砂轮特性对磨削影响的分析

1.砂轮

以磨料为主制造而成的切削工具称作磨具，如砂轮、砂带、油石等，其中，砂轮的使用量最大，适应面最广。砂轮是用磨料和结合剂按一定的比例制成的圆形固结磨具，品种繁多，规格齐全，尺寸范围很大。由于砂轮的磨料、粒度、结合剂、硬度及组织不同，砂轮的特性差异很大，对磨削质量及生产率亦有很大影响。磨削时，应根据加工条件选择相适应特性的砂轮。

（1）砂轮参数。

①磨料。磨料在砂轮中担负切削工作，因此，磨料应具备很高的硬度、一定的强韧性以及一定的耐热性及热稳定性。目前生产中使用的几乎均为人造磨料，主要有刚玉类、碳化硅和高硬磨料类。表7-3所示为常用磨料的特性及应用范围。

表7-3　常用磨料的特性及应用范围

刚玉类除上述两种外，还有玫瑰红（或等红）色的铬刚玉（PA）、浅黄（或白）色的单晶刚玉（SA）、棕褐色的微晶刚玉（MA）及黑褐色的锆刚玉（ZA）等性能均好于白刚玉。单晶、微晶刚玉有良好的自锐性，适于加工不锈钢及各种铸铁；铬刚玉适于加工淬火钢。碳化硅类除上述两种外，还有灰黑色的碳化硼（BC），它的硬度高于C及GC，耐磨性好，适合加工硬质合金、宝石、玉石、陶瓷和半导体材料等。

②粒度。粒度是指磨料颗粒的大小。按颗粒尺寸大小可将其分为两类：一类为用筛选法来确定粒度号的较粗磨料，称磨粒，以其能通过每英寸长度上筛网的孔数作为粒度号，粒度号越大，磨粒的颗粒越细；另一类为用显微镜测量区分的较细磨料，称微粉，以实测到的最大尺寸作为粒度号，故粒度号越小，磨粒越细。微粉用粒度号前面加字母“W”表示。表7-4所示为常用的砂轮粒度号及应用范围。

表7-4　常用的砂轮粒度号及应用范围

选择磨料粒度时，主要考虑具体的加工条件。如粗磨时，以获得高生产率为主要目的，可选中、粗粒度的磨粒；精磨时，以获得小表面粗糙度为主要目的，可选细粒或微粒磨粒；磨削接触面积大及加工高塑性工材时，为防止磨削温度过高而引起表面烧伤，应选中粗磨粒；为保证成形精度，应选细磨粒。

③结合剂。结合剂起黏结磨粒的作用，它的性能决定了砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性和耐热性，同时对磨削温度、磨削表面质量也有一定的影响。

结合剂的种类、代号、性能及应用范围见表7-5。

表7-5　常用结合剂的性能及应用范围

④硬度。砂轮硬度指在磨削力作用下磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。磨粒黏结牢固，砂粒不易脱落，砂轮则硬，反之则软。

砂轮的硬度对磨削生产率和磨削表面质量都有很大影响。若砂轮太硬，磨粒钝化后仍不脱落，磨削效率低，工件表面粗糙并可能烧伤；若砂轮太软，磨粒尚未磨钝即脱落，砂轮损耗大，不宜保持廓形而影响工件质量。只有硬度合适，磨粒磨钝后因磨削力增加而自行脱落，新的锋利磨粒露出，使砂轮具有锐性，即可提高磨削效率和工件质量，并减小砂轮损耗。故生产中应根据具体加工条件进行砂轮硬度的合理选择。一般加工硬工件材料，应选软砂轮，反之选硬砂轮；反之加工有色金属等很软的材料，为了防止砂轮堵塞，则选软砂轮。磨削接触面积大，或磨削薄壁零件及导热性差的零件时，选软砂轮。精磨、成形磨时，选硬砂轮。磨粒较细，选较软的砂轮。砂轮的硬度等级及代号见表7-6。

表7-6　砂轮的硬度等级及代号

⑤组织。砂轮组织指磨料、结合剂和气孔三者的体积比例关系，用来表示砂轮结构紧密或疏松的程度。按照磨粒在砂轮中占有的体积百分数，砂轮组织可分为0～14组织号，砂轮的组织号见表7-7。砂轮组织号大，组织松，砂轮不易堵塞，切削液和空气能被带入磨削区域，可降低磨削温度，减少工件热变形和烧伤，也可提高磨削效率。但疏松的组织不易保持砂轮廓形，会影响成形磨削精度，表面也会粗糙。

表7-7　砂轮的组织号

为满足磨削接触面积大或薄壁零件，以及磨削软而韧（如银钨合金）或硬而脆（如硬质合金）材料的要求，在14组织号以外，还研制出了更大气孔的砂轮。它在砂轮工艺配方中加入了一定数量的精萘或炭粒，经焙烧后挥发而形成大气孔。

（2）砂轮形状、尺寸。为适应在不同类型的磨床上加工各种形状和尺寸工件的需要，砂轮有许多形状和尺寸。常用的砂轮形状及应用见表7-8。

表7-8　常用的砂轮形状及应用

砂轮的标志印在砂轮端面上，其顺序是形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和最高线速度。如标记“1-600×75×202-WA54Y8B-60”指平形砂轮，外径600mm，厚度75mm，孔径202mm，白刚玉，粒度号为54#，超硬硬度，8组织号，树脂结合剂，最高工作线速度为60 m/s。

2.磨削过程及其特征

（1）磨料特点。砂轮上的磨料形状很不规则又各不相同，而砂轮由无数个形状各异的磨粒所组成，从磨粒的工作状态看，存在三个主要问题：

①工作中的磨粒具有很大的负前角。磨粒为不规则多面体，不同粒度号磨粒的顶尖角多为90°～120°，在砂轮表面很难获得正值前角，而经过修整的砂轮，磨粒前角更小，可达-85°～-80°。

②磨粒存在较大的钝圆半径rβ。磨粒不可能像其他普通刀具一样，通过刃磨获得小的刃口圆弧半径，即锋利的刃口。

③磨粒在砂轮表面所处位置高低不一，磨粒很难在砂轮表面等高地整齐排列。

图7-53　单个磨粒的磨削过程

（2）磨削过程。由于砂轮上担负切削工作的磨粒有着鲜明的特点，使得磨削过程不同于其他切削方法。单个磨粒的典型磨削过程可分为三个阶段，如图7-53所示。

①滑擦阶段。磨粒切削刃与工件接触的开始，因切削厚度较小，磨粒较钝，磨粒无法从工件表面切下切屑，而只能从工件表面滑擦而过，使工件只产生挤压弹性变形，此为滑擦阶段。该阶段以磨粒与工件间的摩擦为主。

②刻划阶段。随着磨粒在工件表面的深入，磨粒对工件的挤压严重，使工件表面产生塑性变形，磨粒前方的金属向两边流动而隆起，中间则被耕犁出沟槽，此为耕犁、刻划阶段。该阶段以磨粒与工件间的挤压塑性变形为主。

③切削阶段。随磨粒在工件表面的进一步深入，切削厚度不断增大，挤压变形进一步增加，工件表层余量产生剪切滑移，此为切削阶段。该阶段以磨粒在工件表层的切削作用为主。

由单个磨粒的切削过程可知，磨粒从工件上切下切屑前经过了滑擦、刻划阶段，而砂轮上磨粒的高低位置不同，位置较低的磨粒，无法切入工件较大深度，更无法经历切削阶段，无法切下切屑，而只能在工件表面滑擦和刻划，更低磨粒会无缘刻划，只与工件表面滑擦而过。由此可知，磨削过程是个包含切削、刻划及滑擦作用的复杂过程，并且，滑擦、刻划在其中占有很大的比重，同时使磨削表面成为切削、刻划及滑擦作用的综合结果。

（3）磨削力与磨削阶段。磨削过程中的磨削力亦可分解成三个互相垂直的分力：切向力、径向力和轴向力。由于磨削时的切削厚度很小，磨粒的负前角、刃口钝圆半径较大，切削中的挤压非常严重，加之不少的磨粒只在工件表面滑擦和刻划，加剧了磨粒对工件表面的挤压，使磨削中的径向分力很大而超过主切削力（切向力），甚至达到切向力的2～4倍。(www.xing528.com)

磨削中，由于大的径向力的作用，使加工工艺系统产生径向弹性变形，导致实际磨削深度与每次径向进给量产生差异，同时，磨削过程中出现三个不同的阶段，如图7-54所示。

①初磨阶段。由于工艺系统在径向力下的弹性变形，在砂轮最初的几次径向进给中，实际磨削深度比磨床刻度显示的径向进给量要小，且工艺系统刚性越差，初磨阶段越长，为提高生产效率，开始磨削时可增大径向进给量，以缩短初期阶段。

图7-54　磨削过程三个阶段

②稳定阶段。随径向进给次数的增加，工艺系统弹性变形抗力也随之增加，当工艺系统弹性变形抗力达到径向磨削力时，实际磨削深度与径向进给量一致。

③清磨阶段。当磨削余量即将去完，径向进给运动停止时，由于工艺系统的弹性变形随径向力的减小逐渐恢复，使实际径向磨削量并不为零，而只是逐渐减小。所以，在无切入的情况下，增加清磨次数，使磨削深度逐渐减小到零，可使工件加工精度和表面质量逐渐提高。

（4）磨削热与磨削温度。磨削时，由于磨削速度很高，磨粒钝，磨削厚度小，挤压变形严重，磨削时的耗功远高于车、铣等加工方法（为车、铣的10～20倍），磨粒与工件表面间的摩擦严重，磨削时会产生大量的热，而砂轮的导热性能很差，很短时间（1～2 ms）内就会在磨削区形成高温。

磨削区不同位置的温度并不相同。磨削点（磨粒切削刃与工件，磨削接触点）的温度很高，可达1 000℃～1 400℃，虽维持高温时间不长（约5 ms），但它不仅会影响加工表面质量，亦会影响磨粒的磨损状况以及切屑熔着现象。磨削区（砂轮与工件接触面）的平均温度（即通常所说磨削温度）在400℃～1 000℃，它是造成磨削表面烧伤、残余应力裂纹的原因。

（5）磨削表面质量。磨削区的高温使磨削表面层金属产生相变，导致其硬度、塑性发生变化，这种变质现象称为表面烧伤。高温的磨削表面生成一层氧化膜，氧化膜的颜色决定于磨削温度和变质层深度，所以可根据表面颜色推断磨削温度和烧伤程度。如淡黄色为400℃～500℃，烧伤层较浅；紫色为800℃～900℃，烧伤层较深。轻微的烧伤通过酸洗即可显示出来。

磨削区的高温还可使磨削表面因热塑性变形而产生残余拉应力，而残余拉应力的作用又易造成被磨削表面出现裂纹。

表面烧伤与裂纹都会因损坏了零件表面组织而恶化表面质量，降低零件的使用寿命。因此，磨削中减少磨削热的生成和加速磨削热的传散，控制磨削温度非常重要。一般可采取如下措施：

①合理选择砂轮。砂轮硬度软，有利于磨粒更新，减少磨削热生成；组织疏松、气孔大，有利于散热；树脂结合剂砂轮退让性好，可减小摩擦。

②合理选择磨削用量。磨削时砂轮切入量、砂轮速度的提高，都会使摩擦增加、耗功增多；而提高工件圆周进给速度和工件轴向进给量，均可使砂轮、工件接触减少，改善散热。

③采取良好的冷却措施。选用冷却性能好的冷却液、采用较大的流量及选用冷却效果好的冷却方式如喷雾冷却等均可有效地控制磨削温度，有利于提高磨削表面质量。

（6）砂轮的磨损与修整。

①砂轮的磨损。砂轮工作一定时间后，也会因钝化而丧失磨削能力。造成砂轮钝化的原因主要有：磨粒在磨削中高温高压及机械摩擦的作用下被磨平而钝化；磨粒因磨削热的冲击而在热应力下破碎，磨粒在磨削力的作用下脱落不均而使砂轮轮廓变形；磨粒在磨削中的高温高压下嵌入砂轮气孔而使砂轮钝化。

砂轮磨损后，会使工件的磨削表面粗糙、表面质量恶化、加工精度降低、外形失真，还会引起振动和发生噪声，此时，必须及时修整砂轮。

②砂轮修整。砂轮修整方法主要有单颗（或多颗）金刚石车削法、金属滚轮挤压法、碳化硅砂轮磨削法和金刚石滚轮磨削法等多种。金刚石滚轮修整效率高，一般用于成形砂轮的修整；金属挤轮、碳化硅砂轮修整一般亦用于成形砂轮；车削法修整是最常用的方法，用于修整普通圆柱形砂轮或型面简单、精度要求不高的仿形砂轮。

车削法修整是用单颗金刚石或多颗细碎金刚石笔（图7-55）、金刚石粒状修整器（金刚石不经修磨，直用至消耗完）作刀具对砂轮进行车削的方法。用单颗金刚石笔修整时，应按具体要求合理选择修整进给量和修整深度，方能达到修整目的。

当修整进给量小于磨粒平均直径时，砂轮上磨粒的微刃性（图7-56）好，砂轮切削性能好，工件表面粗糙度小。但当修整进给量很小时，修整后的砂轮磨削时生热多，易使工件表面出现烧伤与振纹。因此，粗磨和半精磨时，为防止烧伤，可采用较大的砂轮修整进给量。砂轮修整深度过大，则会使整个磨粒脱落和破碎、砂轮磨耗增大，同时砂轮不易修整平整。

图7-55　金刚石笔

（a）单颗金刚石笔；（b）多粒细碎金刚石笔

图7-56　磨粒的微刃