不同磨削层图案对cBN砂带磨削性能的影响研究

肖乐银，林 峰，谢德龙，陈 超，蒋燕麟，陈家荣，潘晓毅

(1. 广西超硬材料重点实验室，桂林 541004； 2. 国家特种矿物材料工程技术研究中心，桂林 541004；3. 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，桂林 541004)

超硬材料工具，包括超硬材料砂带，将在高效、精密、节能、环保的现代制造业中扮演重要角色。目前已知硬度最高的金刚石为磨料的砂带，在工程陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削加工中表现出无可比拟的优越性，但在磨削铁族元素材料过程中会发生碳化反应，不宜用于钢铁材料的加工[1-2]。cBN的硬度仅次于金刚石，惰性强，特别适合又硬又韧铁基合金的加工，同时，砂带形状保持性好，使用寿命长，具有很好的综合性能。在西方发达国家cBN砂带已广泛应用于汽车、机械、航空航天、涂层、仪器仪表等领域[3-4]。

cBN砂带具有优异的磨削性能，不仅因为磨料本身的硬度高，还因为其涂覆图案的特殊性。针对不同的加工对象和要求，目前市场上已出现了各种不同磨削层图案的cBN砂带[5-6]。本文采用圆点和箭头两种磨削层图案砂带进行磨削试验，分析磨削层图案对cBN砂带加工表面质量、磨削效率及寿命的影响。

1 试验条件和方法

1.1 cBN砂带规格

砂带规格见表1。

表1 砂带规格

1.2 磨削条件

机床：自行改装的CM6125车床，使用时转速为1600r/min

接触轮：Ф152×38mm；海绵轮；邵氏硬度为22A°

工件：线切割45号钢，尺寸为(13×11×50)mm

磨削及冷却方式：采用恒进给的磨削方式，冷却液为水

1.3 试验方法

本试验采用相同规格不同磨削层图案的两种cBN砂带，分别对45号钢进行磨削，其磨削原理如图1所示，分析并比较两者之间的磨削性能。

图1 砂带磨削原理图Fig.1 Schematic diagram of abrasive belt grinding

2 试验结果分析与讨论

2.1 不同磨削层图案对cBN砂带加工表面质量的影响

表面质量是指表面粗糙度及表面层的物理机械性能，也称表面完整性[7]。图2为不同磨削层图案砂带在寿命期内磨削表面粗糙度的变化曲线，通过图2我们可以发现，在砂带使用初期，由于表面形貌中磨粒高度的标准偏差较大，两种磨削层图案砂带都获得较大的粗糙度。随着磨削过程的继续进行，cBN砂带进入以摩擦磨耗为主的稳定磨损阶段，磨粒的磨损使砂带表面形貌标准偏差稳定下降，磨粒等高性得到改善，表面粗糙度便逐渐地趋于线性关系的缓慢下降。

图2 磨削表面粗糙度随时间的变化Fig.2 The change of grinding surface roughness with time

但是，在整个磨削过程中，箭头图案cBN砂带表面粗糙度都要大于圆点图案砂带，主要由于箭头图案砂带硬度大，弯曲圆度误差大易造成磨削震动[8]，使加工表面粗糙度增大。同时，通过计算求得箭头砂带磨削工作层的有效面积为50.8%、圆点砂带有效面积为56.1%，单位面积内圆点砂带的磨粒数要多于箭头砂带，单颗磨粒切削深度变小，金属表面变形小，减少了金属因磨粒耕犁形成的隆起高度以及热塑性变形[8]，因而粗糙度值随之变小，最终测得圆点砂带的表面粗糙度为0.215μm、箭头砂带为0.355μm。

磨削完毕后，观察加工工件的表面形貌，如图3所示，通过图3可以看出箭头砂带磨粒划痕残留的波峰、波谷，要稍明显于圆点砂带，但两者加工工件的质量都无烧伤情况，表面质量较好，这主要是由于冷却液容易进入磨削界面，将磨削区域的磨削热快速带走，磨削温度低。

图3 不同磨削层图案cBN砂带加工工件表面形貌Fig.3 The surface topography of workpieces with two kinds of cBN abrasive belts pattern

2.2 不同磨削层图案对cBN砂带磨削效率和寿命的影响

不同磨削层图案cBN砂带磨削效率随时间的变化如图4所示，在磨削初期，砂带刃形锋利，参加切削的磨粒数目多，砂带切削能力强，材料切除效率大[9]。

但在磨削前期，箭头图案砂带表现出比圆点图案砂带更优异的切削性能。在柔曲过程中，我们发现圆点砂带比箭头砂带具有更好的弹性和柔曲性能，箭头砂带在进行磨削时，磨痕深度接近于磨粒切刃的露出高度；而圆点砂带磨削时较多凸出的磨粒被压向背衬材料，磨痕深度浅，从而使箭头砂带表现出更强的切削能力，加工时磨削效率也越大。同时，箭头形状对砂带具有自锐性，有利于磨粒以不同的角度和工件接触并切入工件[8]，切除能力也更强。但随着磨削的继续进行，箭头图案砂带磨粒受到的冲击作用力更大，cBN磨料颗粒更易脱落，如图5所示，磨削150分钟后，箭头砂带的磨削效率要低于圆点砂带。最终，称量求得箭头砂带的磨耗比为219.1、圆点砂带为216.5，相差不是很大，主要由于箭头砂带高的材料去除质量抵消了部分cBN磨料的脱落。

图4 磨削效率随时间的变化Fig.4 The change of grinding efficiency with time

图5 磨削150分钟后cBN砂带表面形貌Fig.5 The surface topography of cBN abrasive belts after 150min of grinding

3 结论

(1)在cBN砂带使用初期，两种磨削层图案砂带都获得较大的粗糙度，随后缓慢下降趋于稳定，整个磨削过程，箭头砂带表面粗糙度要大于圆点砂带，两者加工工件都能获得较好的表面质量。

(2)在磨削前期，箭头砂带表现出比圆点砂带更好的磨削效率，随着磨削的继续进行，箭头砂带磨削效率下降较快，但两种磨削层图案cBN砂带磨耗比相差不大。