摘要：立方氮化硼(CBN)是一类性能优越用途广泛的超硬材料，CBN磨具是一类具有高速度、高效率、高精度、低磨削成本，低环境污染的高性能磨具产品。其代表了当今世界磨具产品发展的一个主要方向，具有广阔的发展前景。

　　本文对CBN磨料的种类及对CBN磨料的基本要求做了系统的阐述，在此基础之上，还对CBN磨具的组成及其特点进行了分析。对影响CBN磨具性能的主要因素，CBN磨具磨削对设备的要求进行了分析研究。特别对CBN磨削中磨削液的选用进行了研究，磨削液的注入方式也是应xx的问题之一。本文对CBN磨具的修整技术进行了较全面的研究，在CBN磨具的应用技术中，CBN磨具的修整技术占有非常重要的地位。通过对各种方法进行对比试验及优选方法的正交试验，得出了{zj0}CBN磨具整形、修锐方法和{zj0}工艺参数，试验结论与理论十分相符。

　　本文还对CBN磨具在汽车发动机加工中的实际应用情况进行了分析研究。在汽车发动机凸轮轴加工过程中采用陶瓷结合剂CBN砂轮，可提高凸轮的表面质量，没有xx、磨糊现象，减小廓形误差，节省修整砂轮和更换砂轮的时间，提高了劳动生产率，降低了成本。在连杆大头孔珩磨中使用CBN珩磨条，可降低刀具费用90%以上，并且提高了工件的几何精度和表面质量。

　　关键词：CBN(立方氮化硼)，修整，磨削，磨削液，凸轮轴，连杆

　　{dy}章 绪论

　　1.1 CBN磨具的磨削特性

　　立方氮化硼(CBN)是超硬切削材料之～，它是氮与硼的化合物，是在约为5000MPa的高压及1700℃的高温下形成的。它的硬度仅次于金刚石，但它和金刚

　　石相比却有如下优点。

　　(1)1200℃高温下仍可保持硬度不变。

　　(2)有一定的韧性，它不仅可用于磨削强硬的铸铁，还可磨削强度大、硬度高及热敏性高的钢件或其它合金材料。

　　(3)CBN与碳元素的亲和力小，所以十分适宜于磨削黑色金属，而能保持较高的耐用度。CBN制成的超硬磨料磨具，可应用于金属的磨削与珩磨，不仅可以代替普通砂轮磨削，甚至可以实现铸、锻件毛坯的高速、高效一次性粗精磨，尤其适用于成型、仿型及确定尺寸的精磨，其磨削质量和磨削效率较高、成本较低。

　　国内外成熟的使用经验已证明，CBN砂轮磨削具有下述实用经济价值。

　　(1)CBN砂轮硬度相当于刚玉磨料砂轮硬度的2倍。其机械强度相当于碳化硅磨料的2倍多，而其韧性比金刚石好，可以磨削各种高强度、高硬度的钢材与铸铁，其磨具的耐用度与磨削效率是其他各种磨具所不及的。

　　(2)CBN砂轮的导热性和热稳定性好，可承受1300。C～1500℃的高温，其导热率是刚玉(A1。03)的45倍，热扩散率是A1 zO。的112倍。CBN砂轮特别适用于磨削热敏性高的超硬高速钢和高硬度合金刚等，而不产生磨削xx裂纹。

　　(3)CBN化学惰性强、稳定性好，特别是在磨削优质工具钢、轴承钢、钛合金、镍基合金时，CBN砂轮磨耗极小，其耐用度大约是普通砂轮的1400倍。

　　(4)CBN砂轮磨削后的零件表面质量好，不产生磨削xx及龟裂等缺陷，并能提高零件的疲劳强度，可延长使用寿命30%～50%，如LITON工业自动化公司用CBN砂轮磨削凸轮轴，不仅成本降低50%，而且凸轮表面的疲劳强度提高了30%。

　　(5)CBN砂轮磨削不需要频繁地修整砂轮。电镀或单层金属结合剂制成的CBN砂轮不需修整便可直接磨削。.CBN砂轮耐用度稿于普通砂轮数十倍。

　　(6)CBN砂轮适宜于高速或超高速磨削，其效率是普通砂轮的150～200倍。

　　总之，采用CBN砂轮磨削虽然初始投资较大但其综合效益高。

1.2  CBN磨具的应用

　　由于CBN砂轮磨削技术具有较多的优点，所以国外在70年代末便开始推广应用，80年代便相继应用于机床、工具制造业中的材料加工与复杂成型磨削，90年代初便己应用于航空、汽车、轴承与工具制造业。CBN磨具应用行业及其所占比重见表1-1～

　　表1.1 CBN磨具应用行业及其所占比重

　　若将CBN磨具磨削技术应用于国内汽车制造行业，例如凸轮轴、曲轴、连杆、缸体及其它复杂成型或大余量粗精磨削工序等，便可大大提高其加工质量与效率，同时也提高了机加工的工艺水平。CBN磨具，不同磨削方式所占的比重见图1.1。

　　图1-1不同磨削方式所占比重

　　1.2.1凸轮的粗精磨削

　　凸轮轴的凸轮粗精磨削采用CBN砂轮，可以保证凸轮轮廓曲线始终接近靠模凸轮曲线，用CBN砂轮磨削凸轮，砂轮直径可以制成等于磨削工作靠模时的滚轮直径(如¢570mml)，磨削后的凸轮轮廓曲线将趋近于工作靠模曲线，使误差达到最小。由于CBN砂轮的磨耗量很小，直径方向上一般不超过10mm，而磨削的凸轮数可相当于数片普通砂轮磨削的凸轮数，因此可稳定地保证凸轮曲线始终在{zj0}状态。

　　丰田机工公司采用新型无靠模数控磨床和陶瓷结合齐rJCBN砂轮进行凸轮轴磨削试验。结果表明：采用新型无靠模数控磨床避免了传统靠模磨床由靠模精度而带来的误差;新型磨床设备利用率高，其实现不同型号凸轮磨削生产转换仅需25分钟，而使用靠模磨床实现这种转换需要4天时间来进行安装调试;CBN砂轮的磨损速度比刚玉砂轮小上百倍，丽使用数控系统又能够实现砂轮直径变化的自动补偿，因而磨削加工出的凸轮形状很准确;CBN砂轮磨削的生产周期较短，磨削一根4缸轿车凸轮轴，仅用2分钟，而普通砂轮则需要3分钟。CBN修整时间少，刚玉砂轮每磨4个凸桃就需要修整，CBN砂轮磨600个凸桃才需修整一次。CBN砂轮较高的生产效率减少了劳动力费用和企业管理费用，而且不需要昂贵的靠模，生产成本比刚玉砂轮磨削降低了60%。CBN砂轮磨削温度较低，减少了刚玉砂轮磨削中时常出现的裂纹和xx质量问题。CBN砂轮磨削形成的表面残留压应力改善了凸轮轴的疲劳寿命。

　　天津内燃机厂采用进口全数控无靠模凸轮轴磨床和进E3CBN砂轮(1A1250×22×50.8 CB 80M 200VNl)，以80m/s砂轮速度磨IIJJTJ376Q发动机凸轮轴(工件材料为冷激铸铁，加工余量为3.5mm)，修整间隔达至100件/次(是单晶刚玉砂轮的100倍)，磨削比达到18700(是单晶刚玉砂轮的119倍)，砂轮寿命为6000件(是单晶刚玉砂轮的21倍)，生产效率提高34%。磨削廓形精度和表面质量有明显提高。虽然CBN砂轮价格是单晶刚玉砂轮的37倍，但综合成本比较合理。

　　1.2.2应用CBN砂轮磨削曲轴

　　在曲轴加工中，Landis磨床公司设计的3L CNC曲轴磨床，为曲轴和其它不同心零件的精密磨削提供了可能。特别是其双磨头磨床与陶瓷结合剂CBN砂轮的结合， 可在铸件或锻件出厂时在粗加工工序磨削铸件或锻件。这样不需分别进行车削、车饺等粗加工，就可完成曲轴淬硬之前所需的机械加工。使用一台双磨头磨床，能加工多种直径曲轴铸件，进一步提高了生产效率，减少了设备投资，节省了生产占地面积。CBN磨床的精度也可使粗磨尺寸接近工件最终形状尺寸，比车、铰粗加工所留余量显著减少(粗磨加工所留余量一般为0.5mm，车铰加工所留余量为1.5mm)，这不仅使精磨时间缩短，而且使粗、精加工之间所需的热处理时间也短。采用CBN砂轮和Landis 3L CNC轨道函数曲轴轴颈磨床(45KW功率、单片砂轮)，磨削一个四缸发动机曲轴的轴颈及侧面，耗时不到一分钟。而这个过程要去除轴颈直径上10ram的余量和轴颈端面上3mm的余量。·片砂轮可以磨削40000～60000个工件。磨削结果表明，采用CBN磨削可以得到较好尺寸精度、圆度、曲轴轴颈行程的径向定位精度、主轴颈与连杆颈的同心度、侧向定位精度、残留应力状况等。

1.2.3 CBN磨具在珩磨中的应用

　　由通用电器公司(GE)研制的Borazon立方氮化硼，专门采用了金属结合剂。这种立方氮化硼进行了复杂的表面处理，增强了晶粒与周围的金属基体之间结合力。经实验，立方氮化硼油石比传统磨料(如A1₂0₃)。做成的油石要优越的多。珩磨过程(如图1-2所示)是立方氮化硼晶粒高速旋转从工件上切下切屑。切屑不断产生，在晶粒前方磨出一个凹痕。同时，在珩磨过程中，油石在两个方向作往复运动，切屑粘附在晶粒的两边，形成一个v形切屑沟。这些切屑沟容许切屑存留于晶粒后面。

　　图1-2珩磨过程

　　这可以说是因为立方氮化硼油石的宽度相对狭窄的原因。油石太宽，切屑排不出来，可能积藏在油石和工件的交接面之间，在工件上产生不可控制的沟痕。研究表明：结合剂的磨损与磨料的磨损应十分匹配，防止晶粒过早消耗。当结合剂的磨损可控制时，就可在保持很高的磨削效率和油石寿命的同时.获得良好的晶粒状态。立方氮化硼金属结合剂油石的特点之一，是有一个特殊的象流星似的结合剂尾状物，或叫支柱。这种支拄形成于品粒后面，构成一个支撑，推动晶粒通过工件，防止了晶粒的过早消耗。在传统的珩磨中，当油石变钝时，为恢复高速切削，操纵器会使珩磨头反转，显露出新磨粒。然而，在立方氮化硼珩磨中，不需要这种反转。实际上，由于这种反转破坏了“结合剂尾状物”，从而是有害的。试验表明，立方氮化硼油石具有下述优点：

　　(1)材料切除率高。用相等数量的立方氮化硼油石代替氧化铝油石。珩磨效率可提高两倍。

　　(2)磨损慢。其珩磨体积比(即去除材料体积与油石消耗体积之比)可达800～1200，而典型的油石为5～10。

　　(3)孔加工精度较高。立方氮化硼油石即使在低工作压力下也能保持高速切削。而氧化铝油石由于需要高工作压力以及高速切削能力差，工件内孔容易产生喇叭口或腰鼓形。

　　(4)珩磨过程均匀。立方氮化硼油石切削动作协调，故珩磨时间可预测。但氧化铝油石在油石与油石之间通常缺乏均匀性，必需经常改变珩磨条件，以适应这种不协调性。

　　(5)珩磨噪声小。氧化铝油石，特别是以大切削用量珩磨时，常常产生刺耳的啸叫声，不得不采取强制性措施保护听力。

　　(6)产生的热量少。即使高速珩磨，立方氮化硼产生的热量也比氧化铝少。氧化铝之所以产生过量的热，是因为要使油石晶粒破碎需要消耗大量的能量。使用立方氮化硼，全部能量都用于去除工件材料，从而减少了能量的消耗。

　　1.3本文的主要内容

　　CBN磨具磨削作为新兴的磨削加工技术，已得到很快的发展和生产实际应用。但主要集中在工业发达国家，我国CBN磨具应用量还比较小，主要应用在轿车生产线和进口磨床上，并且CBN砂轮也以进口为主。存在差距的原因主要是因为：

　　(1)国内CBN磨料生产技术水平还较低，CBN磨料品种、数量和性能不能很好地满足高性能CBN磨具的制造要求，并且缺少有关数据。

　　(2)对CBN磨具制造技术缺乏系统研究，制造技术水平不高，磨具性能不理想。

　　(3)机床水平落后，不能满足CBN磨具磨削应用要求。

　　(4)对CBN磨具磨削的修整装置和磨削液开发不够，对修整工艺和冷却工艺研究较少，不能为CBN磨削应用提供有利的支持。

　　本文对CBN磨料的种类及对CBN磨料的要求做了系统的阐述，还对CBN磨具的组成及其特点进行了分析，对影响CBN磨具性能的主要因素，CBN磨具磨削对设备的要求进行了分析研究。特别对CBN磨削中磨削液的选用及CBN磨具的修整技术做了较全面的研究。本文还对CBN磨具在汽车发动机凸轮轴加工及连杆大头孔珩磨加工中的实际应用情况进行了分析研究。

第二章CBN磨具性能及使用技术的研究

　　2.1 CBN磨料

　　CBN是一种新型的超硬材料，以六方氮化硼为原料，碱金属或碱土金属或它们的氯化物作触媒，在高压高温下转变为立方晶体的氮化硼，这个转变与石墨转变为金刚石相似。CBN和金刚石的结构图见图2-I。

　　(a) 为CBN结构图  (b)为金刚石结构图

　　 图2-1 CBN和金刚石的结构

　　CBN与xx金刚石相比.有很多相似的性能。两者的性能比较见表2一l所示

　　表2-1 CBN与金剐石性能比较

　　由于CBN具有优良的热稳定性，特别是对铁族金属的化学惰性好，所以它不易与钢材起反应，磨削既硬又韧的钢材时具有独特的优点，耐磨性比普通磨料高30—40倍，在加工高速钢，合金钢，耐热钢方面大大超过金刚石磨具的工作能力，也可以作为磨削加工硬质合金及非金属材料之用

　　2.1.1 CBN磨料种类的分析

　　目前，国内外已开发出多种品牌的立方氮化硼以适用于不同种类的结合剂，有关情况见表2。2，表2-3，表2-4，表2—5。

 表2-2BorazonCBN系列产品(美国G.E公司)

表2-3 ABN系列产品(De Beers Co)

　表2.4 日本昭和I电工公司CBN产品

表2-5国产CNN产品

　　2.1.2对CBN磨料的基本要求

　　(1)对CBIN质量的要求

　　以陶瓷结合剂中使用的立方氮硼磨粒为例，由于磨具烧结过程中，不仅要经受较高温度作用，而且还会不可避免地与陶瓷结合剂中的各种组份接触，特别是其中起助熔作用的各种组份如各种碱性氧化物(Na20，K20，Li20)，这些组份在高温时会与CBN发生如下反应：

　　BN+Na20+02一Na20‘B203+N2 f (1)

　　BN+Na20+H20一Na20·B203+HN2 f (2)

　　上述反应说明高温烧结过程中结合剂对CBN造成一定的侵蚀，从而导致昂贵的结晶完好棱角分明的CBN单晶侵蚀变细，失去有效的切削能力，使CBN强度受损，而且分解产生的气体在CBN.陶瓷结合剂界面处富集，生成气泡，从而使两者界面间的结合强度大大降低，减少了结合剂对CBN的把持力，因此，要求所选用的cBN单晶必须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的特点。这样才能使制成的陶瓷结合剂立方氮化硼磨具发挥良好的作用。

(2)对CBN粒度的要求

　　磨具所用磨料的粒度，必须针对加工条件、加工要求以及{zj0}粒度范围综合加以考虑进行选择。一般考虑加工表面粗糙度、加工效率和磨具寿命这三个主要因素，见表2-6

　　表2-6对CBN粒度的要求

        (3)对CBN浓度的要求

　　一般来讲.磨具浓度越高，其寿命越长，磨削效率增高，但磨具成本增加，选用应综合考虑以下几个方面：

　　a) 结合剂的结台能力强弱选择不同的浓度。由于结合剂对磨粒把持力不同，故其合适的浓度范围也不同，参见表2-7。

2-7不同结合剂超硬磨料磨具一般浓度范围

　　b)要求加工效率高，形状保持性好的成型磨削，浓度应选高一些，～般选用{bfb}～150%。

　　c)细粒度磨具浓度应低一些，对于抛光和低粗糙度磨削，常用细磨粒度的树脂结合剂磨具，选用较低浓度50%～75%。

　　d)粗磨时采用粗粒度及高浓度磨具，半精磨和精磨时采用中等浓度和低浓度磨具。

　　e)对于同一种结合剂来讲。立方氮化硼磨具浓度可略高于金刚石磨具。

　　(4)CBN的镀覆处理

　　为了解决CBN与陶瓷结合剂在高温时所发生的不良反应对CBN磨具性能的劣化作用，目前大多采用在CBN磨料的表面进行镀覆处理，即在CBN单晶表面镀覆Ti的技术，尤其是琥珀色CBN镀Ti技术.在镀覆过程中，界面反应外延生长成难熔TiN和硼化钛和外层纯Ti，在高温烧制过程中，Ti氧化形成Ti02和[ri01，部分熔入玻璃相中，既防止了CBN表面的氧化，又与玻璃顺利封接，实现了CBN与硼硅玻璃相的结合。另外难熔化合物TiN、TiB、TiB2有效隔离了Si02—B203—.Na20玻璃与CBN接触，防止了CBN受蚀。大量试验结果表明，末镀钛CBN在900"C以上遭受结合剂强烈腐蚀，单晶棱角圆钝，抗压强度下降，颗粒尺寸减小;镀钛CBN不仅保护了晶体免受腐蚀，还使整个陶瓷立方氮化硼砂轮的强度、抗冲击性提高30%以上，也即提高了砂轮工作线速度和安全性。这是因为钛镀层与陶瓷之间有强烈化学亲和性，良好的桥梁作用使砂轮整体强度提高(图2-2、图2.3)。

图2-2抗压强度变化曲线

图2-3弯曲强度示意图

　　(5).对国产CBN磨粒未来的展望

　　目前，国产CBN的产量和质量部有了一定的发展，有些品种的磨粒已达到工业化的程度。不像廉价的刚玉、碳化硅普通磨料磨具，由于超硬磨料磨具昂贵的价格及用户对超硬工具的寿命和效率的苛刻要求，从超硬工具投放市场开始，制造商就对于如何充分发挥立方氮化硼的使用性能予以极大的注意，避免.工具制造过程CBN受到损伤，防止在工作过程中过早脱落。立方氯化硼表面镀覆金属是解决上述问题的主要手段。渡层主要有两大类：一类是镀镍、镀铜适用于树脂结合剂的低品级超硬磨料;另一类是镀钛、镀钨、镀铬等适用于金属和陶瓷结合剂的较高品级磨料。

　　各类镀层都有明确的应用目的.镀镍用于湿磨条件下的树脂结合剂砂轮制造;镀铜则用于干磨条件下的树脂结合剂砂轮;镀钛、镀钨、镀铬用于金属烧结结合剂的各类工具。镀钛及镀镍CBN，可以提高单晶强度和热稳定性，弥补单品缺陷，提高单晶的使用性能和质量稳定性，增加了新品种，提高附加值，促进单晶销售并提高市场竞争力。

　　2.2 CBN磨具的分类及特点研究

　　CBN磨具分为金属结合剂磨具、树脂结合剂磨具、电镀结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具四类。不同结合剂种类的CBN磨具消耗量的分布情况如表2—8所示。

　　表2-8不同结台剂CBN磨具性能及用途比较

　　其中树脂结合剂占60%，电镀结合剂占15%，烧结金属结合剂占13%，陶瓷结合剂占12%，但是对于金属结合剂的CBN磨具只适用于低速加工的珩磨领域，

　　由于它与被加工对象金属材料易粘着、xx工件，所以不能充分发挥CBN高速高效加工要求;而树脂结合剂CBN磨具由于结合剂导热性差、结合剂对磨粒把持能力差等原因，也受到限制，尽管现在我国广泛使用树脂结合剂CBN磨具，但在工业发达国家则大力发展陶瓷结合剂CBN磨具，树脂结合剂CBN磨具比重下降。陶瓷结合剂是理想的结合剂，还因为它可以制成所要求的孔隙度，而树脂和金属结合剂磨具孔隙小，甚至无孑L隙，磨削加工低硬度，低合金钢材时，产生长条状切屑，陶瓷结合剂磨具的孔隙提供了一个有效的容屑空间，陶瓷结合剂的开孔结构便于使用旋转式金刚石修整器，并且当磨削时可以防止表面受挤压。不同种类结合剂CBN磨具磨削能耗比的对比，如图2-4所示

　　由图2-4可见陶瓷结合剂CBN磨具有{zd1}的比磨削能，而金属结合剂CBN磨具是{zg}的，由于比磨削能是磨削效率的一种量度，指的是磨具与加工工件的磨耗质量比，所阻可以清楚的看出，陶瓷结合剂CBN磨具是所试验的磨具中效率{zg}的。

　2.2.I CBN磨具的组成特点

　　磨具是由磨粒、结合剂、气孔三要素组成。普通磨料的陶瓷结合剂磨具，其结合剂用量范围为5～25(vol%)，磨粒在磨具中所占体积分数范围为40～68(v01%)，气孔所占分数范围为17～55(v01%)，三者之间的关系如图2—5所示。

　　图2，5是陶瓷磨具的“磨粒.结合剂.气孔”三角坐标。坐标中Vk代表磨粒率，Vb代表结合剂率，vp代表气孔率，AE线是{zd1}填充密度极限，BC线是{zg}填充密度极限，DE线是{zd0}结合剂当量。由AEDCB围成的多边形(p区)是可以制造的普通陶瓷磨具的“磨粒.结合剂一气孔”范围。EFDG围成的s区为CBN陶瓷磨具合适的制造范围，CBN陶瓷磨具的结合剂用量范围为25～70(v0l%)，CBN用量为14～58(voP/o)，磨具中气孔所占体积分数为17～34(v01%)，制造CBN陶瓷磨具最常用的结合剂用量为20～40(vol%)。

　　2.2.2结合剂

　　结合剂主要作用有--：①把磨粒粘结在一起，做成各种形状的磨具：②使磨具固结后，能承受一定的磨削力和回转切应力，具有足够的回转强度：③使表面磨粒磨钝后.受外力作用下能产生不同的自动脱落能力。即制成各种磨具硬度，工作时产生自锐作用，结合荆在磨具中是以把持磨粒而存在的，结合剂随磨粒的分布面分布，其分布情况有两种(见图2-6)：①结合剂包裹着磨粒或者与磨粒表面产生物理化学变化而形成结合剂与磨粒的连接体，并具有一定的结合强度，其强度与结合剂对磨粒的反应能力和润湿粘附能力有关：②磨粒与磨粒之间以结合剂“桥”连接，结合剂桥的强度决定于结合剂本身的强度，与其本身的矿物和化学组分以及焙烧工艺有关。

　　结合剂在磨具磨削过程中，不起磨削作用，但与工件产生摩擦或抛光作用，所以一般情况下，只要结合剂满足磨具硬度和强度要求时，应尽量减少结合剂用量。

　　2.2.3气孔

　　气孔也是磨具重要组成部分，是指磨具内磨粒之间的间隙和磨粒与结合剂或结合剂之间的间隙。气孔在磨具中的分布形式有两种：气孔分布于结合剂中，磨粒之间形成结合桥，如图2.7所示，这种气孔在磨削过程中起到有利的作用;气孔位于磨粒之间，如图2-8，致使磨粒在磨削过程中容易脱落，把持力减弱，或者在结合桥中有微气孔的存在，结合剂的结合强度差。

　　液，并携带到磨削区，致使更好的冷却和润滑，这样减少了摩擦热，延长了磨具的使用寿命;②气孔可以容纳切屑，使磨具更好地进行切削，因此切削效率高且减少磨具的磨损。一般情况，只要确定磨粒和结合剂含量，控制磨具的体积密度，则气孔率相应确定，气孑L是随磨粒结合剂不规则分布变化而变化。如果由于磨削上的需要，需要控制气孔尺寸时，必须加入造气孔材料，使磨具的气孔符合特定要求，气孔的尺寸可以从0.5～4 mm范围内调整。加入的造孔材料有奈粒、焦碳粒、核桃壳粒等硬果壳、空心刚玉粒等。造孔材料的颗粒尺寸及形状与要求磨具的气孔尺寸及形状基本相同。