磨削加工中砂輪堵塞機理的研究

磨削加工是一種歷史悠久、應用廣泛的金屬切削方法。在國內，目前主要應用在傳統刀具難以切削的硬質材料以及精度、表面質量要求高的零件的加工。隨著大量新材料的出現和應用 以及科學技術發展所帶來的對零件精度、質量的新要求，磨削加工應用的增長幅度遠超過其他傳統加工方法。在國外，磨削加工已廣泛地應用在毛坯直接加工，在很多方面取代了傳統 的切削方法，磨床的數量也達到機床總數的60％左右。磨削加工中，不僅磨粒的尺寸、形狀和分布對加工起著重要作用，往往在加工韌性金屬時，出現砂輪的急劇堵塞鈍化，導致砂輪 壽命過早結束，要避免砂輪堵塞鈍化和由此產生的不利影響，研究砂輪的堵塞機理、過程十分有必要。 一、磨屑的形成 磨削過程是一個復雜的多因素、多變量共同作用的過程，其目的是通過切除一定量的工件材料獲得較高表面質量和精度。砂輪是一個由磨料、結合劑經壓坯、干燥、燒結而成的疏松體 ，其中的單個磨粒就是一把微小的切削刃，有很大的負前角和刃口鈍圓半徑。高速運動的磨粒經過滑擦、耕犁后切入工件。切削層材料有明顯的沿剪切面滑移后形成的短而薄的切屑， 這些磨屑在磨削區內被加熱到很高的溫度(如中碳鋼材料可達到1200K以上)，然后被氧化和熔化，隨后固化成微粒球體，在球體面上還有某些叉枝，這種球狀磨屑是一種主要磨屑形式 。磨削不銹鋼Cr20Ni24Si4Ti時，通過掃描電子顯微鏡，發現大量球狀磨屑，當然還伴隨著帶狀、節狀磨屑以及灰燼，這些磨屑有不少部分將會填充到砂輪氣孔中，依附在磨料的四周 ，引起砂輪的堵塞，導致磨削精度下降，燒傷工件，縮短砂輪壽命。 二、砂輪堵塞的類型和機理 砂輪堵塞的類型有嵌入型、依附型、粘著型、混合型。 嵌入型堵塞是磨屑嵌在砂輪工作表面氣孔處的堵塞狀態。依附型堵塞是磨粒靠暫時的力量依附在磨粒切削刃的后刀面上的一種堵塞狀況。粘著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結劑上。混合型堵塞是以上三種類型在某一微小部位的集合或層集。 嵌入型和依附型堵塞的機理 嵌入型和依附型堵塞屬于磨屑機械性地填充在砂輪空隙中產生的堵塞現象。填充的動力來自兩個方面，一個是外來的，一個是內在的，涉及到物理、電、熱等方面的因素。 外來因素：磨削加工有一個很重要的特點，徑向磨削分力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，這樣磨削區的磨屑在強大的正壓力作用下， 被機械地擠進砂輪表面的空隙里。從微觀上分析，磨屑是沿磨粒前面滑出，磨粒前面的局部區域堆積著數層磨屑，在磨粒的后面，由于砂輪高速旋轉的作用，形成一個氣流旋渦區，旋渦區的空氣壓力顯著減小，在負壓作用下，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，依附物多數是灰燼和微粒。 靜電場的作用：砂輪與工件的相對速度是V砂遠大于V工，普通磨床的V秒=3～50m/s， 我國高速磨床磨削速度的成熟數值為50～80/s，國外的試驗速度達200m/s～250m/s，工件 的速度在1.5m/s以下。砂輪與工作相對運動時，在磨削區內，砂輪與工件表面將會因電子逸出的原因出現按一定規律排布的電荷。同時，磨削區內的氣體也會因高溫作用導致被激放 電，使中性氣體電離成正離子和電子。在磨削區某些小區域內形成了由砂輪和工件組成的小電場，在電場內，有中性原子、正離子、電子、雜質、粉塵，不僅有中性原子被電離的過程 ，還有正離子與電子復合的過程。在電場的作用下，部分磨屑將呈現極性，根據異性相吸原理，與砂輪極性相反的磨屑就被吸附在砂輪工作表面。由于電場強度很小，所以吸附力也很弱，磨屑在砂輪表面是不牢靠的，但借助于砂輪與工件之間較大的機械壓力，使已吸附在砂輪表面的磨屑能穩定地嵌入砂輪表面的空隙之間。 粘著型堵塞的機理 磨削過程中的絕大部分輸入功率轉化為磨削熱，使磨削點溫度高達1200K以上，在如此高溫作用下，磨削首先遇空氣迅速氧化，形成低熔點的金屬氧化物，接著這些金屬氧化物在磨削 區高溫加熱呈融化狀態，覆蓋在砂輪表面，當砂輪上的這部分表面再次參與磨削時，在磨削力的作用下，有的被擠開，有的強化，增加了與砂輪的親和力和附著力，還有的被擠壓粘附 在工件表面隆起的溝槽表面中。通過多次隨機磨削，磨粒四周將粘附許多磨屑，使磨削力增大，溫度升高，由此形成惡性循環，加劇堵塞，直至磨粒破碎或脫落，這是熔化性粘結。 不同元素之間的化學親和力是粘結性堵塞的又一重要原因。磨粒和被磨削材料在高溫下接觸，溫度因素使它們活動能力增強，親和力加劇，當具備一定條件時，就導致化學反映，使磨粒和磨屑在砂輪表面生成一種喪失切削能力的晶體。如剛玉類砂輪磨削鈦合金時，磨屑很快地粘附在磨粒上，并有向四周蔓延和長大的趨勢，清除磨屑后，仍有一些殘留物粘附在磨粒 周圍，他們是氧、鈦、鋁的復雜化合物，這個過程說明發生了化學反應，方程式為3Ti+2Al2O3=3TiO2+4Al，生成物以TiO2為主，一些游離的鋁分子，如改用碳化硅砂輪，堵塞會減輕，被磨削的工件表面質量也有所提高，這是因為鈦和碳化硅的親和力小，磨粒表面不僅零散分布著一些粘附物，這些粘附物再次進入磨削區時，大部分在摩擦、擠壓作用下脫落。 三、砂輪自身對堵塞的影響 磨料 不同的磨料與工件材料的化學親和力不同，磨削溫度不同，磨削力不同，為了減少堵塞程度 ，不同的工件材料，應選用不同的磨料種類。用剛玉類磨料磨削鐵碳合金，碳在空氣中與氧 氣生成一層很薄的氧化膜，能有效地阻止工件與磨料之間的化學親和作用，但磨削鈦合金， 堵塞則嚴重多了。磨料的熱穩定性對堵塞也有舉足輕重的影響，熱穩定性好的磨料比熱穩定 性差的堵塞輕的多。如用立方氮化硼磨料磨削鈦合金時，磨削效率比用白玉剛磨料砂輪提高 幾十倍。 磨料粒度 在組織相同的前提下，磨料愈細，砂輪單位周長內磨粒粒度數愈多，愈均勻，氣孔的數目也 愈多，但單個氣孔的體積就愈小，在相同磨削參數下，細砂輪容易堵塞。 在半精磨和精磨時，切入次數多，切入量小，溫度低，堵塞輕，常選擇細砂輪。在粗磨時， 切入量大，磨削溫度高，堵塞在孔隙的磨屑、熔結物多，應選擇粗砂輪。 粘結劑與硬度 砂輪的硬度指磨粒脫落的難易程度，由粘結劑的強度予以保證，它們對砂輪堵塞影響較大。 粘結劑強度愈高，砂輪硬度愈大，磨粒磨鈍量就愈多，磨粒脫落前對工件的劃擦、擠壓愈加 嚴重，磨屑更容易機械地填充到砂輪孔隙中去，砂輪空隙中的磨屑加劇了砂輪對工件材料的 摩擦、擠壓，同時磨屑在這個過程中得以強化，這個過程還伴隨產生更多的摩擦熱，摩擦熱 為粘結性堵塞提供熔結物。因此砂輪硬度越高，堵塞越嚴重。所以在磨削難加工工件材料時 ，應選擇軟一點的砂輪。 砂輪組織 砂輪組織反映了磨料、粘結劑、氣孔之間的比例關系，組織愈密，氣孔比例就愈小，切削刃 間隔距離也愈小，砂輪更容易堵塞。含有53%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高兩倍，含45%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半。在磨削難加工材料時應選 擇組織號為7-8級的砂輪。 四、磨削條件的影響 砂輪線速度 砂輪線速度的影響比較復雜，當砂輪從28.8m/s提高到33.6m/s時速度只提高了16%，而堵塞 量增加了三倍。因為砂輪線速度的增加使磨粒的最大切深減小，切屑截面積減小，同 時切削次數和磨削熱增加，使得堵塞量增加。但是當砂輪線速度高到一定程度時(如達到50 m/s以上)，砂輪的堵塞量反而大大下降。因此磨削加工時選擇砂輪速度最好避開20m/s至50m/s這個速度。 工件速度 實驗表明，工作速度提高一倍，砂輪堵塞量增加三倍。因為工件速度愈高，磨粒負荷愈大， 磨粒切入深度就愈淺，切屑截面積變小，當磨削厚度增大，磨粒鈍化加重，加大砂輪對工件 磨削層的擠壓，相當于砂輪特性變硬，因而會加劇砂輪的堵塞。 磨削方式 在磨削方式上，凡是增大砂輪與工件接觸面積的磨削均會加劇砂輪的堵塞。這是因為砂輪與工件接觸面積大，磨粒切削刃會在同一磨痕上多次劃擦，使工件上磨削層強化加劇，冷卻液 又難以進入磨削區，磨削熱量多、溫度高，為堵塞創造條件，易產生化學粘著性堵塞和嵌入 性堵塞。如端磨比周磨易堵塞，橫向切入磨削比縱向磨削堵塞嚴重。 徑向切入量 徑向切入量對砂輪堵塞的影響呈駝峰趨勢。當徑向切入量較小時，(ap＜0.01mm)產生堵塞現 象，隨著切入量的增加，平均堵塞量也增加，當切入量大到一定程度(ap=0.03mm)時，堵塞 量又呈減小趨勢，之后隨著切入量的繼續增加(達ap=0.04mm)時，堵塞量又急劇上升。 磨削液 不同的磨削液對磨削效果影響很大，目前通用的乳化液含有大量礦物油和油性添加劑，稀釋 后呈水包油乳白色液體，它的比熱容和導熱系數小，在劇烈摩擦過程中很容易造成砂輪與工 件間的粘附磨損和擴散磨損，使砂輪堵塞，磨削力增大，最后引起磨料過早破碎和脫落，使 磨削比降低。因此，選用優良的磨削液對改善磨削性能有重要作用。 總之，砂輪的粒度、硬度、組織、砂輪的速度、工件的速度、磨削方式、切削深度及磨削液 等是磨削過程中諸現象及磨削結果的重要參數。因此，對影響砂輪堵塞等各種因素進行分析 研究，對磨削用量等參數進行單因素、多因素實驗，建立優化合理的磨削參數并總結出規律 ，是指導生產的一種有效方法，也是磨削加工技術中應該重點研究的內容之一。