張新國，王 濱

影響砂輪切削性能的原因及改善途徑

張新國1，王 濱2

（1.哈爾濱軸承集團公司，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團公司 技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱150036）

根據(jù)磨削加工中砂輪的形貌特征、切削機理及狀態(tài)變化, 分析了砂輪鈍化的原因，提出了改善砂輪磨削性能與加工效率的措施。

工件材料；砂輪鈍化；磨削性能；工藝參數(shù)

1 前言

在軸承套圈磨削加工過程中,所加工工件金屬表面材料被去除,脫落的金屬對砂輪的孔隙產(chǎn)生堵塞，使參與切削部分的磨粒產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，特別是加工不銹鋼、耐熱鋼（8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V）材料時，由于材料韌性比較大，易出現(xiàn)砂輪急劇堵塞，從而導(dǎo)致砂輪急劇鈍化，使零件加工效率及質(zhì)量下降，砂輪壽命縮短。為了避免砂輪過早鈍化，需要對砂輪鈍化的原因、機理進行有效的分析。

2 砂輪鈍化的產(chǎn)生機理

砂輪的鈍化是磨削加工不可避免的現(xiàn)象，無論工藝參數(shù)選擇得如何合理，要完全防止鈍化幾乎是不可能的，只是通過工藝參數(shù)控制、砂輪特性的選擇、改善加工條件等方法能夠使鈍化程度有所減輕。影響砂輪鈍化的主要因素是被加工材料的性能（抗拉強度、硬度、熱導(dǎo)率等）、砂輪特性、工藝參數(shù)及磨削液的正確使用等。不同的工件材料、加工條件、工藝參數(shù)等外在因素所造成的砂輪鈍化狀態(tài)是不同的，砂輪磨削加工過程中的堵塞是造成砂輪鈍化的主要原因之一。磨屑嵌塞在砂輪工作面空隙處的堵塞狀態(tài)稱為嵌入型堵塞，磨屑熔結(jié)在磨粒及結(jié)合劑上的堵塞稱為粘著型堵塞。砂輪工作面及空隙處，既有嵌入型堵塞又有粘著型堵塞，這種堵塞狀態(tài)稱為混合型堵塞。

通常用同一砂輪磨削不同材料時，砂輪的磨削性能和壽命是不一樣的。用白剛玉砂輪分別對退火GCr15鋼、淬火GCr15鋼、8Cr4Mo4V鋼、不銹鋼進行磨削時，通過高倍電子顯微鏡觀察不同材質(zhì)磨削后砂輪表面形貌，可以看出不同的工件材料對砂輪堵塞狀態(tài)的影響相差較大。磨退火GCr15鋼時，主要是長磨屑嵌塞在砂輪較大的氣孔內(nèi)；磨削淬火GCr15鋼時，砂輪工作面上全部空隙幾乎都嵌入了細磨屑，使磨粒的鋒刃因被包裹住而變短，很快失去切削性能而鈍化。有些磨屑熔結(jié)在部分磨粒和結(jié)合劑上，形成嵌入型堵塞造成砂輪鈍化。在磨削8Cr4Mo4V鋼時，在高倍電子顯微鏡觀察下可以看到磨屑熔結(jié)在部分磨粒和結(jié)合劑上，其表面有清晰的磨削擠壓過的痕跡，磨粒尖峰和空隙處都粘有磨屑，主要是粘著型堵塞和嵌入型堵塞的混合型堵塞。在粗進給磨削過程中，由于磨削速度較大，粘著型堵塞是磨屑在高溫下很快地黏附在磨粒的尖峰上，隨著這種黏附物迅速發(fā)展、長大，使工作磨粒、結(jié)合劑以及空隙處的表面都被黏附物封包起來造成砂輪鈍化，此時磨削條件迅速惡化，磨削力和磨削熱急劇增大，在砂輪磨削表面產(chǎn)生了較厚的變質(zhì)層，使殘留拉應(yīng)力增大，磨除工件材料的體積變小，同時加大了砂輪磨損，使砂輪耐用度降低、消耗的磨削功率增大、工件加工表面產(chǎn)生燒傷的幾率增大，磨削效率明顯下降。當磨削繼續(xù)進行，磨削力大到一定程度時，粘著的磨屑與磨粒一起脫落，露出了新的磨粒，切削性能開始進入最佳狀態(tài)。隨著磨削繼續(xù)進行，而黏附又在新的磨粒上開始，使得磨粒的切削刃被磨屑重新包裹住。此種情況周而復(fù)始地產(chǎn)生，使得砂輪產(chǎn)生周期性的鈍化。隨著粗進給結(jié)束，精進給開始。由于進給速度下降，磨粒的磨損和黏著程度急劇下降，使砂輪的切削性能明顯改善，降低了由于粗進給速度較大而產(chǎn)生的磨?？焖兮g化現(xiàn)象。用白剛玉砂輪磨削不銹鋼材料（如1Cr18Ni9Ti）時，同樣會出現(xiàn)磨屑急劇黏附磨粒的現(xiàn)象，在高倍電子顯微鏡下觀察，清除磨粒黏附物后磨粒表面殘留有較為明顯的化學(xué)反應(yīng)痕跡，雖然磨粒仍然保持有凸起的鋒刃，但經(jīng)過這種化學(xué)反應(yīng)的磨粒出現(xiàn)了許多皺折、微孔及殘留物，幾乎喪失了切削性能。之所以造成磨削不銹鋼、耐熱鋼等材料容易對砂輪產(chǎn)生粘著型堵塞，主要原因是由于鋼中的元素（如Ti）與白剛玉中的Al2O3在高溫下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)：3Ti+2Al2O3→3TiO2+4Al，形成了鈦氧化合物和一部分Al，這種化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的氧化物黏附在磨粒表面，同時鈦的氧化物和Al2O3在高溫、高壓下產(chǎn)生粘合，提高了對砂輪黏附的可靠性。由于以上原因，不銹鋼材料（如1Cr18Ni9Ti）在磨削時，砂粒與磨屑之間極易產(chǎn)生化學(xué)粘合現(xiàn)象，當磨粒鋒刃被黏附層包住后大大降低了磨削能力，磨削實際是在黏附的磨屑與工件表面間的滑動和擠壓過程中進行的，造成磨削熱急劇增加，在高溫、高壓、大摩擦力共同作用下，產(chǎn)生磨屑之間的壓焊過程，形成粘著型堵塞，砂輪很快鈍化。

3 砂輪磨削試驗分析

在對三點接觸球軸承套圈溝道磨削加工過程中,分別采用白剛玉砂輪和單晶剛玉、微晶剛玉砂輪加工試驗,對套圈溝道表面變質(zhì)層深度、表面殘余應(yīng)力進行檢測對比。

檢測軸承零件的材料為8Cr4Mo4V；變質(zhì)層檢測采用的儀器為VMH-I04型顯微硬度計，應(yīng)力測試儀器為X-350A型X射線應(yīng)力測定儀。

3.1白剛玉砂輪磨削試驗分析

采用白剛玉砂輪進行溝道磨削加工時,被磨削表面狀態(tài)檢測如下。

（1）套圈磨削表面應(yīng)力

套圈磨削表面殘余應(yīng)力的測試結(jié)果見表1。

表1 套圈磨削表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果

（2）磨削表面變質(zhì)層的深度和硬度

軸承零件工作表面變質(zhì)層的深度和硬度降測試結(jié)果見表 2。

表2 軸承零件磨削表面變質(zhì)層測量結(jié)果

3.2單晶剛玉、微晶剛玉砂輪磨削試驗分析

采用單晶剛玉、微晶剛玉砂輪進行溝道磨削加工時,被磨削表面狀態(tài)檢測如下。

（1）套圈磨削表面應(yīng)力

套圈磨削表面殘余應(yīng)力的測試結(jié)果見表 3。

表3 套圈磨削表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果

（2）磨削表面變質(zhì)層

軸承零件磨削表面變質(zhì)層的深度和硬度降測試結(jié)果見表 4。

表4 軸承零件磨削表面變質(zhì)層測量結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出，采用單晶剛玉、微晶剛玉砂輪磨削的加工表面，無論是套圈加工表面的殘余應(yīng)力還是變質(zhì)層深度所達到的數(shù)值，都好于采用白剛玉砂輪磨削的表面質(zhì)量。其主要原因就是前面所分析的磨削過程中白剛玉砂輪比較容易產(chǎn)生粘著型堵塞和嵌入型堵塞，使磨刃鈍化，造成砂輪對工件加工表面的擠壓和強烈的摩擦，從而產(chǎn)生較大的磨削熱，影響了被磨削表面的加工質(zhì)量。

4 影響砂輪切削性能的因素及改善途徑

首先，不同的工件材料要選擇不同的磨料種類。磨削GCr15鋼時，選用價格便宜、切削性能較好的白剛玉、棕剛玉磨料，能夠有效提高生產(chǎn)效率，降低加工成本；磨削8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V鋼時，選用多角多棱單晶體、切削能力強的單晶剛玉磨料以及晶體尺寸?。?.28mm左右）、強度高、具有良好自銳性的微晶剛玉磨料，能夠明顯減少采用白剛玉砂輪所出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象，提高加工效率。

其次，磨料粒度的大小對砂輪磨削性能有較大影響，一般情況下細粒度砂輪比粗粒度砂輪容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。因為粒度小砂輪空隙容積小、切刃數(shù)增加、切屑數(shù)量多、體積小，加之磨削溫度升高等原因，使砂輪空隙內(nèi)、磨粒和結(jié)合劑上的切屑及熔結(jié)物數(shù)量較多，形成砂輪堵塞。另外，砂輪硬度及組織對磨削性能影響也較大，砂輪越硬，堵塞量越大,一般情況下砂輪硬度采用D（超軟）～Q（中硬）等級段。同時，砂輪組織越密，參與工作的磨粒數(shù)越多，切削刃間距離越短，越容易堵塞。在磨削易產(chǎn)生堵塞的加工材料（如8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V鋼、不銹鋼等）時，一般選用7～8級組織大氣孔砂輪，磨削效果較好。

除砂輪本身特性外，工藝參數(shù)對砂輪磨削性能也有明顯影響。在磨削8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V鋼、不銹鋼時，砂輪線速度提高后使磨粒的切削次數(shù)和磨削熱增加，使砂輪堵塞增加，但是當砂輪線速度提高到50m/s時，由于單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)明顯增多，磨粒上承受的切削負荷減少，每個磨粒的切削能力可相對地延長，砂輪的堵塞反而明顯下降。其次，砂輪修整速度對砂輪磨削性能也有明顯影響。砂輪修整是為了去除鈍化的磨粒，露出新的磨粒和空隙。砂輪隨著修整頻率和修整速度的提高，其磨削性能相應(yīng)提高，因為提高修整頻率可以及時去除鈍化的磨粒，露出鋒利的刃口。同時對砂輪修整的速度快慢也是改善切削性能的有效手段，砂輪修整速度越低，砂輪參與磨削的工作面越平坦，單位面積內(nèi)有效磨刃數(shù)增加，切屑數(shù)量增多，容易對砂輪造成堵塞。當修整速度高時，砂輪參與磨削的工作面變粗，有效磨粒數(shù)減少，在砂輪表面形成凹陷部分增多，切屑易被沖掉，熔結(jié)物易脫落，因此在能夠滿足加工質(zhì)量要求的前提下，為減少砂輪堵塞，盡量提高砂輪修整速度。另外，工件線速度及磨削液的選擇對磨削性能也有較大影響，工件線速度提高，磨粒切入深度就會變淺，切削截面積變小，相當于砂輪變硬，砂輪堵塞量就會增加，工件磨削表面出現(xiàn)因磨不下去材料產(chǎn)生振動而形成棱波形象。同時，磨削液的選擇對磨削性能影響更為明顯，通用的乳化液是由礦物油和油性添加劑稀釋后呈水包油乳白色，它具有較好的潤滑、防銹功能，但冷卻效果差，在磨削過程中由于劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫容易造成工件與砂輪間的黏附磨損，使砂輪鈍化，磨削性能下降。與乳化液相比，化學(xué)合成液浸潤性能及冷卻性能較好。在對8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V鋼磨削加工中采用馬斯特315化學(xué)合成冷卻液，對磨削表面變質(zhì)層及表面應(yīng)力控制取得了良好的效果。因此選擇能夠改善砂輪磨削性能的磨削液是提高磨削質(zhì)量的重要因素。

5 結(jié)束語

通過對砂輪鈍化過程的分析，明確了影響砂輪切削性能的內(nèi)在原因之一是磨削過程中砂輪的堵塞，使砂輪鈍化。通過采取減少砂輪堵塞的措施，減輕了砂輪的鈍化，改善砂輪的磨削性能，提高生產(chǎn)效率及工件加工質(zhì)量。

（編輯：鐘 媛）

Reasons of affecting cutting performance of grinding wheel and improving way

Zhang Xinguo1,Wang Bin2
(1.Harbin Bearing Group Corporation,Harbin 150036,China;2.Technical Center, Harbin Bearing Group Corporation,Harbin 150036,China)

According to the characteristics of morphology, grinding wheel cutting mechanism and change of state, the reason of passivation was analyzed, and the improvement measures of grinding performance and machining effciency for grinding wheel were put forward.

part material; grinding wheel passivation; cutting performance; technology parameter

TG 580.63

B

1672-4852（2015）01-0016-03

2015-02-10.

張新國（1960 -），男，工程師.