汽車凸輪軸的CBN磨削技術(shù)

>CBN砂輪磨削具有高效、高精度、低成本等顯著優(yōu)點，是凸輪軸磨削加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。依據(jù)多年實驗研究的結(jié)果和相關(guān)技術(shù)文獻，文章指出了國內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場的過程中主要的制約因素，并提出了積極的建議，以期在凸輪軸加工中廣泛采用CBN磨削技術(shù)，提高發(fā)動機整體的加工技術(shù)水平。凸輪軸作為發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)動機的動力特性；同時，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(nèi)人士關(guān)注的重點。

　　如何提高磨削效率和加工質(zhì)量是凸輪軸磨削急需解決的問題，主要應(yīng)考慮如下幾個影響因素：●機床的特性；●凸輪輪廓磨削成形的方式；●砂輪性能和冷卻液；●磨削工藝，包括修整工具及修整工藝。國內(nèi)外凸輪軸磨削技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)多數(shù)轎車主機廠的凸輪軸生產(chǎn)線和專業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠家均引進了CBN磨削技術(shù)，但仍有很多的載重汽車、柴油機和摩托車發(fā)動機的凸輪依然采用傳統(tǒng)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），精磨工序部分廠家使用進口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點金剛石筆居多，進口磨床和少數(shù)國產(chǎn)磨床采用金剛石滾輪修整。這種傳統(tǒng)技術(shù)給凸輪軸的磨削帶來的問題主要體現(xiàn)在如下幾個方面：●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(nèi)，而全數(shù)控?zé)o靠模磨削則可控制在±0.01mm內(nèi)。另外，普通磨料砂輪在使用時，外徑變化范圍大（80～100mm），而砂輪直徑每變化1mm就會使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，因而難以進一步提高凸輪輪廓精度。●凸輪表面易產(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，很難提高生產(chǎn)效率由于凸輪磨削余量大且材料難磨，普通磨料砂輪的性能很難適應(yīng)，磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率兩者往往不能兼顧。●綜合經(jīng)濟效益不高普通磨料砂輪的耐用度和使用壽命低，需頻繁修整或更換，使修整工具損耗加快，輔助時間和勞動強度增加，既影響了生產(chǎn)效率，又加大了生產(chǎn)成本。另外，砂輪用量大，其質(zhì)量波動也影響了磨削工藝的穩(wěn)定性，又因大量磨削殘物的產(chǎn)生，增加了磨削液的過濾清理量，對環(huán)境造成一定的污染。

　　CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)凸輪軸磨削過程中的難題迎刃而解。十幾年前，有關(guān)使用CBN砂輪磨削凸輪軸的報導(dǎo)只在有限的國外文獻中見到。在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中，使用CBN專用數(shù)控凸輪軸磨床磨削凸輪軸的技術(shù)在某些西方發(fā)達國家也剛剛進入實用階段。緊跟世界先進制造技術(shù)發(fā)展的潮流，鄭州磨料磨具磨削研究所于20世紀90年代初，在國內(nèi)率先自主研究開發(fā)了用于汽車凸輪軸磨削的陶瓷結(jié)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(dāng)時機床條件和砂輪制造技術(shù)的限制，還沒能達到更理想的效果。至90年代中期，工業(yè)化國家的多數(shù)汽車制造廠均已采用了CBN砂輪磨削凸輪軸，國內(nèi)主要的轎車生產(chǎn)線上也陸續(xù)引進了這項技術(shù)。它是以CBN專用數(shù)控CNC凸輪軸磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂輪、專用磨削液、修整滾輪和磨削工藝整套技術(shù)的形式引進的。

　　該技術(shù)的主要特點是：砂輪使用速度高（80～125m/s），加工效率高（工件由毛坯粗、精磨一次完成，效率是普通砂輪的2～3倍）。隨著凸輪軸的CBN磨削技術(shù)及其專用磨床的不斷引進，國內(nèi)研究的CBN專用高速數(shù)控凸輪軸磨床也即將進入市場。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，鄭州磨料磨具磨削研究所又開始研制為進口CBN專用數(shù)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(dāng)于進口砂輪的1/2，而價格只有進口砂輪的1/3。研制的陶瓷CBN砂輪與同類進口砂輪相比，主要差距在于耐用度、壽命和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性偏低，不能完全替代進口砂輪在凸輪軸生產(chǎn)線上連續(xù)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)量均達到進口同類產(chǎn)品水平，具有很高的性價比，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定質(zhì)量，完全可以替代進口。這些都表明我國CBN砂輪的制造和應(yīng)用技術(shù)已達到了新的水平。

　　凸輪軸的CBN磨削技術(shù)要素工業(yè)化國家在研發(fā)CBN磨削技術(shù)時的一個顯著特點是將CBN磨料、磨具、磨床和磨削工藝作為一個系統(tǒng)工程來進行的。如美國在20世紀90年代初，為解決凸輪軸的CBN磨削技術(shù)，聯(lián)合了GE公司（CBN磨料）、Norton公司（磨具）和Landis公司（磨床）三家本行業(yè)的頂級公司共同攻關(guān)。他們最終是以高速CBN砂輪、高速數(shù)控CBN專用磨床和CBN磨削工藝一整套技術(shù)提供給市場。在凸輪軸的磨削系統(tǒng)中，必須同時考慮到CBN砂輪制造和應(yīng)用技術(shù)所涉及的各方面的影響因素，才會最終得到令人滿意的磨削結(jié)果。

　　凸輪軸CBN磨削技術(shù)的重要影響因素主要有：●CBN砂輪性能優(yōu)越的砂輪必須同時具備磨削鋒利、自銳性好和耐用度高等特征。在制造和選擇砂輪時主要考慮結(jié)合劑、磨料、砂輪濃度和磨具硬度。1、結(jié)合劑在CBN磨具的四種結(jié)合劑（樹脂、陶瓷、金屬、電鍍）中，以陶瓷結(jié)合劑的CBN磨具發(fā)展最快。在世界范圍內(nèi)，陶瓷CBN磨具的比例已由20世紀80年代的4%上升到現(xiàn)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，其余類型結(jié)合劑為50～60%）、砂輪使用壽命長等優(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(jié)合劑。2、磨料選擇在磨削加工中，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（見表4），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(wěn)定性、耐化學(xué)侵蝕性和破碎特性。應(yīng)根據(jù)結(jié)合劑的種類、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(yīng)而使其結(jié)構(gòu)受到破壞，這是在選擇磨削液的種類、壓力和流量時必須考慮的因素。3、濃度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，高濃度可帶來高的磨削比，200%濃度比100%濃度砂輪壽命長4～5倍。

　　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%。4、硬度磨具的硬度等級表示結(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，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）的硬度檢驗標準，制造商僅以配方硬度進行控制。●磨床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。

　　1、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。

　　2、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。●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。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。●冷卻液在磨削過程中，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，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。表5為冷卻液對CBN砂輪的影響，結(jié)果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)。問題和建議目前，國內(nèi)在將凸輪軸的CBN磨削技術(shù)推向市場的過程中的制約因素主要體現(xiàn)在如下幾個方面：1、進口的磨床和配套的CBN砂輪價格昂貴，磨床價格是國內(nèi)普通凸輪軸磨床的10倍左右，是國內(nèi)研制同類磨床的3～4倍；進口CBN砂輪的價格是國內(nèi)同類砂輪的3～5倍，使得在國內(nèi)市場的進一步推廣受到成本方面的制約。2、國產(chǎn)凸輪軸加工用的磨床大多數(shù)速度低，其精度、剛性、抗振性、修整、冷卻等條件均不能滿足使用CBN砂輪的要求。因此，在使用CBN砂輪時，往往得不到期望的效果。3、國內(nèi)CBN砂輪的主要磨削性能已達到國外同類產(chǎn)品水平，只是在砂輪的耐用度、使用壽命和質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)性方面略低，但價格較低，因而有著較高的性價比，其技術(shù)和經(jīng)濟性已為國內(nèi)許多汽車主機廠和配套廠所認可，但仍需進一步提高CBN砂輪制造技術(shù)水平。4、新技術(shù)宣傳力度不夠，部分企業(yè)因循守舊，對新工藝的需求不強烈，對提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量不重視，是這項技術(shù)推廣的外部制約因素。

　　為此，提出以下幾點建議：1、加快開發(fā)國產(chǎn)CBN專用高速數(shù)控凸輪磨床，重點解決其剛性和抗振性的關(guān)鍵技術(shù)，首先使80m/s的磨床盡快投放市場，使其技術(shù)性和經(jīng)濟性能滿足大多數(shù)中小企業(yè)的需要。在此基礎(chǔ)上，再開發(fā)速度更高、性能更完善的產(chǎn)品。2、CBN砂輪的研究應(yīng)立足于提高性能、完善工藝、穩(wěn)定質(zhì)量和批量化生產(chǎn)。應(yīng)加強基礎(chǔ)理論研究和專用設(shè)備的研發(fā)。通過為進口磨床配套砂輪的研制解決其制造的關(guān)鍵技術(shù)，滿足進口砂輪國產(chǎn)化的需要。同時，考慮到目前國產(chǎn)凸輪軸磨床的技術(shù)現(xiàn)狀，在CBN砂輪制造技術(shù)參數(shù)的設(shè)計上盡量滿足這部分磨床使用CBN砂輪的要求，使CBN磨削盡可能地發(fā)揮最大效果。3、在磨床、磨具制造和用戶之間建立緊密聯(lián)系，加強溝通和協(xié)作，共同促進CBN磨削技術(shù)的不斷提高。