磨削的基本原理及其加工能力

作者：Stuart Salmon博士

欢迎访问e展厅 展厅 5 磨床/珩磨设备展厅 平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ... 本文作者Stuart Salmon博士是美国“先进制造科技协会”主席。他认为，磨削加工在很多领域内，不论从技术上或经济上，都可与切削加工相匹敌，有些领域甚至是唯一的加工方法。但目前制造业许多人认为磨削加工效率低，不经济，因此尽量不予采用。Salmon认为，产生这种想法的主要原因是对磨削原理及其内在潜力缺乏了解。作者撰写本文的目的就是要帮助企业界的有关人士正确理解和运用磨削技术。 当今制造业正在急切地寻找替代磨削的方案。一些正在试验用来提高零件生产效率的“新”方案包括：硬切削、干切削、耐磨涂层刀具和高速切削等。 但应指出，“高速”两字对磨削并不陌生。砂轮的常规运行表面线速度达1829m/min，高速超硬磨料砂轮的生产实用速度达4572～10668m/min，而实验室里在磨削专用设备上的速度则可达到18288m/min——仅稍低于声速。 工业界不喜欢磨削的部分原因是对它不了解。超硬磨料和缓进给磨削工艺不论从技术或经济角度看，都可与铣削、拉削、刨削以及某些情况下的车削相匹敌。但制造企业中有很多人，他们的知识停留在传统加工技术水平上，往往对磨削采取排斥的态度。但随着新材料的推进(如陶瓷、晶须强化金属和强化聚合材料、多层金属和非金属的压合材料)，磨削经常是唯一可行的加工方法。 如果采用适当的结合剂，就可以使得磨粒在加工过程中的脱落和自砺过程得到控制。并且砂轮变钝或出现粉屑状载荷时，可以在机床上修整。这些优点在其它的加工方法中都是难以做到的。 砂轮可以使加工表面的公差达到数万分之一的数量级(微米级)，同时还能使表面光洁度和切削纹理达到最佳状态。 不巧的是，长期以来，磨削一直被看作是一种“艺术”。直到最近的40～50年间，通过研究人员持续地对磨削加工过程进行研究，开发了新的、改进的磨料、粘结剂体系和各种磨削液。这些成果的取得，使得磨削加工进入了科学王国。 磨料的种类 磨料可分为两大类：普通磨料(如氧化铝、碳化硅等)和超硬磨料(金刚石、立方氮化硼等)。 CBN和金则石比普通磨料更硬、更耐磨，但非常昂贵。同时，超硬磨料是优良的导热体(金刚石的导热性是铜的6倍)，而普通磨料是陶瓷材料，所以是绝热的。 超硬磨料还具有很高的热扩散性，就是有迅速散热的能力。这一特性使超硬磨料具有“冷切削”的本性。超硬磨料的抗磨性能也大大优于普通磨料，但超硬磨料具备的这些特性也并不意味着它们就适用于所有的磨削工序。 每种磨料都有其最适当的使用领域，所以了解每种磨料的特点十分重要。例如，氧化铝陶瓷磨料——有时称作晶种凝胶(SG)磨料或陶瓷磨料——通常比熔融(普通)氧化铝有更好的抗磨性和形状保持性。但陶瓷磨料也有其最适当的使用领域。 氧化铝：Al2O3是最便宜的磨料。磨削淬硬钢时性能很好，在连续修整的条件下，也能磨削镍基超级合金，Al2O3对各种磨削条件有很好的适应性，如软的和硬的材料，轻切削和重切削等，并能磨出很高的表面光洁度。 陶瓷氧化铝：陶瓷氧化铝强度很高，所以最适用于每颗磨粒的切削力负荷较高的场合。陶瓷氧化铝在外圆磨削和大平面往复磨削淬硬钢时，其效果很好。但它不适于切削弧线长、单颗磨粒负荷力较小之处，如内圆磨、缓进给磨等。 但经过“拉伸”改制的陶瓷氧化铝磨粒，甚至在切削弧线长的情况下，也可用于加工粘性的不锈钢、高温合金等，此时磨粒的形状比(长阔比)达到5。 陶瓷氧化铝磨粒的性能可以通过加入部分脆性的熔融氧化铝形成复合磨料砂轮得到改善。此时，需要知道砂轮在工件上的切削弧长度，以便有针对性地确定砂轮配比。 碳化硅：SiC磨料具有天然锋利的形状。适于磨削硬质材料(如硬质合金)。因为其锋利，使它也适于加工很软的材料，如铝、聚合物、橡胶以及低强度钢、铜合金和塑料等软材料。 金刚石：天然和人造金刚石都可用于磨削。金刚石是碳的一种超高硬度形态，因它对铁有亲合性(钢是铁和碳的合金)而形成快速磨损，所以不适于加工黑色金属材料，但金刚石特别适用于有色金属材料、钛、陶瓷和金属陶瓷的磨削加工。 立方氮化硼：CBN像金刚石一样，是一种非常昂贵的磨料。一个超硬磨料砂轮的价格比普通磨料的砂轮要贵50倍以上，但其使用寿命比普通砂轮要高100倍以上，即使磨削最硬的钢，也只有轻微磨损。 CBN最适于加工黑色金属材料，特别是在要求长时间保持砂轮形状的场合，如轴承内滚道的磨削。另外，CBN较适于不经常更换砂轮的工序，因为小批量和砂轮更换，在安装时都要修整，这是导致砂轮消耗的主要因素。因为CBN在高温时和水接触要起反应，并加速磨损，所以要用乙二醇或油。 结合剂 普通砂轮的结合剂，可以采用陶瓷、树脂或塑料，超硬磨料的结合剂则可用烧结的金属基体或用电镀镍层的办法覆盖到砂轮上。这类砂轮是不渗水的，也无空洞。 金属结合剂和电镀砂轮的磨削液要仔细选择，以防砂轮打滑。打滑时在切削弧处产生的巨大动载液压，会顶举砂轮，导致工件光洁度恶化和加快砂轮磨损。 结合剂和磨料两者的选择密切相关。例如CBN的使用场合一般是要求砂轮在使用期间保持形状不变，并且直至消耗尽才从机床取下。由于CBN的导热性很好，所以用金属结合剂更有利。两者结合起来提供了冷切削的条件。因为切削热通过磨料和砂轮传导，再随冷却液带走的速度，比进入工件要快得多。 金属结合剂有两种形式：电镀和烧结。电镀砂轮是不修整的，它们一开始就制成正确的形状，并一直用至耗尽。烧结金属砂轮通常用电火花修整，然后像电镀砂轮那样装到机床上使用。 烧结和电镀砂轮安装到主轴后的径向跳动应小于0.0125mm。对金属结合剂砂轮来说，减小主轴跳动十分重要。因为磨粒从结合剂上伸出的距离很小，若跳动达到0.025mm，则会发生砂轮的一端已负荷太重而造成过度磨损，另一端则负荷很轻而仍很锋利。 某些电镀砂轮可以制出很小的轮廓圆弧半径(约0.125mm)。但多数电镀砂轮的轮廓圆弧半径大于0.5mm。通常，电镀砂轮运用于高速磨削，而金属烧结砂轮适于磨削陶瓷材料。 整体金属结合剂砂轮对振动、跳动和冷却液流量等工作条件的适应范围很小。假如磨床、工件和夹具的刚性较差，或老机床的轴承状态不佳，并且机床上没有平衡装置，这种条件下使用电镀砂轮就会导致砂轮寿命、工件光洁度和表面纹理方面的问题。根据机床的振动和稳定性等具体情况，有时采用树脂结合剂砂轮要好一些。树脂结合剂对振动有很强的阻尼能力。当然，树脂砂轮的校正和修整涉及的设备和时间，都会增加成本。 陶瓷结合剂使用最为普遍。由于这种结合剂的砂轮带孔洞，使得切削液能有效地进入磨削弧，并有较大的空洞容纳磨屑。同时，使用金刚石工具可方便地将陶瓷结合剂砂轮修至正确形状和磨锐。 附：普通磨料和超硬磨料适用的被加工材料范围： 氧化铝磨料：淬硬钢、镍基超级合金、高温合金、黑色金属 陶瓷氧化铝磨料：淬硬钢、镍基超级合金、粘性不锈钢、高温合金 碳化硅磨料：硬质合金、铝和钛、橡胶聚合物、铜合金、塑料 金刚石磨料：硬质合金、铝和钛、陶瓷、金属陶瓷 立方氮化硼磨料：淬硬钢、镍基超级合金、黑色金属 砂轮的准备 砂轮的准备包括：安装、平衡、精整和修整。砂轮准备不好，将成为以后很多磨削问题产生的根源。 首先，要按照砂轮制造厂的指导书安装砂轮，保证砂轮在修整前处于较好的原始平衡状态和最小的跳动。 第二，安装时要仔细操作以免碰伤砂轮内孔。砂轮内孔在高速旋转时承受巨大应力，搬运和安装失当往往是砂轮启动时导致爆裂的原因。 第三，安装陶瓷结合剂砂轮时，必须用纸质垫圈。 第四，用平稳的扭矩和松紧度上紧法兰盘。 安装完毕后，砂轮应依次作粗平衡、修整、和精平衡，然后再开始磨削。若砂轮原始状态很不平衡且跳动很大，则常需作附加修整及再平衡。 砂轮良好的平衡会使磨削表面持续保持良好光洁度，并使寿命延长。同时，正确的修整会使砂轮保持稳定的磨削表面和磨削作用。 砂轮的锋利程度及其形状精度取决砂轮的修整方法。所以，任何时候都要使砂轮修整装置处于良好的工作状态，这对于单点金刚石修整器或电机驱动的金刚石滚轮都一样。 单点金刚石修正是修整陶瓷结合剂砂轮的常用方法，这种修整方法常会导致砂轮性能不稳定，所以修整的方法和程序要不断作相应的调整。 在磨削工件时，典型的方法是：砂轮粗磨一定的加工留量，然后改变修整参数，再精磨工件。通常的做法是，粗修砂轮时，金刚石沿砂轮外圆作快速横向进给，而精修时，修正器的横向进给速度大大减慢，以获得光洁的砂轮表面和工件表面。 一种称为“搭接式”或“部分重叠式”的修整方法，能保证正确、稳定的修整。例如，一直径为406.4mm的砂轮，速度为6000sfm(1828m/min)，单点金刚石修正器的圆弧半径0.254mm作粗磨修整，每个行程的修整量为0.025mm。 一般修正时常用的横向进给速度往往过快，使砂轮表面有一部分修不到。而采用多次行程虽可以使砂轮表面都修到，但表面不平。这种砂轮磨削性能较高，但磨损快而不均匀。 砂轮修整一般在磨削工作速度下进行。唯一的例外是作刮压整形修整时，在300sfm(91.44m/min)的低速下进行。横向进给速度应根据修整器的金刚石尺寸和对砂轮表面的要求而计算确定，一般粗磨采用2～3次搭接，精磨则需4～6次搭接。 修正器横向进给速度的计算:已知金刚石圆弧半径(XB＝0.015″)，金刚石切入量(0.001″)，砂轮转速1400rpm。距离CB计算如下：因XB＝0.015″，CX＝0.015″-0.001″＝0.014″。CB＝0.00735，而AB＝2CB＝0.0147″。这样就得到了金刚石每转的进给节距，保证在砂轮表面不留下未修部分。换算到每分钟的进给速度AB×1400rpm＝20.58ipm。这个速度使金刚石一次修整就覆盖整个砂轮表面。若修整要求二次搭接，则进给速度减半，为10.29ipm。对粗修整较为理想。精修整需4～6次搭接，进给速度要相应减少。如4次搭接时为5.14ipm。 磨削液的应用 磨削液的正确应用对于成功的磨削十分重要。磨削液的作用是对切削弧区进行冷却和润滑。水基磨削液的作用主要是冷却，也有一定的润滑作用。而冷却油的作用主要是润滑，有点冷却作用。全合成添加剂的水基磨削液，最适用于锋利的强力磨削砂轮，这种砂轮通常工作时切削弧较长，需要较好的冲刷作用。 半合成添加剂的磨削液，最适用于磨削复杂形状和要求润滑性能良好，以防止烧伤的场合。单纯的油剂适于磨削复杂形状，切削弧较短、磨削光洁度要求较高的场合。而乙二醇基的磨削液适用于采用立方氮化硼砂轮而又要避免使用单纯油剂的场合。 选择磨削液是一项艰难的任务：既要考虑磨削液的初始价格，又要考虑其管理和处理的费用。所谓对环境无害的“绿色”冷却液，仅是一种欺骗。有些桶装的新鲜冷却液，甚至可以饮用，但一旦磨削碎末污染了液体，就会变成对环境有害的废物。 磨削液一旦选定，就应对其进行过滤和保养。不仅要考虑其清洁度，还要控制其浓度、导电性和PH值。 最新的磨削液的试验表明，磨削液浓度对磨削过程的影响不是线性关系。长期以来，人们都认为，随着磨削液浓度的增加，磨削过程会成比例地改善，实际上这是不正确的。例如，磨削液浓度在7.5%～8%时，其性能不及浓度5%的好，但当浓度增加至10%～12%时，性能又得到改善。 对50种水基磨削液的试验结果大同小异。不过，在有些情况下，趋势不很明显；而在另一些情况下，7.5%的磨削液浓度简直到了导致机床失速的程度；而浓度5%和10%的磨削液工作情况良好。 在选好了适当的磨削液及其管理体系以后，接下来的首要问题是如何正确地把磨削液注入磨削区域。 磨削液应该注到切削弧区域，而不是简单地注向工件和砂轮的结合部，通常浇注的冷却液只有很少部分进入切削弧区。旋转的砂轮像一个吹风器那样，把磨削液从砂轮外圆抛出去。 砂轮的孔隙既可容屑，又可发挥搬运磨削液的功能。就这样，磨削液是靠砂轮本身带到切削弧区的。所以，在适当的速度下，磨削液浇注到砂轮外圆就会带向切削弧区。 此外，喷咀应作专门设计，使磨削液以适当的速度喷注在正确的注入点。喷咀尺寸应覆盖整个砂轮宽度，当宽度已知时，喷咀的开口高度(d)可通过计算获得。若喷咀宽度为1.5″，则喷咀口的面积为：1.5din2。设磨削速度为5500(1676m/min)，换算成英寸须乘12，得66000in/min，所以，喷口处的磨削液流速为：(1.5din2)×66000in/min＝99000din3/min。 若油泵压力为110psi(0.758MPa)，每分钟的液体流量为58gpm(每分钟58加仑，约为219.554升/分)，而1加仑＝231立方英寸，所以油泵流量为：231in3×58gpm＝13398in3/min。显然，油泵进口和出口的流量应该相等，即13398应等于99000d。于是可算出喷口高度d为：0.135″(13398/99000)。实际选用的喷咀开口高度可以比计算值略小一点，因为磨削液离开喷咀后速度会有所降低。当喷咀不正对砂轮的情况下，考虑这个因素尤为重要。所以，本例中喷咀尺寸取0.12″×1.5″较好。 油泵的压力是为推动液体在管路系统中流动。有时系统的阻力可能超过油泵额定压力110Psi。因为经常发生喷咀制造不正确，管路、接头、活动转臂等有扭曲或阻滞现象。假如上述影响流动的阻滞因素存在，则流动速度就会减小。因此，要经常用流量剂来检测流速的变化，光看压力计是不够的。 附录:关于超硬磨料浓度的知识 超硬磨料的砂轮技术规范中一项重要指标是浓度。工业界常把浓度100误解为100%，其实不然，浓度100的定义是：在1立方英寸体积内有72克拉磨料。所以，浓度50是指每立方英寸中有36克拉磨料，磨料的粒度大小有很多种，而不同粒度的磨料可以有相同的浓度。 现以浓度同样为75的两种磨料粒度作对比。一种是60粒度(美标，下同)，另一种是200粒度，它们每立方英寸的磨料含量都是54克拉，对于60粒度的磨料，每克拉有6900颗，而200粒度的磨料每克拉有262000颗。所以60粒度的磨料，在每立方英寸的砂轮中有372600颗磨粒，而200粒度的磨料，这个数字达到14148000颗。 不同的磨料粒度意味着在浓度相同时，细粒度的磨粒(左)数量多于粗粒度的磨粒。假定磨粒在砂轮内是均匀分布的，则把上述每立方英寸中的磨粒数开立方后，可得每英寸长度上的磨粒数。对60粒度而言，为每英寸72颗，而200粒度为每英寸242颗，上述数字的倒数就是磨粒间距。对60粒度而言，间距为0.014″，对200粒度，间距为0.004″。假如磨削中的切削弧长度是0.013″，60粒度的砂轮，磨料间距比它长，所以有时切削弧上没有磨料在工作，而对200粒度的砂轮，磨粒间距为0.004″。所以至少有3颗磨粒在切削弧上工作。 从上述对比引出了一条常用规则，即选用砂轮时，要保证切削弧长度上有4～10颗磨粒在工作。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/1/2004)