難磨削材料的磨削加工

■ 中車北京南口機械有限公司 （102202） 鄭文虎 張明杰

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所謂難磨削材料，就是在磨削加工時，磨削加工性差的材料。難磨削材料與難切削材料有許多共同的特點，也有一些不相同的特點。在難磨削材料中，有的切削加工性很好，如有色金屬中的銅、鋁及其合金。一般淬火鋼，切削很難，可磨削比較易。

1.難磨削材料的區(qū)分

（1）按材料含合金元素區(qū)分。材料中含有Cr、Ni、W、Mo、Mn、Ti、Al、Co、V等元素，提高了材料的強度、韌性、塑性和耐熱性，降低了材料的導熱性，磨削就相對困難。

（2）按磨削比來區(qū)分。磨削比G（磨去材料的體積與砂輪磨耗的體積之比）大的材料易磨削，反之難磨削。磨削比G小的材料，在磨削過程中砂輪磨損脫?？?，磨削力大，磨削溫度高，易產生振動、燒傷和磨削裂紋，磨削效率低。

（3）按材料的物理和力學性能區(qū)分。工件材料的塑性和韌性高，硬度和熱導率低，磨屑容易粘附在砂輪表面上，堵塞砂輪氣孔，使砂輪失去磨削能力，造成磨削力大和磨削溫度高，從而產生磨削缺陷。這些不良現象極易在磨削銅、鋁、純鐵、高釩高速鋼、高溫合金、鈦合金和不銹鋼時發(fā)生。

（4）按磨削后工件表面質量來區(qū)分。有的工件材料在磨削時易產生燒傷和裂紋，工件被脫粒下來的磨粒劃傷，表面粗糙度值大，難以達到工件質量要求，這些材料也難于磨削。

2.難磨削材料的磨削特點

（1）燒傷。在磨削韌性大、熱導率低的材料時，加之砂輪硬度等特性選擇不當、砂輪太鈍和沒有及時修整、磨削深度過大和磨削液供給不足或沒有澆注在磨削區(qū)時，磨削區(qū)的溫度高達1 000℃以上，不易傳出去，就會產生磨削燒傷。在磨削高溫合金和不銹鋼時最為突出。

（2）砂輪堵塞。這種現象在磨削塑性高、硬度低的材料時發(fā)生。磨削時，砂輪氣孔和磨粒的切削刃被磨下的磨屑粘糊住，又不能去除，砂輪表面上形成一層粘糊狀化合物，使砂輪在很短的時間失去磨削能力，使磨削條件惡化。在磨削銅、鋁、不銹鋼、鈦合金和高溫合金時最為突出。

（3）砂輪磨損嚴重。在磨削韌性大、強度高的工件材料時，切屑不易切離，磨削力大，造成砂輪磨損和脫粒嚴重。如用剛玉類磨料的砂輪磨削高釩高速鋼、高溫合金、硬質合金和加工硬化嚴重的材料時，只見砂輪磨損脫粒，不見工件材料去除。

3.解決難磨削材料磨削問題的主要途徑

機械加工專家、高級技師鄭文虎

（1）合理選擇砂輪。選擇砂輪就是選擇砂輪特性，包括砂輪的磨料、硬度、結合劑、粒度和組織，及高硬度磨料（人造金剛石和立方氮化硼）的濃度，這是解決難磨削材料磨削問題的主要途徑。①選擇合適的磨料。磨削難磨削材料的磨料包括白剛玉（WA）、鋯剛玉（ZA）、單晶剛玉（SA）、微晶剛玉（MA）、綠碳化硅（GC）、立方氮化硼（CBN）和人造金剛石（D）。采用鋯剛玉磨削奧氏體不銹鋼，不僅效率高，也不易產生燒傷。采用單晶剛玉磨削普通和高釩高速鋼、不銹鋼和高溫合金，其效果也較好。采用CBN磨料的砂輪磨高釩高速鋼的效果最好。采用綠碳化硅磨鈦合金效果也很好。采用幾種磨料按不同比例混合制成的砂輪，比單一磨料的砂輪都好。②合理選擇砂輪粒度。砂輪粒度不僅與磨削后工件表面粗糙度值有直接關系，也和磨削效率、磨削后工件的缺陷可能性有關系。磨削難磨削材料時，在保證工件質量的前提下，應盡量選用粗粒度的砂輪。③合理選擇砂輪硬度和組織。磨削難磨削材料時，應選用砂輪硬度偏低和組織疏松一些的砂輪，有利于磨鈍的磨粒脫落，使鋒利的磨粒參加切削，從而避免燒傷、堵塞和粘附。

（2）合理選擇磨削用量。vc≤35m/s，ap＝0.01～0.02mm，應采用較高的工件速度，以避免產生燒傷現象。

（3）合理選用磨削液。針對不同的難磨削材料，選用不同的磨削液，也是改善材料磨削加工性的重要途徑之一。如磨削鐵、鎳、鉻基的高溫合金和鈦合金時，不管用什么磨料的砂輪，磨削比G＜2。但用硫化油磨削時，磨削比G＞10。

（4）合理選擇磨削方法。當普通磨料和一般方法難以解決難磨削材料的磨削問題時，可采用人造金剛石和立方氮化硼砂輪，進行電解、電火花、電解砂輪和深切緩進給磨削。

4.銅、鋁及其合金的磨削

銅、鋁及其合金的硬度低（25～160HB），純銅和純鋁的硬度只有25～45HB。純銅的熔點為1 083℃，鋁合金的熔點為660～780℃，而磨削區(qū)的溫度可高達1 000℃以上。磨削時，在磨削熱的作用下，由于工件表面一層金屬熔化并灌入砂輪孔隙或涂抹在砂輪表面上，而產生熱熔粘附，使砂輪嚴重堵塞，很快失去磨削能力，使磨削特別困難。因此，長期以來，對于銅、鋁及其合金工件高質量的表面，都是采用精密機床，用金剛石刀具進行精密或超精密切削，使工件表面達到鏡面。磨削這類材料時，還會出現表面劃傷，有一道道約0.5～17μm的溝狀凹痕，用手摸有粗糙感。這是由于砂輪脫落下來的磨粒落入磨削區(qū)劃傷工件表面所致。為了克服在磨削銅、鋁及其合金時上述現象的發(fā)生，應采取以下措施：

（1）砂輪。磨料應采用性脆而鋒利、有良好導熱性和自銳性的黑碳化硅（C）和綠碳化硅（GC），可以有效地防止砂輪堵塞。選用白剛玉（WA）也可以。粗磨時，應選用F36和F46的粒度，因為粒度粗可以容納磨屑和減少堵塞。精磨時，可采用F60粒度；超精磨削時，選用更細的W1粒度。對于磨削銅、鋁軟金屬的砂輪硬度，應選用J和H砂輪硬度，否則砂輪硬度高了，會造成砂輪嚴重堵塞。為了容納磨屑，把磨削液和空氣帶入磨削區(qū)，有利于散熱，應選用11～12號疏松組織的大氣孔砂輪。為了防止刻入性劃傷，應選用樹脂結合劑或石墨結合劑的砂輪。砂輪修整時，應采用70°～80°的金剛石筆，精修時，在f＝0.001mm/r的進給量下，工作臺往返一次，再空行程一次，以達到微刃性和微刃等高性，這時的工件表面粗糙度值可達Ra＝0.025～0.05μm。

（2）磨削用量。磨削時工件速度vw＝20～30m/min，工作臺速度為0.5～3m/min，磨削深度ap＝0.003～0.015mm，精磨時取小值。

（3）磨削液。磨削銅、鋁的磨削液，要求有良好的清洗和冷卻作用。如10%～20%的乳化液、煤油和煤油與礦物油的混合油。在這三種中，煤油的效果最好，并應特別注意磨削液的過濾。

5.高釩高速鋼的磨削

含釩量3%或以上的高速鋼稱為高釩高速鋼，牌號有W12Cr4V4Mo、W6Mo5Cr4V3、W9Cr4V5、W12Cr4V5Co5、W9Cr4V5Co5和W12Mo3Cr4V3N等。由于這種鋼中難熔的高硬度碳化物占30%～35%，其中碳化釩占7%～8%，VC的硬度高達2 800HV，其顯微硬度比剛玉磨料的硬度（2 000～2 400HV）還高許多，磨削溫度可達1 400～1 500℃，比磨削普通高速鋼高出近一倍，所以造成砂輪快速磨損和脫粒及磨削燒傷，磨削極為困難。

磨削高釩高速鋼砂輪的磨料，可用單晶剛玉（SA），其砂輪的壽命為白剛玉（WA）的6～7倍，但磨削比還是很低。最好采用立方氮化硼（CBN）為磨料的砂輪，其砂輪的壽命是SA的幾百倍，磨削單位功率比剛玉類砂輪小2/3～5/6，而且不會修整，還不會產生磨削燒傷。CBN砂輪的結合劑為樹脂結合劑（B），粒度為F150～F240，砂輪濃度為100%～150%。砂輪速度vc＝30～50m/s，工件速度vw＝8～20m/min，磨削深度ap＝0.01～0.03mm/dst，磨削液必須用礦物油（煤油），千萬不能用水基磨削液，否則會加速CBN砂輪磨損。

6.不銹鋼的磨削

通常人們把含鉻量＞12%或含鎳量＞8%的合金鋼稱為不銹鋼。這種鋼在大氣中或腐蝕介質中具有一定的耐蝕能力，并在＞450℃高溫下具有較高的強度。含鉻量為16%～18%的鋼稱為耐酸不銹鋼。在不銹鋼中加入Mo、Mn、Cu、Nb、W、Co等合金元素，不僅提高了鋼的耐蝕能力，同時也改變了鋼的物理、力學性能和內部組織。合金元素在鋼中含量不同，對不銹鋼的性能影響很大，有的有磁性，有的則無磁性，有的能熱處理強化，有的則不能熱處理強化。

不銹鋼按金相組織分，有馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體-鐵素體和沉淀硬化等五類。

（1）不銹鋼的磨削特點。磨屑易粘附在砂輪表面，填滿磨粒間的孔隙，使砂輪失去磨削能力。這種現象在耐濃酸不銹鋼嚴重，奧氏體不銹鋼次之，馬氏體不銹鋼較輕。由于它的韌性高，磨屑不易被切離，砂輪磨粒易變鈍，使磨削惡化，造成必須勤修整砂輪。單位面積磨削力大，可達68 600MPa，磨削溫度可達1 000～1 500℃，易出現燒傷；磨削表面硬化嚴重，為基體硬度的1.4～2.2倍，硬化深度達0.1～0.2mm；由于不銹鋼的線膨脹系數比一般鋼材大50%，造成工件易變形；奧氏體不銹鋼無磁性，平磨時裝夾困難。

（2）砂輪特性選擇。磨料一般采用白剛玉（WA），內圓磨削時，采用微晶剛玉（MA）或單晶剛玉（SA），也可采用硬度高、耐用度高、磨削力和磨削熱小的CBN磨料。粗磨時采用粒度F36和F46，精磨時采用F60。結合劑一般采用陶瓷結合劑（V），磨耐濃酸不銹鋼內孔時，采用樹脂結合劑（B）。砂輪硬度為J～H。砂輪組織為5～8號中等和疏松的組織。

（3）磨削用量。陶瓷結合劑砂輪速度vc＝30～35m/s，樹脂結合劑砂輪速度vc＝30～50m/s。工件速度vw＝（1/100～1/60）vc（m/min），平磨工作臺速度15～20m/min。磨削深度：粗磨時ap＝0.04～0.08mm，精磨時ap＝0.01～0.03mm。進給量（雙行程）fa＝（0.2～0.6）B（B為砂輪寬度）。

（4）磨削余量。由于不銹鋼磨削困難，磨削余量應小一些。一般余量為0.15～0.30mm，平磨時余量為0.2mm左右。

（5）磨削液。磨削液為乳化液或極壓乳化液，流量為20～40L/min。

7.高溫合金的磨削

高溫合金又稱耐熱合金或熱強合金，它是多組元的復雜合金，能在600～1 000℃的高溫氧化氣氛及燃氣腐蝕條件下工作，具有優(yōu)良的熱強性、熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能。因而廣泛應用于航空、航天和造船等領域。

高溫合金按生產工藝分，有變形高溫合金和鑄造高溫合金兩類；若按高溫合金基體合金元素分，可分為鐵基高溫合金、鐵-鎳基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。

（1）高溫合金的磨削特點。由于鋼中強化相很多，高溫強度高，切屑不易切離，造成單位磨削力比磨削一般鋼材大2倍，而且切深切削力大于主切削力；由于砂輪粘附、堵塞和摩擦加劇，致使磨削區(qū)的溫度高達1 500℃，比磨削一般鋼材高200℃以上；由于加工硬化嚴重，磨削力大，磨削溫度高，砂輪粘附和堵塞，造成砂輪磨損嚴重；由于其熱導率很低，κ＝10W/（m·K）左右，加上磨削溫度高，易產生燒傷。

（2）砂輪特性的選擇。磨料一般采用白剛玉（WA）、單晶剛玉（SA）效果好，鐠釹剛玉（NA）的自銳性好，最好是CBN；粒度一般為F46，在磨削薄片、內孔和端面時應粗一點；硬度常用K和L；結合劑為陶瓷（V）；砂輪組織為5～8號較疏松的組織。

（3）磨削用量。一般砂輪速度vc＝20～25m/s，CBN砂輪速度vc＝30～35m/s。工件速度：外、內圓磨削vw＝30m/min左右，平磨vw＝25～28m/min。磨削深度ap＝0.01～0.05mm，精磨取小值。進給量：外圓磨削時，f＝（0.05～0.5）B/r，內圓磨削f＝（0.1～0.3）B/r，平磨橫向進給量為（0.4～0.6）B（mm/dst）；磨削余量應小一些。

（4）磨削液。由于磨削高溫合金的磨削溫度高，一般應選用冷卻效果好的水基磨削液。澆注量要大，以便帶走大量的熱量以及沖洗工件和砂輪表面。

（5）砂輪的修整。磨削高溫合金時，砂輪的修整十分重要。如果砂輪修整得好，不僅可以提高砂輪壽命，而且也可提高磨削效果。一般采用0.07～0.1mm/st較深的修整量、工作臺縱向進給速度為1.1～1.5m/min的大深度大走刀的修整法。

8.鈦合金的磨削

鈦合金的密度?。?.5g/cm3），強度高（σb＝422～834MPa），熱導率低[κ＝5.44～15W/（m·K）]，彈性模量小（E＝107 800MPa），能耐各種酸、堿、海水和大氣等介質的腐蝕，具有優(yōu)良的力學和物理性能，因而在航空、航天、核能、船舶、化工、石油、冶金和醫(yī)療器械等工業(yè)領域中得到了廣泛的應用。

鈦合金可分為α鈦合金（TA1～TA8）、β鈦合金（TB1、TB2）和α+β鈦合金（TC1～TC10）三種。它具有高的比強度（σb/ρ）、比彈性模量（E/ρ），化學活性大（能與O、H、N等產生強烈的化學反應而生成硬脆層）。

（1）鈦合金的磨削特點。磨削溫度高，是磨削45鋼的1.5～2倍；磨削力大，比磨削45鋼大30%；磨削比低，在同樣的磨削條件下，磨削TC4鈦合金的磨削比只有1∶1.53，而磨削45鋼就高達1∶71.5，兩者相差47倍，造成砂輪易變鈍，磨削效率低；在磨削過程中，砂輪除粘附、擴散磨損外，鈦合金與磨粒之間會起化學反應，加速砂輪磨損而失去磨削能力。

（2）砂輪特性的選擇。磨削鈦合金的砂輪磨料，應采用綠碳化硅（GC）和鈰碳化硅（CC），使砂輪粘附減輕、不易堵塞氣孔，鈰碳化硅尤其好。如采用混合磨料（以GC、CC為主磨料，SA和ZA或MA為輔磨料）的砂輪，可使磨削效果有很大提高，使磨削溫度降到600℃以下，磨削比可達1∶12。采用人造金剛石（JR）和立方氮化硼（CBN）超硬磨料，效果最好。實踐證明，砂輪粒度為F60～F80，既可減小磨削力，又可提高磨削力。砂輪硬度為K～M；砂輪結合劑一般選用陶瓷結合劑（V），也可選用樹脂結合劑（B），可減小磨削力和降低磨削溫度；砂輪組織為5～8號為宜。為了減小砂輪粘附、堵塞，可采用砂輪浸滲固體潤滑劑（MoS2、石墨、硫黃和硬脂酸）。浸滲的方法是將MoS2粉和乙醇混合成液體，浸泡14h，取出自然干燥后即可使用。

（3）磨削用量。外圓磨削時，砂輪速度vc＝15～20m/s，工件速度vw＝15～30m/min，ap＝0.01～0.025mm，縱向進給量B/10～B/5；內圓磨削時，vc＝20～25m/s，vw＝15～45m/min，ap＝0.005～0.01mm，縱向進給量為B/6～B/3；平面磨削時，vc＝15～20m/s，vw＝15～18m/min，橫向進給量為B/10。

（4）磨削液。要求磨削液具有冷卻、潤滑和清洗作用。更重要的是抑制鈦與磨料的粘附和化學作用。目前用的較多的是水溶性磨削液，有亞硝酸鉀溶液、亞硝酸鉀+甲酸鈉溶液、亞硝酸鈉溶液，亞硝酸鈉+甲酸鈉溶液和亞硝酸胺溶液。但使用含S、P、Cl極壓添加劑的極壓乳化液，效果更好。使用時，砂輪每毫米寬度不小于0.5L。

9.結語

在機械加工中，難磨削材料不只上述幾種，還有很多。但只要根據材料的性能和磨削特點，盡力優(yōu)選磨削條件，就會順利克服材料在磨削過程中的不良現象，從而獲得好的磨削效果。