CBN砂轮的修整方法及其应用

CBN砂轮的修整方法及其应用

作者：冯宝富蔡光起盖全文

1 引言

CBN砂轮以其优良的磨削性能和磨削表面质量在高速、超高速磨削、难加工材料的高性能磨削、高效成型磨削等加工领

域获得了广泛应用。在磨削过程中，由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用，砂轮工作表面的磨粒会逐渐钝化；同时，砂轮工作表面的磨粒会因不均匀磨损而失去正确的原始几何形状；此外，由于高速磨削的磨屑非常细小，很容易

堵塞砂轮工作表面空隙。为使CBN砂轮始终保持良好的磨削状态，在磨削过程中必须对砂轮进行修整。CBN砂轮的整形、

修锐技术是CBN砂轮应用领域一个相当重要的研究课题。

CBN砂轮的修整可分为整形和修锐两个步骤。整形是通过改变砂轮的宏观形状，使砂轮达到要求的几何形状和尺寸精度，

并使磨粒尖端微细破碎形成锋利的磨刃；修锐则是通过去除砂轮磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂表面，形成必要的容屑空间，使砂轮具有最佳磨削能力。根据具体情况，整形和修锐可统一进行或同时完成，也可分步进行。

2 CBN砂轮的整形方法

CBN砂轮的整形方法较多，常用的有车削整形法、滚压整形法、磨削整形法、电加工整形法等，近年来又出现了激光整形法。

2.1 车削整形法

车削法是采用单颗粒金刚石笔、粉末冶金金刚石笔或金刚石修整片等整形工具车削砂轮，以达到整形目的。

1) 单颗粒金刚石笔整形

单颗粒金刚石笔具有极高硬度和良好的耐磨性，因此常用于陶瓷结合剂或树脂结合剂CBN砂轮的修整。金刚石笔的尖

端由于受到热和力的集中连续作用，磨损剧烈，因此修整时应通过合理供给冷却液进行充分冷却。采用单颗粒金刚石笔修整陶瓷结合剂CBN 砂轮后，砂轮表面状态不易达到磨削加工要求，容屑空间较小，切削刃较宽，磨削刃不锋利，若直接用于磨削，初期磨削力和磨削温度均较大，容易出现磨削烧伤和振纹，因此必须用油石对修整后的砂轮表面进行合理修锐。

2) 金刚石片状修整器整形

采用粉末冶金方法将小粒度金刚石颗粒固结在硬质合金基体上，制成片状修整器。用金刚石片状修整器修整CBN砂轮

的优点是费用较低，且片状修整器磨损后性能变化不大，整形时可以采用较大的修整进给量而不会增大修整后砂轮的表面粗糙度。

2.2 滚压整形法

滚压整形法是利用旋转的砂轮和滚压轮之间的相对滚动压裂结合剂桥，使磨粒表面崩碎出现微刃。滚压轮可用硬质合金或淬硬钢制成。滚压整形法的特点是修整压力大、修整效率及修整精度较低、修整后砂轮表面损伤层较深、切削刃密度较低、磨粒较尖锐、易磨损但不易堵塞。为降低滚压力，增加滚压稳定性，可在滚压轮表面开出斜槽或螺旋槽。为避免砂轮表面产生周期性波纹，必须控制砂轮轴与滚轮轴的同轴度。

2.3 磨削整形法

磨削整形法是用普通磨料砂轮、金刚石砂轮、金刚石滚轮等与CBN砂轮对磨整形，或用CBN砂轮磨削低碳钢进行整形。

1) 普通砂轮磨削整形

用绿色碳化硅或白刚玉陶瓷结合剂砂轮作为整形砂轮，用外圆磨削法对CBN砂轮进行整形。在整形砂轮轴上安装制动

器，使整形砂轮与CBN砂轮之间产生相对速度，可提高整形效率，相对速度越大，整形效率越高。该方法也可用于修锐，但应采用细粒度（150#?220#）修整砂轮。制动整形法的特点是整形压力较大、对磨床刚性要求高，对树脂结合剂砂轮容易产生过整形。

2）低碳钢磨削整形

低碳钢磨削整形是利用CBN砂轮磨削低碳钢时形成的流状切屑来刮除结合剂，达到整形目的。该方法又可分为单滚筒法和双滚筒法。双滚筒法是利用两个滚筒的速度差实现平稳整形，可提高整形质量。低碳钢磨削整形的特点是修整效率及修整精度较低、磨粒脱落较多、整形质量不稳定。

3）杯形砂轮整形

日本东京大学的庄司克雄研制的杯形砂轮修整器将修整进给变为切入进给，提高了修整精度。采用杯形砂轮对CBN陶

瓷砂轮整形后，CBN砂轮的表面磨粒产生微小破碎，具有良好的容屑槽和尖锐的切刃。杯形砂轮对CBN砂轮的整形效果

优于采用金刚石砂轮的整形效果。

4）金刚石滚轮整形

金刚石滚轮是采用电镀法或粉末冶金法将金刚石颗粒固结在金属基体的圆周表面上制成的高效成型修整工具，其修整机理是通过金刚石滚轮与CBN 砂轮的旋转运动之间产生的相对运动来实现砂轮整形。修整进给量ar 和修整速比

q（q=vr/vs , vr为金刚石滚轮线速度，vs为CBN砂轮线速度）对修整后CBN砂轮的磨削性能有重要影响。采用较大修整

速比口=修整后的CBN砂轮磨削力较小，但工件表面粗糙度较大。采用较大修整进给量ar修整后的砂轮较锋利。S.Malkin 等人认为，金刚石滚轮整形法的修整机理和修整后砂轮的磨削性能主要由CBN砂轮磨粒轨迹与金刚石磨粒运动轨迹之

间的夹角（干涉角d）控制，d越大，修整力越小，但修整后的砂轮表面较粗糙。中速比的选择范围为q=0.4?0.7，精

密磨削时应选取速比q<-1.0 ，具体数值应根据磨削粗糙度要求和砂轮特性确定，例如磨削精密氧化锆零件时可采用速比q<-1.0修整CBN陶瓷砂轮，这样可获得较低的粗糙度（Ra=0.06卩m）和较高的圆度（0.6卩m）。

金刚石滚轮整形法的主要优点是结构简单、滚轮耐用度高、能同时在砂轮全宽度上进行修整、修整时间短、修整力小、能复制特定的砂轮轮廓（尤其对复杂型面砂轮具有准确的复形能力）、适用于自动化生产。该方法在有载或无载情况下均可使用，可使修整时间与其它加工辅助时间交叉重合。

2.4 电加工整形法

电加工整形法只能用于金属结合剂砂轮，主要有电解法、电火花法等。电解法用于整形相对比较困难。

电火花整形法是利用旋转砂轮与工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀除砂轮表面的金属结合剂，以达到整形和修锐目的。在电火花整形过程中，砂轮与工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形成放电凹坑，在重复放电过程中，放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状。电火花修整的特点是加工力小、适于小直径和极薄砂轮的修整；如配以高精度电极和合理的放电参数，可方便地实现对成型砂轮的快速、高精度整形。

3 CBN砂轮的修锐方法

常用的CBN砂轮修锐方法有自由磨粒修锐法、固结修锐工具修锐法、电加工修锐法、激光修锐法等。

3.1 自由磨粒修锐法

1）气体喷砂修锐

以碳化硅、刚玉或玻璃珠等游离磨粒作为修锐介质，用压缩空气将修锐介质高速喷射到转动的部分结合剂，形成

CBN砂轮表面，以去除

切削刃，达到修锐砂轮的目的。采用气体喷砂修锐法时，应正确选择磨料粒径、喷射压力和修锐时

间。例如用粒径为100?150卩m的玻璃珠，以60?70KPa的压力（或用粒径50卩m的WA颗粒，以100?140KPa压力）对CBN砂轮进行喷砂修锐，只需数分钟即可获得满意的修锐效果。

2）超声振动修锐

被修砂轮以一定速度旋转，将超声振动修锐装置调整到谐振状态，按一定频率和振幅作超频纵向振动。将混油磨料（20# 机油+碳化硅或

刚玉磨粒）注入到修锐器与砂轮之间，利用修整元件传递的能量和主动颤振，使游离磨粒直接撞击砂轮

表面，对结合剂进行切削去除，使CBN磨粒凸出砂轮表面，获得较好的修整效果。试验表明，CBN砂轮与修整元件之间

的预留间隙小于游离磨粒平均尺寸的1/2 时，间隙大小对修锐效果没有影响。

3）弹性修锐

将混油磨料注入CBN砂轮与修整元件之间，由旋转的砂轮带动混油磨料通过砂轮与修整元件的间隙，游离磨粒挤研CBN

砂轮上的结合剂以达到修锐目的。当游离磨粒碰到硬质点CBN磨粒时，可以转向或退让，而专门切削和挤研软质点结

合剂，同时修整过程中修整元件的自然颤振也增强了修整效果。弹性修锐法能有效修锐CBN砂轮，而不会破坏砂轮的

形状精度，可以通过选择修整磨粒的平均尺寸，较准确地控制CBN磨粒的凸出高度。弹性修锐法常用于树脂结合剂CBN 砂轮的修锐。

4）游离磨粒挤压修锐

利用压力（也可不用压力）将碳化硅或刚玉磨粒注射到CBN砂轮与钢修整轮之间，二者间隙应小于磨粒平均直径。游离

磨粒挤研CBN砂轮上的结合剂，使砂轮磨粒凸出结合剂表面，达到修锐目的。用该法修锐树脂结合剂CBN砂轮时，初始磨损较大，磨削比较低。

5）液压喷砂修锐

该方法是利用高压液体和磨粒的运动达到去除砂轮表面结合剂的目的。高压泵以约15MPa的压力和20 l/min的流量输

出冷却液，冷却液进入旋涡室形成负压，并从侧孔吸入大量空气和修锐介质（碳化硅或刚玉游离磨粒），与冷却液混合

后，通过陶瓷喷嘴以一定速度和倾角a喷射到转动的CBN砂轮表面。

用金刚石滚轮对CBN砂轮整形后再进行液压喷砂修锐（修锐时间为30秒），可获得良好的修锐效果。若砂轮仅进行整形，

砂轮表面粗糙度为10?15卩m若整形后再进行液压喷砂修锐，则砂轮表面粗糙度可增大到30?35卩m比较修锐后的表

面粗糙度及CBN磨粒的平均直径，可知CBN砂轮表面磨粒间的结合剂去除量约占CBN磨粒直径的一半。若单独增加修

锐时间，会导致更多结合剂被去除，易使CBN磨粒脱落，因此修锐时间不宜超过极限修锐时间。

液压喷砂修锐是一种高效修锐方法，可在短时间内获得满意的修锐效果。用金刚石滚轮整形的同时进行液压喷砂修锐可减少金刚石滚轮的磨损。在磨削过程中同时进行液压喷砂修锐可增加金属切除率。

3.2 固结修锐工具修锐法

碳化硅或刚玉块切入修锐修锐块在半径方向上以切入速度vfr压向CBN砂轮进行修锐，修锐块磨粒的硬度足以切除CBN

磨粒间的结合剂。当CBN磨粒与修锐块磨粒相遇时，由于CBN磨粒硬度更高，修锐块磨粒将发生破碎。修锐块磨粒间

隙中填满碎磨粒有助于对结合剂进行切削，从而使CBN砂轮上较浅的磨粒脱落。被修整砂轮的有效粗糙度与刚玉块单

位宽度磨耗体积以及切入速度vfr 有关，被修整砂轮的有效粗糙度最终将趋于一极限值，该极限值随vfr 的增大而增大。

1）普通砂轮磨削修锐

用修整轮（碳化硅砂轮或刚玉砂轮）作切入式外圆磨削，修锐CBN砂轮。修整轮速度vr与CBN砂轮速度vs的关系应为

vr ~ vs-1(m/s)。

2) 油石修锐

油石修锐是应用较广泛的修锐方法，它主要通过接触区破碎磨粒的挤研作用去除

CBN 砂轮的结合剂。采用不同粒度的 油石修锐后磨粒的凸出高度均在 6?10卩m 由于油石修锐无法获得较大的磨粒凸出高度，

因此不能用于大切削用量磨削 用CBN 砂轮的修锐。采用油石修锐法对电镀 CBN 砂轮进行微量整形可去除镀层表面过高或结合不牢的 CBN 磨粒，从而 改善磨粒的等高性，减少电镀砂轮型面的尺寸误差。

除上述修锐方法外，还有修锐棒、修锐膏、金属丝刷、硬质合金块、低碳钢磨削修锐法、磁性磨料修锐法等。

3.3 电加工修锐法

常用的电加工修锐法有电解在线修整法 (ELID) 、电火花修锐法、电解电火花复合修锐法等。电加工修锐法的效率较高， 可进行在线、在位修锐。

电解在线修锐 (ELID) 法可实现对单晶硅、陶瓷钢结硬质合金等的精密超精密镜面磨削。在轴承钢外圆磨削方面也取得

了良好效果。例如用 ELID 法磨削轴承钢外圆，采用

4000#铸铁结合剂CBN 砂轮，表面粗糙度约为 Ra0.020卩m 磨后表

面压应力为 150? 400MPa 。 电火花修锐方法包括电火花放电修锐法、接触放电修整 使磨粒凸出量为常数，并能获得高的材料去除率。应用 质量。 3.4 新型修锐方法

1) 激光修锐法

将激光束垂直照射于砂轮上，利用激光产生的热量使砂轮表面的结合剂部分融化蒸发或汽化，从而增加砂轮表面磨粒 高度和有效磨粒数，改善容屑空间和磨粒等高性。当扫描能量密度一定时，激光的脉冲频率和占空比对修锐效果有一 定影响，其中激光频率的影响更为显著，频率越高，修锐效果越差；增大占空比有利于改善修锐效果；增大激光功率 有助于增大磨粒凸出高度。

2) 高压水喷射修锐法

将高压水柱垂直喷射于砂轮表面，利用水柱的高压冲击力去除砂轮表面的磨屑及部分结合剂，从而增加磨粒凸出高度，

形成足够的容屑空间。合理控制喷射压力和喷射距离，可获得良好的修锐效果。例如用 325#CBN 砂轮精磨Ti6AI4V 合 金时，采用107.1MPa 的喷射压力和20mm 的喷射距离进行修锐，可显著延长修整周期和降低工件表面粗糙度，但过高 的喷射压力会导致砂轮损伤。高压水喷射修锐法的特点是无需考虑修锐工具的磨损，修锐装置简单，易于控制和操作。

4 结语

CBN 砂轮的整形方法较多，其中以金刚石滚轮整形法效果较好，在实际操作中可根据需要选择合适的整形方法。

CBN 砂 轮修锐方法的特点是避开对

CBN 磨粒的作用，直接针对结合剂进行蚀除，因此在各种 CBN 砂轮修锐方法中，自由磨粒

修锐法效果较好。

为提高CBN 砂轮的修整技术水平，应加快对新型修整原理及其应用技术的研究。修整系统的发展应优先考虑通用的高 效修整系统的设计与应用。目前东北大学正在进行超高速磨削和智能磨削技术的研究，与之相关的修整技术和智能修 整系统的研究也在进行中。

磨具种类及特性介绍

磨具是用以磨削、研磨和抛光的工具。大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的人造磨具, 也有用天然矿岩直接加工成的天然磨具。 磨具除在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用外，还用于粮食加工、造纸工业和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡胶、木材等非 金属材料的加工。磨具在使用过程中，当磨粒磨钝时，由于磨粒自身部分碎裂或结合剂断裂，磨粒从磨具上局部或完全脱落，而磨 具工作面上的磨料不断岀现新的(ECDD)法等，其工作原理与电火花整形相同。

ECDD 修锐技术可 ECDD 在线修锐磨削，可减小磨削力，延长砂轮寿命，提高磨削

切削刃口，或不断露岀新的锋利磨粒，使磨具在一定时间内能保持切削性能。磨具的这种自锐性，是磨具与一般刀具相比突岀的特点。早在新石器时代，人类就已经开始应用天然的磨石来加工石刀、石斧、骨器、角器和牙器等工具了；1872年，在美国岀现了用天然磨料与粘土相结合烧成的陶瓷砂轮;1900年前后，人造磨料问世，采用人造磨料制造的各种磨具相继产生，为磨削和磨床的快速发展创造了条件。此后，天然磨具在磨具中所占比例逐渐减少。

磨具按其原料来源分，有天然磨具和人造磨具两类。机械工业中常用的天然磨具只有油石。人造磨具按基本形状和结构特征区分，有砂轮、磨头、油石，砂瓦（以上统称固结磨具）和涂附磨具五类。此外，习惯上也把研磨剂列为磨具的一类。固结磨具按所用磨料

的不同，可分为普通磨料固结磨具和超硬磨料固结磨具。前者用刚玉和碳化硅等普通磨料,后者用金刚石和立方氮化硼等超硬磨料制成。此外，还有一些特殊品种，如烧结刚玉磨具等。普通磨料固结磨具是由结合剂将普通磨料固结成一定形状，并具有一定强度

的磨具。一般由磨料、结合剂和气孔构成，这三部分常称为固结磨具的三要素。磨料在磨具中起切削作用。结合剂是把松散的磨料

固结成磨具的材料，有无机的和有机的两类。无机结合剂有陶瓷、菱苦土和硅酸钠等；有机的有树脂、橡胶和虫胶等。其中最常用的是陶瓷、树脂和橡胶结合剂。气孔在磨削时对磨屑起容屑和排屑作用，并可容纳冷却液，有助于磨削热量的散逸。为满足某些特殊加工要求，气孔内还可以浸渍某些填充剂，如硫黄和石蜡等，以改善磨具的使用性能。这种填充剂，也被称为磨具的第四要素。

表示普通磨料固结磨具特征的项目有：形状、尺寸磨料、粒度、硬度、组织和结合剂。磨具硬度是指磨粒在外力作用下，从磨具表面脱落的难易程度，它反映了结合剂把持磨粒的强度。磨具的硬度主要取决于结合剂加入量的多少和磨具的密度，磨粒容易脱落的表示磨具硬度低；反之，表示硬度高。硬度的等级一般分为超软、软、中软、中、中硬、硬和超硬七大级，从这些等级中还可再细分岀若干小级。测定磨具硬度的方法，较常用的有手锥法、机械锥法、洛氏硬度计测定法和喷砂硬度计测定法。

磨具的硬度与其动态弹性模量具有对应关系，这有利于用音频法测定磨具的动弹性模量来表示磨具硬度。在磨削加工中，若被磨工件的材质硬度高，一般选用硬度低的磨具；反之，则选用硬度高的磨具。磨具组织粗分为紧密、中等和疏松三类。每类又可再细分数等，用组织号来区分。磨具组织号越大，磨料在磨具中所占的体积百分率越小，磨粒之间的间隙越宽，表示组织越松。反之，组

织号越小表示组织越紧。较松组织的磨具使用时不易钝化，在磨削过程中发热少，能减少工件的发热变形和烧伤。较紧组织的磨具磨粒不易脱落，有利于保持磨具的几何形状。磨具的组织只在制造时按磨具配方予以控制，一般不作测定。超硬磨料固结磨具主要

是由金刚石、立方氮化硼等与结合剂固结成的磨具。由于金刚石、立方氮化硼的价格高、具有很好的耐磨性能，用它们制造的固结磨具与普通磨料固结磨具不同，除超硬磨料层外，还有过渡层和基体。

超硬磨料层是起切削作用的部分，由超硬磨料和结合剂组成。基体是在磨削中起支托作用的，由金属、电木或陶瓷等材料组成。过渡层用于连接基体和超硬磨料层，由结合剂构成，有时也可省去。常用的结合剂有树脂、金属、电镀金属和陶瓷等。

固结磨具的制造工序有：分配料、混料、成型、热处理、加工和检查等。随结合剂不同，制造工艺也不尽一样。陶瓷结合剂磨具主要采用压型法，将磨料和结合剂按配方的重量比例称量后，置于混料机内混合均匀，投入金属模具内，在压力机上成型岀磨具毛坯。毛坯经干燥再装入窑内焙烧，烧成温度一般为1300 C左右。当采用低熔点烧熔结合剂时，烧成温度低于1000 C。再按规定尺寸形

状精确加工，最后检查产品。树脂结合剂磨具一般是在室温条件下在压力机上成型，也有采用在加热条件下边加热边加压的热压工艺。成型后在硬化炉内硬化。以酚醛树脂为结合剂时，硬化温度为180?200 C。橡胶结合剂磨具主要采用对辊机混料，并滚压成

薄片，然后用冲刀冲裁成型；也有的用松散料，投入金属模具内在压力机上成型。成型后在硫化罐内硫化，温度为165?180 Co

金属结合剂磨具的制造工艺有粉末冶金法和电镀法两种，主要用于超硬磨料固结磨具。粉末冶金法以青铜等为结合剂，混料后采用热压或在室温条件下加压成型，然后烧结加工。电镀法以镍或镍钻合金等为电镀金属，按电镀工艺将磨料固结在基体上,制成磨具。特殊品种的磨具有烧结刚玉磨具和纤维磨具等。烧结刚玉磨具是用氧化铝微粉和适量的氧化铬混合、成型，在1800 C左右烧结制成。这种磨具结构紧密，有较高强度，主要用于加工钟表、仪表等零件。纤维磨具是用含有或粘附有磨料的纤维丝（如尼龙丝）作原料制成的，它的弹性好，主要用于金属材料及其制品的抛光。