針對特殊材料的磨削砂輪研制

周潤鋒

【摘 要】某設備上一種特殊的零件采用一種特殊金屬材料（成份類似彈簧鋼）制成，該材料硬而粘，磨削性不好，而且加工磨削時砂輪與工件接觸面積較大，因而砂輪的工作條件比較惡劣，使用普通砂輪較難保證大批量、連續生產的要求。為了增加砂輪使用壽命，提高工件合格率，進行了磨削該工件專用砂輪的研制工作，通過理論分析和加工試驗，最終選取到比較理想的砂輪配方。

【關鍵詞】專用砂輪；磨削；特殊材料

0 引言

某設備上一種特殊的機械零件采用一種特殊金屬材料（成份類似彈簧鋼）制成，設計形狀為薄壁圓盤狀，圓盤直徑約Φ100mm，厚度約1mm，設計尺寸和形位公差精度要求較高。其中薄壁圓盤零件材料成分類似彈簧鋼（含Mn），特點是硬度高，韌性大，彈性好，較難產生塑性變形。該材料硬而粘，磨削性不好，而且加工工藝采用“切磨”的方式，磨削時砂輪與工件接觸面積較大，磨削力很大，砂輪脫粒也很快，因而砂輪的工作條件比較惡劣，使用普通砂輪較難保證大批量、連續生產的要求。

為了提高工件合格率，提高加工效率，并適當延長砂輪使用壽命，進行了磨削該工件專用砂輪的研制工作，并經實驗驗證該專用砂輪研制的可行性，解決了原砂輪使用壽命短，磨削效率低的問題，并成功應用于大批量生產加工中。

1 專用砂輪的研制

1.1 砂輪分類及選用原則

砂輪也叫固結磨具，是采用結合劑將磨料固結為要求的形狀（大多數為圓形，中部有通孔），并有一定強度的固結磨具。一般由結合劑、磨料和氣孔組成，此三種組成長稱為砂輪的三要素。按照結合劑不同分類常有陶瓷結合劑砂輪、樹脂結合劑砂輪和橡膠結合劑砂輪。砂輪在制造過程中是在磨料中加入不同的結合劑，經壓坯、干燥和焙燒等工序制成的內部有很多氣孔的物體。由于原材料和制造工藝的不同，砂輪的加工性能有很大差別。砂輪的特性主要優磨料、粒度、結合劑、硬度、組織、形狀和尺寸等因素決定。具體選用原則如下：

1.1.1 磨料的選擇

最常用的磨料是棕剛玉（A）和白剛玉（WA），然后是黑碳化硅（C）和綠碳化硅（GC），其余還有單晶剛玉（SA）和鉻剛玉（PA）等。白剛玉適宜于制造精磨淬火鋼、高碳鋼、高速鋼等；綠碳化硅砂輪磨粒鋒利、導熱性好，適合于磨削硬質合金、光學玻璃、陶瓷等硬脆材料。

1.1.2 粒度的選擇

用粗粒度砂輪磨削時，生產效率高，工件表面粗糙，用細粒度砂輪磨削時，工件表面質量好，而效率較低。

一般平蘑、外圓磨和無心磨選用36#-46#。

1.1.3 硬度的選擇

磨削軟材料時要選用較硬的砂輪，磨削硬材料則選用軟砂輪。

1.1.4 結合劑的選擇

陶瓷結合劑是一種無機類型的結合劑，化學性能非常穩定，這種結合劑制造的砂輪磨削效率較高、磨削損耗較小，能很好地保持砂輪的幾何形狀和尺寸，因而應用范圍較廣，是一種非常常用的結合劑。適用于磨削加工普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼等。但是，陶瓷結合劑砂輪脆性較大，容易損壞，不能受劇烈震動。一般只能在線速度為35m/s內磨削加工情況下使用。樹脂結合劑則是一種有機類型的結合劑，使用它制造的砂輪強度很高，并且具有一定彈性，耐熱性低，自銳性好，不易損壞，因而可制作工作速度高于50m/s的砂輪和很薄的特殊用途的砂輪。

1.1.5 大氣孔砂輪的選擇

大氣孔砂輪在磨削加工時具有不堵塞、耐用度好和切削力大等優點。適用于軟金屬、塑料和皮革等非金屬材料的粗、精磨削加工。同時由于空隙比較大，利于熱量的散發，它還具有散熱快的特點，所以在磨削加工一些熱敏性大的材料、薄壁工件和干磨工序中有良好的效果，得到了比較廣泛的應用。大氣孔砂輪的生產范圍是：磨料一般選用碳化物和剛玉等，磨料粒度（36#-180#），氣孔尺寸（0.7-1.4mm）。

1.2 工藝簡介

磨削過程是砂輪刀具與工件相互作用，磨削中磨粒與工件材料之間的作用既包括磨粒與工件之間的刮擦，又包括磨粒與工件之間的高速沖撞。作為刀具的砂輪穩定性對加工的精度起主要作用。本工藝中砂輪端面磨削工件為面接觸，參與切削工件材料的磨粒數量眾多，用于制造砂輪的磨粒晶體的生長機理不同及制粒過程的破碎方法不同，使得磨料幾何形狀極不規則，由于砂輪結構和制造工藝的原因，磨粒在砂輪端面上呈隨機分布狀態，磨削速度及磨削區的溫度高，在這種高應變和高溫下呈現出的材料性能尤為復雜，砂輪磨粒的磨損、磨粒的切削性能也受到很大的影響。工件材料特殊，材料韌性大，硬度高，磨削性不好，工件薄磨削面積大，在磨削中一次去屑率大，磨削力大，磨削引起的磨削熱易使零件過熱燒傷紋。

1.3 砂輪配方及實驗

砂輪粒度的大小、磨料的配方和粘結劑的選用、砂輪硬度和氣孔率的確定直接影響砂輪的使用。根據磨削經驗，砂輪磨料粒度小所承載的磨削力小，對于材料韌性大，磨削性不好的工件不能進行磨削，粒度太大，單位面積內磨料減少，砂輪鋒利度下降，對大面積工件磨削性不好；選用大硬度的砂輪，砂輪脫粒性低，磨屑易將砂輪表面粘結，由于零件較硬，磨削時易產生“打滑”現象，砂輪硬度小，磨削力小，脫粒太快，對工件則無法進行磨削，綜合考慮選用粒度為46#、中軟，樹脂結合劑的砂輪，考慮工件材料，砂輪磨料分別選用單晶剛玉、鉻剛玉和綠色碳化硅進行對比試驗，從中選取適合此種材料加工的磨料。根據上面的試驗方案，選用每種類型的砂輪按照不同的磨削參數進行磨削試驗，以修正一次能加工合格工件的數量作為評判標準。結果如表1。

從上述表中可以很明顯的做出判斷，綠色碳化硅磨料的砂輪試驗數據比較理想，因而最終選用性能優異的綠色碳化硅材料的砂輪。

1.4 砂輪結構設計

磨削時接觸面積大，一次磨削去屑率高，磨屑不能及時由磨削液帶走，工件屬超薄壁，未帶走的磨屑直接影響的表面質量，單靠選用較大氣孔已經難以解決上述問題。為了解決該問題，在砂輪成型時端面上特制40個容屑孔，研制的砂輪結構如圖1，使用該結構的砂輪磨削過程中砂輪較易被沖刷干凈，從而保證工件的表面質量和加快砂輪磨削時散熱，從而提高砂輪的使用壽命。

2 專用砂輪使用效果在正式生產中，使用專門研制的此種砂輪，磨削過程中砂輪耐磨度、脫粒程度、磨削進給量、磨削速度均能滿足工藝要求，并且加工的工件變形較小，合格率高，同時提高了磨削效率2倍以上。

3 結論

（1）通過對工件特殊原材料及磨削工藝技術分析，根據經典砂輪選用原則，研制了磨削加工該零件的專用砂輪，通過加工驗證表面，該砂輪滿足了工藝要求。

（2）在批量生產中采用此種砂輪進行加工，大幅度的提高了零件合格率和磨削效率。

【參考文獻】

[1]張幼楨.金屬切削理論[M].北京：航空工業出版社，1987.

[責任編輯：王楠]