磨削加工中砂輪堵塞過程及機(jī)理的研究

    磨削加工是一種歷史悠久、應(yīng)用廣泛的金屬切削方法。在國(guó)內(nèi)，目前主要應(yīng)用在傳統(tǒng)刀具難以切削的硬質(zhì)材料以及精度、表面質(zhì)量要求高的零件的加工。隨著大量新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用 以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展所帶來的對(duì)零件精度、質(zhì)量的新要求，磨削加工應(yīng)用的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)超過其他傳統(tǒng)加工方法。在國(guó)外，磨削加工已廣泛地應(yīng)用在毛坯直接加工，在很多方面取代了傳統(tǒng) 的切削方法，磨床的數(shù)量也達(dá)到機(jī)床總數(shù)的60％左右。磨削加工中，不僅磨粒的尺寸、形狀和分布對(duì)加工起著重要作用，往往在加工韌性金屬時(shí)，出現(xiàn)砂輪的急劇堵塞鈍化，導(dǎo)致砂輪 壽命過早結(jié)束，要避免砂輪堵塞鈍化和由此產(chǎn)生的不利影響，研究砂輪的堵塞機(jī)理、過程十分有必要。
    一、磨屑的形成磨削過程是一個(gè)復(fù)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(zhì)量和精度。砂輪是一個(gè)由磨料、結(jié)合劑經(jīng)壓坯、干燥、燒結(jié)而成的疏松體 ，其中的單個(gè)磨粒就是一把微小的切削刃，有很大的負(fù)前角和刃口鈍圓半徑。高速運(yùn)動(dòng)的磨粒經(jīng)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(qū)內(nèi)被加熱到很高的溫度(如中碳鋼材料可達(dá)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(shí)，通過掃描電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)大量球狀磨屑，當(dāng)然還伴隨著帶狀、節(jié)狀磨屑以及灰燼，這些磨屑有不少部分將會(huì)填充到砂輪氣孔中，依附在磨料的四周 ，引起砂輪的堵塞，導(dǎo)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(jī)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(tài)。依附型堵塞是磨�？繒簳r(shí)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(jié)劑上�；旌闲投氯�是以上三種類型在某一微小部位的集合或?qū)蛹��?嵌入型和依附型堵塞的機(jī)理嵌入型和依附型堵塞屬于磨屑機(jī)械性地填充在砂輪空隙中產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象。填充的動(dòng)力來自兩個(gè)方面，一個(gè)是外來的，一個(gè)是內(nèi)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(gè)很重要的特點(diǎn)，徑向磨削分力Fy大于切向分力Fz，F(xiàn)y/Fz≥2～10，工件材料愈硬，塑性愈小，F(xiàn)y/Fz比值愈大，這樣磨削區(qū)的磨屑在強(qiáng)大的正壓力作用下， 被機(jī)械地?cái)D進(jìn)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(qū)域堆積著數(shù)層磨屑，在磨粒的后面，由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)的作用，形成一個(gè)氣流旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的空氣壓力顯著減小，在負(fù)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(shù)是灰燼和微粒。 靜電場(chǎng)的作用：砂輪與工件的相對(duì)速度是V砂遠(yuǎn)大于V工，普通磨床的V秒=3～50m/s， 我國(guó)高速磨床磨削速度的成熟數(shù)值為50～80/s，國(guó)外的試驗(yàn)速度達(dá)200m/s～250m/s，工件 的速度在1.5m/s以下。砂輪與工作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在磨削區(qū)內(nèi)，砂輪與工件表面將會(huì)因電子逸出的原因出現(xiàn)按一定規(guī)律排布的電荷。同時(shí)，磨削區(qū)內(nèi)的氣體也會(huì)因高溫作用導(dǎo)致被激放 電，使中性氣體電離成正離子和電子。在磨削區(qū)某些小區(qū)域內(nèi)形成了由砂輪和工件組成的小電場(chǎng)，在電場(chǎng)內(nèi)，有中性原子、正離子、電子、雜質(zhì)、粉塵，不僅有中性原子被電離的過程 ，還有正離子與電子復(fù)合的過程。在電場(chǎng)的作用下，部分磨屑將呈現(xiàn)極性，根據(jù)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(chǎng)強(qiáng)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(jī)械壓力，使已吸附在砂輪表面的磨屑能穩(wěn)定地嵌入砂輪表面的空隙之間。粘著型堵塞的機(jī)理磨削過程中的絕大部分輸入功率轉(zhuǎn)化為磨削熱，使磨削點(diǎn)溫度高達(dá)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(diǎn)的金屬氧化物，接著這些金屬氧化物在磨削 區(qū)高溫加熱呈融化狀態(tài)，覆蓋在砂輪表面，當(dāng)砂輪上的這部分表面再次參與磨削時(shí)，在磨削力的作用下，有的被擠開，有的強(qiáng)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(jī)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(huán)，加劇堵塞，直至磨粒破碎或脫落，這是熔化性粘結(jié)。不同元素之間的化學(xué)親和力是粘結(jié)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(dòng)能力增強(qiáng)，親和力加劇，當(dāng)具備一定條件時(shí)，就導(dǎo)致化學(xué)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(shí)，磨屑很快地粘附在磨粒上，并有向四周蔓延和長(zhǎng)大的趨勢(shì)，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(fù)雜化合物，這個(gè)過程說明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，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(huì)減輕，被磨削的工件表面質(zhì)量也有所提高，這是因?yàn)殁伜吞蓟�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(jìn)入磨削區(qū)時(shí)，大部分在摩擦、擠壓作用下脫落。
   三、砂輪自身對(duì)堵塞的影響磨料不同的磨料與工件材料的化學(xué)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(yīng)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(xué)親和作用，但磨削鈦合金， 堵塞則嚴(yán)重多了。磨料的熱穩(wěn)定性對(duì)堵塞也有舉足輕重的影響，熱穩(wěn)定性好的磨料比熱穩(wěn)定 性差的堵塞輕的多。如用立方氮化硼磨料磨削鈦合金時(shí)，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(xì)，砂輪單位周長(zhǎng)內(nèi)磨粒粒度數(shù)愈多，愈均勻，氣孔的數(shù)目也 愈多，但單個(gè)氣孔的體積就愈小，在相同磨削參數(shù)下，細(xì)砂輪容易堵塞。在半精磨和精磨時(shí)，切入次數(shù)多，切入量小，溫度低，堵塞輕，常選擇細(xì)砂輪。在粗磨時(shí)， 切入量大，磨削溫度高，堵塞在孔隙的磨屑、熔結(jié)物多，應(yīng)選擇粗砂輪。粘結(jié)劑與硬度砂輪的硬度指磨粒脫落的難易程度，由粘結(jié)劑的強(qiáng)度予以保證，它們對(duì)砂輪堵塞影響較大。 粘結(jié)劑強(qiáng)度愈高，砂輪硬度愈大，磨粒磨鈍量就愈多，磨粒脫落前對(duì)工件的劃擦、擠壓愈加 嚴(yán)重，磨屑更容易機(jī)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(duì)工件材料的 摩擦、擠壓，同時(shí)磨屑在這個(gè)過程中得以強(qiáng)化，這個(gè)過程還伴隨產(chǎn)生更多的摩擦熱，摩擦熱 為粘結(jié)性堵塞提供熔結(jié)物。因此砂輪硬度越高，堵塞越嚴(yán)重。所以在磨削難加工工件材料時(shí) ，應(yīng)選擇軟一點(diǎn)的砂輪。砂輪組織砂輪組織反映了磨料、粘結(jié)劑、氣孔之間的比例關(guān)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(shí)應(yīng)選 擇組織號(hào)為7-8級(jí)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(fù)雜，當(dāng)砂輪從28.8m/s提高到33.6m/s時(shí)速度只提高了16%，而堵塞 量增加了三倍。因?yàn)樯拜喚�速度的增加使磨粒的最大切深減小，切屑截面積減小，同 時(shí)切削次數(shù)和磨削熱增加，使得堵塞量增加。但是當(dāng)砂輪線速度高到一定程度時(shí)(如達(dá)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(shí)選擇砂輪速度最好避開20m/s至50m/s這個(gè)速度。工件速度實(shí)驗(yàn)表明，工作速度提高一倍，砂輪堵塞量增加三倍。因?yàn)楣ぜ�速度愈高，磨粒�?fù)荷愈大， 磨粒切入深度就愈淺，切屑截面積變小，當(dāng)磨削厚度增大，磨粒鈍化加重，加大砂輪對(duì)工件 磨削層的擠壓，相當(dāng)于砂輪特性變硬，因而會(huì)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(huì)加劇砂輪的堵塞。這是因?yàn)樯拜喤c工件接觸面積大，磨粒切削刃會(huì)在同一磨痕上多次劃擦，使工件上磨削層強(qiáng)化加劇，冷卻液 又難以進(jìn)入磨削區(qū)，磨削熱量多、溫度高，為堵塞創(chuàng)造條件，易產(chǎn)生化學(xué)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(yán)重。 徑向切入量徑向切入量對(duì)砂輪堵塞的影響呈駝峰趨勢(shì)。當(dāng)徑向切入量較小時(shí)，(ap＜0.01mm)產(chǎn)生堵塞現(xiàn) 象，隨著切入量的增加，平均堵塞量也增加，當(dāng)切入量大到一定程度(ap=0.03mm)時(shí)，堵塞 量又呈減小趨勢(shì)，之后隨著切入量的繼續(xù)增加(達(dá)ap=0.04mm)時(shí)，堵塞量又急劇上升。 磨削液不同的磨削液對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)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(kuò)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(yōu)良的磨削液對(duì)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(xiàn)象及磨削結(jié)果的重要參數(shù)。因此，對(duì)影響砂輪堵塞等各種因素進(jìn)行分析 研究，對(duì)磨削用量等參數(shù)進(jìn)行單因素、多因素實(shí)驗(yàn)，建立優(yōu)化合理的磨削參數(shù)并總結(jié)出規(guī)律 ，是指導(dǎo)生產(chǎn)的一種有效方法，也是磨削加工技術(shù)中應(yīng)該重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。