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砂轮形貌特性的评定及其合理匹配 |
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作者：上海海运学院 杨勇生 王珉 |
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砂轮的磨削性能不仅取决于砂轮结构特性，如磨粒、粒度和硬度等，且更多的取决于砂轮表面的形貌特征。砂轮表面形貌特性是指砂轮表面上磨粒切刃的瞬时状态，又称瞬时特性，如磨粒切刃的分布、磨粒的磨耗、破碎和脱落以及容屑空间的堵塞等。瞬时特性在磨削过程中随着磨削时间的变化而变化，因此，必须对砂轮形貌特性进行合理的评定。要使砂轮获得良好的磨削性能，就必须根据具体的磨削条件，进行砂轮结构特性与形貌特性的合理匹配，使砂轮表面的磨削达到最佳状态。
1砂轮形貌特性的评定
1) 磨粒切刃的几何参数
砂轮表面有许多大小不一、随机分布的磨粒切刃，为了描述磨粒切刃的几何特性，可定义磨粒切刃的几何参数：磨刃的前角gg，后角ag及磨刃钝圆半径rb(如图1所示)，显然，磨粒的形状尺寸及其在砂轮表面上的方位决定了磨刃的几何参数，进而影响磨刃的切削性能。
图1 磨粒切刃的几何参数
磨粒切刃的形状极不规则，为了分析方便，可把磨粒形状理想化，简化的磨粒切刃分类如下：(1)圆锥或棱锥形；在进行粗修整或砂轮硬度较低时，易形成这种形状；(2)球形；圆角半径为10～20µm；(3)圆角尖端的圆锥形：磨粒划痕的结果，磨粒切深大时，其切削作用接近于圆锥形；切深小时，切削接近于球形；(4)平顶圆锥形：磨粒顶部被磨耗的形状，砂轮硬修整导程小时易形成这种形状。
从磨粒切刃的锋锐性考虑，圆锥或棱锥形(1)和圆角尖端的圆锥形(3)接近于实际磨粒的棒状，锋利性较好；球形(2)和区顶圆锥形(4)分别接近于实际磨粒的块状和磨耗棒状，锋锐性较差。磨粒尺寸愈小，磨粒切刃顶尖角eg愈小，则磨粒锋锐性愈好。磨粒在砂轮工作面上的方向和位置是随机分布的，从统计的观点来看，磨粒的方位对磨刃的前后角影响不大。磨刃的前角主要取决于其顶尖角eg，一般磨粒的顶尖角eg愈小，磨刃的前角gg愈大。
2) 磨粒切刃的分布
磨粒切刃分布的特征参数主要有：(1)磨粒间距Lg。指砂轮圆周上先后磨削工件同一点的相邻二切刃的弧线距离，表示磨粒切刃分布状态的基本参数；(2)磨粒磨耗平台宽度b。指垂直于切削方向的磨耗磨粒切刃小平台宽度，表示磨粒切刃工作状态的基本参数。
由上述特征参数可计算出砂轮工作面上单位面积的磨粒切刃数Mg(＝1/Lg2)，但磨粒切刃在砂轮工作面上的分布是不均匀的，而且高低参差不齐，因而有一个磨粒切刃的定义问题，如果峰谷高度差Dh极小，由于二凸峰间没有足够的容屑空间，实际上只能起一个切刃的作用，一般规定Dh≥5µm或Dh≥(fr/2)(fr——径向进给量)才能算为两个切刃。由于磨削过程中的运动关系。也使埋入一定深度的磨刃不会参加切削，因而实际参加切削的磨刃数(有效磨粒切刃数)大大少于砂轮表面的磨粒数。设磨粒间距为Lg，后磨粒切刃比前磨粒切刃在砂轮半径方向上低Dh，则有效磨粒切刃的条件为 (1)
由式(1)可知，当砂轮形貌特性不变时，随着工件速度Vw和切削深度ap的增大，砂轮速度Vs和砂轮半径ds减小，有效磨粒切刃数将增多。
另外，有效磨粒切刃数还与砂轮表面形貌状态有关，砂轮粒度号愈大，砂轮硬度愈高，修整时修整导程fd和修整深度ad愈小，有效磨粒切刃数也愈多。
3) 砂轮形貌特性的统计分析
用触针法测量砂轮表面形貌，获得砂轮圆周方向上砂轮表面的形貌图(如图2所示)。形貌图中包含有磨粒切刃及邻接的容屑槽，磨粒切刃和容屑槽在砂轮径向上的分布，可用任意给定的高度水平线以上的磨粒切刃和容屑槽的径向累积分布——径向概率分布来表示，该分布分别为形貌图中考虑的磨粒切刃和容屑槽总数的百分比。图3为磨粒切刃和容屑槽的径向概率分布曲线，在砂轮表面最外层(即最高水平线之上)，磨粒切刃的径向概率分布(百分比)为0，而容屑槽的径向概率分布为100%；在砂轮表面最内层(即最低水平线之下)，磨粒切刃及容屑槽的概率分布则刚好相反。
图2 砂轮表面的形貌图
图3 磨粒切刃和容屑槽的径向概率分布曲线
通过统计砂轮表面形貌的磨粒切刃及容屑槽的径向概率分布，可以分析磨粒切刃及容屑槽的分布特点，达到用概率分布表示砂轮形貌特性的目的(如图3所示)。对于新修整的锋利砂轮，砂轮表面形貌的磨粒切刃的径向概率分布曲线是多项式型，磨粒切刃的分布趋于集中于砂轮表层边缘处，也就是集中于砂轮工作区域，而容屑槽的径向概率分布曲线为高斯型，砂轮表面工作区域的容屑槽相应的少；对于磨钝严重的砂轮，情况则刚好相反。
2 砂轮形貌特性的合理匹配
要使砂轮表面获得良好的磨削性能，可由所要求的磨削输出参数来选择砂轮的结构特性，并合理修整砂轮，使砂轮表面形貌特性达到最佳化。下面就以精密磨削和钛合金的磨削为例，分析砂轮表面形貌的匹配问题。
1) 精密与镜面磨削
精密与镜面磨削是由砂轮磨粒上的微刃进行微量切削及摩擦抛光而完成的。磨削时要求砂轮表面上的微刃排列要整齐，破碎要均匀，单位面积微刃数要多，等高性要好。为此，必须选择合理的砂轮结构，并进行精细的砂轮修整。由于刚玉磨料的强度和韧性均较高，精细修整后易形成等高性好的微刃，因而精密与镜面磨削时，可选用刚玉磨料；对于粒度和结合剂，一般可选用粗粒度(46～80#)陶瓷结合剂砂轮或细粒度(240～260#)树脂结合剂砂轮。前者经过精细修整后形成的微刃以切削为主体，一般适用于精密磨削；后者因结合剂的弹性作用，可使微刃在工件表面上的摩擦抛光作用明显，一般适用于镜面磨削。为了防止在磨削过程中产生大块的磨粒脱落，应选用较硬的砂轮。为了在砂轮表面上获得良好的微刃，可选用尖端锋锐的单颗金刚玉修整器，用车削法进行精细修整。一般地，修整愈精细，砂轮表层上磨粒的微刃数愈多，且趋向集中于砂轮表层，等高性愈好，砂轮表面形貌特性愈好；当修整速度一定时，砂轮速度愈高，磨粒上的微刃愈密集，等高性也愈好，表面形貌特性愈好。
微刃切削时，刚开始微刃将精磨加工表面上残留的凸锋切掉，随着微刃钝化及堵塞，微刃的摩擦作用增加，微刃的切削与摩擦的共同作用完成工件表面的精密磨削。由于砂轮与工件间存在一定的磨削压力，已钝化的微刃对工件表面进行摩擦抛光，即磨粒将微观凸峰压缩填补于加工表面的凹谷之中，工件表面粗糙度进一步减少，镜面逐渐形成。由此可见，磨粒微刃与切削用量的合理匹配也是一个关键性问题，如磨削深度ap必须控制在微刃的尺寸范围内，才能发挥其效益。
2) 钛合金的磨削
磨削钛合金时砂轮表面粘附堵塞严重，使磨粒切刃的锋锐性下降，砂轮表面上的有效磨粒切刃数减少，磨削比下降。由于钛合金粘附堵塞的变形复杂，使磨削力及磨削温度较高，磨削烧伤是磨削钛合金时一种最严重的现象，因而在选择砂轮时，可选择性脆而锋利的绿碳化硅(TL)磨粒及铈碳化硅(TS)磨粒(后者的磨削效果优于前者)。另外，由于立方氮化硼(CBN)磨粒的热稳定性好，切削性能良好，故CBN磨粒是磨削钛合金的一种理想的磨粒。为了便于砂轮粘附堵塞的磨削，宜选用粒度大(46～80#)的软砂轮。若从砂轮组织结构来考虑，可选用大气孔或多气孔的疏松砂轮。
砂轮经过金刚石滚轮的连续修整后，砂轮表面形成锋利的磨粒切刃及较大的容屑空间。由于磨粒粒度大而且组织中存在气孔，从而减少了磨粒切刃密度，增加了容屑空间，改善了冷却散热条件。性脆磨粒的软砂轮，在磨削过程中也易产生磨粒的破碎与脱落，可保持磨粒的锋利性，并使砂轮的磨粒平均间距略有增大，有利于减少砂轮粘附堵塞量及磨削烧伤。为了避免磨削钛合金的磨削烧伤，一种行之有效的方法是采用螺旋槽砂轮。砂轮沟槽部分比重愈大，与工件相接触的工作部分比重愈小，砂轮有效磨粒切刃数减少，磨粒排列更趋于合理，从而有可能减少滑擦、耕犁所产生的摩擦力和无用功，使磨粒的切削能力处于最佳状态，防止磨削烧伤的发生。
3 结束语
由上述分析可知，砂轮形貌特性是磨削过程中重要的输入参数之一，对砂轮的磨削性能有决定性的影响，砂轮表面形貌特性的好坏，必须根据具体的磨削条件进行合理的评价，而要达到砂轮磨削的最佳状态，就必须进行砂轮结构特性与形貌特性的合理匹配。
若要完全搞清砂轮结构特性、修整条件与砂轮形貌特性的因果关系以及砂轮表面形貌特性与磨削输出参数的相互关系，还有许多工作要做，一旦这些工作完成，就可由砂轮形貌特性预测磨削结果并由要求的磨削结果设计磨削过程，从而大大增加磨削过程的预测性及自适应性。(end)
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(11/11/2005) |
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