单层钎焊cBN砂轮中磨粒有序排布形式对工件表面粗糙度的影响①

郭高锋，张凤林＊，周玉梅，2

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006，2.仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州 510225）

单层钎焊cBN砂轮中磨粒有序排布形式对工件表面粗糙度的影响①

郭高锋1，张凤林1＊，周玉梅1，2

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006，2.仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州 510225）

磨粒采用有序排布技术不仅可以降低原料成本，还可以提高cBN砂轮的磨削效率和使用寿命。本研究提出了四个磨粒有序排布的排布参数，包括横向间距ΔX，纵向间距ΔZ，错位距离ΔZv以及排列线倾角α，通过组合不同的磨粒排布参数，制备磨粒排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮，并将其应用于磨削加工淬硬钢实验，研究了磨粒排布形式对工件表面粗糙度的影响。分析表明：随着磨粒纵向间距的增大，工件表面粗糙度也随之增大；而磨粒横向间距和排布倾角对工件表面粗糙度的影响很小。随着磨粒目数的增大，工件表面粗糙度也呈现逐渐减小的趋势。

cBN砂轮；有序排布；表面粗糙度

1 引言

立方氮化硼（cBN）具有仅次于金刚石的极高硬度，而且又不易与钢铁材料反应而消耗，因此cBN是黑色金属材料加工工具的理想原材料［1］。因此PcBN切削刀具及cBN砂轮在加工铸铁及钢质零件中有较多的应用。在常规的多层或者单层（树脂、烧结、电镀）cBN砂轮中，cBN磨料在工具基体上是随机分布的。加工时，cBN富集的地方由于浓度高，重复磨损严重，且由于容屑空间减小，工具易于堵塞，降低了磨削效率；而cBN稀少的地方，单颗cBN承受的工作负荷过大，易于破碎和脱落，也不能有效利用cBN，降低了磨削效率［2］。研究显示：cBN颗粒排布的位置是影响磨粒出刃率和磨损率一个重要的因素［3］，因此近年来针对单层有序排布超硬磨料砂轮成为一个热点研究方向，与随机排布的单层超硬磨料砂轮相比，有序排布砂轮上的磨粒间距大，出刃高度增加，出现团聚的可能性小，磨料的浪费少，成本可以更低（图1），比如单层钎焊超硬磨料砂轮［4，5，6］。

图1 有序排布与随机排布cBN工具的比较Fig.1 Comparison of orderly and random arraying cBN tools

目前单层钎焊砂轮的磨粒有序排布方式包括：复制技术、有序阵列法、孔板法、激光快速成型技术和点胶法等［7］。本论文利用模板法实现cBN磨粒的有序排布，并设定了四个磨粒有序排布参数［8］。然后通过组合不同的排布参数，制备出磨粒排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮，并将其应用于磨削加工淬硬钢的实验。据此来研究磨粒排布形式对单层钎焊cBN砂轮磨削淬硬45钢的工件表面粗糙度的影响。

2 实验方案

在磨削实验中，磨削设备采用MDK820电动数控平面磨床，实验材料为淬硬45钢，工件大小尺寸为：长20mm×宽20mm×高10mm，实验所用砂轮为自制的单层钎焊有序排布cBN砂轮，主要尺寸大小为：外径180mm×孔径31.75mm×宽度20mm。设定的四个磨粒有序排布参数分别为横向间距ΔX、纵向间距ΔZ、错位距离ΔZv以及排列线倾角α，图2为设定的磨粒排布参数示意图。共有16个排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮，其磨粒有序排布形式及砂轮编号如表1所示。实验前砂轮经过严格的动、静平衡检测。

图2 有序排布参数示意图Fig.2 Schematic illustration of orderly arraying parameters

磨削实验如图3所示。本实验主要研究在磨削工艺参数不变的情况下，不同的磨粒有序排布形式和不同磨粒粒度大小对磨削工件表面粗糙度的影响。

图3 实验工作原理示意图Fig.3 Schematic illustration of experimental principle

本次实验采用的磨削用量如表2所示。每磨削1分钟后，用TR200型手持式表面粗糙度仪采用针描法测量其表面粗糙度。粗糙度参数为Ra，取样长度为0.8mm，评定长度为取样长度的5倍，对Ra测量4次以上取其平均值，对比各个粗糙度平均值，分析不同有序排布形式对被加工材料表面质量的影响。为了确保磨削用量不变，使测量结果不受磨削用量的影响，在加工到一定时间以后，直接退刀，使测量结果不受光磨时间的影响。

表1 砂轮编号及其磨粒排布形式Table 1 Number of grinding wheels and its arrangement forms of abrasive

表2 磨削工艺参数Table 2 Parameters of grinding technology

3 实验分析

磨削实验采用单因素法，研究磨粒有序排布形式对磨削温度的影响。实验过程中磨削工艺参数保持不变，主要考虑磨粒相同排布密度、不同排布密度、不同排列倾角和不同磨粒粒度的影响。

3.1 相同排布密度的影响

在磨粒排布密度相同的情况下，主要是改变排布参数横向间距ΔX和纵向间距ΔZ，使磨粒排布形式发生变化。此组实验使用的a组砂轮，编号为a1、a2、a3和a4，磨粒排布形式是横向间距ΔX逐渐减小，纵向间距ΔZ逐渐增大。相同密度下的磨粒排布方式对工件粗糙度影响如图4所示，实验表明：磨粒排布密度相同时，随着横向间距ΔX的减小，纵向间距ΔZ的增大，工件表面粗糙度呈现逐渐增大趋势。分析原因，主要是由于文中所测工件粗糙度为垂直于磨削纹路方向的粗糙度，主要由纵向间距ΔZ影响。所以当纵向间距ΔZ增大时，工件表面粗糙度也会相应增大。特别是ΔZ从1.0变化到1.5和从2.0变化到3.0时的工件表面粗糙度变化幅度比ΔZ从1.5变化到2.0时的大，原因可能是前者ΔZ的增加量为50%，而后者ΔZ的增加量仅约为33%。

图4 相同密度排布形式对工件表面粗糙度的影响Fig.4 Effect of same density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.2 不同排布密度的影响

不同排布密度是指砂轮磨削面单位面积磨粒数不同。本实验中主要是在确定纵向间距ΔZ的情况下，改变横向间距的ΔX的大小，从而实现改变磨粒排布密度的目的。使用b组砂轮做此实验，砂轮编号为b1、b2、b3和b4，磨粒排布形式为纵向间距ΔZ不变，横向间距ΔX的大小依次增大。不同密度下磨粒排布方式对工件表面粗糙度的影响如图5所示。从图中可以看出，工件表面粗糙度值在Ra6.5附近上下浮动，变化很小。据此可以判定：当纵向间距ΔZ固定不变时，无论横向间距ΔX如何变化，工件表面粗糙度值几乎不受影响。这个结论也正好印证了a组砂轮实验所得到的结论：工件表面粗糙度值主要由纵向间距ΔZ所影响。

图5 不同密度排布形式对工件表面粗糙度的影响Fig.5 Effect of different density arraying forms on the surface roughness of workpieces

3.3 不同排布倾角的影响

实验选用c组的四个砂轮，编号为c1、c2、c3和c4，磨粒排布倾角α依次为30°、50°、70°和90°，倾角逐渐增大，其余排布参数保持一致。不同排布倾角对工件表面粗糙度的影响如图6所示。从图中可以看出，随着排布倾角α的增大，工件表面粗糙度值先减小后增大，但是变化幅度较小，只是在Ra7.5上下浮动。所以可以知道，磨粒排布倾角对工件表面粗糙度影响不大。相比较来说，排布倾角α为50°时，工件表面粗糙度更好一些，可能是因为排布倾角α为50°时，更有利于磨屑的顺利排出。

图6 不同倾角排布形式对工件表面粗糙度的影响Fig.6 Effect of different alignment angle on the surface roughness of workpieces

3.4 不同磨粒粒度的影响

实验选用d组的四个砂轮，编号分别为d1、d2、d3和d4，磨粒粒度依次为30／40目、50／60目、60／70目和80／100目，磨粒粒径是从大到小变化的，其它各项排布参数都完全相同。不同磨粒粒度对工件表面粗糙度的影响如图6所示。从图中可以看出，30／40目粒度的砂轮磨削加工的工件表面粗糙度值最大，为Ra6.75；其次是50／60目粒度的砂轮，磨削加工的工件粗糙度值为Ra5.73；然后是60／70目粒度的砂轮，磨削加工的工件粗糙度值为Ra4.86。这三个粒度的砂轮随着磨粒粒度的增加，粒径的减小，磨削加工的工件粗糙度值也随之减小。分析原因，是因为磨粒粒度增大，粒径随之减小，则在磨削加工时，单颗磨粒在工件上留下的沟槽宽度就会随之减小，所以导致工件表面粗糙度也随之减小。从图中还可以看到80／100目粒度的砂轮磨削加工的工件粗糙度值为Ra5.14，反而比70／80目粒度的砂轮磨削所得的粗糙度大。分析原因，可能是由于80／100目粒度的磨粒粒径较小，大约为0.17mm，而设定的磨粒错位间距为0.2mm，相对较大，所以引起磨粒在工件表面留下的沟槽间距反而会比70／80目的更大，最终导致工件表面粗糙度值变大。

图7 不同磨粒粒度对工件表面粗糙度的影响Fig.7 Effect of different abrasive grits on the surface roughness of workpieces

4 结语

本文设定了4个磨粒有序排布参数，并组合不同的排布参数，形成4种排布类型，16个排布形式各异的单层钎焊cBN砂轮。研究了在磨削工艺参数一定的情况下，不同的磨粒排布形式对工件表面粗糙度的影响，总结了工件表面质量变化的规律，结论如下：

（1）无论是在不同磨粒排布密度还是相同磨粒排布密度的情况下，随着磨粒纵向间距的增大，工件表面粗糙度也随之增大；而磨粒横向间距对工件表面粗糙度的影响很小。

（2）磨粒排布倾角对工件表面粗糙度的影响不大，当排布倾角为50°时，工件表面粗糙度相对较好。

（3）随着磨粒粒度号的增大，粒径的减小，工件表面粗糙度也呈现逐渐减小的趋势。但是要注意，当磨粒粒度小于磨粒错位间距设定值时，工件表面粗糙度可能会反而增大。所以在制作不同粒度的cBN砂轮时，要根据磨粒粒度大小，设置合理的磨粒错位间距，才能取得良好的磨削效果。

［1］ 王光祖，院兴国.超硬材料［M］.郑州：河南科学技术出版社，1996.

［2］ 何梦佳.有序排布钎焊单层金刚石工具研究［D］.广州：广东工业大学，2007.

［3］ D.N.Wright，H.Wapler.Investigations and Prediction of Diamond Wear when Sawing，Annals of the CIPR［J］，1986，35（1）：239－244.

［4］ China Grinding Wheel Corporation.Brazed beads with a diamond grid for wire sawing［J］.Industrial Diamond Review，1998（4）：134-136.

［5］ C.M.Sung.Brazed diamond grid：a revolutionary design for diamond saws［J］.Diamond and Related Materials，1999（8）：1540-1543.

［6］ 姜荣超，雷雨，李超群，周晓丹，刘谷成［J］.国外超硬材料工具的最新应用与进展（上），2008，20（4）：25－29.

［7］ 周玉梅，张凤林.钎焊单层金刚石研究现状［J］.焊接技术，2010（6）：1-4.

［8］ 章文姣，段隆臣，叶宏煜，等.孕镶金刚石钻头中有序排布参数的设定［J］.金刚石与磨料磨具工程，2010（10）：21-25.

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

郭高锋（1985－），男，硕士生，研究方向为超硬材料工具制造。

本研究获得国家自然科学基金（项目编号：51275096）、中国博士后科学基金（2012M511777）、广东省自然科学基金（S2011040000920）的资助。

张凤林（1972－），男，博士，教授，主要研究方向为超硬材料工具制造、硬脆材料加工及仿真。zhangfl＠gdut.edu.cn