磨削加工中砂轮堵塞机理的研究

作者：湖南大学机械与汽车学院 刘海渔

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, ... 磨削加工是一种历史悠久、应用广泛的金属切削方法。在国内，目前主要应用在传统刀具难以切削的硬质材料以及精度、表面质量要求高的零件的加工。随着大量新材料的出现和应用以及科学技术发展所带来的对零件精度、质量的新要求，磨削加工应用的增长幅度远超过其他传统加工方法。在国外，磨削加工已广泛地应用在毛坯直接加工，在很多方面取代了传统的切削方法，磨床的数量也达到机床总数的60％左右。磨削加工中，不仅磨粒的尺寸、形状和分布对加工起着重要作用，往往在加工韧性金属时，出现砂轮的急剧堵塞钝化，导致砂轮寿命过早结束，要避免砂轮堵塞钝化和由此产生的不利影响，研究砂轮的堵塞机理、过程十分有必要。 一、磨屑的形成 磨削过程是一个复杂的多因素、多变量共同作用的过程，其目的是通过切除一定量的工件材料获得较高表面质量和精度。砂轮是一个由磨料、结合剂经压坯、干燥、烧结而成的疏松体 ，其中的单个磨粒就是一把微小的切削刃，有很大的负前角和刃口钝圆半径。高速运动的磨粒经过滑擦、耕犁后切入工件。切削层材料有明显的沿剪切面滑移后形成的短而薄的切屑，这些磨屑在磨削区内被加热到很高的温度(如中碳钢材料可达到1200K以上)，然后被氧化和熔化，随后固化成微粒球体，在球体面上还有某些叉枝，这种球状磨屑是一种主要磨屑形式。磨削不锈钢Cr20Ni24Si4Ti时，通过扫描电子显微镜，发现大量球状磨屑，当然还伴随着带状、节状磨屑以及灰烬，这些磨屑有不少部分将会填充到砂轮气孔中，依附在磨料的四周，引起砂轮的堵塞，导致磨削精度下降，烧伤工件，缩短砂轮寿命。 二、砂轮堵塞的类型和机理 砂轮堵塞的类型有嵌入型、依附型、粘着型、混合型。嵌入型堵塞是磨屑嵌在砂轮工作表面气孔处的堵塞状态。依附型堵塞是磨粒靠暂时的力量依附在磨粒切削刃的后刀面上的一种堵塞状况。粘着型堵塞是指磨削熔化后粘附在磨粒凸出切削刃的四周或粘结剂上。混合型堵塞是以上三种类型在某一微小部位的集合或层集。 嵌入型和依附型堵塞的机理 嵌入型和依附型堵塞属于磨屑机械性地填充在砂轮空隙中产生的堵塞现象。填充的动力来自两个方面，一个是外来的，一个是内在的，涉及到物理、电、热等方面的因素。 外来因素：磨削加工有一个很重要的特点，径向磨削分力Fy大于切向分力Fz，Fy/Fz≥2～10，工件材料愈硬，塑性愈小，Fy/Fz比值愈大，这样磨削区的磨屑在强大的正压力作用下， 被机械地挤进砂轮表面的空隙里。从微观上分析，磨屑是沿磨粒前面滑出，磨粒前面的局部区域堆积着数层磨屑，在磨粒的后面，由于砂轮高速旋转的作用，形成一个气流旋涡区，旋涡区的空气压力显著减小，在负压作用下，使部分磨屑依附在磨粒的后面，形成磨粒后刀面的依附性堵塞，依附物多数是灰烬和微粒。 静电场的作用：砂轮与工件的相对速度是V砂远大于V工，普通磨床的V秒=3～50m/s， 我国高速磨床磨削速度的成熟数值为50～80/s，国外的试验速度达200m/s～250m/s，工件 的速度在1.5m/s以下。砂轮与工作相对运动时，在磨削区内，砂轮与工件表面将会因电子逸出的原因出现按一定规律排布的电荷。同时，磨削区内的气体也会因高温作用导致被激放 电，使中性气体电离成正离子和电子。在磨削区某些小区域内形成了由砂轮和工件组成的小电场，在电场内，有中性原子、正离子、电子、杂质、粉尘，不仅有中性原子被电离的过程 ，还有正离子与电子复合的过程。在电场的作用下，部分磨屑将呈现极性，根据异性相吸原理，与砂轮极性相反的磨屑就被吸附在砂轮工作表面。由于电场强度很小，所以吸附力也很弱，磨屑在砂轮表面是不牢靠的，但借助于砂轮与工件之间较大的机械压力，使已吸附在砂轮表面的磨屑能稳定地嵌入砂轮表面的空隙之间。 粘着型堵塞的机理 磨削过程中的绝大部分输入功率转化为磨削热，使磨削点温度高达1200K以上，在如此高温作用下，磨削首先遇空气迅速氧化，形成低熔点的金属氧化物，接着这些金属氧化物在磨削区高温加热呈融化状态，覆盖在砂轮表面，当砂轮上的这部分表面再次参与磨削时，在磨削力的作用下，有的被挤开，有的强化，增加了与砂轮的亲和力和附着力，还有的被挤压粘附 在工件表面隆起的沟槽表面中。通过多次随机磨削，磨粒四周将粘附许多磨屑，使磨削力增大，温度升高，由此形成恶性循环，加剧堵塞，直至磨粒破碎或脱落，这是熔化性粘结。 不同元素之间的化学亲和力是粘结性堵塞的又一重要原因。磨粒和被磨削材料在高温下接触，温度因素使它们活动能力增强，亲和力加剧，当具备一定条件时，就导致化学反映，使磨粒和磨屑在砂轮表面生成一种丧失切削能力的晶体。如刚玉类砂轮磨削钛合金时，磨屑很快地粘附在磨粒上，并有向四周蔓延和长大的趋势，清除磨屑后，仍有一些残留物粘附在磨粒周围，他们是氧、钛、铝的复杂化合物，这个过程说明发生了化学反应，方程式为3Ti+2Al2O3=3TiO2+4Al，生成物以TiO2为主，一些游离的铝分子，如改用碳化硅砂轮，堵塞会减轻，被磨削的工件表面质量也有所提高，这是因为钛和碳化硅的亲和力小，磨粒表面不仅零散分布着一些粘附物，这些粘附物再次进入磨削区时，大部分在摩擦、挤压作用下脱落。 三、砂轮自身对堵塞的影响 磨料 不同的磨料与工件材料的化学亲和力不同，磨削温度不同，磨削力不同，为了减少堵塞程度，不同的工件材料，应选用不同的磨料种类。用刚玉类磨料磨削铁碳合金，碳在空气中与氧气生成一层很薄的氧化膜，能有效地阻止工件与磨料之间的化学亲和作用，但磨削钛合金，堵塞则严重多了。磨料的热稳定性对堵塞也有举足轻重的影响，热稳定性好的磨料比热稳定性差的堵塞轻的多。如用立方氮化硼磨料磨削钛合金时，磨削效率比用白玉刚磨料砂轮提高几十倍。 磨料粒度 在组织相同的前提下，磨料愈细，砂轮单位周长内磨粒粒度数愈多，愈均匀，气孔的数目也 愈多，但单个气孔的体积就愈小，在相同磨削参数下，细砂轮容易堵塞。 在半精磨和精磨时，切入次数多，切入量小，温度低，堵塞轻，常选择细砂轮。在粗磨时，切入量大，磨削温度高，堵塞在孔隙的磨屑、熔结物多，应选择粗砂轮。 粘结剂与硬度 砂轮的硬度指磨粒脱落的难易程度，由粘结剂的强度予以保证，它们对砂轮堵塞影响较大。粘结剂强度愈高，砂轮硬度愈大，磨粒磨钝量就愈多，磨粒脱落前对工件的划擦、挤压愈加 严重，磨屑更容易机械地填充到砂轮孔隙中去，砂轮空隙中的磨屑加剧了砂轮对工件材料的摩擦、挤压，同时磨屑在这个过程中得以强化，这个过程还伴随产生更多的摩擦热，摩擦热为粘结性堵塞提供熔结物。因此砂轮硬度越高，堵塞越严重。所以在磨削难加工工件材料时 ，应选择软一点的砂轮。 砂轮组织 砂轮组织反映了磨料、粘结剂、气孔之间的比例关系，组织愈密，气孔比例就愈小，切削刃间隔距离也愈小，砂轮更容易堵塞。含有53%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高两倍，含45%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半。在磨削难加工材料时应选 择组织号为7-8级的砂轮。 四、磨削条件的影响 砂轮线速度 砂轮线速度的影响比较复杂，当砂轮从28.8m/s提高到33.6m/s时速度只提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因为砂轮线速度的增加使磨粒的最大切深减小，切屑截面积减小，同时切削次数和磨削热增加，使得堵塞量增加。但是当砂轮线速度高到一定程度时(如达到50m/s以上)，砂轮的堵塞量反而大大下降。因此磨削加工时选择砂轮速度最好避开20m/s至50m/s这个速度。 工件速度 实验表明，工作速度提高一倍，砂轮堵塞量增加三倍。因为工件速度愈高，磨粒负荷愈大，磨粒切入深度就愈浅，切屑截面积变小，当磨削厚度增大，磨粒钝化加重，加大砂轮对工件磨削层的挤压，相当于砂轮特性变硬，因而会加剧砂轮的堵塞。 磨削方式 在磨削方式上，凡是增大砂轮与工件接触面积的磨削均会加剧砂轮的堵塞。这是因为砂轮与工件接触面积大，磨粒切削刃会在同一磨痕上多次划擦，使工件上磨削层强化加剧，冷却液又难以进入磨削区，磨削热量多、温度高，为堵塞创造条件，易产生化学粘着性堵塞和嵌入性堵塞。如端磨比周磨易堵塞，横向切入磨削比纵向磨削堵塞严重。 径向切入量 径向切入量对砂轮堵塞的影响呈驼峰趋势。当径向切入量较小时，(ap＜0.01mm)产生堵塞现象，随着切入量的增加，平均堵塞量也增加，当切入量大到一定程度(ap=0.03mm)时，堵塞量又呈减小趋势，之后随着切入量的继续增加(达ap=0.04mm)时，堵塞量又急剧上升。 磨削液 不同的磨削液对磨削效果影响很大，目前通用的乳化液含有大量矿物油和油性添加剂，稀释后呈水包油乳白色液体，它的比热容和导热系数小，在剧烈摩擦过程中很容易造成砂轮与工件间的粘附磨损和扩散磨损，使砂轮堵塞，磨削力增大，最后引起磨料过早破碎和脱落，使磨削比降低。因此，选用优良的磨削液对改善磨削性能有重要作用。 总之，砂轮的粒度、硬度、组织、砂轮的速度、工件的速度、磨削方式、切削深度及磨削液等是磨削过程中诸现象及磨削结果的重要参数。因此，对影响砂轮堵塞等各种因素进行分析研究，对磨削用量等参数进行单因素、多因素实验，建立优化合理的磨削参数并总结出规律，是指导生产的一种有效方法，也是磨削加工技术中应该重点研究的内容之一。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/1/2004)