董 超，王書銘，丁忠軍，何理論，姜建國

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪（以下簡稱陶瓷CBN砂輪），作為一種超硬磨料砂輪，與傳統(tǒng)的剛玉類、碳化物類砂輪相比，具有磨粒硬度高、熱穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點，在高速磨削時，砂輪質(zhì)量穩(wěn)定且磨損小，可以大大提高磨削效率以及加工工件精度，所以在難加工材料的高效磨削中得到廣泛應(yīng)用。由于陶瓷CBN砂輪硬度僅次于金剛石砂輪，使得陶瓷CBN砂輪的修整成為其在成型磨削領(lǐng)域中應(yīng)用的最大技術(shù)障礙，尤其對于需要成型磨削小螺距螺紋的零件，陶瓷CBN砂輪既要保證砂輪成型面良好的尺寸輪廓形貌及精度，又要實現(xiàn)超硬磨料的微量去除，這給陶瓷CBN砂輪的成型修整帶來更多困難。

目前，陶瓷CBN砂輪一般的修整方法有磨削油石法、磨削法、金剛石筆修整法、噴丸修銳法、金剛石滾輪修整法和金剛石碟輪修整法等[1～3]。王愛珍等[4]通過使用電鍍金剛石滾輪對陶瓷 CBN砂輪進(jìn)行修整工藝的試驗研究，得出滾輪與砂輪的速差是影響修整效果的重要因素，速差過大或過小都會影響修整效果；閻秋生等[5]針對小直徑CBN砂輪，研究了砂輪結(jié)合劑、砂輪密度、砂輪粒度等砂輪要素對于砂輪磨損、已加工表面粗糙度、磨削力的影響，并對其進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)；黃震等[6]運用正交試驗方法量化了陶瓷CBN砂輪在平面磨削中的修整參數(shù)（砂輪進(jìn)給速度、修整速差、修整量）對于工件表面質(zhì)量的影響，以工件表面粗糙度值為檢測指標(biāo)，得出修整輪的進(jìn)給速度為影響工件表面粗糙度的主要因素。綜上所述，針對陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪修整工藝參數(shù)的研究，大部分應(yīng)用于平面磨削領(lǐng)域，而在形狀尺寸精度要求較高的小螺距螺紋成型磨削方面卻沒有相關(guān)研究。

陶瓷 CBN砂輪外形及三角形螺紋形狀如圖 1所示。以Φ20 mm陶瓷CBN砂輪為研究對象，以螺距為0.5 mm的小螺距三角螺紋為形狀要求，進(jìn)行陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗。利用金剛石碟輪采用不同修整參數(shù)對陶瓷CBN砂輪進(jìn)行修整，利用被修整之后的陶瓷CBN砂輪成型磨削螺紋環(huán)槽，由于螺紋環(huán)槽可以準(zhǔn)確地反映砂輪成型面尺寸輪廓形貌及精度，且便于觀察，故以磨削得到的螺紋表面質(zhì)量、輪廓形狀為評價標(biāo)準(zhǔn)，對陶瓷CBN砂輪用于小螺距螺紋成型磨削時的砂輪修整參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇與分析。

圖1 三角螺紋及CBN砂輪外形示意Fig.1 Triangle Thread and CBN Grinding Wheel

1 陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗

1.1 試驗條件

a）試驗設(shè)備：本次試驗選用S21磨床，如圖2所示，其砂輪線速度最高可達(dá)到50 m/s。

圖2 S21磨床示意Fig.2 S21 CNC Grinding Machine

b）砂輪：陶瓷CBN砂輪直徑為Φ26 mm，磨粒粒度為600目。

c）試驗工件材料：高碳鉻軸承鋼GCr15，工件尺寸為：Φ15 mm×100 mm。

d）螺紋檢測設(shè)備：超景深三維顯微系統(tǒng)、萬能工具顯微鏡。

e）砂輪修整方法：金剛石碟輪修整，可將砂輪的整形和修銳結(jié)合在一起，修整效果較好，獲得的砂輪成型面形貌精度高、表面質(zhì)量好[7,8]。試驗所用金剛石碟輪如圖3所示。

圖3 金剛石碟輪示意Fig.3 Diamond Wheel

1.2 正交試驗方案

試驗研究的陶瓷CBN砂輪修整參數(shù)為：砂輪修整速比（砂輪轉(zhuǎn)速/金剛石碟輪轉(zhuǎn)速）qd、金剛石碟輪修整進(jìn)給量 aed、砂輪修整軸向進(jìn)給速度 fd。試驗對這 3個修整參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以前期磨削試驗確定各參數(shù)水平值，以此水平值為中心水平，分別調(diào)整形成高低水平，制定正交試驗因素水平表，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factor Level Table

選取磨削得到的小螺距螺紋表面質(zhì)量以及螺紋牙型角與廓形形狀保持情況作為評價指標(biāo)。

確定正交試驗因素、水平、指標(biāo)后，采用三因素三水平正交表安排試驗，并對試驗進(jìn)行編號，共進(jìn)行了9組試驗，如表2所示。

表2 CBN砂輪修整參數(shù)正交試驗安排表Tab.2 Orthogonal Test Table with Dressing Parameters of CBN Grinding Wheel

通過正交試驗安排可以減少試驗量，得到在試驗條件下使用陶瓷 CBN砂輪對小螺距螺紋進(jìn)行精密成型磨削最合適的砂輪修整參數(shù)組合。

陶瓷 CBN砂輪修整時其余試驗條件以及磨削GCr15試件的磨削參數(shù)如表3所示。

表3 其余試驗參數(shù)Tab.3 Other Test Parameters

2 試驗結(jié)果分析

2.1 表面質(zhì)量結(jié)果及分析

利用正交試驗表2中的9組砂輪修整參數(shù)分別對陶瓷CBN砂輪進(jìn)行修整，并對試驗工件進(jìn)行小螺距螺紋成型磨削，通過超景深三維顯微系統(tǒng)觀察所磨螺紋表面是否存在振紋，結(jié)果如表4所示。

表4 螺紋表面質(zhì)量試驗結(jié)果Tab.4 Test Results of Thread Surface Quality

根據(jù)螺紋表面質(zhì)量觀察結(jié)果，可將9組試驗分為3類，即：螺紋表面無振紋、螺紋表面存在輕微振紋、螺紋表面存在明顯振紋，以其中第1組、第4組、第7組試驗結(jié)果為代表，如圖4所示。

圖4 螺紋表面質(zhì)量觀察結(jié)果Fig.4 Results of Surface Quality Observation of Thread

從圖4可以看出：

a）此次試驗結(jié)果中，表面無振紋的修整參數(shù)組為第1組和第6組。因此，針對螺距為0.5 mm的小螺距螺紋成型磨削，初選最優(yōu)的砂輪修整參數(shù)組合為：qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min與 qd=0.8，aed=7 μm，fd=8 mm/min。

b）對比第3組與第6組、第5組與第8組試驗結(jié)果可得，砂輪修整速比qd越大，被修砂輪所磨螺紋表面質(zhì)量越差，說明隨著修整速比的增大，成型CBN砂輪修銳效果變差，使得砂輪表面光滑平整，磨削工件表面易產(chǎn)生振紋。

c）對比第4～6組試驗結(jié)果可得，碟輪修整進(jìn)給量增大aed時，適當(dāng)提高修整速比fd有利于改善工件表面質(zhì)量。同理，當(dāng)提高修整速比時，碟輪修整進(jìn)給量也應(yīng)適當(dāng)提高。

2.2 螺紋牙型角及形狀廓形結(jié)果及分析

以萬能工具顯微鏡檢測小螺距螺紋牙型角以及螺紋形狀廓形，試驗結(jié)果如表 5所示。其中，Ki表示各因素在第i個水平下的試驗結(jié)果總和，為Ki水平值，極差R由中最大值減去最小值求得。

表5 螺紋牙型角及形狀廓形結(jié)果Tab.5 Measurement Results of the Thread Angle and Profile

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，以試驗因素的水平量為橫坐標(biāo)，正交試驗指標(biāo)（螺紋牙型角）為縱坐標(biāo)，得到各因素與指標(biāo)之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以更為直觀地了解到各因素對正交試驗指標(biāo)的影響規(guī)律。

圖5 修整參數(shù)與試驗指標(biāo)關(guān)系Fig.5 Relationship between Dressing Parameters and Experimental Indexes

從表5計算結(jié)果與圖5可得：

a）以小螺距螺紋牙型角是否滿足 90°為評價標(biāo)準(zhǔn)，在陶瓷CBN砂輪修整參數(shù)水平組合為：qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min時，螺紋牙型角最接近90°，因此，初選的最優(yōu)水平組合為 qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min；

b）修整速比過大，容易使得砂輪成型面未修整完整，造成砂輪所磨螺紋的廓形存在缺陷；

c）極差R的大小可以反映因素對于試驗指標(biāo)的影響程度，某因素 R值越大說明該因素對于指標(biāo)的影響越大，因此從試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，對于試驗指標(biāo)影響最大的為砂輪修整速比qd，碟輪修整進(jìn)給量aed次之，砂輪修整軸向進(jìn)給速度fd影響最小；

d）由圖5可以看出砂輪修整參數(shù)對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律。

綜合分析正交試驗及結(jié)果，在陶瓷CBN砂輪修整參數(shù)中，修整速比qd對于螺紋成型磨削的影響效果最大，適當(dāng)提高修整速比可以提高砂輪修整效率，但會降低螺紋尺寸精度，故當(dāng)使用陶瓷CBN砂輪進(jìn)行螺紋成型磨削時，在保證螺紋形狀輪廓以及螺紋牙型角精度的基礎(chǔ)上，要得到更好的螺紋表面質(zhì)量，選用的最優(yōu)砂輪修整參數(shù)組合為 qd=0.6，aed=3 μm，fd=4 mm/min。

3 結(jié) 論

陶瓷CBN砂輪具有耐磨性好、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用到各種輪廓結(jié)構(gòu)工件的精密成型磨削領(lǐng)域中，這就要求陶瓷CBN砂輪成型修整在保證砂輪型面良好的輪廓形貌精度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)超硬磨料的微量去除，這給陶瓷CBN砂輪的高效精密修整帶來困難。

本文針對0.5 mm小螺距螺紋成型磨削，建立陶瓷CBN砂輪成型修整工藝試驗，以3大修整要素為3個正交試驗因素，建立三因素三水平正交試驗表，選出滿足螺紋形狀輪廓精度以及表面質(zhì)量要求的最優(yōu)陶瓷CBN砂輪修整參數(shù)。通過分析正交試驗及檢測結(jié)果，可以看出使用陶瓷CBN砂輪進(jìn)行精密螺紋磨削時，砂輪各個修整參數(shù)對于磨削效果的影響規(guī)律，對陶瓷CBN砂輪在精密成型磨削領(lǐng)域中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。