磨料及其磨削工藝的探討

王春雨

摘要：磨削作為一種加工手段，一般用于最開(kāi)始的初加工和最后一道工序的精加工。從磨料開(kāi)始詳細(xì)地介紹了砂輪的種類與磨料的選擇，闡述了磨削工藝的特點(diǎn)，探討曲軸磨削技術(shù)，提出了曲軸磨削后產(chǎn)生裂紋的解決途徑。

關(guān)鍵詞：磨削；磨料；曲軸

中圖分類號(hào)：TG580.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.05.007

0.引言

磨削作為一種加工手段，一般用于最開(kāi)始的初加工和最后一道工序的精加工，是指用磨料、磨具切除工件上多余材料的加工方法，具有加工少、精度高、產(chǎn)生熱量少、外形美觀等特點(diǎn)，在機(jī)械加工中占主導(dǎo)地位，可用于加工各種工件的內(nèi)外圓柱面、圓錐面、平面以及螺紋、齒輪、鍵等特殊、復(fù)雜的成形表面，有各種不同的工件，就要有相應(yīng)的加工磨床，對(duì)應(yīng)各種不同的磨料，正確掌握磨削工藝，正確選擇磨料磨具對(duì)提高加工質(zhì)量是至關(guān)重要的。

1.磨料

磨削加工時(shí)，首先要根據(jù)待加工的工件材質(zhì)來(lái)選擇所對(duì)應(yīng)的磨料。

1.1磨料的選擇

主要取決于工件材料及熱處理方法。

（1）磨削抗張強(qiáng)度高的材料時(shí)，選用韌性大的磨料。如含鎢高的材料，應(yīng)選擇具有高韌性的陶瓷剛玉磨料進(jìn)行加工。

（2）磨削硬度比較低、延展率大的材料時(shí)，可適當(dāng)選擇較脆的磨料。

（3）磨削硬度較高的材料，要選擇較軟的砂輪。

1.2砂輪硬度的選擇

砂輪的硬度是衡量砂輪“自銳性”的主要指標(biāo)，加工過(guò)程中，磨粒逐漸由銳利而變鈍。部分鈍化的磨粒繼續(xù)工作，作用在磨粒上的壓力就會(huì)不斷增大，當(dāng)壓力大到一定數(shù)值時(shí)，有的磨粒會(huì)自行崩碎而形成新的刃口，當(dāng)壓力超過(guò)結(jié)合劑的粘結(jié)力時(shí)，磨粒會(huì)自行脫落。鈍化了的磨粒自行崩碎或脫落使砂輪保持銳利的特性稱為自銳性，較軟的砂輪有較好的自銳性，能夠提高砂輪的磨削性能，減少磨削力和磨削熱。當(dāng)磨削軟的材料時(shí)，砂輪不易鈍化，應(yīng)選擇硬砂輪以避免磨料過(guò)早脫落損耗，磨削特別軟而且韌性高的材料應(yīng)選用較軟的砂輪。

磨削加工時(shí)，還要考慮選擇不易與加工材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的磨料。

1.3砂輪的種類及其對(duì)應(yīng)加工的材料

最常用的磨料有白剛玉、棕剛玉、黑碳化硅、綠碳化硅、鉻剛玉、單晶剛玉、微晶剛玉、鋯剛玉。隨著工藝的發(fā)展，現(xiàn)在又制作了陶瓷砂料，樹(shù)脂砂輪、橡膠砂輪、金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪。

棕剛玉砂輪：棕剛玉的硬度高、韌性大，適宜磨削抗拉強(qiáng)度較高的金屬，比如碳鋼、合金鋼、可鍛鑄鐵、硬青銅等，這種磨料的磨削性能好，適應(yīng)性廣，常用于切除較大余量的粗磨，可以廣泛使用。

白剛玉砂輪：白剛玉的硬度略高于棕剛玉，韌性比棕剛玉低。在磨削時(shí)，磨料容易破裂，因此，磨削熱量小適宜制造精磨淬火鋼、高碳鋼、高速鋼以及磨削薄壁零件用的砂輪，成本比棕剛玉高。

黑碳化硅砂輪：黑碳化硅砂輪性脆而鋒利，硬度比白剛玉低，適用于磨削機(jī)械強(qiáng)度較低的材料，如鑄鐵、黃銅、鋁和耐火材料。

綠碳化硅砂輪：綠碳化硅硬度脆性較黑碳化硅高，磨粒鋒利，導(dǎo)熱性好，適合于磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、陶瓷等硬脆材料。

外圓磨和曲軸磨的頂針由于使用不當(dāng)，出現(xiàn)了破損需要重新磨削才可以使用，就是將頂針?lè)旁诖差^的主動(dòng)錐口里，用黑碳化硅鋼進(jìn)行磨削，其精度和光潔度都可與新件媲美。

鉻剛玉砂輪：適用于磨削刀具、量具、儀表、螺紋等表面加工質(zhì)量要求高的工件。

單晶剛玉砂輪：適用于磨削不銹鋼、軸承鋼和特種球墨鑄鐵等，用于成型磨、切入磨、鏡面磨削。

鋯剛玉砂輪：適用于磨削奧氏體不銹鋼、鈦合金、耐熱合金，特別適用于重負(fù)荷磨削。

金剛石樹(shù)脂砂輪：金剛石砂輪是最堅(jiān)硬的砂輪，磨削能力非常強(qiáng)悍，只適用加工高硬度的材料，而不宜用來(lái)磨削一般鋼材或其他軟性材料，其修整要用碳化硅磨料進(jìn)行，冷卻液有煤油、輕柴油，一般以煤油為好。

新的金剛石砂輪使用前因出廠和裝配時(shí)的不同心度，一般要進(jìn)行修整，一般有兩種方法：（1）在陶瓷工具上進(jìn)行微量磨削，自行歸圓；（2）手持碳化硅磨料進(jìn)行修整。

吉林化工壓縮車間壓縮柱塞表面噴涂陶瓷，用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，提高了加工效率和質(zhì)量。

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸煤在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問(wèn)世后出現(xiàn)的又一種新型高新技術(shù)產(chǎn)品，它具有很高的硬度，熱穩(wěn)定性和化學(xué)隋性，以及良好的透紅外性和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能，它的硬度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于金剛石，對(duì)鐵系元素有較大的化學(xué)穩(wěn)定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優(yōu)異，不僅能勝任難磨材料的加工提高生產(chǎn)率，還能有效地提高工件的磨削質(zhì)量。適用于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、鑄鐵等。

2.磨削工藝

選擇合適的磨具，制定出合理的加工工藝，才能有效地提高工作效率，加工出高質(zhì)量的工件。常用的磨削工藝包括外圓磨削和曲軸磨削。

磨削前要根據(jù)磨削的材質(zhì)，合適地選擇砂輪磨削粗磨、半精磨、精磨幾個(gè)步驟進(jìn)行。磨削工藝看似簡(jiǎn)單，卻是加工中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，磨削工藝掌握的好壞，直接影響到工件的質(zhì)量，這就需要在生產(chǎn)生活中多積累，多探索，才能適應(yīng)市場(chǎng)的需求，工藝才能趨于完美。

2.1外圓磨削

首先要考慮磨削用量四要素，包括磨削速度、工件圓周速度，橫向進(jìn)給量和縱向進(jìn)給量。

2.1.1磨削速度

磨削速度即是砂輪圓周速度，也叫切削速度，其為砂輪外圓表面上任一位置在1s內(nèi)所通過(guò)的路程。

2.1.3橫向進(jìn)給量

掌握好合適的進(jìn)給量，對(duì)消除由于磨損而產(chǎn)生的力，對(duì)于提高工件質(zhì)量有很好的作用，一般采用O.1一O.35mm。

2.1.4縱向進(jìn)給量

縱向進(jìn)給量一般受砂輪厚度的影響，粗磨時(shí)采用O.3—0.85T，精磨時(shí)采用0.2-0.3T（T為砂輪厚度，mm）。

2.2工件的裝卡

工件的裝卡在磨削加工中至關(guān)重要，外圓磨床磨削工件時(shí)大多是用兩邊頂針進(jìn)行裝卡，這就對(duì)于力度的掌握有很高的要求，以能夠用手轉(zhuǎn)動(dòng)工件發(fā)滯而不自由為準(zhǔn)。自由就會(huì)精度不夠，誤差過(guò)大；力量過(guò)大，重的工件就會(huì)使研磨頂針孔出現(xiàn)大的橢圓，而無(wú)法保證加工精度，重量輕的工件，力度過(guò)大可能會(huì)使工件微變形，保證不了同心度，也就無(wú)法保證加工質(zhì)量。

3.曲軸的磨削工藝

曲軸是多種發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，磨削作為曲軸精加工的工序?qū)ηS的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度和不同心度、熱裂紋及振動(dòng)波紋的產(chǎn)生都有極大地影響，因此研究磨削工藝對(duì)曲軸質(zhì)量的影響具有重要意義。

在曲軸磨床上磨銷曲軸，裝卡之后先磨削主軸，調(diào)整主軸中心，使主軸中心在一條工作線上，保證其同心度，以第1和第7道主軸為基準(zhǔn)，如果其它軸徑超出范圍，則視為主軸彎曲。

在磨削連桿軸時(shí)，要求是保證其回轉(zhuǎn)半徑的正確。行程大小決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比的大小。曲軸曲柄的行程大小是一個(gè)很重要的參數(shù)，一般程序比規(guī)定值大1mm以上時(shí)，活塞在上止點(diǎn)就要頂缸蓋，而不能裝配使用。一般發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的回轉(zhuǎn)半徑的公差為±O.15mm，這就要求曲軸連桿軸徑在磨削時(shí)要求保證其回轉(zhuǎn)半徑的正確。曲軸的磨削除了軸徑表面尺寸精度和表面粗糙度符合技術(shù)要求外，還必須達(dá)到形位公差的要求，磨削曲軸時(shí)必須保證主軸徑和連桿軸徑各軸心線的同軸度及兩軸心線的平行度。

曲軸的圓角是應(yīng)力最為集中的地方，所以磨削曲軸時(shí)要保證圓角不作大的改變，磨削之前用R規(guī)量出圓角的半徑，用金剛石在砂輪上修出相對(duì)應(yīng)的圓角，變化范圍在±O.5°為宜。

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究磨削參數(shù)（切削深度，進(jìn)給量和砂輪線速度）對(duì)磨削規(guī)律的影響，結(jié)果表明：（1）隨著切削深度的增加，表面粗糙度呈上升的趨勢(shì)，因此磨削工藝分粗磨和精磨非常必要；（2）粗磨工序的進(jìn)給量對(duì)砂輪磨損量的影響最大，而精磨工序?qū)Ρ砻娲植诙鹊挠绊懽畲?。為了達(dá)到小節(jié)拍和高質(zhì)量的目的，必須優(yōu)化這兩道工序的進(jìn)給量，才能保證加工精度。（3）提高砂輪磨削速度，加大切削深度，提高工作回轉(zhuǎn)速度均可提高磨削效率，減少節(jié)拍。但在進(jìn)行大切深磨削時(shí)，裂紋和燒傷比較嚴(yán)重時(shí)，可以通過(guò)工藝優(yōu)化的方法，達(dá)到既提高加工效率，又保證了工件的表面質(zhì)量，工件的表面粗糙度隨著砂輪線速度增加而減少。

曲軸的拉應(yīng)力隨著砂輪的進(jìn)給力量的增加會(huì)逐漸變大，慢慢接近工件材料的抗拉強(qiáng)度。一旦超過(guò)工件材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂紋。

解決磨削裂紋的根本途徑：（1）砂輪的磨料是關(guān)鍵，選擇合適的砂輪。對(duì)磨料性能的要求是硬度高，抗彎強(qiáng)度大，耐磨性能好，刃口鋒利，且自銳能力強(qiáng)。耐磨性能高，能長(zhǎng)期維護(hù)刃口鋒利的剛玉類較好，鉻剛玉、單晶剛玉和微晶剛玉則更好一些，最理想的磨料為立方氮化硼，各種性能均優(yōu)于剛玉類磨料。（2）要使用自動(dòng)砂輪修整器，始終保持砂輪刃口的鋒利性。（3）選擇潤(rùn)滑性能好的磨削液，如含極壓成分的切削液，硫化切削油等。（4）具有較大壓力和流量的供液裝置，磨削時(shí)能將充分的磨削液送人磨削區(qū)，進(jìn)行高效的潤(rùn)滑、冷卻和清洗，將熱量帶走，降低磨削區(qū)溫度，并避免砂輪堵塞。（5）具有高效的磨削過(guò)濾裝置，磨削液中的砂輪、鐵屑等雜質(zhì)，不僅對(duì)曲軸的精度、粗糙度有不利影響，而且它會(huì)破壞潤(rùn)滑膜，成為裂紋源，因此必須將磨削液中的雜質(zhì)過(guò)濾清除。