工具磨床磨削成形面質量控制關鍵問題

■洛陽軸研科技股份有限公司 （河南 471000） 馬 磊 李 琦 楊立光 權超健

工具磨床磨削成形面質量控制關鍵問題

■洛陽軸研科技股份有限公司 （河南 471000） 馬 磊 李 琦 楊立光 權超健

摘要：燒傷對工具磨床磨削成形面質量影響較嚴重，為了預防磨削燒傷，通過對成形面燒傷機理的分析，基于工具磨床的操作規程，提出了預防成形面燒傷的措施。

1. 工具磨床的特點

磨削加工是零件表面精加工的一種重要加工工藝，被廣泛應用于高精度和高粗糙度質量要求工件的生產過程中，磨削精度達1 ～2級，表面粗糙度值達Ra=0.1～0.8μ m。與其他加工工藝相比，磨削加工切除單位體積材料時需要非常高的能量輸入，這些能量幾乎全部轉化為熱量集中在磨削區內，導致磨削區的溫度瞬間升高。

工具磨床可磨削工件的平面、側面、槽面、斜面和圓弧面等復雜成形面。適用于工具車間和模具車間對工具、模具零件的磨削加工。該機床工作臺采用液壓傳動；砂輪架采用電動機驅動快速升降和手動微量升降兩套機構。垂直導軌、橫向導軌采用貼塑導軌。機床精度穩定，操作靈活方便。其磨削成形面的方式為通過式，屬于成形磨削，磨削類型屬于干磨削。

2. 工具磨缺陷

磨削加工一般作為終工序，其任務就是保證產品零件能達到圖樣上所要求的精度和表面質量。在進行磨加工時，零件一般會出現兩大類缺陷：一是表面精度缺陷，主要包括表面粗糙度、表面波度、表面紋理、表面瑕疵及尺寸要求等方面的缺陷；二是表面層物理力學性能缺陷，主要包括表面層硬度、表面層組織、表面層殘余應力及燒傷等缺陷。

工具磨床磨削成形面生產中，發現以下影響工件質量控制的問題：①容易出現成形面均勻或局部燒傷。②砂輪修整頻繁影響生產效率。③成形面易出現振紋。由于成形面振紋主要因系統剛性振動產生，所以在此不做過多研究。而砂輪的修整主要是為了防止工件燒傷并保持工件的形狀精度，因此，主要針對工件成形面燒傷方面進行質量控制關鍵問題的研究。

圖1　全面燒傷

3. 燒傷機理分析

磨削時，砂輪與工件間經歷摩擦、耕犁和切削3個階段，消耗的機械能90%以上轉變為熱能，使磨削區產生瞬時高溫（900～1 500℃），導致成形面表面組織發生局部變化，并在表面的某些部分形成氧化變色，這種現象稱為磨削燒傷。

根據磨具工具磨床磨削工件燒傷外觀不同，可分為全面燒傷、局部斑狀燒傷、局部燒傷及線條狀燒傷等，如圖1所示是全面燒傷，燒傷范圍、深度比較大；圖2所示是局部斑點燒傷，燒傷范圍比較小；圖3所示是局部燒傷，但燒傷程度不均勻；圖4所示是線

條狀燒傷，燒傷處如同一條線一樣。根據燒傷深度又可分淺度、中度和深度燒傷。最常見的是局部燒傷和全面燒傷。由于燒傷表面往往伴有氧化作用，形成氧化膜，所以可根據表面顏色判斷燒傷程度。

圖2　局部斑狀燒傷

圖3　局部燒傷

圖4　線條狀燒傷

盡管燒傷形狀、程度各異，但導致磨削燒傷的直接原因都是磨削溫度過高，而影響磨削溫度的因素有磨削液、磨削參數、砂輪參數、工件材料和夾具等。本次研究內容屬于干磨成形面，因此，燒傷因素應主要從磨削參數、砂輪參數和夾具進行研究。

（1）磨削參數：根據磨削工件表面溫度公式

式中，ta為磨削工件表面溫度；C為熱容；vw為工作臺運動速度；ap為磨削深度；f為砂輪進給量；vs為砂輪速度。由公式可以看出，磨削深度、砂輪進給量和砂輪轉速對工件表層溫度影響較大，其中磨削深度和砂輪轉速與工件表層溫度成正比關系，砂輪進給量與工件表層溫度成反比關系。工作臺往復運動速度增加可以使工件表面溫度增加，但是由于工件與砂輪接觸時間變短，工件表面產生的熱量主要以輻射散熱和對流換熱傳出，導致傳入工件內部的熱量降低，使工件表層下各深度的溫度差增大。另外，工具磨床磨削過程是磨削圓弧面，因接觸面較大，砂輪易堵塞導致燒傷。

（2）砂輪參數：砂輪選的太硬，鈍化的磨粒不能及時脫落而產生大量磨削熱，造成工件燒傷；砂輪粒度號過大（磨粒過小），組織過緊，容易引起砂輪堵塞，磨削熱不易及時傳出，引起燒傷；修整砂輪頻率低，砂輪鈍化，也易引起表面燒傷。另外，砂輪結構散熱效果不同，也可引起燒傷。

（3）夾具穩定性和可靠性對工件的燒傷。夾具穩定性較差，同一批工件，同樣的磨削參數也將會引起燒傷；裝夾不可靠，工件磨削時受到砂輪滑擦力作用出現移動也可導致燒傷。

4. 表面燒傷對工件的影響

磨削加工中被加工工件材料的表面層受到磨削力的作用，產生冷態塑性變形，使晶格扭曲，晶粒被拉長呈纖維化，甚至碎化，改變了工件表層的組織結構，使表層產生加工硬化，從而引起工件性能改變。表面燒傷時，瞬間高溫對表層組織進行軟化作用，使工件表層硬度降低，影響工件的耐磨性；另外，由于工件表層溫度高于里層溫度，工件出現熱態塑性變形，這種冷態、熱態塑性變形導致表層產生殘余應力。

由于材料的金相組織密度不同，體積也不同，當工件燒傷時，表層體積膨脹，金相組織密度改變，使工件表層的金相組織發生變化。由于工件表層金相組織的改變，殘余應力的產生導致工件的耐疲勞性、耐腐蝕性能降低。并且由于殘余應力的存在，工件幾何形狀和尺寸發生改變，從而影響了工件的配合精度和配合性質。

由上述可見，燒傷工件已失去了工件所需的性能指標，屬于報廢品，因此，在生產實踐中要盡量避免工件燒傷現象的出現。

5. 燒傷預防措施

磨削熱過高引起燒傷，則預防燒傷就應對減少磨削熱的因素進行研究，而成形面磨削過程主要是砂輪與裝夾的工件相互作用，因此主要對磨削參數、砂輪參數及裝夾狀況進行研究。

（1）磨削參數：①工作臺速度。工作臺速度越慢，單位時間內磨粒磨削工件的次數就越多，從而被磨表面的溫度越高，砂輪堵塞也越嚴重，加重了磨削熱的產生。然而，加快工作臺速度將

使工件表面粗糙度質量變差。因此，粗磨時應該適當加快工作臺的速度，精磨時適當放慢工作臺速度。②磨削深度。根據砂輪磨削工件表面溫度公式可知，磨削參數對工件表面溫度的影響中，以磨削深度的影響最大，砂輪速度次之。工具磨床砂輪主軸由普通電動機驅動，砂輪轉速已定，因此磨削參數中主要研究磨削深度對減輕燒傷的影響。

磨粒在砂輪工作表面上的分布不均勻，且高低參差不齊。由磨削運動的關系可知，實際參與磨削工作的磨刃數將少于砂輪表面的磨刃數。磨削中增大磨削深度ap，將使砂輪上靜態有效磨刃數增加，磨削熱增大，砂輪的金屬磨除率增大，效率提高。因此，粗磨時應選稍大的ap，精磨時磨削余量小，宜選稍小的ap。

（2）砂輪參數：①砂輪粒度。砂輪越細，磨削能力越差，磨粒與工件的有效接觸數量越多，磨削功率消耗越大，產生的磨削熱越多。磨粒粗，將導致工件表面粗糙度值偏大，工件表面精度不易滿足要求。因此，粗磨時選擇砂輪粒度號小一些的，精磨時選擇砂輪粒度號大一些的，以滿足工件表面質量要求。②砂輪硬度。砂輪硬度越高，鈍化的磨粒越不易脫落形成新的磨刃，同時磨刃間距變短使切屑形狀變小，砂輪堵塞增加導致磨削熱增大。砂輪硬度低，將使砂輪的形狀保持性降低，導致砂輪修整頻率增加，影響加工效率。因此，粗磨時宜選擇軟點的砂輪，以提高磨削效率；精磨時磨削余量小，宜選擇偏硬的砂輪，以保持成品工件的形狀設計要求。③砂輪組織。砂輪組織是指砂輪中的磨粒、結合劑、氣孔三者之間的體積關系，一般以磨粒率或氣孔率來表示砂輪組織的松緊程度。粗磨時磨削余量大，磨削熱高，宜選用組織偏松的砂輪，以加快磨削熱的導出。精磨時宜選用組織偏緊的砂輪，以獲得較高的砂輪成形修整精度和較好的形狀保持性。④砂輪形狀。砂輪上開槽，可實現間斷磨削，工件間斷性受熱，并且改善工件的散熱條件，從而可減輕工件的燒傷。但是，開槽的砂輪磨削能力降低，只適用于極易燒傷的工件磨削過程。

（3）砂輪修整：長時間使用砂輪，導致砂輪堵塞，磨粒鋒刃變鈍，如果不及時修整砂輪將導致磨削力增大，使工件表面沿砂輪旋轉方向出現劃痕，磨削熱增大，最終導致工件燒傷，也叫劃痕燒傷。因此，磨削過程中需適時修整砂輪。修砂輪的頻率可根據磨削聲音或憑操作經驗確定。

（4）裝夾力：工具磨削成形面的夾具選用專用虎鉗夾具，當裝夾力不足時，磨削時工件發生瞬間滑動引起表面燒傷，并且對操作人員安全危害較大。因此裝夾時需夾緊牢固工件。

綜上所述，粗磨時選擇砂輪粒度粗、偏軟、組織松的砂輪，并且加快工作臺的往復運動速度，適當加大砂輪的進給量，及時修整砂輪；精磨時選擇砂輪粒度細、偏硬、組織緊的砂輪，并且減慢工作臺的往復運動速度，適當降低砂輪的進給量，及時修整砂輪。

參考文獻：

[1] 李伯民，趙波，李清. 磨料、磨具與磨削技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2] 張紅霞，陳五一，陳志同. SG砂輪磨削鈦合金燒傷機理[J].北京航空航天大學學報，2008 （1）：22-26.

[3] 葉偉昌，梁萍. 新型砂輪的發展與應用[J].精密制造與自動化，2003（3）：26-32.

專家點評

作者通過對工具磨床加工成形面的質量控制，探討了磨削過程中出現的燒傷問題及預防措施。盡管燒傷形狀、程度各異，但導致磨削燒傷的直接原因都是干磨成形面時，磨削區域的溫度過高所致。抓住問題的關鍵后，作者從砂輪參數、磨削參數、砂輪形狀、砂輪修整及裝夾方式等工藝角度進行分析和研究，提出了粗磨、精磨時預防表面燒傷的方法。在工具磨床的成型面磨削中，具有很好的實用價值和指導意義。

收稿日期：（20150202）