磨削加工中砂輪堵塞的探討
磨削加工是一種應(yīng)用廣泛的金屬切削方法，主要加工傳統(tǒng)刀具難以切削的硬質(zhì)材料以及表面質(zhì)量、尺寸精度要求高的材料。隨著大量新材料的出現(xiàn)和運(yùn)用對(duì)零件精度、質(zhì)量的要求，磨削加工應(yīng)用的增長(zhǎng)幅度超過(guò)其他傳統(tǒng)加工方法。磨削加工中，磨粒的尺寸、形狀和分布對(duì)加工起著重要作用，但在加工韌性金屬時(shí)，出現(xiàn)砂輪急劇堵塞鈍化，導(dǎo)致砂輪壽命縮短，為避免砂輪堵塞鈍化和產(chǎn)生的不利影響，分析砂輪堵塞機(jī)理、成因非常必要。
1.磨屑的形成
磨削過(guò)程是通過(guò)切除一定量的工件材料獲得較髙表面質(zhì)量和精度，常用刀具為砂輪。砂輪是由磨料、結(jié)合劑經(jīng)壓坯、干燥、燒結(jié)而行成的疏松體，其單個(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)磨粒經(jīng)過(guò)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(qū)內(nèi)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(shí)，發(fā)現(xiàn)大量球狀磨屑，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。
2.砂輪堵塞的類(lèi)型和機(jī)理分析
2.1砂輪堵塞的類(lèi)型
砂輪堵塞的類(lèi)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(tài);粘著型堵塞是磨屑熔結(jié)在磨粒及結(jié)合劑上的堵塞狀態(tài);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(jī)理分析
外來(lái)因素：磨削加工有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，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(qū)的磨屑在強(qiáng)大的正壓力作用下，被機(jī)械擠進(jìn)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(qū)域堆積著數(shù)層磨屑，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)的作用，磨粒后面形成氣流旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的空氣壓力顯著減小，在負(fù)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(shù)是灰燼和微粒。
靜電場(chǎng)的作用：在磨削區(qū)某些小區(qū)域內(nèi)形成了有砂輪和工件組成的小電場(chǎng)，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。借助于砂輪與工件之間較大的機(jī)械壓力，使己吸附在砂輪表面的磨屑能穩(wěn)定地嵌入砂輪表面空隙之間。
2.3粘著型堵塞的機(jī)理分析
熔化性粘結(jié)：磨削過(guò)程中絕大部分輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠幔鼓ハ鼽c(diǎn)溫度高達(dá)1200k以上，磨屑遇空氣快速氧化，形成低熔點(diǎn)的金屬氧化物，在磨削區(qū)高溫加熱呈熔化或微熔狀態(tài)，覆蓋在砂輪表面，當(dāng)砂輪上這部分表面再次參與磨削時(shí)，在磨削力的作用下被擠開(kāi)或強(qiáng)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(guò)多次隨機(jī)磨削，磨粒四周粘附許多磨屑，使磨削力增大，同時(shí)溫度升高,由此引起惡性循環(huán)，加劇堵塞，直至磨粒破碎或脫落。
化學(xué)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髙溫下接觸，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)反應(yīng)，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(duì)堵塞的影響
3.1磨料種類(lèi)
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(lái)看，不同的工件材料，應(yīng)選用不同的磨料種類(lèi)。如果選用的磨料不能適應(yīng)工件材料的磨削性能，就容易產(chǎn)生急劇堵塞，使加工無(wú)法正常進(jìn)行。如用剛玉類(lèi)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，但如磨削鈦合金，堵塞則嚴(yán)重的多。有的工廠磨床上的砂輪久用不換，能磨萬(wàn)物，好似節(jié)約、方便，實(shí)際上損失了效率和精度。
3.2磨料粒度
磨料粒度對(duì)砂輪堵塞有一定影響，一般來(lái)說(shuō)細(xì)粒度比粗粒度容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。因?yàn)榧?xì)粒度砂輪的孔隙容積和磨屑截面積都小，細(xì)粒度砂輪的切刃數(shù)增加，切屑也多，加上磨削溫度升高等原因，在切入次數(shù)較小的范圍內(nèi)，細(xì)粒度砂輪容易堵塞。隨著切入次數(shù)的增多，粗粒度的砂輪與細(xì)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(jié)物就增多。到一定次數(shù)后，粗粒度砂輪的堵塞量反而要超過(guò)細(xì)粒度砂輪的堵塞量。半精磨和精磨時(shí)，切入量小，溫度低，堵塞輕，選擇細(xì)砂輪;粗磨切入量大，溫度高，堵塞在空隙的磨屑、熔結(jié)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(jié)劑的強(qiáng)度予以保證。粘結(jié)劑強(qiáng)度愈高，砂輪硬度也愈大，磨粒磨鈍量就愈多，磨粒脫落前對(duì)工件的滑擦、擠壓愈加嚴(yán)重，磨屑更容易機(jī)械地填充到砂輪空隙中去，同時(shí)還伴隨著產(chǎn)生更多的摩擦熱，摩擦熱為粘結(jié)性堵塞提供熔結(jié)物。因此砂輪的硬度對(duì)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(jié)劑、氣孔三者之間的比例關(guān)系。砂輪組織越密，工作得磨粒數(shù)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(shí)應(yīng)選擇組織號(hào)為7至9號(hào)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(xiàn)速度
砂輪線(xiàn)速度的增加使磨粒的最大切深減少，切屑截面積減小，同時(shí)切削次數(shù)和磨削熱增加，這兩個(gè)因素均使堵塞量增加，但是當(dāng)砂輪線(xiàn)速度高達(dá)一定程度時(shí)(如達(dá)50m/s以上)砂輪的堵塞量反而大大下降。在生產(chǎn)中磨削不銹鋼、高溫合金時(shí)，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(shí)，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(duì)砂輪的堵塞是很不利的。對(duì)于各種工件材料來(lái)說(shuō)，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(duì)砂輪堵塞程度的影響，與切削條件中其他因素有密切關(guān)系。工件線(xiàn)速度提高一倍，砂輪堵塞量增加三倍。這是因?yàn)楣ぜ俣仍礁吣チＧ腥肷疃染驮綔\，切屑截面積變小，相當(dāng)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(yán)重。在切入磨削時(shí)，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(guò)幾次，磨削液進(jìn)入磨削區(qū)困難，磨削時(shí)熱量高，易造成堵塞?？v磨接觸工件材料的是砂輪一側(cè)緣，當(dāng)磨損面增大到一定程度時(shí)，在磨削力作用下磨粒破碎、斷裂，實(shí)現(xiàn)自銳。大多數(shù)磨粒能處于鋒利狀態(tài)下工作，使磨削力和磨削熱相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。同時(shí)，受磨削力和磨削熱影響區(qū)的相當(dāng)一部分可以順縱磨方向排出到工件之外，故降低了發(fā)生化學(xué)粘附的可能性。
4.4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)切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)時(shí)，堵塞量又呈減少趨勢(shì)，之后隨著切入量的繼續(xù)增加(達(dá)到ap=0.04mm)時(shí)，堵塞量又急劇上升。在磨削難磨材料時(shí)，控制最后一次徑向切入量，對(duì)于提高工件的表面質(zhì)量和精度是至關(guān)重要的。
4.5磨削溫度
磨削時(shí)，凡是增加磨削熱、導(dǎo)致磨削溫度升高的因素，都會(huì)加劇砂輪的堵塞，堵塞形式主要是粘結(jié)型堵塞，當(dāng)然也伴隨著擴(kuò)散型堵塞。
4.6砂輪修整速度
砂輪修整速度對(duì)堵塞有明顯影響，當(dāng)砂輪修整速度低時(shí)，砂輪工作表面平坦，單位面積內(nèi)有效磨刀數(shù)增加，使切屑的截面積變小，切削數(shù)量增多，故容易產(chǎn)生堵塞。當(dāng)砂輪修整速度髙時(shí)，砂輪工作面變粗，有效磨粒數(shù)減小，在砂輪表面出現(xiàn)凹部，起到孔隙作用，切屑易被沖走，熔結(jié)物容易脫落。
4.7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(guò)程中很容易造成砂輪與工件之間的粘附磨損和擴(kuò)散性磨損，使砂輪堵塞，磨削力增加，最后引起磨粒過(guò)早破碎和脫落，使磨削比降低。選用優(yōu)良的磨削液對(duì)改善磨削性能有重要作用。
5.結(jié)語(yǔ)
砂輪堵塞是磨削加工中的普遍現(xiàn)象，無(wú)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(lèi)和加工條件對(duì)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(xué)性能和有無(wú)磨削液。
