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新金剛石和前沿碳處理技術(shù) 2005年第4卷 MYU東京 NDFCT 486 用于高速磨削的高性能cBN和金剛石砂輪的發(fā)展 Nofihiro Funayama和Junichi Matsuda* 日本千葉市，290-0515，朝日金剛石工業(yè)有限公司研究與開發(fā)（2004年11月29日至2005年3月19日） 關(guān)鍵詞：高速磨削，cBN viMfied結(jié)合劑砂輪，金剛石砂輪 高速磨削用的cBN輪是一般的研磨方法，對這種方法的改進技術(shù)是必要的。因此，有限元法（FEM）被用來優(yōu)化車輪的形狀，并設(shè)計爆破試驗驗證。為了重復(fù)研磨實驗，一個適合用于高速研磨優(yōu)化的車輪（的技術(shù)必須要）很發(fā)達。輪的表現(xiàn)在這磨削實驗里驗證了，通過整修和換藥，車輪表面的調(diào)整是可能的。然后（才能）執(zhí)行用于金剛石砂輪性能確認測試一個類似的實驗。 1.介紹 雖然對高速磨削效率的提高已經(jīng)研究了近六十年，但是破壞還是發(fā)生在常規(guī)輪圓周速度旋轉(zhuǎn)達到60米/秒的時候。 cBN晶體高速磨削研究一直以來都是出現(xiàn)在市場上。 高速主軸的發(fā)展加快了其實際用途的發(fā)展。因為cBN 晶體的硬度，熱穩(wěn)定性，尤其重要的是，切削刃的磨料顆粒，都適合用于高速研磨，因為它必須保持工作很長一段時間。 在20世紀80年代，使用（磨料，輪轂，磨床）高速磨削相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，決定了它的實際用途。特別是，高速研磨技術(shù)被應(yīng)用到到高效率的齒形磨削加工汽車零部件上。圓周速度達到160米/秒的大規(guī)模生產(chǎn)線是目前的行業(yè)標準，高速磨削已知最先進的加工者：電子郵箱：matsuda@asahidia.co.jp 該報告提出了一些不可缺少的對于大規(guī)模生產(chǎn)線的部分都采用200米/秒的圓周速度進行高速磨削的技術(shù)。 2.車輪設(shè)計的高速磨削 高速磨削，在一般情況下，是施加到玻璃化的cBN的車輪上的。用于車輪高速磨削，不僅是良好的磨削性能，考慮以下三個點，而且由離心力引起的應(yīng)力和位移引起的對安全方面旋轉(zhuǎn)的破壞的減少是很有必要的。 1】輪芯材的選擇 2】輪芯的設(shè)計 3】接合層的粘合方法 輪轂的設(shè)計和車輪的平衡，影響表面光潔度和形狀在下一節(jié)中解釋。 2.1輪芯的高速磨削 對于輪芯的高速砂輪，所選擇的材料應(yīng)具有較高的的剛性。鋁合金，鈦合金和碳纖維增強塑料（CFRP）等材料符合此標準。因為位移和應(yīng)力，會降低材料的剛性，就如如。 （1）和（2）所示的那樣。 E：楊氏模量，V：泊松比，p：比重;w：角速度 R：內(nèi)徑；R：外徑；k：R/r；g：重力加速度 此外，獲取所選擇材料的易用性是必須要考慮的。雖然最近從環(huán)境保護和降低回收成本的觀點出發(fā)，在圓周速度為160m/s時通常使用的鈦合金和鋁合金鋼，但是，在200米/秒是卻不能使用。因為芯材的選擇需要考慮材料的疲勞極限。 2.2車輪的形狀 在車輪的高速磨削中，除了核心材料的選擇，形狀也是很重要的。利用有限元法（FEM）中的設(shè)計，以降低由于離心力的應(yīng)力和位移。特別是，由于離心力的位移，直接關(guān)系到車輪的破壞，控制這種位移的設(shè)計是一個關(guān)鍵點。圖1示出的以位移值的差異作為形狀的函數(shù)。由于具有窄的點A和B的類型是有效的位移，這樣的形狀的輪子被經(jīng)常采用。此外，車輪的重量的設(shè)計作為減少輪交換的工作的一個因素，也被認為是在塑造最佳的車輪形狀。 圖一 旋渦的速度位移的關(guān)系。 2.3粘附性 許多陶瓷結(jié)合劑砂輪已應(yīng)用于CBN高速砂輪，其中有一些附著到金屬芯的分部。由于adherance核心直接涉及到剝落和銷毀段，所以為了防止破壞的車輪，粘合劑的選擇是很重要的。此外，通過考慮的段的形狀和長度，和優(yōu)化的車輪的外直徑是一個函數(shù)，車輪破壞速度是可以得到改善的。圖2示出了不同的段長度的銷毀速度比較。 2.4車輪平衡 由于離心力的作用，車輪由于不平衡引起振動，形狀和表面粗糙度增加使其變得更壞。根據(jù)行業(yè)標準，由于不平衡的重量與轉(zhuǎn)速的第二功率成正比，必須經(jīng)過高速磨削車輪平衡調(diào)整的開始，但可能會出現(xiàn)錯誤的核心形狀的主軸或不準確的裝修不平衡。圖3顯示了不平衡量的關(guān)系為主軸的擬合誤差。在這種情況下，因為車輪被分離，重心的變化成為一個問題。一個解決這個問題的方法是采用O環(huán)輪孔。據(jù)了解，采用此方法時擬合誤差的效果是不明顯的，就像圖4所示。然而，該方法并不能減少不平衡量。因為，它最重要的是要抑制車輪的不平衡，平衡必須配備改性機理，即使在機器方面來說，平衡的調(diào)整也是所需的。雖然使用了平衡變形的機制，但是，這是不夠的。因為在高速旋轉(zhuǎn)的車輪上使用的液體由于離心力的作用而會流向外部。由操作者加入重量進行調(diào)整后的車輪被安裝在機器上是由最有效的解決辦法。然而，這種方法從安全的觀點出發(fā)并不推薦。但是隨著高速磨削使用次數(shù)的增加這個問題應(yīng)該能夠得到解決。 圖2段的長度和破壞的速度比較 圖三（左）關(guān)系的不平衡擬合誤差。圖四（右）不平衡的車輪O形環(huán) 3砂輪高速磨削的安全性評價 通過進行破壞試驗從各種檢查結(jié)果對砂輪進行優(yōu)化，從而對設(shè)計進行驗證。圖5示出的掛在車輪上的旋轉(zhuǎn)測試儀是一種使用壓縮空氣作為驅(qū)動源的空氣渦輪機，安裝懸掛在主軸上的自旋測試儀。此測試儀具有測試旋轉(zhuǎn)輪稱重可達到于40,000分鐘的能力，如用于曲柄軸的300千克的大直徑輪。就像圖。 6所示破壞試驗后的車輪。此測試輪是由輕合金制成的，并于200 RN/ s的旋轉(zhuǎn)開始。 “破壞速度為550米/秒。 A組的設(shè)計師正在研究測試的結(jié)果，開發(fā)一種更安全的車輪。 4高速磨削 4.1高速磨削砂輪 因為它是在一個恒定的磨料負載，能夠提高磨削效率，導(dǎo)致的結(jié)果是添加到磨料的負荷降低，增加圓周速度，和磨削負荷隨之減小。這是高速研磨的最大優(yōu)點。 圖 5（左）砂輪在旋轉(zhuǎn)測試儀中的照片 圖6（右） 測試后破壞的砂輪 圖 7 磨削負載與圓周速率之間的關(guān)系。 圖片顯示了在恒定的磨削條件下，磨削負載與圓周速率之間的關(guān)系。車輪零件的數(shù)目通常代表了車輪的壽命。，增加部件的數(shù)量以降低車輪的磨損，這是必要的。并且車輪的耐磨損規(guī)格這個要求也要保證。但是，也有許多情況下，更耐磨損輪的磨削負荷增加，這對形狀和表面粗糙度的精度上右相當大的影響。因此，如果磨削負荷降低，某些步驟必須采取確保工件的具有可以完成的所需特性。修整是其中的一些步驟，也是有效的高速磨削的重要元素。在高速磨削上有很多CBN陶瓷結(jié)合劑的砂輪。這些砂輪和金剛石制成的的修整器同時進行修整工作。在整修時，cBN的切削刃和的圓周速度之比（修整速度/車輪速度）是可以調(diào)整的。旋轉(zhuǎn)修整器的進料速度也是可以改變的。圖8顯示了出了通過以下方式獲得整修研磨特性的概念圖表。整修研磨條件是成立一個大的圓周速度比，高進給速度會降低車輪的磨削負荷。因為它在我們使用高速粉碎機執(zhí)行整修研磨試驗所需的條件下不能夠達到良好的加工工件的質(zhì)量，我們必須考慮適合的車輪結(jié)合的條件。 對于加工用旋轉(zhuǎn)修整器，重要的是要選擇適合的cBN輪的工件。尤其是在一個較高的圓周速度比下對一些高速磨削整修器的選擇。這是要考慮旋轉(zhuǎn)修整器的耐磨損性和剛性。這樣的旋轉(zhuǎn)修整器的使用很依賴cBN的陶瓷結(jié)合劑砂輪的表面調(diào)整。圖9示出的，在測試過程中，cBN陶瓷結(jié)合劑的表面。垂直軸是圓周速度比，水平軸是進給速度 率。我們知道，這是可能改變的陶瓷結(jié)合劑的表面和cBN的圓周速度比的組合。 4.2金剛石砂輪高速磨削 前面所討論的是cBN砂輪在高速磨削中的應(yīng)用。在高速研磨中，用金剛石砂輪甚至一個鉆石輪高速磨削施加倒角磨削奧拉液晶顯示器（LCD）玻璃和汽車玻璃可能效率會很高。 圖8 整修研磨的概念圖 圖 9 砂輪表面修整后，用激光顯微鏡分析。 圖10（左）改進的例子 圖11（右）金剛石砂輪研磨板玻璃的例子 使用金剛石砂輪，我們不能像cBN輪一樣達到研磨效率正比于車輪速度。在高速磨削時，磨削頭達到高溫，以及金剛石的碳轉(zhuǎn)化。這是因為金剛石的熱特性。因此，有必要考慮在高速使用金剛石砂輪磨削時的冷卻方法。 此外，使用金剛石砂輪的情況下，不同于cBN的陶瓷結(jié)合劑砂輪，我們無法控制磨削負荷或表面不同的粗糙度。因此，必須采取下列措施。 1為了提高磨削負荷，金剛石晶粒尺寸必須足夠大。 2為了改善表面粗糙度，金剛石密度必須高。 重要的是，我們將繼續(xù)調(diào)整車輪規(guī)格的要求。 結(jié)論 考慮到cBN輪以及金剛石砂輪，高速研磨砂輪的設(shè)計的特點以及使用已經(jīng)被引進。各種磨床高速磨削技術(shù)的改進往往是由于應(yīng)用在大規(guī)模生產(chǎn)線的發(fā)展的需要。因此，工具制造商必須確定適合每個個人用戶（需求的）規(guī)格。 參考文獻 H. Aikawa and J. Matsuda: JSME Spring Annual Meeting (1997) 185. J. Matsuda: Journal of the Society of Grinding Engineers 44 (2000) 353. H. Nishioka, K.Une, M. Mochizt~ki and J. Matsuda: New Diamond 59 (2000) 42. T. Nishiyama: Journal of the Society of Grinding Engineers 45 (2000) 428. H. Honma and H. Aikawa: Abrasive Technology Conference (2001) 81.