碳纤维基体高速CBN砂轮的应用研究

高会强 穆龙阁 胡晨辉

摘要：在汽车、船舶内燃机用曲轴、凸轮轴等关键零部件磨削加工方面，高速陶瓷CBN砂轮有广泛的应用。采用碳纤维增强树脂基复合材料制作高速CBN砂轮基体，可使CBN砂轮的高速磨削性能得到提升和改善。经磨削应用验证，碳纤维基体陶瓷CBN砂轮能够在磨削速度80m/s条件下安全使用，机床主轴负荷降低60%，磨削凸轮轴径偏差小于0.02mm，表面粗糙度小于Ra0.4，获得稳定的磨削质量效果。

Abstract： High-speed CBN grinding wheel is widely used in the grinding of key parts for engine such as crankshaft and camshaft. The high-speed grinding performance of CBN wheel can be improved by using carbon fiber to make the body of CBN wheel. The grinding application shows that the carbon fiber body CBN grinding wheel can run stably at the grinding speed of 80m/s， the spindle load of the machine tool is reduced by 60%， the grinding camshaft diameter deviation is less than 0.02mm， and the surface roughness is less than Ra0.4， and obtain a stable grinding quality effect.

关键词：CBN砂轮;碳纤维;凸轮轴;磨削

Key words： CBN grinding wheel;carbon fiber;camshaft;grinding

中图分类号：TH161;TH145                               文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0091-03

0  引言

高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、机床设备、生产应用工艺技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。在汽车、船舶用内燃机关键零部件加工方面，高速磨削成为不可或缺的关键技术。各类内燃机的曲轴、凸轮轴核心零件，产品生产批量大、精度要求高，需要进行磨削加工，产品对磨削质量稳定性、磨削效率有特别高的要求，在此类生产领域陶瓷CBN砂轮有广泛的应用。

陶瓷CBN砂轮在高速速磨削应用中，表现出更长的修整周期间隔、高效的磨削去除率，并且这些优势会随陶瓷CBN砂轮使用速度的提高而进一步提升。但是随着砂轮使用速度的不断提高，对砂轮的总重量、自身强度、机床功率、机床系统刚性都提出了更高的要求。采用金属材料基体制作的CBN砂轮，质量大、比强度低、比模量低，在高速磨削时砂轮径向弹性变形大、主轴负荷大、易引起磨削系统振动，会造成磨削工件尺寸波动大，机床功耗高，主轴寿命减低等影响。碳纤维材料抗拉强度3.5GPa，模量230GPa、密度1.76g/cm3性能优于普通金属材料，是砂轮基体的理想材料。碳纤维基体CBN砂轮的应用，具有高效精密加工与良好的经济效益相统一的特性，采用树脂基碳纤维增强复合材料（CFRP）制作砂轮基体能够使CBN砂轮减重80%，达到良好的减重增效效果。

1  力学分析

砂轮为典型的轴对称回转型盘类零件，且旋转过程中只受回转轴的约束，砂轮受轴对称的体力，内部应力轴对称分布，内部各点的弹性位移是轴对称分布。对砂轮内部的受力分析进行二维平面简化，在极坐标系中砂轮内部微元的受力平衡状态，设定砂轮的材料密度为？籽1、半径为a，旋转角速度为？棕，砂轮上任一点P所处位置的半径为？籽。根据弹性力学的平衡微分方可得到P点所受径向应力？滓？籽、环向应力？滓？渍分别为：

根据应力方程可以得出，砂轮在高速回转状态下最大应力出现在半径？籽最小的位置，即砂轮中心内孔边缘;由应力方程，可推导得出砂轮的弹性位移形变出现在外圆周最大半径a的位置，即砂轮外圆周。

按照3A1 400×53×100×24.5尺寸规格建立CBN砂轮三维模型，设定砂轮基体为40Cr钢，密度7.8g/cm3，以旋转角速度420rad/s（4000rpm）旋转。得到砂轮内部最大应力出现在内孔孔壁边缘位置，为拉应力147.5MPa;最位移变形出现在外圆边缘位置，膨胀位移为侧斜方向位移量0.024mm，其中沿径向位移0.011mm，沿轴向位移0.0209mm。

对模型进行动力学仿真分析，得到砂轮三维模型的各阶模态振型如图1。其中，一阶模态仿真结果为砂轮整体外圆呈椭圆形，振动频率2610Hz，振幅0.65mm（图1（a））;二阶模态仿真结果为砂轮整体外圆恢复为圆形，振动频率2710Hz，振幅0.48mm（图1（b））;三阶模态仿真结果为砂轮整体外圆呈四角凸轮型，振动频率2770Hz，振幅0.65mm（图1（c））。

同样，建立碳纤维复合材料（CFRP）砂轮基体模型进行仿真分析。得到碳纤维基体砂轮内部最大应力出现在内孔孔壁边缘位置，为拉应力126.8MPa，较钢基体砂轮模拟结果降低15%;砂轮整体最位移变形出现在外圆边缘位置，为侧斜方向膨胀位移量1.466mm，较钢基体砂轮模拟结果增大50倍，其中径向位移1.148mm，轴向位移1.408mm。碳纤基体砂轮各阶模态仿真得到：一阶模态仿真结果为砂轮整体外圆呈椭圆形，振动频率152Hz，振幅1.109mm;二阶模态仿真结果砂轮整体外圆呈四角凸轮型，振动频率183Hz，振幅1.284mm;三阶模态仿真结果为砂轮整体外圆恢复为圆形，振动频率195Hz，振幅7.942mm。

说明碳纤维基体砂轮在高速回转中所受内应力更小，较钢基体砂轮降低15%，能够适用更高转速;但纤维基体砂轮较钢基体砂轮变形量大、固有振动频率低，更易出现振动变形，更应做好碳纤基体砂轮的结构设计，在磨削应用中需配合调整各项磨削参数严防砂轮高频自激振动的产生。

2  动态实验测试

搭建砂轮振动变形测试平台，将砂轮与机床主轴安装固定，高精度位移传感器固定安装在机床工作台面。位移传感器可高精度检测砂轮外圆位移变动，检测数据实时传输到远端计算机进行数据的存储和处理。按照3A1 400×53×100×24.5型砂轮规格尺寸，分别制作40Cr钢基体砂轮、碳纤维基体砂轮。测得在不同转速条件下钢基体砂轮与碳纤维砂轮回转位移变动量偏差小于0.002mm，说明碳纤维基体砂轮与钢基体砂轮具备相当的运转动态特性，可满足砂轮基体的使用要求。

实际磨削应用中，3A1 400×53×100×24.5型砂轮要完成某型凸轮轴颈磨削需要进行7次磨削动作，磨削效率难以满足加工节拍要求。采用碳纖维材料设计3A1 400×250×100×（24.5+24.5+24.5+24.5）型4工位组合砂轮，可实现单次磨削循环动作完成工件4个部位的磨削，凸轮轴只需运行2次磨削动作即可完成加工，能有效减磨削生产用时。

在1000rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm条件下，对钢基体砂轮、碳纤基体砂轮、4工位组合型碳纤基体砂轮的外圆位移均值及波动偏差进行测量统计，见表1。

由外圆位移变形及振动偏差测量结果可以得出：钢基体砂轮回转变形量相对稳定，随回转速度的增加而线性增大;碳纤基体砂轮回转变形量呈现出小幅波动，但与回转速度基本保持线性关系;4工位组合型碳纤基体砂轮的外圆位移变动量出现较大幅度的波动，与回转速度的线性关系不明显。

对钢基体砂轮、碳纤基体砂轮、4工位组合型碳纤基体砂轮测量外圆轮廓进行极坐标条件拟合如图2所示。钢基体砂轮拟合外圆为标准的圆形轮廓（图2（a））;碳纤基体砂轮拟合外圆轮廓出现0.024mm非圆畸变，表现出了一定的振动形态（图2（b））;4工位碳纤基体砂轮出现四角凸轮型畸变，变形量达到0.098mm，结合砂轮模拟仿真分析，明确表现出了高阶振动形态（图2（c））。

3  磨削应用验证

以某型7轴径凸轮为磨削对象，轴径磨削加工要求尺寸23mm、表面光洁度小于Ra0.4、轴径表面圆度振纹小于0.004mm（4um）。在相同的工艺参数条件下，分别使用钢基体CBN砂轮、碳纤CBN基体砂轮、4工位组合型碳纤基体CBN砂轮进行磨削加工测试验证。各砂轮磨削加工50组工件，对加工后的工件进行各项加工指标检验，得到以下结果：

3.1 磨削轴径尺寸精度

磨削加工轴径尺寸均能满足要求技术指标要求，但在加工稳定性方面表现出一定的差异。钢基体砂轮加轴径尺寸控制能力指数CPK=11.3，可以实施以提效降本为目标的工艺改善措施;碳纤维基体砂轮加工轴径尺寸控制能力指数CPK=2.01，可以稳定保证加工尺寸质量。头碳纤维基体砂轮加工轴径尺寸控制能力指数CPK=1.28，应进行改进提升。碳纤维基体砂轮加工轴径尺寸波动大于钢基体砂轮加工件，且4工位组合型碳纤基体砂轮表现更加明显，说明碳纤维基体砂轮高速磨削状态整体刚性不足，外圆振动会造成磨削尺寸波动。

3.2 磨削轴径表面粗糙度

各砂轮磨削加工轴径表面粗糙度测量值均在Ra0.2-0.4之间波动，未表现出显著的差异，磨削工件均能满足要求技术指标要求。

3.3 磨削轴径表面振纹

各砂轮磨削加工轴径表面圆度振纹值略有大小差异，但均能满足产品技术标准要求，磨削轴径圆度振纹典型测量。钢基体砂轮磨削工件表面振纹为1.176um、碳纤基体砂轮磨削工件表面振纹为2.689um、4工位组合型碳纤基体砂轮磨削工件表面振纹为3.361um。进一步说明了碳纤维基体砂轮在高速磨削状态的振动更加明显，造成了磨削轴径外圆圆度振纹增大。

4  结论

①碳纤维复合材料基体CBN砂轮，能够满足80m/s的高速磨削使用要求，可以得到满足凸轮轴轴径磨削质量指标要求的磨削加工质量;②采用多工位组合型设计的碳纤维基体CBN砂轮，可在不改变磨削设备条件下使磨削生产效率翻倍提高，具有重大的实际应用价值;③采用碳纤维复合材料制造高速CBN砂轮基体后，砂轮制品平均密降低70%，能显著降低机床主轴受力，将有利于效延长机床使用寿命;④碳纤维复合材料基体CBN砂轮整体强度高、重量小，有利于进一步提升磨削速度，发挥CBN砂轮的磨削优势，获得更高的磨削效率和加工质量;⑤要实现碳纤维复合材料基体CBN砂轮高质量的磨削应用，还应根据实验分析及磨削验证效果，不断优化砂轮结构和磨削加工参数，控制砂轮振动变形的产生，从而获得优质的磨削质量效果。

参考文献：

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[2]刘勇涛.高速超高速磨削用CFRP砂轮的设计与制造[D].南京航空航天大学，2016.

[3]李蓓智.高速高质量磨削理论、工艺、装备与应用[M].上海：上海科学技术出版社，2012，3：230-252.