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磨削加工中砂輪堵塞的探討
添加時間:2020-10-22
  磨削加工是一種應用廣泛的金屬切削方法,主要加工傳統刀具難以切削的硬質材料以及表面質量、尺寸精度要求高的材料。隨著大量新材料的出現和運用對零件精度、質量的要求,磨削加工應用的增長幅度超過其他傳統加工方法。磨削加工中,磨粒的尺寸、形狀和分布對加工起著重要作用,但在加工韌性金屬時,出現砂輪急劇堵塞鈍化,導致砂輪壽命縮短,為避免砂輪堵塞鈍化和產生的不利影響,分析砂輪堵塞機理、成因非常必要。
  1.磨屑的形成
  磨削過程是通過切除一定量的工件材料獲得較髙表面質量和精度,常用刀具為砂輪。砂輪是由磨料、結合劑經壓坯、干燥、燒結而行成的疏松體,其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了短而薄的切屑,這些磨屑在磨削區內被加熱到很高的溫度,然后被氧化和熔化,而固化成微粒球體,在球體面上還有某些叉枝,是一種主要磨屑形式。磨削耐酸不銹鋼Cr20Ni24Si4Ti時,發現大量球狀磨屑,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。
  2.砂輪堵塞的類型和機理分析
  2.1砂輪堵塞的類型
  砂輪堵塞的類型有嵌入型、粘著型和混合型。嵌入型堵塞是磨屑嵌塞在砂輪工作表面空隙處的堵塞狀態;粘著型堵塞是磨屑熔結在磨粒及結合劑上的堵塞狀態;混合型堵塞是既有嵌入型堵塞又有粘著型堵塞。
  2.2嵌入型堵塞的機理分析
  外來因素:磨削加工有一個很重要的特點,一般Fy/Fz大于2?10,工件材料愈硬,塑性愈小,比值愈大,磨削區的磨屑在強大的正壓力作用下,被機械擠進砂輪表面的空隙里。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,在砂輪高速旋轉的作用,磨粒后面形成氣流旋渦區,旋渦區的空氣壓力顯著減小,在負壓力作用下,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:在磨削區某些小區域內形成了有砂輪和工件組成的小電場,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。借助于砂輪與工件之間較大的機械壓力,使己吸附在砂輪表面的磨屑能穩定地嵌入砂輪表面空隙之間。
  2.3粘著型堵塞的機理分析
  熔化性粘結:磨削過程中絕大部分輸入功率轉變為磨削熱,使磨削點溫度高達1200k以上,磨屑遇空氣快速氧化,形成低熔點的金屬氧化物,在磨削區高溫加熱呈熔化或微熔狀態,覆蓋在砂輪表面,當砂輪上這部分表面再次參與磨削時,在磨削力的作用下被擠開或強化,增加了與砂輪的親和力和附著力,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,磨粒四周粘附許多磨屑,使磨削力增大,同時溫度升高,由此引起惡性循環,加劇堵塞,直至磨粒破碎或脫落。
  化學性粘結: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髙溫下接觸,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應,使磨粒和磨屑在砂輪表面生成一種喪失切削能力的晶體。
  3.砂輪自身對堵塞的影響
  3.1磨料種類
  不同砂輪堵塞程度差別很大,從減少堵塞程度,改善磨削效果來看,不同的工件材料,應選用不同的磨料種類。如果選用的磨料不能適應工件材料的磨削性能,就容易產生急劇堵塞,使加工無法正常進行。如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,但如磨削鈦合金,堵塞則嚴重的多。有的工廠磨床上的砂輪久用不換,能磨萬物,好似節約、方便,實際上損失了效率和精度。
  3.2磨料粒度
  磨料粒度對砂輪堵塞有一定影響,一般來說細粒度比粗粒度容易產生堵塞現象。因為細粒度砂輪的孔隙容積和磨屑截面積都小,細粒度砂輪的切刃數增加,切屑也多,加上磨削溫度升高等原因,在切入次數較小的范圍內,細粒度砂輪容易堵塞。隨著切入次數的增多,粗粒度的砂輪與細粒度砂輪相比,切入的深度要大,磨粒切刃磨損量就大,且磨削溫度上升,在孔隙里的切屑熔結物就增多。到一定次數后,粗粒度砂輪的堵塞量反而要超過細粒度砂輪的堵塞量。半精磨和精磨時,切入量小,溫度低,堵塞輕,選擇細砂輪;粗磨切入量大,溫度高,堵塞在空隙的磨屑、熔結物多,選擇粗砂輪。
  3.3砂輪的硬度
  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。粘結劑強度愈高,砂輪硬度也愈大,磨粒磨鈍量就愈多,磨粒脫落前對工件的滑擦、擠壓愈加嚴重,磨屑更容易機械地填充到砂輪空隙中去,同時還伴隨著產生更多的摩擦熱,摩擦熱為粘結性堵塞提供熔結物。因此砂輪的硬度對堵塞量影響較大,砂輪越硬,堵塞量越大。一般情況下,砂輪硬度選用G?H,在一些難加工的材料中,也采用D?0的硬度。
  3.4砂輪組織
  砂輪組織反映了磨料、粘結劑、氣孔三者之間的比例關系。砂輪組織越密,工作得磨粒數越多,切削刃間距離變小,砂輪更容易堵塞。含有45%磨料的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半;含有53%磨料的砂輪比含49.2%磨料的砂輪磨削工件的堵塞量高二倍。在磨削難加工材料時應選擇組織號為7至9號的砂輪,大氣孔的砂輪就大氣孔砂輪效果較好。
  4.磨削條件的影響
  4.1砂輪線速度
  砂輪線速度的增加使磨粒的最大切深減少,切屑截面積減小,同時切削次數和磨削熱增加,這兩個因素均使堵塞量增加,但是當砂輪線速度高達一定程度時(如達50m/s以上)砂輪的堵塞量反而大大下降。在生產中磨削不銹鋼、高溫合金時,50m/s砂輪速度比30m/s砂輪的堵塞量減少30%?100%。因此,在磨削難磨材料時,要么采用低于20m/s的速度,要么采用高于50m/s的速度,選在其之間的磨削速度對砂輪的堵塞是很不利的。對于各種工件材料來說,各有一定的其堵塞量小的臨界砂輪速度值。
  4.2工件速度
  工件的速度對砂輪堵塞程度的影響,與切削條件中其他因素有密切關系。工件線速度提高一倍,砂輪堵塞量增加三倍。這是因為工件速度越高磨粒切入深度就越淺,切屑截面積變小,相當于砂輪特性變硬,故容易引起砂輪堵塞。
  4.3磨削方式
  切入磨削比縱向磨削堵塞嚴重。在切入磨削時,砂輪與工件間接觸面積大,磨粒切削刃在同一條磨痕上要擦過幾次,磨削液進入磨削區困難,磨削時熱量高,易造成堵塞??v磨接觸工件材料的是砂輪一側緣,當磨損面增大到一定程度時,在磨削力作用下磨粒破碎、斷裂,實現自銳。大多數磨粒能處于鋒利狀態下工作,使磨削力和磨削熱相對來說較低。同時,受磨削力和磨削熱影響區的相當一部分可以順縱磨方向排出到工件之外,故降低了發生化學粘附的可能性。
  4.4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,當切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)時,堵塞量又呈減少趨勢,之后隨著切入量的繼續增加(達到ap=0.04mm)時,堵塞量又急劇上升。在磨削難磨材料時,控制最后一次徑向切入量,對于提高工件的表面質量和精度是至關重要的。
  4.5磨削溫度
  磨削時,凡是增加磨削熱、導致磨削溫度升高的因素,都會加劇砂輪的堵塞,堵塞形式主要是粘結型堵塞,當然也伴隨著擴散型堵塞。
  4.6砂輪修整速度
  砂輪修整速度對堵塞有明顯影響,當砂輪修整速度低時,砂輪工作表面平坦,單位面積內有效磨刀數增加,使切屑的截面積變小,切削數量增多,故容易產生堵塞。當砂輪修整速度髙時,砂輪工作面變粗,有效磨粒數減小,在砂輪表面出現凹部,起到孔隙作用,切屑易被沖走,熔結物容易脫落。
  4.7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之間的粘附磨損和擴散性磨損,使砂輪堵塞,磨削力增加,最后引起磨粒過早破碎和脫落,使磨削比降低。選用優良的磨削液對改善磨削性能有重要作用。
  5.結語
  砂輪堵塞是磨削加工中的普遍現象,無論加工條件選擇得如何合理,要完全防止堵塞是不可能的,只是程度上有所不同。砂輪種類和加工條件對砂輪堵塞有較大影響,但最主要的是被加工材料的物理、力學性能和有無磨削液。
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