CBN砂輪在磨削凸輪軸中的應用
/ 2021/7/3 12:12:06
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1、國內外凸輪軸磨削技術(shù)發(fā)展現狀
凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力特性；同時(shí)，凸輪軸又是一種非圓磨削的工件，其加工余量大且材料難磨，對磨削精度和生產(chǎn)效率要求都很高，加工難度比較大。因而，凸輪軸的磨削技術(shù)一直是業(yè)內人士關(guān)注的重點(diǎn)。
目前，國內多數轎車(chē)主機廠(chǎng)的凸輪軸生產(chǎn)線(xiàn)和專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠(chǎng)家均引進(jìn)了CBN磨削技術(shù)，但仍有很多的載重汽車(chē)、柴油機和摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機的凸輪依然采用傳統的剛玉砂輪、靠模仿形的磨削工藝。粗磨工序使用的是國產(chǎn)中低速磨床（35m/s以下），精磨工序部分廠(chǎng)家使用進(jìn)口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點(diǎn)金剛石筆居多，進(jìn)口磨床和少數國產(chǎn)磨床采用金剛石滾輪修整。這種傳統技術(shù)給凸輪軸的磨削帶來(lái)的問(wèn)題主要體現在如下幾個(gè)方面：
（1）凸輪輪廓精度低且難以提高
采用靠模樣板磨削，凸輪輪廓形狀誤差最小只能控制在±0.03mm范圍內，而全數控無(wú)靠模磨削則可控制在±0.01mm內。另外，普通磨料砂輪在使用時(shí)，外徑變化范圍大（80～100mm），而砂輪直徑每變化1mm就會(huì )使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，因而難以進(jìn)一步提高凸輪輪廓精度。
（2）凸輪表面易產(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，很難提高生產(chǎn)效率
（3）綜合經(jīng)濟效益不高
2、CBN砂輪在磨削凸輪軸中的應用
CBN磨削技術(shù)的應用，使傳統凸輪軸磨削過(guò)程中的難題迎刃而解。鄭州磨料磨具磨削研究所于20世紀90年代初，在國內率先自主研究開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)凸輪軸磨削的陶瓷結合劑CBN砂輪，在國產(chǎn)普通高速（60m/s）強力凸輪軸磨床上粗磨冷激鑄鐵凸輪軸，取得了良好的使用效果。但由于受到當時(shí)機床條件和砂輪制造技術(shù)的限制，還沒(méi)能達到更理想的效果。至90年代中期，工業(yè)化國家的多數汽車(chē)制造廠(chǎng)均已采用了CBN砂輪磨削凸輪軸，國內主要的轎車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上也陸續引進(jìn)了這項技術(shù)。它是以CBN專(zhuān)用數控CNC凸輪軸磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂輪、專(zhuān)用磨削液、修整滾輪和磨削工藝整套技術(shù)的形式引進(jìn)的。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是：砂輪使用速度高（80～125m/s），加工效率高。隨著(zhù)凸輪軸的CBN磨削技術(shù)及其專(zhuān)用磨床的不斷引進(jìn)，國內研究的CBN專(zhuān)用高速數控凸輪軸磨床也即將進(jìn)入市場(chǎng)。對此，在完善國產(chǎn)磨床用CBN砂輪粗磨凸輪軸技術(shù)，積極研究用CBN砂輪精磨凸輪軸的同時(shí)，鄭州磨料磨具磨削研究所又開(kāi)始研制為進(jìn)口CBN專(zhuān)用數控凸輪軸磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂輪，并已取得了一定成果。研制的砂輪使用速度為80m/s，耐用度和壽命相當于進(jìn)口砂輪的1/2，而價(jià)格只有進(jìn)口砂輪的1/3。研制的陶瓷CBN砂輪與同類(lèi)進(jìn)口砂輪相比，主要差距在于耐用度、壽命和產(chǎn)品質(zhì)量穩定性偏低，不能完全替代進(jìn)口砂輪在凸輪軸生產(chǎn)線(xiàn)上連續使用。為了迎頭趕上這種快速發(fā)展的技術(shù)水平，近兩年，鄭州磨料磨具磨削研究所又研發(fā)成功了使用速度為125m/s的磨凸輪軸陶瓷CBN砂輪，其使用速度、磨削效率、磨削質(zhì)量均達到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品水平，具有很高的性?xún)r(jià)比，產(chǎn)品質(zhì)量穩定質(zhì)量，完全可以替代進(jìn)口。這些都表明我國CBN砂輪的制造和應用技術(shù)已達到了新的水平。
3、凸輪軸的CBN磨削技術(shù)要素
在凸輪軸的磨削系統中，必須同時(shí)考慮到CBN砂輪制造和應用技術(shù)所涉及的各方面的影響因素，才會(huì )最終得到令人滿(mǎn)意的磨削結果。凸輪軸CBN磨削技術(shù)的重要影響因素主要有：
（1）CBN砂輪
性能優(yōu)越的砂輪必須同時(shí)具備磨削鋒利、自銳性好和耐用度高等特征。在制造和選擇砂輪時(shí)主要考慮結合劑、磨料、砂輪濃度和磨具硬度。
結合劑：在CBN磨具的四種結合劑（樹(shù)脂、陶瓷、金屬、電鍍）中，以陶瓷結合劑的CBN磨具發(fā)展最快。在世界范圍內，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀80年代的4%上升到現在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形狀保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高（為75%以上，其余類(lèi)型結合劑為50～60%）、砂輪使用壽命長(cháng)等優(yōu)勢，因而成為高效、高精度磨削的首選磨具。目前，用于凸輪軸磨削的CBN砂輪全部采用陶瓷結合劑。
磨料：在磨削加工中，磨料是磨具中的主體，其性能好壞直接影響磨削效果。CBN磨料與剛玉磨料相比，具有更高的硬度和強度，因而切削鋒利且耐磨。在凸輪軸加工這樣高強度的磨削情況下，使用CBN磨料是最佳選擇。不同牌號的CBN磨料，因制造工藝的不同，其晶體形態(tài)、顆粒形狀也各不相同，它們各自具有不同的強度、熱穩定性、耐化學(xué)侵蝕性和破碎特性。應根據結合劑的種類(lèi)、磨削工件和磨削方式的不同，選擇不同牌號的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高溫下易與水和堿性氧化物發(fā)生化學(xué)反應而使其結構受到破壞，這是在選擇磨削液的種類(lèi)、壓力和流量時(shí)必須考慮的因素。
濃度：砂輪濃度的高低表示在磨削時(shí)砂輪工作面單位面積上參加磨削的磨粒數的多少，高濃度可帶來(lái)高的磨削比，200%濃度比100%濃度砂輪壽命長(cháng)4～5倍。目前，高速、高效磨削均采用較高的砂輪濃度，如進(jìn)口磨凸輪軸磨床配套的陶瓷CBN砂輪濃度一般均為200%。
硬度：磨具的硬度等級表示結合劑對磨料把持力的大小，它是制造商工藝控制的重要指標，也是用戶(hù)選擇磨具性能的主要參數。砂輪硬度均勻和穩定及硬度高低的合理選擇是保證磨削質(zhì)量的重要前提。國外陶瓷CBN砂輪一般有3～7個(gè)硬度等級可供選擇，國內目前尚未制訂CBN砂輪（包括金剛石磨具）的硬度檢驗標準，制造商僅以配方硬度進(jìn)行控制。
（2）磨床 磨床要求有高速度（一般在60～125m/s）、高剛性和抗震性
（3）修整 使用金剛石滾輪修整，不僅可提高修整效率，更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。
（4）冷卻液 冷卻液要采用油基的冷卻液，高壓噴射的方法進(jìn)行冷卻。
