CBN砂輪（立方氮化硼砂輪）CBN grinding wheel

一、立方氮化硼（CBN）砂輪的特點：CBN作研磨材料使用時，我們主要研究CBN的硬度、 熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、耐磨性和導(dǎo)熱性等。

CBN的硬度遠(yuǎn)高于其它普通磨料。高硬度意味著切削能力更強、更鋒利；CBN有高的耐磨性，意味著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；CBN的抗壓強度很高，這意味著在惡劣的條件下使用時它能保持顆粒完整而不易破碎;CBN有很好的導(dǎo)熱性，在磨削時可實現(xiàn)冷切削。

1、 高硬度、高韌性立方氮化硼（CBN）是人類合成的硬度僅次于金剛石的超硬材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通剛玉與碳化硅磨料，因而具有更佳的切削能力、更鋒利

2、  耐高溫、熱穩(wěn)定性好。立方氮化硼可以承受1250-1350攝氏度的高溫，比金剛石的耐熱性800攝氏度還要高；在研磨和切削鐵質(zhì)材料時，不會出現(xiàn)粘屑現(xiàn)象，在磨削淬火鋼、高釩高速鋼、鋁高速鋼等對磨削溫度較為敏感的金屬材料是最理想的砂輪。

3、 化學(xué)惰性強。立方氮化硼不易和鐵族元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，所以對于各種高速鋼、工具鋼、模具鋼、高合金淬硬鋼、鉻鋼、鎳合金、粉末冶金鋼和高溫合金等溫度高、硬度高、熱傳導(dǎo)率低的材料的磨削非常適宜。

4、 導(dǎo)熱性好。CBN熱導(dǎo)率可達剛玉砂輪的幾十倍到百倍，因而能將磨削熱迅速導(dǎo)出，減少工件熱變形。對熱傳導(dǎo)率低的材料磨削非常適宜。各種噴涂（焊）材料：鎳基、鐵基等；耐磨鑄鐵類材料：釩—鈦鑄鐵、高磷鑄鐵、冷硬鑄鐵等；鈦合金類：如TC4

5、 磨削性能好、加工表面質(zhì)量好。由于立方氮化硼磨具能夠長期保持磨粒微刃的鋒利性，會使被加工工件加工精度和表面粗糙度值都達到較為理想的效果，因此可使工件的耐用度提高10%-30%。所以即使批量加工的工件，也會始終獲得較高的形狀、精度及一致性。CBN砂輪磨削能獲得高的尺寸精度和低的表面粗糙度，加工表面不易產(chǎn)生裂紋和燒傷，殘余應(yīng)力小。加工表面質(zhì)量得到提高，一般無裂紋，不易燒傷，并可獲得殘余壓應(yīng)力，顯著提高工件疲勞強度，通常，被磨工件的耐用度能提高30—50％。

6、 耐磨性強、壽命長。CBN砂輪磨削比可達3500—5500，比普通剛玉砂輪高百倍，比金剛石砂輪高3—5倍。

7、 環(huán)保無污染、節(jié)能降耗。無太多的粉末灰塵。

8、 工作效率高、綜合經(jīng)濟效益好。磨削鋒利、磨削力小、CBN砂輪修整周期長、修整量較少、更換時間長；使用周期長，磨削比高，可獲得較佳的經(jīng)濟性，使用中形狀保持性好，無需經(jīng)常更換砂輪和修整砂輪，節(jié)約工時，改善勞動條件，有利于加工操作。

立方氮化硼不應(yīng)磨削硬質(zhì)合金和非金屬硬材料。在磨削高溫下，CBN遇堿性水溶液會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，CBN砂輪在300℃堿性溶液中會分解，在沸水中能微量分解，結(jié)果將使磨粒晶形遭到破壞，所以磨削時，只能選用油性冷卻液，而不能用水基冷卻液。

二、立方氮化硼砂輪的最有效使用范圍：

1、對軟鋼的磨削是首選。很多的經(jīng)驗對進口和國產(chǎn)各種不銹鋼與其它軟鋼的磨削達到非常理想的效果，并且效率提高100%左右，經(jīng)濟效益提高百分之200。

2、在自動機床上大批量生產(chǎn)的工件（微型軸承、空壓機、曲軸、凸輪軸、高精度螺紋、儀表等）的精磨和終磨。
3、要求砂輪具有良好的棱角保持性的復(fù)雜型面工件（插齒刀、拉刀、高精度齒輪、靠模、沖頭等）的磨削。
4、大型精密工件（機床導(dǎo)軌、高精度絲杠等）的精磨和終磨。這些工件使用普通磨料往往由于磨削溫度高而容易引起較大變形，最佳首選是CBN砂輪。
5、對由耐熱鋼和高硬度（HRC55以上）的合金鋼制成的精密零件的精磨和終磨。這些零件用普通磨具時因磨具消耗或磨鈍過快而不能獲得很高的精度。
6、對特殊鋼材如含鎢、含鎢鉬高速鋼，釩合金鋼、鈷合金鋼、特種高速鋼刀具刃磨，難加工耐熱鋼工件的超精加工，以及其他鋼淬火工具的珩磨。

7、含鎢、含鎢鉬和其它高速鋼，特別是釩合金鋼、鈷合金鋼等特種高速鋼刀具的刃磨和精密。

8、由耐熱、不銹鋼和高硬度（HRC55以上）的合金結(jié)構(gòu)鋼制成的精密零件的精磨和終磨。這些零件用普通磨具磨削消耗過大或磨鈍過快而不能獲得高的精度。

9、在自動或半自動機床上大批量生產(chǎn)的工件如儀表和微型軸承零部件。

10、對鈦合金磨削CBN是最佳的磨削砂輪選擇。

三、CBN砂輪（立方氮化硼砂輪）

1、CBN砂輪不同結(jié)合劑的對比

2、CBN砂輪硬度
 砂輪的硬度等級表示結(jié)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(biāo)，也是用戶選擇磨具性能的主要參數(shù)。砂輪硬度均勻和穩(wěn)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個硬度等級可供選擇，國內(nèi)目前尚未制訂CBN砂輪（包括金剛石磨具）的硬度檢驗標(biāo)準(zhǔn)，制造商以配方對硬度進行控制。

3、CBN砂輪濃度
 CBN砂輪濃度的高低表示在磨削時砂輪工作面單位面積上參加磨削的磨粒數(shù)的多少，樹脂結(jié)合劑通常采用75-100%的濃度；陶瓷結(jié)合劑高濃度可帶來高的磨削比，通常采用100-200%的濃度。目前，高速、高效磨削均采用較高的砂輪濃度，如進口磨凸輪軸磨床配套的陶瓷CBN砂輪濃度一般均為200%。對于有特殊要求的加工，濃度選用還可進行調(diào)整。如，在拋光和高精度磨削中，常采用低于一般磨削時的濃度；對要求加工效率高的工序，可采用粗粒度、高濃度的CBN磨具；對于要求CBN磨具形狀保持性好的成型磨削、端面磨削、溝槽磨削等，應(yīng)選擇較高濃度的CBN磨具。

4、CBN砂輪粒度粗糙度對照

在磨加工中操作者一般都具有普通磨料磨具的使用經(jīng)驗，粒度選擇的原則基本相同，但考慮到兩大類磨料性能的差異，要求達到相同的加工表面粗糙度，由于超硬磨粒的鋒利性和不易磨損性，選用的粒度號就要比普通磨料細(xì)1～3個粒度號。

選擇CBN砂輪的粒度時，還應(yīng)考慮砂輪所采用的結(jié)合劑，因為各種結(jié)合劑均有它的最佳粒度范圍，太粗或太細(xì)均不利于其磨削加工。一般情況下，樹脂結(jié)合劑CBN砂輪通常選用100/120-270/325；陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪通常選用100/120～230/270；金屬結(jié)合劑砂輪選用70/80～230/270。當(dāng)然還要看加工效率和加工表面粗糙度要求等選擇最佳粒度，要求加工效率高時，選用較粗粒度號。反之選較細(xì)粒度號。

四、CBN磨削系統(tǒng)

磨削加工的工藝系統(tǒng)是“磨床—工件—磨具”，自然CBN砂輪磨削的關(guān)鍵技術(shù)也離不開磨床、砂輪、磨削工藝和磨削液、工藝參數(shù)納入一個整體系統(tǒng)來進行優(yōu)化，才能獲得一個最佳的技術(shù)和經(jīng)濟效果。

1、CBN砂輪上面已做描述。

2、磨床：磨床是磨削系統(tǒng)的中心，磨床的性能對磨削效果有非常重要的影響。
    砂輪作為以磨床為中心的磨削體系中的一個附件，只有通過磨床所具有的優(yōu)異特性并優(yōu)化各種磨削參數(shù)，才能最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢，對CBN磨削來說尤其如此。
 a、高速度
 提高砂輪的工作線速度可明顯提高磨削效率和磨削比，降低磨削力，從而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂輪磨削凸輪軸，當(dāng)砂輪速度從80m/s提高到160m/s時，磨削時間相同，則修整間隔（耐用度）增加2倍；當(dāng)砂輪速度由35m/s增加至60m/s時，在不同的單位金屬去除率（Q′w）情況下，法向磨削力（F′n）均減小1/3左右。CBN砂輪因其結(jié)構(gòu)特點及CBN磨料的特性，為高速、超高速磨削提供了可能。80～125m/s的使用速度已成為目前國內(nèi)進口的CBN專用凸輪軸磨床基本特征之一。在條件允許的情況下，使用盡可能高的速度是提高CBN磨削的技術(shù)性和經(jīng)濟性的重要前提。

主軸系統(tǒng)：提高砂輪線速度主要是提高砂輪轉(zhuǎn)速，超高速磨床的主軸最高轉(zhuǎn)速都在10000r/min以上，傳遞的磨削功率常為幾十千瓦，故要求其主軸系統(tǒng)剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、溫升小、功耗低。近年來，超高速磨床愈來愈多地使用將電機和主軸作成一體的電主軸，其所用軸承主要是油氣潤滑的陶瓷球角接觸球軸承和液體動靜壓軸承，後者多用在外圓類超高速磨床上。磁浮軸承雖然高速性能好、精度高，但價格昂貴和有發(fā)熱、漏磁問題，目前尚較少采用。高速回轉(zhuǎn)的砂輪軸和砂輪一起，其動不平衡引起的振動會嚴(yán)重影響磨削質(zhì)量，除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進行嚴(yán)格的動平衡外，還應(yīng)當(dāng)在機床進行磨削的過程中實施連續(xù)的自動平衡。此外，要充分重視超高速磨床砂輪與主軸連接的可靠性。
 b、機床的高剛性和抗震性
高速磨削和CBN砂輪磨削的特點，要求機床主軸和整體要具有很高的剛性和良好的抗震性，從而保證磨削工件的精度和表面質(zhì)量，這是CBN高速磨削技術(shù)中對磨床的基本要求。不具備這些條件，在使用CBN砂輪時，要想獲得更高的金屬去除量，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會變差。波紋是常見的表面質(zhì)量缺陷，它是由振動產(chǎn)生的。引起振動的原因有多種，包括機床剛性低、抗震性差、機床共振或砂輪參數(shù)設(shè)計不合理造成磨削力過大等。有資料顯示：機床的剛度應(yīng)不小于100N/0.001mm的數(shù)量級為好。

進給系統(tǒng)： 超高速磨床除對主軸系統(tǒng)要求很高外，相應(yīng)也要求進給系統(tǒng)速度範(fàn)圍寬、加速度大、剛性高、動態(tài)響應(yīng)快、定位精度好，雖然滾珠絲杠和靜壓絲杠目前在超高速磨床上還經(jīng)常采用，但在某些情況下已不能滿足要求而改用無中間傳動環(huán)節(jié)的直線電機驅(qū)動。眾所周知，直線電機驅(qū)動方式速度範(fàn)圍很寬，加速度很大，響應(yīng)快，運動平穩(wěn)且精度好，不過用在機床上還要解決散熱、隔磁和運動部件輕量化問題。豐田工機超高速數(shù)控凸輪磨床GCH63Ⅱ的砂輪架進給系統(tǒng)，由於該機床是通過C軸（工件回轉(zhuǎn)）與X軸（砂輪架移動）的聯(lián)動控制來磨出凸輪輪廓的，提高砂輪架的快速隨動性是必然要求，所以推出了采用直線電機直接驅(qū)動的機型。在這種磨床上用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削冷硬鑄鐵凸輪軸，磨削速度200m/s，加工余量Φ8mm，其結(jié)果是磨削時間4s/每一凸輪、凸輪輪廓誤差5痠、表面粗糙度Rz1.9痠，效果明顯。

注：提高速度必須在機床許可的范圍內(nèi)、并且在一些技術(shù)人員的指導(dǎo)下方可進行。

3、修整：修整過程中必須要轉(zhuǎn)速調(diào)低，讓進刀量加大，達到0.03MM以上。

      使用金剛石滾輪、修整盤及鉆輥修整是最好選擇, 但除了進口專用機外一般磨床都沒有修整盤及鉆輥的裝置及驅(qū)動系統(tǒng)，不僅可提高修整效率，更重要的是可獲得較好的砂輪形貌。使用其他修整工具，很難完成對高硬度砂輪表面的修整。修整裝置的進給精度要高，每次進給量應(yīng)在mm級，過量的修整既影響磨削質(zhì)量又會大大減少砂輪使用壽命。修整速比Vr /Vc是修整工藝中一個重要的參數(shù)，它的改變會使砂輪表面形貌顯著變化，并最終影響到工件的表面質(zhì)量。陶瓷結(jié)合劑可以采用此法，金屬與樹脂的參見其它修整方法。

（1）磨削整形法： 
磨削整形法是用普通磨料砂輪、金剛石砂輪、金剛石滾輪等與CBN砂輪對磨整形，或用CBN砂輪磨削低碳鋼進行整形。 
A、通砂輪磨削整形 
用綠色碳化硅或白剛玉陶瓷結(jié)合劑砂輪作為整形砂輪，用外圓磨削法對CBN砂輪進行整形。在整形砂輪軸上安裝制動器，使整形砂輪與CBN砂輪之間產(chǎn)生相對速度，可提高整形效率，相對速度越大，整形效率越高。該方法也可用于修銳，但應(yīng)采用細(xì)粒度(150#～220#)修整砂輪。制動整形法的特點是整形壓力較大、對磨床剛性要求高，對樹脂結(jié)合劑砂輪容易產(chǎn)生過整形。 
B、鋼磨削整形 
低碳鋼磨削整形是利用CBN砂輪磨削低碳鋼時形成的流狀切屑來刮除結(jié)合劑，達到整形目的。該方法又可分為單滾筒法和雙滾筒法。雙滾筒法是利用兩個滾筒的速度差實現(xiàn)平穩(wěn)整形，可提高整形質(zhì)量。低碳鋼磨削整形的特點是修整效率及修整精度較低、磨粒脫落較多、整形質(zhì)量不穩(wěn)定。

a軟鐵(未硬化)、紅銅、不銹鋼等軟鋼, 利用這些材料的靭性以柔克剛, 要修約20分鐘.修整效果與精度一般

b 用鉬金屬修, 要修約10分鐘, 修整效果較好、效率較快，但鉬金屬較貴.

C、杯形砂輪整形法 
日本東京大學(xué)的莊司克雄研制的杯形砂輪修整器將修整進給變?yōu)榍腥脒M給，提高了修整精度。采用杯形砂輪對CBN陶瓷砂輪整形后，CBN砂輪的表面磨粒產(chǎn)生微小破碎，具有良好的容屑槽和尖銳的切刃。杯形砂輪對CBN砂輪的整形效果優(yōu)于采用金剛石砂輪的整形效果。

使用專用的杯形砂輪對CBN砂輪進行修整。這種砂輪的材質(zhì)一般選用綠碳材質(zhì)。砂輪的大小根據(jù)被修整砂輪的大小而決定。一般有直徑：100、125、150、175、180、200、205。。。。。。。 
D、金剛石滾輪整形 
金剛石滾輪是采用電鍍法或粉末冶金法將金剛石顆粒固結(jié)在金屬基體的圓周表面上制成的高效成型修整工具，其修整機理是通過金剛石滾輪與CBN砂輪的旋轉(zhuǎn)運動之間產(chǎn)生的相對運動來實現(xiàn)砂輪整形。修整進給量ar和修整速比q(q=vr/vs，vr為金剛石滾輪線速度，vs為CBN砂輪線速度)對修整后CBN砂輪的磨削性能有重要影響。采用較大修整速比q=修整后的CBN砂輪磨削力較小，但工件表面粗糙度較大。采用較大修整進給量ar修整后的砂輪較鋒利。S.Malkin 等人認(rèn)為，金剛石滾輪整形法的修整機理和修整后砂輪的磨削性能主要由CBN砂輪磨粒軌跡與金剛石磨粒運動軌跡之間的夾角(干涉角d)控制，d 越大，修整力越小，但修整后的砂輪表面較粗糙。中速比的選擇范圍為q=0.4～0.7，精密磨削時應(yīng)選取速比q<-1.0，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)磨削粗糙度要求和砂輪特性確定，例如磨削精密氧化鋯零件時可采用速比q<-1.0 修整CBN陶瓷砂輪，這樣可獲得較低的粗糙度(Ra=0.06μm)和較高的圓度(0.6μm)。 
金剛石滾輪整形法的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、滾輪耐用度高、能同時在砂輪全寬度上進行修整、修整時間短、修整力小、能復(fù)制特定的砂輪輪廓(尤其對復(fù)雜型面砂輪具有準(zhǔn)確的復(fù)形能力)、適用于自動化生產(chǎn)。該方法在有載或無載情況下均可使用，可使修整時間與其它加工輔助時間交叉重合。 
E、普通砂輪磨削修銳 
用修整輪(碳化硅砂輪或剛玉砂輪)作切入式外圓磨削，修銳CBN砂輪。修整輪速度vr與CBN砂輪速度vs的關(guān)系應(yīng)為vr≈vs-1(m/s)。這種方法通常使用于樹脂與金屬砂輪的修整。 
（2）油石修銳 （油石大多只做修銳使用而不做為整形使用）
油石修銳是應(yīng)用較廣泛的修銳方法，它主要通過接觸區(qū)破碎磨粒的擠研作用去除CBN砂輪的結(jié)合劑。采用不同粒度的油石修銳后磨粒的凸出高度均在6～10μm。由于油石修銳無法獲得較大的磨粒凸出高度，因此不能用于大切削用量磨削用CBN砂輪的修銳。采用油石修銳法對電鍍CBN砂輪進行微量整形可去除鍍層表面過高或結(jié)合不牢的CBN磨粒，從而改善磨粒的等高性，減少電鍍砂輪型面的尺寸誤差。

油石大多只做修銳使用而不做為整形使用。通常使用白剛玉油石條。此種方法修整的光潔度好、鋒利度好。但是此法一般不做大余量的修整。只做修整（整形）后的修銳。

（3）車削法：不太經(jīng)常用，這里不做詳細(xì)介紹。

注：砂輪修整詳見砂輪修整篇： 
4、冷卻與冷卻液

磨削液有三大作用：潤滑、冷卻、清洗。CBN砂輪對磨削液的冷卻與清洗作用要求更高。

在磨削過程中，90%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱必須被冷卻液最大限度地吸收并帶走，否則工件就會被燒傷。對CBN砂輪來講，還要考慮CBN磨料與水在高溫下所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)對磨料的破壞。正確選擇冷卻液種類和冷卻工藝參數(shù)，往往會收到事半功倍的效果。不同的冷卻液，會使砂輪的磨削比相差幾倍甚至十幾倍。冷卻液對CBN砂輪的影響，表明砂輪在磨削過程中的機械磨損、化學(xué)侵蝕和熱損傷的程度與冷卻效果密切相關(guān)。充分優(yōu)化磨削工藝參數(shù)可使磨削效率、磨削質(zhì)量和磨削成本等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)在更高的水平上達到平衡。

磨削液及其注入和過濾系統(tǒng)   
   鑒於磨削液對環(huán)境的負(fù)面影響，人們正研究開發(fā)微量油潤滑磨削和低溫氣體冷卻磨削，但目前使用磨削液仍是主流。CBN砂輪在高溫下會發(fā)生水解(BN+3H2O→H3BO3+NH3)加劇其磨損，顯然使用油基磨削液可減緩CBN砂輪磨損，但油基磨削液工作時會產(chǎn)生油霧并容易冒煙起火，所以超高速磨削采用高性能水基磨削液特別是水溶性透明乳化液的也比較多。超高速磨削時氣流屏障阻礙磨削液注入磨削區(qū)，因此必須采用恰當(dāng)?shù)淖⑷敕椒ǎ热绮捎醚顕娮旌褪芨訃娮斓?，且噴嘴?yīng)盡可能靠近磨削弧區(qū)。所示為日本大隈公司超高速凸輪磨床GC-Super33的磨削液注入系統(tǒng)，該注入系統(tǒng)不僅能有效地向磨削區(qū)供液，而且磨削液引起的砂輪主軸功率消耗也較小。超高速磨削一分鐘就產(chǎn)生許多磨屑，必須及時對磨削液進行高效高精度過濾，推薦使用離心機或硅藻土過濾系統(tǒng)集中處理磨削液。

對于CBN砂輪的磨削液選擇只能選擇油基的磨削液、而不能選擇水基的磨削液。對磨削液的溫度最好選用低溫的、并且對磨削液要及時的過濾，以防雜質(zhì)對磨削的影響。

總之CBN砂輪有著無可比擬的優(yōu)越性，隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，隨著加工工業(yè)的技術(shù)進步，其應(yīng)用范圍不斷擴大，用量不斷增長，有力地推動著經(jīng)濟的發(fā)展。在發(fā)達的工業(yè)國家，對于大批量，高精度的磨削加工，其加工件硬度大于45HRC，基本上都用陶瓷CBN砂輪磨削。它被廣泛地用在汽車的主要零件上，如凸輪軸、曲軸、變速箱的齒輪軸和齒輪、軸承和剎車片。用在機床的精密加工件，如導(dǎo)軌、絲杠和電機軸的磨削、印刷機零件的磨削，精度能夠達到0.3～0.5m、對于一些難加工材料和一些韌性材料（不銹鋼、鈦合金等）CBN砂輪成為最佳首先，CBN陶瓷砂輪用于軋鋼輥輪的磨削加工和在航空、航天和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用就不一一而說了。 
我們在選擇CBN砂輪時，對于他是耗用產(chǎn)品一定要用性價比而不能只看價格。作為大批量，質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)，不可忽略的參數(shù)——時間：即效率的提高和廢品率降低所帶來的經(jīng)濟效益。由此說明其磨削成本低。經(jīng)濟效益最佳。由于CBN陶瓷砂輪的生產(chǎn)周期較長，所以用者一定要有計劃訂購。好的生產(chǎn)廠商是根據(jù)用戶的生產(chǎn)工藝和工件的技術(shù)參數(shù)來配制砂輪。磨料的選擇、磨粒的大小、組織的松緊、砂輪的硬軟和形狀等這些生產(chǎn)砂輪的參數(shù)，不僅要根據(jù)工件的技術(shù)參數(shù)，還要考慮磨床的技術(shù)參數(shù)。所以對買賣雙方來說，CBN工藝是含量較高的技術(shù)，要通過專業(yè)渠道購買