磨削的基本原理及其加工能力

/磨削的基本原理及其加工本領(lǐng)本文StuartSalmon博士是美國“先進制造科技協(xié)會”主席。他認(rèn)為，磨削加工在很多領(lǐng)域內(nèi)，不論從技術(shù)上或經(jīng)濟上，都可與切削加工相匹敵，有些領(lǐng)域甚至是唯一的加工方法。但目前制造業(yè)很多人認(rèn)為磨削加工效率低，不經(jīng)濟，因此盡量不予采納。Salmon認(rèn)為，產(chǎn)生這種想法的重要原因是對磨削原理及其內(nèi)在潛力缺乏了解。撰寫本文的目的就是要幫忙企業(yè)界的有關(guān)人士正確理解和運用磨削技術(shù)。當(dāng)今制造業(yè)正在急迫地找尋替代磨削的方案。一些正在試驗用來提高零件生產(chǎn)效率的“新”方案包括：硬切削、干切削、耐磨涂層刀具和高速切削等。但應(yīng)指出，“高速”兩字對磨削并不陌生。砂輪的常規(guī)運行表面線速度達1829m/min，高速超硬磨料砂輪的生產(chǎn)應(yīng)用速度達4572～10668m/min，而試驗室里在磨削專用設(shè)備上的速度則可達到18288m/min僅稍低于聲速。工業(yè)界不喜愛磨削的原因是對它不了解。超硬磨料和緩進給磨削工藝不論從技術(shù)或經(jīng)濟角度看，都可與銑削、拉削、刨削以及某些情況下的車削相匹敵。但制造企業(yè)中有很多人，他們的學(xué)問停留在傳統(tǒng)加工技術(shù)水平上，往往對磨削實行排斥的態(tài)度。但隨著新材料的推動（如陶瓷、晶須強化金屬和強化聚合材料、多層金屬和非金屬的壓合材料），磨削常常是唯一可行的加工方法。假如采納適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合劑，就可以使得磨粒在加工過程中的脫落和自礪過程得到掌控。并且砂輪變鈍或顯現(xiàn)粉屑狀載荷時，可以在機床上修整。這些優(yōu)點在其它的加工方法中都是難以做到的。砂輪可以使加工表面的公差達到數(shù)萬分之一的數(shù)量級（微米級），同時還能使表面干凈度和切削紋理達到最佳狀態(tài)。不巧的是，長期以來，磨削一直被看作是一種“藝術(shù)”。直到近來的40～50年間，通過討論人員持續(xù)地對磨削加工過程進行討論，開發(fā)了新的、改進的磨料、粘結(jié)劑體系和各種磨削液。這些成果的取得，使得磨削加工進入了科學(xué)王國。磨料的種類磨料可分為兩大類：一般磨料（如氧化鋁、碳化硅等）和超硬磨料（金剛石、立方氮化硼等）。CBN和金則石比一般磨料更硬、更耐磨，但特別昂貴。同時，超硬磨料是優(yōu)良的導(dǎo)熱體（金剛石的導(dǎo)熱性是銅的6倍），而一般磨料是陶瓷材料，所以是絕熱的。超硬磨料還具有很高的熱擴散性，就是有快速散熱的本領(lǐng)。這一特性使超硬磨料具有“冷切削”的本性。超硬磨料的抗磨性能也大大優(yōu)于一般磨料，但超硬磨料具備的這些特性也并不意味著它們就適用于全部的磨削工序。每種磨料都有其最適當(dāng)?shù)氖褂妙I(lǐng)域，所以了解每種磨料的特點非常緊要。例如，氧化鋁陶瓷磨料有時稱作晶種凝膠（SG）磨料或陶瓷磨料通常比熔融（一般）氧化鋁有更好的抗磨性和形狀保持性。但陶瓷磨料也有其最適當(dāng)?shù)氖褂妙I(lǐng)域。氧化鋁：Al2O3是最便宜的磨料。磨削淬硬鋼時性能很好，在連續(xù)修整的條件下，也能磨削鎳基超級合金，Al2O3對各種磨削條件有很好的適應(yīng)性，如軟的和硬的材料，輕切削和重切削等，并能磨出很高的表面干凈度。陶瓷氧化鋁：陶瓷氧化鋁強度很高，所以最適用于每顆磨粒的切削力負荷較高的場合。陶瓷氧化鋁在外圓磨削和大平面往復(fù)磨削淬硬鋼時，其效果很好。但它不適于切削弧線長、單顆磨粒負荷力較小之處，如內(nèi)圓磨、緩進給磨等。但經(jīng)過“拉伸”改制的陶瓷氧化鋁磨粒，甚至在切削弧線長的情況下，也可用于加工粘性的不銹鋼、高溫合金等，此時磨粒的形狀比（長闊比）達到5。陶瓷氧化鋁磨粒的性能可以通過加入脆性的熔融氧化鋁形成復(fù)合磨料砂輪得到改善。此時，需要知道砂輪在工件上的切削弧長度，以便有針對性地確定砂輪配比。碳化硅：SiC磨料具有天然鋒利的形狀。適于磨削硬質(zhì)材料（如硬質(zhì)合金）。由于其鋒利，使它也適于加工很軟的材料，如鋁、聚合物、橡膠以及低強度鋼、銅合金和塑料等軟材料。金剛石：天然和人造金剛石都可用于磨削。金剛石是碳的一種超高硬度形態(tài)，因它對鐵有親合性（鋼是鐵和碳的合金）而形成快速磨損，所以不適于加工黑色金屬材料，但金剛石特別適用于有色金屬材料、鈦、陶瓷和金屬陶瓷的磨削加工。立方氮化硼：CBN像金剛石一樣，是一種特別昂貴的磨料。一個超硬磨料砂輪的價格比一般磨料的砂輪要貴50倍以上，但其使用壽命比一般砂輪要高100倍以上，即使磨削最硬的鋼，也只有細小磨損。CBN最適于加工黑色金屬材料，特別是在要求長時間保持砂輪形狀的場合，如軸承內(nèi)滾道的磨削。另外，CBN較適于不常常更換砂輪的工序，由于小批量和砂輪更換，在安裝時都要修整，這是導(dǎo)致砂輪消耗的重要因素。由于CBN在高溫時和水接觸要起反應(yīng)，并加速磨損，所以要用乙二醇或油。結(jié)合劑一般砂輪的結(jié)合劑，可以采納陶瓷、樹脂或塑料，超硬磨料的結(jié)合劑則可用燒結(jié)的金屬基體或用電鍍鎳層的方法覆蓋到砂輪上。這類砂輪是不滲水的，也無空洞。金屬結(jié)合劑和電鍍砂輪的磨削液要認(rèn)真選擇，以防砂輪打滑。打滑時在切削弧處產(chǎn)生的巨大動載液壓，會頂舉砂輪，導(dǎo)致工件干凈度惡化和加快砂輪磨損。結(jié)合劑和磨料兩者的選擇緊密相關(guān)。例如CBN的使用場合一般是要求砂輪在使用期間保持形狀不變，并且直至消耗盡才從機床取下。由于CBN的導(dǎo)熱性很好，所以用金屬結(jié)合劑更有利。兩者結(jié)合起來供給了冷切削的條件。由于切削熱通過磨料和砂輪傳導(dǎo)，再隨冷卻液帶走的速度，比進入工件要快得多。金屬結(jié)合劑有兩種形式：電鍍和燒結(jié)。電鍍砂輪是不修整的，它們一開始就制成正確的形狀，并一直用至耗盡。燒結(jié)金屬砂輪通常用電火花修整，然后像電鍍砂輪那樣裝到機床上使用。燒結(jié)和電鍍砂輪安裝到主軸后的徑向跳動應(yīng)小于0.0125mm。對金屬結(jié)合劑砂輪來說，減小主軸跳動非常緊要。由于磨粒從結(jié)合劑上伸出的距離很小，若跳動達到0.025mm，則會發(fā)生砂輪的一端已負荷太重而造成過度磨損，另一端則負荷很輕而仍很鋒利。某些電鍍砂輪可以制出很小的輪廓圓弧半徑（約0.125mm）。但多數(shù)電鍍砂輪的輪廓圓弧半徑大于0.5mm。通常，電鍍砂輪運用于高速磨削，而金屬燒結(jié)砂輪適于磨削陶瓷材料。整體金屬結(jié)合劑砂輪對振動、跳動和冷卻液流量等工作條件的適應(yīng)范圍很小。假如磨床、工件和夾具的剛性較差，或老機床的軸承狀態(tài)不佳，并且機床上沒有平衡裝置，這種條件下使用電鍍砂輪就會導(dǎo)致砂輪壽命、工件干凈度和表面紋理方面的問題。依據(jù)機床的振動和穩(wěn)定性等實在情況，有時采納樹脂結(jié)合劑砂輪要好一些。樹脂結(jié)合劑對振動有很強的阻尼本領(lǐng)。當(dāng)然，樹脂砂輪的校正和修整涉及的設(shè)備和時間，都會加添成本。陶瓷結(jié)合劑使用最為普遍。由于這種結(jié)合劑的砂輪帶孔洞，使得切削液能有效地進入磨削弧，并有較大的空洞容納磨屑。同時，使用金剛石工具可便利地將陶瓷結(jié)合劑砂輪修至正確形狀和磨銳。附：一般磨料和超硬磨料適用的被加工材料范圍：氧化鋁磨料：淬硬鋼、鎳基超級合金、高溫合金、黑色金屬陶瓷氧化鋁磨料：淬硬鋼、鎳基超級合金、粘性不銹鋼、高溫合金碳化硅磨料：硬質(zhì)合金、鋁和鈦、橡膠聚合物、銅合金、塑料金剛石磨料：硬質(zhì)合金、鋁和鈦、陶瓷、金屬陶瓷立方氮化硼磨料：淬硬鋼、鎳基超級合金、黑色金屬砂輪的準(zhǔn)備砂輪的準(zhǔn)備包括：安裝、平衡、精整和修整。砂輪準(zhǔn)備不好，將成為以后很多磨削問題產(chǎn)生的根源。首先，要依照砂輪制造廠的引導(dǎo)書安裝砂輪，保證砂輪在修整前處于較好的原始平衡狀態(tài)和最小的跳動。第二，安裝時要認(rèn)真操作以免碰傷砂輪內(nèi)孔。砂輪內(nèi)孔在高速旋轉(zhuǎn)時承受巨大應(yīng)力，搬運和安裝失當(dāng)往往是砂輪啟動時導(dǎo)致爆裂的原因。第三，安裝陶瓷結(jié)合劑砂輪時，必需用紙質(zhì)墊圈。第四，用平穩(wěn)的扭矩和松緊度上緊法蘭盤。安裝完畢后，砂輪應(yīng)依次作粗平衡、修整和精平衡，然后再開始磨削。若砂輪原始狀態(tài)很不平衡且跳動很大，則常需作附加修整及再平衡。砂輪良好的平衡會使磨削表面持續(xù)保持良好干凈度，并使壽命延長。同時，正確的修整會使砂輪保持穩(wěn)定的磨削表面和磨削作用。砂輪的鋒利程度及其形狀精度取決砂輪的修整方法。所以，任何時候都要使砂輪修整裝置處于良好的工作狀態(tài)，這對于單點金剛石修整器或電機驅(qū)動的金剛石滾輪都一樣。單點金剛石修正是修整陶瓷結(jié)合劑砂輪的常用方法，這種修整方法常會導(dǎo)致砂輪性能不穩(wěn)定，所以修整的方法和程序要不斷作相應(yīng)的調(diào)整。在磨削工件時，典型的方法是：砂輪粗磨肯定的加工留量，然后更改修整參數(shù)，再精磨工件。通常的做法是，粗修砂輪時，金剛石沿砂輪外圓作快速橫向進給，而精修時，修正器的橫向進給速度大大減慢，以獲得干凈的砂輪表面和工件表面。一種稱為“搭接式”或“重疊式”的修整方法，能保證正確、穩(wěn)定的修整。例如，一直徑為406.4mm的砂輪，速度為6000sfm（1828m/min），單點金剛石修正器的圓弧半徑0.254mm作粗磨修整，每個行程的修整量為0.025mm。一般修正時常用的橫向進給速度往往過快，使砂輪表面有一修不到。而采納多次行程雖可以使砂輪表面都修到，但表面不平。這種砂輪磨削性能較高，但磨損快而不均勻。砂輪修整一般在磨削工作速度下進行。唯一的例外是作刮壓整形修整時，在300sfm（91.44m/min）的低速下進行。橫向進給速度應(yīng)依據(jù)修整器的金剛石尺寸和對砂輪表面的要求而計算確定，一般粗磨采納2～3次搭接，精磨則需4～6次搭接。修正器橫向進給速度的計算:已知金剛石圓弧半徑（XB＝0.015），金剛石切入量（0.001），砂輪轉(zhuǎn)速1400rpm。距離CB計算如下：因XB＝0.015，CX＝0.015—0.001＝0.014。CB＝0.00735，而AB＝2CB＝0.0147。這樣就得到了金剛石每轉(zhuǎn)的進給節(jié)距，保證在砂輪表面不留下未修。換算到每分鐘的進給速度AB1400rpm＝20.58ipm。這個速度使金剛石一次修整就覆蓋整個砂輪表面。若修整要求二次搭接，則進給速度減半，為10.29ipm。對粗修整較為理想。精修整需4～6次搭接，進給速度要相應(yīng)削減。如4次搭接時為5.14ipm。磨削液的應(yīng)用磨削液的正確應(yīng)用對于成功的磨削非常緊要。磨削液的作用是對切削弧區(qū)進行冷卻和潤滑。水基磨削液的作用重要是冷卻，也有肯定的潤滑作用。而冷卻油的作用重要是潤滑，有點冷卻作用。全合成添加劑的水基磨削液，最適用于鋒利的強力磨削砂輪，這種砂輪通常工作時切削弧較長，需要較好的沖刷作用。半合成添加劑的磨削液，最適用于磨削多而雜形狀和要求潤滑性能良好，以防止燒傷的場合。單純的油劑適于磨削多而雜形狀，切削弧較短、磨削干凈度要求較高的場合。而乙二醇基的磨削液適用于采納立方氮化硼砂輪而又要避開使用單純油劑的場合。選擇磨削液是一項困難的任務(wù)：既要考慮磨削液的初始價格，又要考慮其管理和處理的費用。所謂對環(huán)境無害的“綠色”冷卻液，僅是一種誑騙。有些桶裝的新鮮冷卻液，甚至可以飲用，但一旦磨削碎末污染了液體，就會變成對環(huán)境有害的廢物。磨削液一旦選定，就應(yīng)對其進行過濾和保養(yǎng)。不僅要考慮其清潔度，還要掌控其濃度、導(dǎo)電性和PH值。最新的磨削液的試驗表明，磨削液濃度對磨削過程的影響不是線性關(guān)系。長期以來，人們都認(rèn)為，隨著磨削液濃度的加添，磨削過程會成比例地改善，實際上這是不正確的。例如，磨削液濃度在7.5%～8%時，其性能不及濃度5%的好，但當(dāng)濃度加添至10%～12%時，性能又得到改善。對50種水基磨削液的試驗結(jié)果大同小異。不過，在有些情況下，趨勢不很明顯；而在另一些情況下，7.5%的磨削液濃度簡直到了導(dǎo)致機床失速的程度；而濃度5%和10%的磨削液工作情況良好。在選好了適當(dāng)?shù)哪ハ饕杭捌涔芾眢w系以后，接下來的首要問題是如何正確地把磨削液注入磨削區(qū)域。磨削液應(yīng)當(dāng)注到切削弧區(qū)域，而不是簡單地注向工件和砂輪的結(jié)合部，通常澆注的冷卻液只有很少進入切削弧區(qū)。旋轉(zhuǎn)的砂輪像一個吹風(fēng)器那樣，把磨削液從砂輪外圓拋出去。砂輪的孔隙既可容屑，又可發(fā)揮搬運磨削液的功能。就這樣，磨削液是靠砂輪本身帶到切削弧區(qū)的。所以，在適當(dāng)?shù)乃俣认?，磨削液澆注到砂輪外圓就會帶向切削弧區(qū)。此外，噴咀應(yīng)作專門設(shè)計，使磨削液以適當(dāng)?shù)乃俣葒娮⒃谡_的注入點。噴咀尺寸應(yīng)覆蓋整個砂輪寬度，當(dāng)寬度已知時，噴咀的開口高度（d）可通過計算獲得。若噴咀寬度為1.5，則噴咀口的面積為：1.5din2。設(shè)磨削速度為5500（1676m/min），換算成英寸須乘12，得66000in/min，所以，噴口處的磨削液流速為：（1.5din2）66000in/min＝99000din3/min。若油泵壓力為110psi（0.758MPa），每分鐘的液體流量為58gpm（每分鐘58加侖，約為219.554升/分），而1加侖＝231立方英寸，所以油泵流量為：231in358gpm＝13398in3/min。明顯，油泵進口和出口的流量應(yīng)當(dāng)相等，即13398應(yīng)等于99000d。于是可算出噴口高度d為：0.135（13398/99000）。實際選用的噴咀開口高度可以比計算值略小一點，由于磨削液離開噴咀后速度會有所降低。當(dāng)噴咀不正對砂輪的情況下，考慮這個因素尤為緊要。所以，本例中噴咀尺寸取0.121.5較好。油泵的壓力是為推動液體在管路系統(tǒng)中流動。有時系統(tǒng)的阻力可能超過油泵額定壓力110Psi。由于常常發(fā)生噴咀制造不正確，管路、接頭、活動轉(zhuǎn)臂等有扭曲或停滯現(xiàn)象。假如上述影響流動的停滯因素存在，則流動速度就會減小。因此，要常常用流量劑來檢測流速的變化，光看壓力計是不夠的。附錄:關(guān)于超硬磨料濃度的學(xué)問超硬磨料的砂輪技術(shù)規(guī)范中一項緊要指標(biāo)是濃度。工業(yè)界常把濃度100誤會為100%，其實不然，濃度100的定義是：在1立方英寸體積內(nèi)有72克拉磨料。所以，濃度50是指每立方英寸中有36克拉磨料，磨料的粒度大小有很多種，而不同粒度的磨料可以有相同的濃度?，F(xiàn)以濃度同樣為75的兩種磨料粒度作對比。一種是60粒度（美標(biāo)，下同），另一種是200粒度，它們每立方英寸的磨料含量都是54克拉，對于60粒度的磨料，每克拉有6900顆，而200粒度的磨料每克拉有262000顆。所以60粒度的磨料，在每立方英寸的砂輪中有372600顆磨粒，而200粒度的磨料，這個數(shù)字達到141480