機床導軌磨削表面劃痕問題的分析與研究

孔麗國 周 斌 忻月海

（寧波海天精工股份有限公司，寧波 315800）

機床是工業化生產最典型的生產資料，是裝備制造業的加工母機。幾乎所有金屬切削和成形過程均需借助機床來實現[1]。導軌是機床的重要部件之一，在一定程度上決定了機床的性能。滑動導軌因結構簡單、工藝性好、剛性佳及吸震性良好等優點，廣泛應用于各種機床。為提高導軌精度、耐磨性及動態性能，基體導軌硬化處理后進行磨削加工。導軌磨削表面的質量直接影響機床的性能和精度穩定性。

1 導軌加工工藝及磨削表面劃痕的產生

導軌是機床的重要部件之一。為獲得良好的性能及精度穩定性，通常經粗加工、回火、半精加工、表面淬火以及時效等工序后再進行精密磨削加工[2-5]。圖1為臥式加工中心床身矩形導軌結構及磨削加工示意圖。床身導軌采用HT300灰口鑄鐵，表面G48中頻淬火，在導軌磨用上一次裝夾用水平磨頭砂輪加工導軌上表面，用萬能磨頭45°砂輪加工導軌兩側面，用萬能磨頭CBN碗形砂輪加工導軌底部壓板面。

因導軌各面的磨削方式及所采用的砂輪不同，加工完成后導軌表面呈現不同的表面粗糙度及磨削紋路。導軌底部壓板面用CBN碗形砂輪端面磨削的方式加工，表面粗糙度Ra為0.4～0.8 μm，磨削紋路呈網狀。導軌側面及上表面采用單晶剛玉砂輪徑向磨削方式加工，表面粗糙度Ra為0.4 μm左右，磨削紋路呈與工件運動方向相同的紋理。導軌上表面局部有劃痕，零星分散分布（0.4 m2左右大小的導軌面5～10處），劃痕長度10 mm左右，劃痕處用表面粗糙度儀測量粗糙度Ra為0.8 μm左右。

2 磨削表面劃痕問題的分析與研究

導軌磨削加工時，高速旋轉的砂輪去除工件表面材料的同時會造成砂輪砂粒脫。脫落的砂粒夾在砂輪和工件間，是造成導軌磨削表面劃痕的主要原因。脫落的砂粒造成的劃痕有兩種方式：一種是磨削加工時砂輪砂粒脫落，直接與工件表面接觸造成劃痕；另一種是脫落的砂輪砂粒粘在工件表面或者混在磨削液中，導致磨削加工時砂粒在砂輪與工件表面擠壓造成劃痕。在磨削加工過程中，最有可能影響磨削表面質量造成表面劃痕的因素有砂輪、磨削液以及磨削工藝參數等[6]。

圖1 床身導軌磨削加工示意圖

2.1 砂輪因素

砂輪是磨削加工的刀具。在磨削過程中，砂輪與工件直接接觸。砂輪的選用直接影響磨削質量和效率。砂輪原材料及制造工藝不同，因此不同砂輪的特性差異較大，適用于不同的場合。影響砂輪特性的因素主要有磨料、粒度、硬度以及組織等。

磨料是砂輪的主要組成部分，具有尖銳的棱角，用來切削加工工件。常用砂輪按磨料可分為剛玉類（棕剛玉A、白剛玉WA、單晶剛玉SA、鉻鋼玉PA等）砂輪、碳化硅類砂輪以及超高硬類砂輪。以上砂輪磨料的硬度依次由低到高，韌性則依次由高到低。一般來說，磨削抗張強度大的材料要選韌性大的磨料。磨削硬度高的材料，要選硬度高的磨料。粒度主要表示砂輪磨料顆粒大小的程度。砂輪粒度的大小對磨削效率和加工面的粗糙度影響較大。一般來說，粗磨時要選用粗粒度的砂輪，可采用較大的磨削深度獲得較高的磨削效率，但表面粗糙度差。精磨時要選細粒度的砂輪，以獲得較好的表面粗糙度。磨削軟金屬時，要選粗粒度的砂輪。磨削硬金屬時，要選細粒度的砂輪。硬度主要表示砂輪工作時磨料自砂輪上脫落的難易程度。砂輪硬度越高，磨料越難從砂輪上脫落。一般來說，工件材料硬，砂輪硬度應選軟一些，以便砂輪磨鈍磨粒及時脫落，露出鋒利的新磨粒繼續正常磨削。工件材料軟，磨粒不容易磨鈍，砂輪硬度可以選大一些。組織主要指砂輪中磨粒、結合劑以及氣孔的比例，通常以磨粒所占砂輪體積的百分比或氣孔大小來分等級。一般來說，較松組織的磨具（大氣孔砂輪）在使用時不易鈍化、發熱少，適合粗磨或對磨削熱比較敏感的場合。緊密型組織的砂輪磨粒不容易脫落，有利于保持磨具的幾何形狀，適合精磨。

課題研究的導軌材質HT300灰口鑄鐵，G48中頻感應淬火，因此磨削時用SA60-F25VCF2材質的砂輪。SA單晶剛玉磨料硬度高，一般在HRC60以上[7]。60粒度的磨料顆粒能兼顧磨削效率與表面粗糙度。平面磨削時能達到Ra=0.4 μm左右的粗糙度。F級硬度較軟，磨料容易脫落，比較適合加工HRC60以上的工件。砂輪組織氣孔較大，磨削時砂輪不容易鈍且工件不容易發熱。綜上所述，砂輪硬度偏低，磨料在磨削過程中很容易從砂輪上脫落，且磨料硬度遠高于工件硬度，可能導致磨削過程中砂輪砂粒脫落夾在砂輪與工件間造成導軌磨削表面劃痕。

2.2 磨削液因素

磨削液是磨削加工中的輔助及配套材料，主要由潤滑劑、穩定劑以及防銹劑等組成，起潤滑、冷卻、清洗以及防銹的作用。磨削加工中，砂輪對工件擠壓切削。有效使用磨削液可以增強砂輪與工件間的潤滑，減小磨削力，降低產生的磨削熱。在磨削加工中噴射磨削液，既可以帶走大量的磨削熱，又可以冷卻工件，從而減少工件熱變形，保證零件加工精度。在磨削加工中噴射磨削液，能及時帶走磨削時產生的鐵屑及砂粒，防止堵塞砂輪或附著在工件上，有利于延長砂輪使用壽命，保證表面的加工質量。

脫落的砂輪砂粒粘在工件表面或者混在磨削液中，在磨削加工時砂粒在砂輪與工件表面擠壓會造成劃痕。為避免粘在工件表面的砂粒造成劃痕，可用干凈的磨削液清潔待磨削工件表面。具體措施包括加大磨削液噴射壓力、流量，調整噴嘴位置，使磨削液能噴射在砂輪前邊，保證磨削工件表面清潔。為保證磨削液干凈不含砂粒，除配備必要的過濾設備外，還需要定期清理機床水箱和更換磨削液。

課題研究的導軌上表面和側面磨削加工采用相同材質的砂輪，加工完成后上表面有零星分散的劃痕而側面基本沒有，有可能是脫落的砂輪砂粒粘在導軌上表面（導軌側面不容易粘砂粒）導致磨削加工時砂粒與工件表面擠壓造成劃痕。現場試驗時，更換了機床磨削液并調整磨削液噴嘴，使其中一路磨削液噴射在砂輪前邊。磨削完成后，導軌上表面的劃痕數量較之前明顯減少。

2.3 磨削工藝參數

影響導軌磨削表面質量的磨削工藝參數主要包括加工過程中的磨削用量（砂輪線速度、磨削深度、磨削寬度、工件運動速度等）及砂輪的修整。磨削加工時，砂輪線速度越高，促使材料塑性變形的速度跟不上磨削速度，則表面光潔度越好。增加磨削深度、磨削寬度及工件運動速度會增加磨削力，從而導致工件塑性變形增加，表面光潔度變差。影響表面質量的砂輪修整主要與修整工具、修整量及修整速度有關。常用的砂輪修整工具有金剛石筆、金剛石滾輪等。用金剛石滾輪修整的砂輪要比用金剛石筆修整的砂輪更鋒利，磨削加工效率更高，表面質量更好。砂輪修整量及修整速度影響砂輪修整質量。例如，單次修整量越大，切削溫度越高；砂輪修整器磨損嚴重，將影響砂輪修整質量；砂輪修整速度太慢會堵塞砂輪，影響加工效率及工件表面粗糙度。因此，理想的修整方式是少量、多次以及均勻快速修整。

課題研究的導軌上表面及側面磨削用量（砂輪線速度28 m·s-1，磨削深度0.002 mm，磨削寬度20 mm，工件運動速度10 m·min-1）及砂輪的修整（單點式金剛石筆修整器每次修整量0.02 mm，修整2次）基本一致，加工完成后表面粗糙度Ra為0.4 μm左右，而導軌磨削表面劃痕的出現基本在砂輪修整完磨削2～3個循環后出現。為獲得良好的表面光潔度，每次精磨前需要進行砂輪修整。

3 結語

導軌磨削加工時，高速旋轉的砂輪去除工件表面材料的同時會造成砂輪砂粒脫落，而脫落的砂粒夾在砂輪和工件間會造成磨削表面劃痕。由于砂輪自銳性的存在，不可能杜絕脫粒。但是，可以從砂輪、磨削液以及磨削工藝參數等方面入手，減少和減輕劃痕。此外，在提高質量的同時會增加生產成本、降低生產效率，因此需要根據零件要求及現場工況進行綜合分析及試驗，以達到質量、效率以及成本的最佳平衡點。