一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮及其制造方法

摘要

一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮及其制造方法，属于磨料磨具设计制造技术领域，所述凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮包括凸轮轴、套设于主轴上用以对凸轮轴不同部位进行磨削的组合电镀CBN砂轮，凸轮轴远离组合电镀CBN砂轮的一侧用导轮顶接，所述组合电镀CBN砂轮包括磨大头端外圆及端面砂轮、磨大头端外圆轴颈砂轮和若干磨外圆轴颈砂轮，其中磨大头端外圆及端面砂轮和磨大头端外圆轴颈砂轮的型面相适配。本发明的应用领域为凸轮轴多个外圆轴颈单次磨削，可一次加工凸轮轴多个轴颈以及大头端，提升加工效率，并保证加工的工件表面粗糙度小于Rz 10。

说明书

技术领域

本发明属于磨料磨具设计制造领域，涉及一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮及其制造方法。

背景技术

随着我国汽车行业的快速发展，发动机凸轮轴的需求量也大量增长，且对凸轮轴的加工质量要求和效率要求越来越高。在目前凸轮轴制造工序中，一些汽车生产厂家需要使用砂轮对其凸轮轴多个外圆轴颈进行单次磨削。当前市场上为凸轮轴外圆轴颈进行磨削的工艺是先车或者铣然后再磨轴径的工艺，一般凸轮轴外圆需要磨削的部位有6-20个，因此单个磨削，效率较低。且砂轮在磨削线速度、进给量、磨削后各轴颈尺寸不易控制、表面粗糙度上等几个方面存在不足。

实现凸轮轴轴颈磨削的CBN砂轮按结合剂类型可以分为陶瓷结合剂CBN砂轮、电镀金属结合剂CBN砂轮。相对于陶瓷结结合剂的CBN砂轮，电镀CBN砂轮在大余量去除磨削方面具有明显优势。这种优势主要体现在以下几个方面：在其使用寿命内无需对砂轮进行修整仍可以保证型面的几何精度，可以省去砂轮修整周期；磨料保持一定的出刃高度，直接和工件接触，从而增加磨削加工效率；使用电镀结合剂易于制造曲面、异形等复杂形面的砂轮，而不增加过多的制造成本；可以制作将多片砂轮按照磨削对象要求分别制作并最终组合装到专用磨床上进行单次磨削，提高效率。因此，电镀CBN砂轮特别适合用于凸轮轴高效精密大余量去除磨削。其中，砂轮基体的结构设计、加工精度、镀层厚度的控制、镀后精密修整以及砂轮基体及镀后尺寸一致性检测是制造精密成形磨削电镀CBN砂轮的重要因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮及其制造方法。本发明通过设计出砂轮的基体形状，结合磨料精选工序、镀层控制工序、镀层基体及镀后成品尺寸一致性检测技术以及砂轮镀后修整技术，制造相应的电镀CBN砂轮。该发明的应用领域为凸轮轴多个外圆轴颈单次磨削，可一次加工凸轮轴多个轴颈以及大头端，提升加工效率，并保证加工的工件表面粗糙度小于Rz 10。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮，包括凸轮轴、套设于主轴上用以对凸轮轴不同部位进行磨削的组合电镀CBN砂轮，凸轮轴远离组合电镀CBN砂轮的一侧用导轮顶接，所述组合电镀CBN砂轮包括磨大头端外圆及端面砂轮、磨大头端外圆轴颈砂轮和若干磨外圆轴颈砂轮，其中磨大头端外圆及端面砂轮和磨大头端外圆轴颈砂轮的型面相适配。

进一步地，磨外圆轴颈砂轮为四个，外径为550-630mm，内孔直径为300-400mm。

进一步地，所述磨大头端外圆及端面砂轮为一个，该砂轮比磨外圆轴颈砂轮外径小2.5-5mm，内孔直径为300-400mm，砂轮一端面的外缘周向设有凹槽，凹槽为直角梯形，梯形高为3mm、上底边为4mm、下底边为11mm。

进一步地，磨大头端外圆轴颈砂轮为一个，该砂轮比磨外圆轴颈砂轮外径小8-12mm，磨大头端外圆轴颈砂轮一端面的外缘周向设有凸起，该凸起和磨大头端外圆及端面砂轮的凹槽相适配。

一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮的制造方法，包括如下步骤：

（1）根据凸轮轴设计磨大头端外圆及端面砂轮、磨外圆轴颈砂轮和磨大头端外圆轴颈砂轮，磨大头端外圆及端面砂轮和磨大头端外圆轴颈砂轮的型面相适配，并根据相应的图纸加工出相应的基体实物；

（2）对步骤（1）的砂轮基体进行机加工，实砂轮基体外径偏差在0.015mm内，形位公差在0.002mm以内；

（3）磨料精选：采用上筛网和下筛网进行叠加的双筛网进行粒径筛分，使磨料粒径最大偏差为0.02mm；

（4）精密电镀：将砂轮基体按照电化学除油、预镀和上砂的顺序进行电镀得到砂轮，电化学除油时按照电解电流密度10-20A/dm²来调节电流，增加30s，可去除基体0.005-0.01mm；预镀时，按照电流密度1-2A/dm²调节电流，增加10min，可增加底层0.003-0.006mm；上砂时采用埋砂法上砂；

（5）加厚：将上砂后的砂轮在电流密度0.25～0.3 A/dm²下，电镀20～25h，占空比70-80%，正负脉冲时间比例为4～6，用显微镜准焦法测得两端面和外圆平面上的出刃高度偏差不超过20μm，镀层埋入率为30-55%；

（6）镀后尺寸修整：使用白刚玉砂轮对镀后基体进行修整，型面尺寸偏差需小于0.01mm；

（7）磨料层检测：采用三坐标检测法，选取红宝石测头作为检测探头在砂轮外圆方向上均匀取点，按照砂轮厚度方向，取两至四圈数据，采用每圈上的数据点拟合成圆后，其外径数值便是要求的数值；当外径尺寸相对偏差大于0.015mm时，砂轮进行返工修整；将外径尺寸相对偏差小于0.015mm，满足加工要求。

进一步地， 预镀、上砂和加厚过程均在镍钴合金镀液中进行，镍钴合金镀液成分为：硫酸镍：230-320g/L、氯化镍：30-50g/L，硼酸：30-55g/L，硫酸钴：10-30g/L、光亮剂：0.5-1.2g/L，湿润剂：0.1-0.5g/L，溶剂为水。上砂过程使用磨料重量在10000-25000cts，上砂后未附着的磨料可回收利用。

进一步地，所述湿润剂为十二烷基硫酸钠或乙基己基硫酸钠中的一种，所述光亮剂是将成分A与成分B混合制成的，其中成分A是丁炔二醇、香豆素、丙炔醇中的任一种，成分B是糖精、苯亚磺酸钠、苯磺酸钠中的任一种；成分A与成分B的配比为（0.3-0.6）︰1，优选为（2-3）︰5，具体配比可以为2︰5或3︰5；

进一步地，所述步骤（3）中上筛网的目数等于磨料粒径的最大值，下筛网的目数等于磨料粒径的最小值，取上筛网之下、下筛网之上的磨料作为电镀砂轮基体的磨料。

进一步地，所述步骤（7）中所述红宝石探头的直径为5mm，每圈数据均匀取36个点。

进一步地，所述砂轮基体材质为45钢或40Cr钢。

进一步地，所述磨料为CBN，粒径为60~100目。

上述的制造方法制得的凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮，砂轮形状型号为3LL1M。

上述凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮的磨削方法，组合电镀CBN砂轮线速度为90-150m/s，进给速度为4-8m/min。

本发明得到的组合电镀CBN砂轮，可满足使用线速度150m/s，磨削进给量达到4~10m/min。磨削的凸轮轴表面没有烧伤和裂纹，尺寸、圆度等指标均在公差范围内，粗糙度Rz可达10μm以下，能够满足工件表面质量要求。将之前每个轴径单个磨削的工艺优化，且磨削单根凸轮轴所需时间将至45秒以下，仅是之前工艺时长的1/10，成功实现了多轴径单次磨削的高效磨削。

本发明提出了成组电镀砂轮基体加工时尺寸控制与检测技术实现了在同一机床上成组砂轮的外径检测，减少返工操作。

附图说明

图1是本发明磨外圆轴颈砂轮、磨大头端外圆及端面砂轮、磨大头端外圆轴颈砂轮的结构示意图；

图2是本发明磨外圆轴颈砂轮型面图；

图3是磨大头端外圆及端面砂轮、磨大头端外圆轴颈砂轮组合示意图；

图4是磨外圆轴颈砂轮磨料层检测位置示意图；

图5是凸轮轴电镀CBN砂轮组装后的磨削示意图，图中，1. 磨外圆轴颈砂轮，2.磨大头端外圆及端面砂轮，21.凹槽，3. 磨大头端外圆轴颈砂轮，31.凸起，4.磨料层，5.红宝石探头，6.导轮，7.凸轮轴，8.主轴。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮，包括凸轮轴7、套设于主轴8上用以对凸轮轴7不同部位进行磨削的组合电镀CBN砂轮，凸轮轴7远离组合电镀CBN砂轮的一侧用导轮6顶接，所述组合电镀CBN砂轮包括磨大头端外圆及端面砂轮2、磨大头端外圆轴颈砂轮3和若干磨外圆轴颈砂轮1，其中磨大头端外圆及端面砂轮2和磨大头端外圆轴颈砂轮3的型面相适配。本实施例中，磨外圆轴颈砂轮1为四个，外径为590mm，内孔直径为370mm，厚度30-40mm；

所述磨大头端外圆及端面砂轮2为一个，该砂轮外径为586.57mm，内孔直径为370mm，厚度在45-55mm，砂轮一端面的外缘周向设有凹槽21，凹槽21距离外边缘3mm（砂轮的侧面及凹槽21外缘的端面上覆盖有磨料层4），凹槽21为直角梯形，梯形高为3mm、上底边为4mm、下底边为11mm；

磨大头端外圆轴颈砂轮3为一个，该砂轮外径为580mm，内孔直径为370mm，厚度13-20mm，磨大头端外圆轴颈砂轮3的外缘位置周向设有凸起31，该凸起31和磨大头端外圆及端面砂轮2的凹槽21相适配；

磨大头端外圆及端面砂轮2的凹槽21、磨大头端外圆轴颈砂轮3的凸起31，这种结构使得砂轮加工时有效释放应力、减轻砂轮重量，优化了砂轮的质量分布，使得磨料层4在磨削工件过程中负载减轻，有助于提高砂轮的极限转速；为加快大头端磨屑、热量的排出和冷却液的渗透，并最大限度的使用砂轮中间区域磨料进行磨削，将加工大头端外圆和端面的两款砂轮组合交界处加工出一个凹槽21，砂轮磨料层4的截面形状，既可以不妨碍组合使用，又可以增加散热冷却。

一种凸轮轴磨削用组合电镀CBN砂轮的制造方法，包括如下步骤：

（1）如图1所示，根据汽车发动机进气凸轮轴轴径大小、相对位置设计磨大头端外圆及端面砂轮2、磨外圆轴颈砂轮1和磨大头端外圆轴颈砂轮3，并根据相应的图纸加工出相应的基体实物，砂轮基体形状代号为3LL1M；

（2）对步骤（1）的砂轮基体采用粗车-打孔-粗磨平面内孔-车型面-精磨内孔、外圆以及端面进行机加工，该工序关键步骤是在专用磨床上控制好进刀量并在机床上装夹一个固定表架，将表头放置到同一位置，每次测量时均将表的指针指示到一个位置，观察磨床上X方向示数来测量各片砂轮之间的外径偏差，并在专用磨床上一次性加工内孔、外圆及端面，保证砂轮基体外径偏差在0.015mm内，形位公差在0.002mm以内；

（3）磨料精选：因组合式砂轮对各片砂轮之间的尺寸偏差有严格的要求，需在基体控制的基础上严格控制磨料粒径范围，采用上筛网和下筛网进行叠加的双筛网进行粒径筛分，使磨料粒径最大偏差为0.02mm；以常用的CBN60/70目磨料为例，按照国标，其基本粒径偏差在212-250μm之间，上限筛网尺寸为322μm，下限筛网尺寸为213μm，最大与最小颗粒基本上要差别100μm，也就是0.1mm，这个偏差不能满足尺寸偏差在±0.01mm的要求。因此本申请采用缩小所用磨料粒径范围、多次筛分的方法，采用国标中用于检测50/60目超硬磨料的255μm检查筛为上筛网，采用检测60/70目超硬磨料的213μm检查筛为下筛网，将两个检查筛上下重叠放置，CBN60/70目磨料放到上检查筛上开始筛分，最终取上检查筛之下和下检查筛之上的磨料作为该产品所使用的磨料，其基本粒径控制在213-255μm，也就是磨料粒径最大偏差在0.02mm。其他粒径大小得磨料可采用类似方式进行筛分。将砂轮基体依次进行电化学除油、夹具组装、电解活化、预镀、上砂、加厚，制造出电镀CBN砂轮。

（4）精密电镀：按照夹具组装、电化学除油、预镀、上砂的顺序进行。电化学除油结束后采用不干胶粘纸和专用夹具组合保护方式将砂轮基体非镀部位进行保护并将导线连接至非基准面上，因砂轮基体外径不能完全控制在同一个公差带上，各砂轮相对于要求的尺寸中差会有一定的偏差，该偏差基本上在0.015mm。因此，偏差部分弥补需要通过电镀过程来实现，主要通过控制前处理时间和预镀时间来控制。通过基体测量的外径数据，选取其中尺寸偏差中偏下差的那一片作为基准，在前处理过程中，通过电化学除油基体的方式将多出的一部分基体电解掉，基体去除量与电解时间成正比。另外，基体偏小的砂轮可通过延长预镀时间来增加底层厚度。其中，按照电解电流密度10-20A/dm²来调节电流，增加30s，可去除基体0.005-0.01mm。预镀时，按照电流密度1-2A/dm²调节电流，增加10min，可增加底层0.003-0.006mm。上砂时采用埋砂法上砂，配合砂罩进行埋砂过程。主要保证外圆单次上砂以保证磨料沿着基体单层排布，该砂轮所用的磨料为CBN，粒度为60/70目，镀层埋入率设定为30-55%。

（5）加厚：为了尽可能使各个区域磨料出刃高度的保持相同，砂轮加厚过程需采用双向脉冲电源，先利用正向电流将砂轮作为阴极沉积镀层，后再利用反向电流将砂轮作为阳极将圆弧凸起等尖端效应明显的部分电解掉，达到镀层整体沉积厚度一致的目的。其中脉冲电源调节参数为电流密度0.25～0.3 A/dm²，时间20～25h，占空比70～80%，正负脉冲时间比例4～6，加厚结束后取出。加厚结束后，将夹具和粘纸拆卸，放进烘箱中，烘箱温度保持为80℃，时间2h，即在砂轮基体上形成磨料层4。用显微镜准焦法测得两端面和外圆平面上的出刃高度偏差不超过20μm，加厚处理后的砂轮型面如图2和图3所示。

预镀、上砂和加厚均在镍钴合金镀液中进行，上砂过程使用磨料重量在10000-25000cts，电镀结束后未附着的磨料可进行回收再利用，镍钴合金镀液成分为：硫酸镍：230-320g/L、氯化镍：30-50g/L，硼酸：30-55g/L，硫酸钴：10-30g/L、光亮剂：0.5-1.2g/L，湿润剂：0.1-0.5g/L，溶剂为水。所述湿润剂为十二烷基硫酸钠，所述光亮剂是将成分A与成分B混合制成的，其中成分A是丁炔二醇，成分B是苯亚磺酸钠；成分A与成分B的质量为3︰5。

（6）镀后尺寸修整：将砂轮放置于专用机床上，然后找正外圆磨料层4高点，用安装好的白刚玉砂轮对刀进行高点去除，型面尺寸偏差需小于0.01mm；

（7）磨料层检测：电镀砂轮磨料层磨料颗粒直接裸露在外面，增加了外径检测难度。采用三坐标检测方法，检测探头选取55mm的红宝石测头5，可有效减小磨损，且不会嵌入到磨料之间的空隙。在砂轮外圆方向上均匀取点，取点36个（见图4），按照砂轮厚度方向，取三圈数据，采用各自的36个数据点拟合成圆后，其外径数值便是要求的数值。当外径尺寸相对偏差大于0.015mm时，砂轮加工出的工件就会容易出现不均匀磨损，就需要进行返工修整。将型面外径尺寸相对偏差小于0.015mm，满足加工要求。

（8）将各片砂轮G1等级进行动平衡处理。如图5所示，处理后将各片砂轮组装并安装到一根主轴8上，对凸轮轴7进行磨削，凸轮轴7的另一侧用导轮6顶接。

将材质为冷激铸铁的凸轮轴7利用托板托起，后侧用导轮6固定，成组砂轮夹持在数控磨床的砂轮架上。按照机床编制好的程序，砂轮线速度保持为90-150m/s，进给速度保持为4-8m/min，调节好冷却液系统。启动机床，对凸轮轴7进行大余量高效去除磨削。

采用多砂轮磨削凸轮轴，可实现单次磨削六个工位的目标。单次去除余量可达到2-4mm，粗糙度＜Rz10，单片加工用时仅40-45s，在保证同等去除量的加工条件下，利用单片砂轮单次只能磨削单个工位的加工方式加工时长在300s左右，利用其它结合剂类型组合式砂轮加工用时在140-160s，本发明显著降低了凸轮轴的磨削时间。加工10-15件后需进行砂轮磨料层的修形修锐，电镀砂轮具有免修整、锋利度高的优点，可有效提高生产效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。