn