摘  要：  通过对使用速度120m/s陶瓷CBN砂轮所受应力进行分析计算，提出了其制造工艺中对金属基体、粘接层和CBN层的强度要求，并给出了实验结果。      
ABSTRACT：  By making an analysis and a count of the stress of vitrified CBN grinding      
wheels at speed of 120m/s, the author gives out the strength requirement for the metal   
base, cohered layer and CBN layer in the process of manufacture, and the experimental   
results      
关键词：  高速 陶瓷CBN砂轮 强度      
KEYWORDS：  High-Speed， Vitrified CBN Grinding Wheels， Strength       
1  前言      
高速、高效、高精度磨削已成为CBN磨削技术发展的主流。陶瓷CBN砂轮的使用速度普遍达到80-120m/s，150-200 m/s的砂轮已逐步进入实用阶段。它的制造技术成为CBN磨削技术的重要环节，直接关系到砂轮使用的效果以及设备和人身的安全。强度则是该种砂轮制造工艺中必须首先关注的最重要技术参数之一。      
砂轮在高速回转时所产生的应力和其本身的强度是研究使用安全性的两个关键。对于使用速度80～120m/s的高速砂轮来讲，高速回转时整体的高强度显得尤为重要。应从三个部分来考察它的强度：基体、粘结层和磨料层。它们的强度大于高速回转时所产生的应力，砂轮就不会破裂，磨料层也不会从基体上剥离。从而保证砂轮使用的安全性。      
2  应力分析      
磨具的机械强度主要有抗拉、抗折、抗压和抗冲击强度。由于砂轮在高速回转中产生很大的离心力，使其内部以受拉应力为主。因而，抗拉强度的高低就与砂轮可能破裂的程度有关。与抗压和抗折强度相比，一般材料的抗拉强度都较低。经验数据表明：陶瓷磨具的抗拉强度是抗折强度的1/2～1/3。是抗压强度的1/5～1/9。所以磨具的抗拉强度能满足其回转时产生的抗应力的要求，是磨具安全使用的首要条件。      
下面从最大应力学说的计算公式，来分析砂轮高速回转时所产生的应力。      
砂轮在绕自身轴旋转时，其内部产生两种力：一是沿半径方向的径向应力σR；一是沿旋转的切线方向的切向应力σT。σR和σT的最大值、最小值及在砂轮上距中心的任一点a处应力的计算公式分别表述如下：      
在上述式中：      
ρ—材料密度    kg/m3      
v—砂轮线速度   m/s      
μ—泊桑比      
r—孔半径       cm      
R—砂轮半径    cm      
α—孔径与外径之比，α=r/R      
a—砂轮上任一点距中心的距离  cm      
上述公式表明，砂轮在回转时所受应力的大小与所用材料的密度、使用线速度、外径和孔径的尺寸及所考虑的受力点离中心的距离有关。切向应力远大于径向应力。      
本文所涉及砂轮的规格尺寸如 表1所示。      
砂轮使用速度120m/s，破裂系数选2，即破裂速度为240m/s，基体材料为钢或铸铝时，密度ρ和泊桑比μ分别为7.8克/cm3、2.7克/cm3和0.26、0.34。CBN层的μ值取0.3，密度ρ分别以ρ1, ρ2 , ρ3 来计。      
根据公式（1）和有关的计算参数，在使用速度120m/s时，不同规格、不同基体材料时砂轮所受的最大切向应力计算值如表2所示。      
按公式（3）、（4）可计算出砂轮粘接层和CBN层在不同成型密度时所受的应力，以及在考虑应力集中系数为1.75时，测试抗拉强度的“8”字块所需要达到的强度值。具体计算结果如表3所示。     
由表2，表3的计算值可知，对所选定的砂轮规格尺寸，当使用速度最高为120m/s时，为确保砂轮不破碎，基体抗拉强度必须是：钢基体大于395.1MPa，铸铝基体大于138.5Mpa；为保证CBN层不剥离，不破裂，粘接层和CBN层的“8”字块的抗拉强度必须在32.2MPa～16.0MPa 以上（不同规格、不同成型密度时则不同）。      
3   强度实验      
3.1 基体材料的选择      
几种金属材料的抗拉强度如表4所示。      
从表4数据可以看出，一般钢材的抗拉强度均可满足120m/s砂轮基体的强度要求，一般铝材的抗拉强度比所需强度高出不多，考虑到铸铝的组织均匀性不太好，高速回转时会增大砂轮的动不平衡性，影响磨削效果。根据这些金属材料的性质和高速砂轮的强度要求，当使用速度≥80m/s时，砂轮基体材料以选择钢材为宜。      
3.2  粘接强度实验      
选择的粘接剂，在不同的粘接条件下“8”字块的抗拉强度如表5所示     
由以上实验结果可以看出，在不同粘接条件下，粘接的平均抗拉强度远大于砂轮在120m/s时粘接层处所受的应力。      
3.3  CBN层强度      
CBN磨料层的强度是结合剂自身强度，磨料强度及结合剂对磨料把持力的一种综合体现。由于试样制作上的问题，本文以CBN磨料试条的抗折强度间接衡量其抗拉强度的大小。不同牌号磨料，不同浓度，不同结合剂用量及成型密度下的抗折强度实验结果及取抗折强度/抗拉强度=2.5时，抗拉强度的计算值如表6所示。      
参照表3可知，CBN层的强度也完全可以满足砂轮在120m/s时的强度要求；      
3.4  砂轮回转强度检测及使用验证      
选择14A1 450×20×127和1A1600×16×305两种规格的砂轮，按使用速度120m/s的1.5倍进行回转强度检测均为合格。在凸轮轴生产现场以80～125m/s速度使用，没发生过砂轮掉块或破碎现象。      
综上所述， 通过正确选择砂轮的基体材料、粘接剂和粘接工艺及砂轮的结合剂和配方，砂轮的整体强度完全可以满足使用速度120m/s的需要。      

*本文是作者在承担科技部基金项目时所撰写论文的摘要 （作者：刘一来）