磨削加工中砂轮堵塞钝化问题的研究

天若有情

导读：现代机械产品对零件表面质量要求愈来愈高，要求极低的表面粗粉度值，残余应力及表面变质层。磨削表面的波纹，残余应力、加工硬化层、烧伤及裂纹等缺陷是磨削加工中常见的质问题，对砂轮堵塞钝化形成的机理和影响堵塞钝化的各种因素进行分析研究，正确地选择和使用砂轮，采取合理的工艺参数，防止磨削加工中产生各种缺陷，提高磨削表面的完整性，是磨削技术中重点研究的内容之一。
+ a* ~2 v( Y# b  I& K; C6 O2 Z: T+ Q　　磨削加工中，不仅磨粒的尺寸、形状和分布对加工过程有影响，而且砂轮的气孔状况也起着重要的作用，往往在加工韧性金属时，出现砂轮的急剧堵钝化，导致砂轮寿命过早结束，要避免砂轮的堵塞钝化和由此产生的不利因素，对产生堵塞钝化的机理、过程、原因及应采取的工艺措施进行讨论是十分必要的。
　　一、砂轮堵塞钝化的形成机理：
: [( E# c: T' `( V　　嵌入型堵塞主要是磨屑机械地侵嵌在砂轮空隙里，其中磨屑与磨粒之间并无化学粘着作用发生。而粘着型堵塞的形成过程则是磨屑与磨粒之间产生化学粘合，然后磨屑之间在机械粘力和压力作用下相互熔焊（见图1）在磨削碳钢时，当磨粒在金属表面上摩擦或磨削时，磨粒的磨损就开始了，即磨粒的锋利边沿开始被磨去，这就在磨粒上形成一个平面。该平面变得越来越大，以致于作用在磨粒上的摩擦力大得足以引起砂轮表面砂粒脱落或断裂，从而露出新的磨削刃。这时砂轮的堵塞是磨屑嵌塞在空隙处而形成的嵌入型堵塞。在磨前钛合金时，磨屑则很快地粘附在磨粒的尖峰上。随着这种粘附物迅速发展，长大使工作磨粒，粘合剂以及空隙处的表面都被粘附物封包起来。这时磨削条件迅速恶化，磨削力和磨削热剧增，工件表面质量也明显恶化当继续磨下去磨削力大到一定程度时，粘附着的磨屑与磨粒一起脱落，露出了新的磨粒面粘附又在新的磨粒上开始。在这个过程中，磨粒的切削刃几乎没有什么磨损的痕迹就被磨屑封包住。在这种堵塞钝化的情况下，为了使磨削进行下去，无论是修整砂轮，还是硬挤掉表层砂粒，都有将加速砂轮的损耗，这就是切屑熔结在磨粒及结合剂上的粘着型堵塞，也就是为什么钛合金在磨削时磨削比低的主要原因。现以磨削钛合金为例，试验已证明，在磨削钛合金时在磨削界面上形成的是TiO2和Ti2O3组成氧化物，其堵塞钝化的形成主要有以下几点：
: t% ~  W, l2 D; v6 l; h　　砂轮堵塞钝化示意图略：
8 W% P) {+ E5 Z9 p' Z　　1、钛合金在磨削过种中，由于磨削温度的作用，易生成TiO2和Ti2O3,这种氧化物硬度与刚玉砂轮Al2O3基本相当，这种硬度一致的材料在高温高压下易产生粘合现象；
　　2、氧化物Ti2O3和刚玉Al2O3晶体的结构相同，点阵参数相近，所以Al2O3和Ti2O3之间有很好的亲和力；
0 ~8 e* a- [% a$ `& v　　3、Ti元素化学活性大，易和碳、氮、氧生成化合物、这种化合物又易与Al2O3形成一种钛酸铝的固溶，Al2O3.Ti2O3 使钛与刚玉有了较强的结合，形成了新的化合物；
+ s! Y  g0 h, n! g/ {　　4、钛的氧化物和刚玉的热膨胀率很接近，更提高了对刚玉粘附的可靠性。由于上述各种原因，使钦合金在磨削时，砂粒与磨屑之间极易产生化学粘合现象，造成砂轮堵塞钝化。当磨粒刀口被第一层化学粘附层包住后，大大减少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑与待加工表面间的滑动和挤压过程中进行，磨削力和磨削热都剧增，这种高温，高压、高摩擦力的状态，促成了切屑与切屑之间的压焊过程，这种多个单元切屑多次的相互压焊、形成了砂轮的堵塞钝化。
　　二、砂轮堵塞钝化的因素分析及防止措施
　　在磨削过程中，砂轮工作表面的磨粒会逐渐磨钝堵塞，砂轮磨钝堵塞后，磨削力增大，磨削温度上升，发生颇振与烧伤，使被加工零件的表面完整性受到极大影响。同时，砂轮的堵塞钝化也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状，使加工精度降低。砂轮的堵塞钝化是一个比较复杂的问题，这是因为磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，且在磨削过程中会产生破碎使磨粒切削刃自锐。此外砂轮结合剂的破碎，也使磨粒产生脱落，况且在磨削过程中的磨粒破碎和脱落是连续不断进行又是随机的，因此，砂轮堵塞连续不断进行又是随机的，因此，砂轮堵塞钝化问题是一个十分复杂的问题，笔者根据生产的经验仅对影响砂轮堵塞钝化的主要因素进行分析以及防止砂轮过早堵塞钝化应采取的工艺措施进行探讨。
　　磨料种类：
8 [& L( f/ L* H( J% F" t　　不同的砂轮其堵塞钝化程度差别较大，从减少堵塞程度，改善磨削效果来看，不同的工件材料，应该选用不同的磨料种类，例如棕刚玉（A）适用于磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜；白刚玉（WA）适用于磨削淬火钢，普通高速钢；铬刚玉（PA）适用于磨削淬火钢，轴承钢，高速钢；锆刚玉（ZA）适用于磨削高温合金、钛合金，奥氏体不锈钢和高钒高速钢；微晶刚玉（GW）适用于磨削不锈钢，轴承钢和球墨铸铁；镨铷钢玉（NA）适用于磨削球墨铸铁，高磷和高锰铸铁及高钡高速钢；绿色碳化硅（GC）适用于磨削硬质合金等；立方氮化硼（CBN）能磨削既硬又韧的淬火钢和高钼高钒、高钴的高速钢以及各种难磨削材料，如果所选用的磨料不能适应工件材料的磨削性能，就易产生急剧堵塞钝化，使加工无法正常进行。
　　磨料粒度：
　　磨料粒度对砂轮堵塞钝化有一定影响。一般来说细粒度比粗粒度容易产生堵塞现象。用WA46ZR1的砂轮与WA60K1的砂轮比较，在同样条件下，后者堵塞量大。但是用WA20M和WA60M的砂轮比较，到一定的切入次数（125次）后，前者的堵塞量反而减少。因为细粒度砂轮的孔隙容积和磨屑截面积都小、细粒度砂轮的切刀数增加，切屑也多，再加上磨削温度升高等原因，因此在切入次数较小的范围内，细粒度砂轮在孔隙内，磨粒和结合剂上的切屑以及切屑熔结物大小的数量就大，随着切入次数增多， 粗粒度砂轮与细粒度砂轮相比， 切入深度要大，磨粒切刃磨损量就大，且磨削温度上升，在孔隙里的切屑熔解物就增多，到一定次数后，粗粒度砂轮的堵塞量反而要超过细粒度砂轮的堵塞量。
3 U! F! d+ ^/ E# a0 l4 G2 p　　砂轮的硬度：
. v+ J4 h8 [- Y$ g% k- u' {# I　　砂轮的硬度对堵塞钝化影响较大，一般来说，砂轮越硬，堵塞钝化越严重，一般情况下砂轮硬度选用K~L,在一些难加工材料中，也常采用G~T的硬度。
( U5 T) B  j7 b8 O　　砂轮组织：
0 b: z: L" R* T' d# }$ B　　砂轮组织越密，工作的磨粒数越多，切削刃间距离变短，越容易堵塞，含有45%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半；含有53%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高两倍。在磨削易产生堵塞的难加工材料时，一般选用7~8级组织，大气孔砂轮磨削效果较好。
4 w% E, H2 W4 z* |" b8 z　　砂轮线速度：
3 O. ]- r0 z7 ~% |( W　　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，这两个因数均使堵塞量增加，但是当砂轮线速度高达一定程度时（如达50m/s以上）砂轮的堵塞量反而大降低。生产实践表明在磨削不锈钢、高温合金时，55m/s的砂轮速度比30m/s砂轮的堵塞量减少30%~100%.因此，在磨削难加工材料时，要么采用低于20m/s的速度，要么采用高于50m/s的速度，选在其之间的磨削速度对砂轮的堵塞是很不利的。当然，对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量最小的临界砂轮速度值。
0 O, b& ]5 z1 a9 v! i4 l' ~　　径向切入量：
6 P+ b" G6 H4 F2 ~* }) u　　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，当切入量增加到一定程度（ap=0.03mm）时， 堵塞量又呈减少趋势，之后随着切入量的继续增加（ap=0.04mm）时，堵塞量又急剧上升，这是因为当切入量较小时，由于材料的塑韧性大，磨粒圆角半径的作用，使磨削时切不进金属基体，而是在表面滑擦挤压，结果导致磨削力磨削热升高，使砂轮易堵塞。另外，径向切入量小，磨粒切入深度浅，切屑截面积小，磨钝的磨粒不易脱落，故易形成堵塞。当切入量从0.01mm增大到0.02mm时，堵塞量增加的原因是此时磨粒同时工作的切刃数随着切入量的增加而增加，结果导致磨削力升高，磨削热增大，使嵌在孔隙里的切屑易互熔结量增大，堵塞量就呈现出ap=0.02mm的堵塞比ap=0.01mm时大一倍的现象。当切入量继续增加，由0.02mm增加到0.03mm时，砂轮的堵塞量减小，原因是在该切深下，磨粒易切入基体，滑擦作用小。同样，切入量的增加使磨粒的磨刃数增加，磨削力和热均增加。但是此时切入量的增加使磨削发生微振，结果造成砂粒切刃破碎和脱落，堵塞量也就反而减少了。当切入量继续增大到0.04mm或以上时，大的切入深度所产生的切削力和大量的热不仅造成砂轮的磨损加剧，此时切屑更容易相互熔焊，造成堵塞量急剧增大现象。
0 S; [3 \! S, r4 [! _& Z　　总之，在磨削难磨材料时，控制和掌握最后一次径向切入量，对于提高工件的表面质量和精度是至关重要的，现场磨削常碰到这样的问题，当用0.05mm切入量作最后一次磨削不锈钢时，往往是砂轮在工作表面打滑，而始终达不到要求，继续磨削就会造成"啃伤"工作，甚至造成报废。而最后一次磨削采用0.02mm的径向进给量，工件表面的粗糙度值，精度往往能达到要求，其主要原因就是径向切入量对砂轮有较大影响之故。
# Z# A* r: f. }) K7 N6 p　　工作台速度：
4 r& }9 k# M9 k) h- X　　工作台速度从1.2m/min降低至0.5m/min时，砂轮堵塞量增大5倍。在0.5m/min条件下，产生细小切屑大部分侵嵌在孔隙里；当速度为1.2m/min时，产生长屑，只嵌压在大气孔里。因此，在同样的总磨量下，工作台速度对砂轮堵塞的影响是工作台速度越慢，磨粒磨削工件的次数就越多，从而被磨表面的温度就越高，堵塞量增加。
　　砂轮修整速度：
　　修整砂轮的目的，是排除钝化了的磨粒，露出新的磨粒，同时也出现新的空隙部分。砂轮修整速度对堵塞也有明显的影响。例如，砂轮用0.3m/s的修整速度比0.6m/min时的砂轮磨削的堵塞量增加了两倍，用0.5m/min的修整速度比1.22m/min时的堵塞量增加了10倍。这是因为砂轮修整速度低时，砂轮工作面平坦，单位面积内有效磨刃数增加，使切屑的截面积变小，切屑数量增多，故易产生堵塞。当砂轮修整速度高时，砂轮工作面变粗，有效磨粒数减少，在砂轮表面出现凹部，起到孔隙作用，切屑易被冲走，熔结物容易脱落。因此各种砂轮修整时均有一最佳的速度范围。
　　工作速度：
　　工件的速度对砂轮堵塞程度的影响，与切削条件中其他因素有密切关系。在所给的实验条件下，工件线速度提高一倍，砂轮堵塞量增加三倍。这是因为工件速度越高，磨粒切入深度就越浅，切屑截面积变小，相当于砂轮特性变硬，故容易引起砂轮堵塞。
　　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之间的粘附磨损和扩散性磨损，使砂轮堵塞钝化，磨削力增加，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。
　　磨削方式：
+ s, D! J% u* H3 s- N# J　　一般来说，切入磨削比纵向磨削堵塞严重。由于切入磨削时，砂轮与工件间接触面积大，磨粒切削刃在同一条磨痕上要擦过几次，加上冷却液进入磨削区因难，故磨削时热量高，易造成堵塞的条件。纵磨时首先接触工件材料的是砂轮一侧缘，接触面积小，冷却液容易进入磨削区，磨粒磨损只是发生在最先接触的一侧缘。当磨损面增大到一定程度时，在磨削力作用下磨粒破碎，断裂，实现自锐。大多数磨粒能处于锋利状态下工作，使磨削力和磨削热相对来说较低，同时受磨削力和磨削热影响区的相当一部分可以顺纵磨方向排除到工件之外，故降低了发生化学粘附的可能性，上述因素的综合影响使纵磨比切入磨的砂轮堵塞程度低一些。
, y* x" I7 ^  i: i% K5 f6 Q3 b1 ]( @; Z　　总之，砂轮的粒度、硬度、组织、砂轮的速度、工件速度、进给速度、磨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，对影响砂轮磨钝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，仍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。
1 L/ R. ?: h' m" i

中国人生

高手 用的上 可否推荐好的磨削液
" j& S, G) T. u

DavidZhong

感谢分享，正在研究这个问题

neusun

说的真好，是不是有配图啊？

*钢铁侠*

  经典的 分解、、、
这正是我在摸索  又没法表达出来的东西啊  、、、、
  文化水平  界定了  我的 层次。。。
      你的  加油啊 ，，，，，，，，，，，，，

zy2894

很详细，值得学习很有价值。
4 E  \8 l0 z& _' \, Z, ^( m

LB技术部

洗洗澡，拜读！正用得上，谢谢！

岁月无痕

楼主分析得很有道理！！

zhou0900203023

楼主有心了，果然是磨削行家，膜拜你

12315

q强！！果然精辟

254861548

说得真好，

颓废天堂

学习中，谢谢高人指点

nhlkcjs

厉害，一口气看完{:soso_e115:}

领跑者

高手 是原创吗

星辰

正在为前两天磨削钛合金（表面相互压焊.啃伤）而发愁呢？多谢高手们指点。
7 q" |9 W5 ?1 f0 z* m# Q6 h8 h/ M( |

君为红颜醉

牛人啊！！！

北平丰子

一口气拜读完，太经典了，向您致敬

ZHENG天天

{:soso_e142:}

nba731006

楼主分析得很有道理！！
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