立方氮化硼砂轮在高技术制造业中的应用

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所，郑州 450001)

立方氮化硼砂轮在高技术制造业中的应用

王光祖

(郑州磨料磨具磨削研究所，郑州 450001)

钛合金、镍基高温合金与淬硬钢等难加材料在高技术制造业中的广泛应用，驱动着立方氮化硼(cBN)砂轮向高速/超高速磨削方向快速发展。文章对立方氮化硼砂轮在难加工材料中的应用进行了阐述。指出，发展高速cBN砂轮，有利于加工效率和工件表面质量的提高，有利节约能源与资源，降低生产成本，有利于环境保护，符合绿色发展的方向。同时还列举了众多的国内专家学者科研所取得的成果结论，以展示其重要的意义与价值。

立方氮化硼砂轮;难加工材料;高速/超高速磨削;综述;应用

用cBN磨料制备的砂轮，在钛合金、镍基高温合金与淬硬钢等难加工材料的加工中得到应用。

超高速磨削加工是先进制造领域最引人关注的高效加工技术之一。超高速磨削有生产效率高、砂轮使用寿命长、磨削表面粗糙度值低、磨削温度低及磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高等特点。

钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好、耐高温、疲劳强度高等一系列优异性能在世界航空航天领域得到广泛应用。由于钛合金存在导热系数小、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。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。

1 在船舶曲轴磨削中的应用

船舶曲轴是船舶发动机的关键零部件，被视为船舶柴油机的“心脏”，对船舶的安全起着至关重要的作用，其加工质量和加工效率直接影响发动机的质量与成本。为提高曲轴的质量与加工效率，采用高速陶瓷cBN砂轮加工成为普遍趋势之一。随着我国高速/超高速汽车曲、凸轮轴数控磨床的研制成功，高速cBN砂轮在相关制造行业得到了推广应用。国家从中长期科学和技术发展的角度出发，由工信部支持了两项与曲轴高速磨削加工相关的国家科技重大专项项目。基于这两个项目，鲁涛，杜雄［1］等介绍了超高速磨削船舶曲轴用陶瓷结合剂cBN砂轮在大型船舶曲轴磨床上的磨削成果，并以此为契机推动高速超高速陶瓷cBN砂轮在船舶等行业发动机关键零部件加工方面的应用。

他们对陶瓷结合剂cBN砂轮工作层配方和砂轮基体进行优化设计后，制备了船舶曲轴用cBN砂轮，并进行了磨削试验研究，其结论是:

(1)对于硬度较低、韧性较好、不进行热处理的钢材料，采用自锐性好、硬度品级的cBN磨料和高份量结合剂、高浓度磨料制作的砂轮工作层，能够达到对材料进行高速磨削的要求。

(2)通过对基体进行有限元分析和优化设计，优化了基体的结构，使其在满足砂轮对基体力学要求的前提下，达到了质量最小化，优化后基体的质量减少了45%。

(3)砂轮磨削曲轴时，砂轮的修整方法对砂轮的磨削效果影响较为显著，砂轮的动平衡量对磨削效果影响较小。砂轮的最佳修整参数为:顺修，滾轮转速3000r/min，砂轮转速 450r/min，纵向的移动速度230mm/min。

2 在航空发动机零件高效精密加工中的应用

近几年来，航空业对发动机性能的要求不断提高，零件的结构越来越复杂，所用的材料性能也在不断提高，加工难度越来越大。高速、高效、高精度的cBN砂轮在航空发动机零件磨削加工中的应用，可大大提高加工效率和零件的质量，成为高效精密加工领域研究的方向之一。

航空发动机零件的结构比较复杂，材质多为钛合金和镍基高温合金。磨削加工中，通常使用陶瓷刚玉或碳化硅砂轮，采用平面、外圆或成型磨削工艺，在低速磨床上进行深切缓进磨削。这种磨削方式材料去除率很低，砂轮损耗较快，需要频繁修整，工件加工质量一致性差。

与传统的磨削工艺相比，高效精密磨削技术可以有效提高磨削加工效率及加工表面的质量，实现高的材料去除率。同时作为高效精密磨削加工中的重要工具，cBN砂轮具有导热性好、稳定性好、耐用度高等特点，特别适合于钛合金、镍基高温合金等难加工材料的加工。所以，越来越多的专家和学者开始关注cBN砂轮在航空零件高效精密磨削中的应用，并围绕cBN砂轮在航空领域的应用开展了多方面的研究工作。

郑州磨料磨具磨削研究所有限公司的闫宁，李学文等［2］通过对cBN砂轮在航空发动机零件的高效磨削进行研究，在他们的分析中指出:

(1)在航空发动机零件的加工中，与普通陶瓷砂轮相比，cBN砂轮具有明显优势及广阔的应用前景。

(2)航空发动机零件高效精密磨削技术的飞速发展，推动了cBN砂轮市场的需求，给cBN砂轮制造厂家带来了前所未有的机遇和挑战。

(3)cBN环砂轮在航空发动机行业的推广应用，需要航空发动机生产厂家、砂轮厂家及磨床厂家的共同合作，从而实现产品升级换代，技术创新。

3 磨削轴承内圆

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，我国高档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、外圆和滾动体三个零件的磨削加工，直接决定着轴承的精度［3］。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技术两大因素的限制，加工环保意识不强，大部分企业仍然使用普通砂轮加工零件。与普通砂轮相比，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降低、资源节约、环境友好，尽管cBN砂轮单位体积的价格高了近100倍，但仍有诱人的应用前景和重要的研究价值。

cBN砂轮应用技术在相当程度上影响了加工工件的效果。实验发现，当成功满足产品不烧伤、无振纹、能达到大规模生产效果和耐用性要求后，表面粗糙度这一技术指标最难攻克。在兼顾效率和效果时，为了使表面粗糙度满足要求，各种参数如何调整，调整幅度多大比较合适?刘泓，刘仲武［4］等采用正交实验研究这一问题。预选砂轮磨削参数的研究区间，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［5-6］，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。

研究的结论是:

(1)光磨时间和线速度对加工内圆表面粗糙度影响明显，振荡频率和进给速度对表面粗糙度的影响相对较小。

(2)正交实验可以一定程度的量化各参数对表面粗糙度的影响幅度。利用这种影响规律，可在实际生产过程中优化磨削参数。

(3)正交实验理论分析优化实验参数组合时，粗糙度值是0.824 5μm，与实际结果为 0.775 4μm～0.837 5μm基本相符，证明正交实验是一种用于优化磨削参数的合适的研究方法。

4 高速cBN砂轮在机械加工中的应用［7］

陶瓷cBN砂轮，从原材料生产过程，砂轮的制造过程及砂轮的使用过程，对资源和能源的消耗都是极低的，属于节能型的高技术产品，是其它磨削工具无法比拟的。

4.1 节约原材料和能源

以加工凸轮轴和曲轴为例进行分析:

(1)磨削汽车零件——凸轮轴加工

在加工相同的工件条件下，高速陶瓷cBN砂轮的耐用度是普通陶瓷刚玉砂轮的100倍，是普通陶瓷刚玉砂轮寿命的44.4倍，单片原材料消耗仅为普通陶瓷刚玉砂轮的1/56。从实际生产过程来看，普通砂轮的更换频繁，修整次数多，采用高速陶瓷cBN砂轮可替代刚玉砂轮提高生产率30%以上。

(2)磨削汽车零件——曲轴加工

在砂轮制造过程中，高速陶瓷结合剂cBN砂轮采用低温结合剂，烧成温度在900℃左右，而刚玉砂轮烧成温度在1300℃，同等重量的砂轮可节约能源消耗近一半。如此算来，加工同等数量的工件，在砂轮制造过程中的能源消耗，普通刚玉砂轮是高速磨陶瓷cBN砂轮的100倍以上。

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，而相同的工件数量，使用刚玉砂轮进行加工，刚玉磨料的消耗是高速cBN砂轮的100余倍，其磨削残留物留于磨屑中，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，对环境保护大为不利。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砂轮可以极大地减少砂轮修整次数，使得砂轮修整中所产生的粉尘污染大幅度降低。

4.2 减少加工工序，缩短生产周期，降低生产成本

同样，以加工凸轮轴和曲轴为例进行分析:

(1)凸轮轴磨削

实验结果显示，高速陶瓷cBN砂轮的磨损速度比刚玉砂轮少上百倍，cBN砂轮的磨削生产周期较短，单片cBN砂轮磨削一根4缸8凸轮轿车凸轮轴仅用2min，采用双片cBN砂轮的加工效率可以在1min之内完成;而刚玉砂轮则需要3min，cBN砂轮修整时间少，刚玉砂轮每磨4个凸轮就需要修整，cBN砂轮磨600个凸轮才需修整一次。cBN砂轮较高的生产效率减少了劳动费用和企业管理费用，综合生产成本比刚玉砂轮磨削降低了60%。

(2)曲轴磨削

用cBN砂轮磨削一个四缸轿车发动机曲轴轴颈及侧面，耗时不到1min。而这个过程要去除曲颈上10mm的余量和曲颈端面上3mm的余量，一片砂轮可以磨削40 000～60 000个工件［8］。采用陶瓷cBN砂轮加工，不仅节省了车削、车铰等粗加工工序，同时也缩短了粗、精加工之间所需热处理时间，使生产周期大为缩短。

5 应用技术研究成果荟萃

徐西鹏［9］等采用SiC、cBN砂轮对TC4进行了缓进给的磨削对比试验，结果表明，cBN砂轮的磨削性能明显优于SiC砂轮。

徐西鹏［10］等分别采用Al2O3、cBN砂轮对k417航空叶片材料进行了缓进给的磨削对比试验，结果显示，与Al2O3砂轮相比，cBN砂轮在磨削效率和耐磨性方面具有很大优势。

傅玉灿［11-12］等针对钛合金的烧伤机理进行了分析，研究了开槽cBN砂轮深切缓进给磨削钛合金的过程，采用构造的热源模型，得到了磨削弧区工件表层温度分布的理论解析式，并结合表层温度的数据，证实了开槽cBN砂轮辅以弧区定向高压水射流冲击强化了换热时，具有良好的冷却效果。

陈琛［13］等采用热管砂轮缓进给深切磨削钛合金试验，结果表明，热管砂轮能将磨削弧区聚集的热量，通过砂轮内部热管的换热作用快速疏导岀去，从而有效降低磨削热，避免了工件的烧伤。

郑州三磨所研制的陶瓷cBN砂轮，采用深切缓进的磨削工艺磨削高温合金榫齿，与普通陶瓷刚玉砂轮相比，在切深不变的情况下，工件的进给速度可由原来的200mm/min增加到600mm/min，工件表面粗糙度值由原来的Ra0.8～1.6μm降低到04μm。目前，已有部分规格的cBN砂轮在航空零件缓进深切磨削工艺中得到应用。

邱琦［14］研究了高速/超高速磨削加工原理，结果表明，普通磨削是通过磨粒切削刃对材料的剪切作用实现去除材料的目的，而高速/超高速磨削是通过磨料对材料的高速冲击，形成一椭圆形的高温高压流动体，流动体内的流动物质在磨粒的高速挤压下从磨粒的前端溢出来，同时随磨粒的运动被带出磨削区域，从而形成磨屑。该技术用于加工钛合金材料为代表的高黏度、高韧性的工件时，也能获得良好的加工效果。

盛晓敏［15］等，采用陶瓷cBN砂轮对TiC4钛合金进行了超高速磨削，当砂轮速度为150m/s、切削深度为18mm时，材料去除率达到180mm3/(mm·s)。

黑华征［16］对钛合金进行了砂轮速度为150m/s的高效成型磨削试验，材料去除率达到 100mm3/ (mm·s)，结果显示，工件表面形貌较好，无烧伤。

6 结语

(1)cBN砂轮是高速磨削技术发展的必要条件，随着高速/超高速磨削技术的发展，其在航空发动机零件加工中的应用备受关注。

(2)近年来，高效深切磨削技术作为“现代磨削技术发展高峰”，是缓进给磨削和高速/超高速磨削的完美结合。此磨削技术是加工钛合金材料的一种切实可行的方法，能极高地提高加工效率，降低加工成本，并能得到较好的表面质量。

(3)近年来，随着超高速磨削技术的快速发展，高强度结合剂的制备、砂轮基体优化设计、异型砂轮的成型等关键技术已成为专家学者研究开发的热点。

(4)cBN砂轮在航空发动机行业的推广应用，需要航空发动机生产厂家、砂轮厂家及磨床厂家的共同合作，从而实现产品升级换代，技术创新。

(5)cBN砂轮由于其自身的优异性能，已有部分规格型号在航空发动机零件磨削加工中得到应用。但是，如果从砂轮－工艺－磨床的综合性能优化匹配方面考虑，cBN砂轮在航空领域的推广目前还存在诸如磨床性能需要提升，cBN砂轮的匹配性不好等问题。

(6)使用高速cBN砂轮不仅能有效地减少原材料的消耗，而且能显著地节约能源。

(7)高速cBN砂轮具有高效率、高精度、低磨削成本、低环境污染等优势，代表了今后磨具产品的发展方向，是实现绿色加工的有效手段。

(8)从实际的生产过程来看，普通砂轮更换频繁，修整次数多，采用高速陶瓷cBN砂轮代替刚玉砂轮可提高生产效率30%以上，综合生产成本比刚玉磨削降低60%。

［1］鲁涛，杜雄，等.陶瓷cBN砂轮在船舶曲轴磨削中的应用［J］.金刚石与磨料磨具工程，2015(6):28-21.

［2］闫宁，李学文，等.cBN砂轮在航空发动机零件下高效磨削加工中的应用［J］.金刚石与磨料磨具工程，2015(4):15-21.

［3］HSU T C，CHEN J H，CHIANG H L，et al.Lubrication performance of short jourmal bearings considering the effects of surface roughness and magnetic field［J］.Tribology International，2013(61):169-175.

［4］刘泓，刘仲武，等.cBN砂轮磨削参数对轴承内圆表面粗糙度的影响［J］.金刚石与磨料磨具工程，2013(6):30-33.

［5］BOUACHA K，YALLESE M A，MABROUKI T，et al.Statistical analysis of surface roughness and cutting forces using response surface methodology in hard turning of AISI52100 bearing steel with cBN tool［J］.International journal of Refractory Meyals and Jard Materials，2010，28(3):349-361.

［6］陈涛，盛晓敏，黄红武.cBN砂轮超高速磨削条件下加工表面粗糙度的实验研究［J］.制造技术与机床，2007(5):60-63.

［7］杨威，刘将先，等.高速立方氮化硼砂轮与绿色制造［J］.含金刚石与磨料磨具工程，2014(2):69-72.

［8］董刚.cBN磨具应用技术的研究［D］.天津:天津大学，2004.

［9］徐西鹏，徐鸿钧，等.树脂结合剂cBN砂轮缓进给磨削钛合金—cBN在缓磨中的应用［J］.南京航空航天大学学报，1993，25(5): 631-637.

［10］徐西鹏，黄辉，等.断续cBN砂轮缓进给磨削K417航空叶片材料的研究［J］.航空学报，1997，18(3):316-323.

［11］傅玉灿，孙方宏，等.缓进给断续磨削射流冲击强化磨削弧区换热的实验研究［J］.南京航空航天大学学报，1999，31(2):151-155.

［12］傅玉灿，孙鸿钧.开槽砂轮缓进给深切磨削时工件表面温度场分析［J］.中国机械工程，2002，13(7):541-545.

［13］陈琛，傅玉灿，等.热管砂轮缓进给深切磨削钛合金试验［J］.航空制造技术，2014，(12):78-82.

［14］邱琦.钛合金超高速磨削技术［J］.新技术新产品，2014，1:57-63.

［15］盛晓敏，唐昆，等.TiC4钛合金超高速磨削工艺试验研究［J］.湖南大学学报，2008，35(9):28-32.

［16］黑华征.cBN砂轮高速磨削钛合金试验研究［D］.南京:南京航空航天大学，2011.

Applications of cBN grinding wheels in the high-tech manufacturing

Wang Guang-zu
(Zhengzhou Research Institute for Abrasive＆Grinding，Zhengzhou 450001)

The wide application of difficult-to-cut materials such as titanium alloy，nickel-base superalloy and quenched steel in high-tech industries has been pushing the development of cBN grinding wheel towards high/ultra-high speed grindng.The applications of cBN grinding wheels in the machining of difficult-to-cut materials has been expounded in this article.It is pointed out that the development of cBN grinding wheel can help to improve processing efficiency and workpiece surface quality，save energy and resources，reduce production cost and protect environment，which is in line with the direction of green development.Meanwhile，research results of many domestic experts，scholars and scientific research institutes have been listed in order to demonstrate its significance and value.

cBN grinding wheel;difficult-to-cut materials;high/ultra-high speed grinding;overview;application

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0037－04

2016－07－15

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。

王光祖.立方氮化硼砂轮在高技术制造业中的应用［J］.超硬材料工程，2016，28(6):37-40.