CBN砂輪內(nèi)孔磨削振紋的分析與解決

振紋產(chǎn)生機理

零件振紋的產(chǎn)生源于機床的振動，零件的振紋主要表現(xiàn)在磨削表面在圓度儀上測量的波紋度。具有一定頻率、有周期性的振動反映在被加工零件表面便形成了波紋度。進一步分析，振動可以分為由砂輪高速旋轉(zhuǎn)引起的機床共振，包括砂輪的砂輪軸的動不平衡、零件軸的偏心等;也有可能是砂輪磨削時磨削力的變化產(chǎn)生的顫振，主要由砂輪與工件的相互作用造成，包括砂輪不均勻磨損和堵塞會在工件表面形成波紋，而工件表面的波紋反過來作用使得砂輪的磨損和堵塞加重，更會在工件表面形成波紋。磨削錐盤產(chǎn)品要求和波紋度測量圖如圖1所示。

CBN砂輪磨削特點

CBN的硬度高于普通磨料，高硬度使得它切削能力更強、更鋒利;同時CBN具有很高的耐磨性，它比普通磨料更難磨損。保持磨粒形狀的能力是CBN作為高性能磨料的主要特性之一，由于CBN砂輪能夠長期保持磨粒微刃的鋒利性，會使被加工工件的加工精度和表面粗糙度都達到較為理想的效果，砂輪磨削能獲得較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度，因此可使工件的耐用度提高10%～30%。CBN砂輪修整周期長、修整量較少、更換時間長且無需經(jīng)常更換砂輪和修整砂輪，故可節(jié)約工時，工作效率高、綜合經(jīng)濟效益好。但同時CBN砂輪線速度很快，可以達到45～100?m/s,這種情況下，砂輪—工件—機床整個系統(tǒng)容易產(chǎn)生振動，尤其是加工薄壁類零件時，由于其剛性差，就更容易產(chǎn)生振紋。

CBN磨削振紋的分析解決

1.砂輪高速旋轉(zhuǎn)引起的共振問題分析解決

機床在出廠時，已經(jīng)對床身及其主要鑄件的固有頻率進行了分析和共振測試，使其避開了砂輪高速旋轉(zhuǎn)和零件主軸的共振區(qū)域。因此，如果在生產(chǎn)加工中出現(xiàn)振紋，我們主要解決砂輪高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動，包括砂輪安裝間隙及安裝精度、砂輪的動不平衡量等。

(1)砂輪安裝定位方式產(chǎn)生的振動

砂輪的安裝定位方式如圖2所示：砂輪通過帶壓板的螺釘安裝在電主軸上，安裝后，用千分表測量砂輪的外圓跳動，其跳動值達到0.05～0.08?mm。在此安裝狀態(tài)下磨削加工零件，砂輪修整后，以螺釘軸為中心，砂輪外圓質(zhì)量就會分布不均，造成砂輪在高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)振動。

①原因分析

螺釘軸與砂輪軸內(nèi)孔的配合間隙、砂輪端面垂直度和外圓跳動決定了砂輪的安裝精度。通過檢查安裝在機床上的砂輪發(fā)現(xiàn)，砂輪和螺釘孔的配合間隙達到0.06?mm，安裝在機床上的砂輪的外圓跳動在0.05～0.08?mm間，這些都會導(dǎo)致砂輪安裝精度過大，而通常高速旋轉(zhuǎn)的部件在機床上的安裝精度應(yīng)該<0.015?mm。

檢查砂輪圖樣和螺釘軸圖樣，砂輪內(nèi)孔φ36 ，砂輪軸φ36 ，最大間隙0.055，而砂輪內(nèi)孔對砂輪端面無任何要求，砂輪外圓對內(nèi)孔中心跳動為0.025?mm，砂輪和軸的配合間隙和砂輪的行為公差都較大，這是導(dǎo)致砂輪安裝精度超差的主要原因。

②問題解決

重新定義砂輪和螺釘軸圖樣，配合處要求為砂輪內(nèi)孔φ36 ，砂輪軸φ36 ;砂輪外圓對內(nèi)孔跳動要求<0.01?mm，砂輪端面對內(nèi)孔垂直度<0.005?mm;保證砂輪在機床上的安裝跳動<0.015?mm，并且每次安裝砂輪時，要求用千分表測量砂輪的外圓跳動滿足跳動要求，這樣保證了砂輪在機床上的安裝精度。圖3為改進后的砂輪圖樣。

(2)由砂輪的動不平衡量產(chǎn)生的振動

CBN砂輪工作時的最高轉(zhuǎn)速為10?000?r/min，極小的砂輪動不平衡量在高速旋轉(zhuǎn)時都會造成大的振動，故需要嚴格控制其動不平衡量。以本案例CBN砂輪為例，根據(jù)標準選取平衡精度等級G2.5(單位為mm/s)，具體如表1所示。砂輪的半徑r=40?mm，質(zhì)量為0.6?kg，砂輪的工作轉(zhuǎn)速為8?000?r/min，根據(jù)公式m=9?549?MG/(r×n)計算，其中M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，單位為kg;G為精度等級選用;r為校正半徑，單位為mm;n為工件的工作轉(zhuǎn)速，單位為r/min;m為不平衡合格量，單位為g。通過計算，m=9?549×0.6×2.5/40×8?000=0.045?g。因此，在砂輪制造完成后，需要檢驗砂輪的動不平衡量，這是衡量砂輪精度好壞的關(guān)鍵指標。

2.磨削力的變化產(chǎn)生的顫振

CBN砂輪高速旋轉(zhuǎn)磨削時，砂輪與工件的相互作用造成砂輪的不均勻磨損和堵塞，會在工件表面形成波紋，而工件表面的波紋反過來使得砂輪的磨損和堵塞加重，更導(dǎo)致在工件表面形成波紋。

(1)CBN砂輪磨削顫振表象

在CBN砂輪磨削過程中，砂輪每加工一定數(shù)量的零件，都需要金剛輪對砂輪進行修整。休整的目的是保證工件磨削質(zhì)量，防止砂輪在修整過程中出現(xiàn)砂輪表面修整不到位導(dǎo)致砂輪表層不均勻等現(xiàn)象。從而使得工件表面粗糙度無法滿足，砂輪表層的不均勻甚至會造成零件出現(xiàn)振紋。故需要對砂輪修整質(zhì)量進行監(jiān)控。

為此我們在砂輪修整時在機床上加入了一套發(fā)聲裝置，其目的是保證砂輪修整質(zhì)量。圖4a為砂輪修整時的發(fā)聲裝置控制圖：橫坐標代表金剛筆修整時間，縱坐標為聲音分貝值。修整過程為：AB段是金剛輪接近砂輪的過程，聲波值由小到大;BC段為金剛輪接觸到砂輪的階段，聲波值恒定;CD段表示金剛輪修好砂輪后的脫離階段，聲波值由大到小。紅線代表金剛輪接觸到砂輪時聲波的標準分貝。當金剛輪接觸到CBN砂輪，所產(chǎn)生的聲波分貝大于紅線所示分貝值，表明砂輪修整到位，金剛筆不再修整;而當修整時聲波值低于紅線時，修整重復(fù)進行，直到達到設(shè)定分貝值或達到設(shè)定次數(shù)而設(shè)備報警，需要手動干預(yù)繼續(xù)修整。

(2)CBN砂輪磨削顫振容易發(fā)生區(qū)間的聲波圖

圖4b為砂輪修整合格后的另一種圖形，此種圖形程序認為砂輪修整仍然合格，砂輪繼續(xù)加工。但從圖形可以看出，砂輪的表面修整不到位，砂輪表層質(zhì)量不均，容易造成加工零件表面粗糙度不合格，是有可能產(chǎn)生磨削振紋的典型修磨圖，需要解決。

①原因分析

造成圖4b問題的主要原因是砂輪材質(zhì)不均勻，是CBN磨粒等組織選用不合理、砂輪制造工藝不當所致，需要重新對砂輪加以試制。

②問題解決

結(jié)合砂輪的材質(zhì)選用和制造工藝，做分批次試驗，通過大量試驗，選擇主要方案如表2所示。

從表2中的試驗過程可以看出試驗結(jié)果，砂輪的組織固化為：砂輪中加入微晶陶瓷和脆性磨料，以增加硬度，保證磨料刃口不出現(xiàn)小平臺。目的是提高休整頻次，保證磨削面無振紋。

砂輪制造工藝過程固化為：采用溫壓成形方式，提高砂輪組織均勻性;將整環(huán)粘接改為分塊粘接，保證砂輪材質(zhì)均勻;采用斜粘接，目的同樣是保證砂輪材質(zhì)均勻。

通過以上試驗，連續(xù)跟蹤2片試驗砂輪，其修整圖達到了圖4a的標準曲線。

效果驗證

通過上述的介紹，為解決CBN砂輪磨削振紋，我們主要對CBN砂輪進行了兩方面的控制，一是對砂輪安裝精度的控制、砂輪動不平衡量的檢查，最終控制砂輪因高速旋轉(zhuǎn)引起的機床振動而產(chǎn)生的振紋;二是對砂輪組織和工藝制造過程進行改進，目的是改變金剛輪對砂輪的修整聲波圖形，使其圖形達到不易產(chǎn)生磨削振紋的標準曲線，從而解決CBN砂輪高速旋轉(zhuǎn)磨削時，砂輪與工件相互作用造成的顫振現(xiàn)象。

通過這些措施的實施，我們對加工零件進行了驗證：方案一是連續(xù)抽取30件零件;方案二是每100件抽取1件零件，共收集120件零件;方案三是按方案二抽取零件，連續(xù)跟蹤3個砂輪。對以上3種方案在圓度儀上進行波紋度測量，其圖形無固定周期性波紋度，零件無振紋，圖形為圖1所示。