干磨新工藝的試驗研究

嚴(yán)勇，郭力

(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410124;2.湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，湖南長沙410082)

在現(xiàn)代化機器制造業(yè)中，磨削加工仍是零件成形的主要方法之一，尤其是高精度加工更是如此。隨著CBN 砂輪的推廣，金屬材料的高速和超高速磨削加工得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是，如果砂輪調(diào)整不當(dāng)、磨削參數(shù)選擇不合理、加工方法不適，往往容易造成零件的燒傷等缺陷。

為避免加工過程中工件表面可能產(chǎn)生的熱損傷，必須將磨削熱從磨削區(qū)排除［1］，因此冷卻潤滑液的使用變得非常重要。冷卻潤滑液的主要優(yōu)點包括在磨削接觸區(qū)進行冷卻和潤滑、排屑、砂輪清潔和盡量減少腐蝕等。眾所周知，現(xiàn)代化潤滑冷卻液成分的效率取決于它們各種功能性的最佳結(jié)合，包括冷卻、潤滑、洗滌和保護效應(yīng)，減小被加工材料分散能的能力和強化切削刀具工作表面的能力。因此現(xiàn)代化的潤滑冷卻液是下列這些大量組分的復(fù)雜組合:硫、氯、磷、氮和其他元素基極壓添加劑，各種肥皂，表面活性物質(zhì)，冷卻劑，防銹和洗滌添加劑，防發(fā)泡劑，抗菌劑和其他許多添加劑［2］。

冷卻液類型、組成，噴嘴的設(shè)計和液流流速都對加工效率和工件質(zhì)量以及砂輪磨損有重要的影響［3］。目前已知磨削中有200 種以上的冷卻液供給方法［4］。大量的研究工作表明:在不改變?nèi)魏喂に噮?shù)的情況下，使用優(yōu)化的噴嘴可以減少冷卻潤滑液的使用量;適當(dāng)?shù)靥岣呃鋮s液的噴射速度，使之與磨削速度相當(dāng)，可以提高冷卻的效果;保持噴嘴的正確噴射方向，能使大量的冷卻液進入到磨削接觸區(qū)，從而減少冷卻液的浪費，因為沒有進入磨削區(qū)的冷卻液對冷卻和潤滑是沒有作用的。石墨作為一種替代材料，能起到很好的潤滑效果，減少了摩擦和相應(yīng)產(chǎn)生的熱能。實驗結(jié)果表明，石墨潤滑使磨削力和磨削功率下降使用液態(tài)氮作為冷卻劑也顯示了很好的效果，極大地降低了磨削區(qū)的溫度。

1 干磨的發(fā)展

從生態(tài)的角度看，冷卻液油氣會導(dǎo)致健康危害，冷卻液的廢物處理會導(dǎo)致環(huán)境污染;從經(jīng)濟角度看，冷卻液、過濾和輸送系統(tǒng)價格昂貴，而且需要占據(jù)巨大的空間。因此，人們試圖不用或者少用切削液來改變這種狀況，以適應(yīng)清潔生產(chǎn)工藝及減小生產(chǎn)成本的要求。干磨削加工技術(shù)正是這樣的一種方法，它可較好地解決生態(tài)環(huán)境、技術(shù)與經(jīng)濟之間的協(xié)調(diào)與持續(xù)發(fā)展。在許多加工過程中，冷卻潤滑劑的使用在減少，甚至是完全不使用。例如，用碳化硅砂輪磨削硬質(zhì)合金刀具，用砂輪手動加工渦輪發(fā)動機葉片的葉尖，打磨焊縫，用磨頭加工特殊表面等。在磨削高精度的重要零件時，也常常不采用潤滑冷卻液。相對于采用切削液的傳統(tǒng)濕磨工藝而言，干磨具有以下特點:

(1)形成的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理;

(2)省去了與切削液有關(guān)的傳輸、回收、過濾等裝置及費用，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本;

(3)省去了與切屑及切削液處理有關(guān)的費用;

(4)不污染環(huán)境，也不發(fā)生與切削液有關(guān)的安全及質(zhì)量事故。

當(dāng)然在磨削過程中不使用冷卻潤滑劑是非常困難的，因為很多和工件接觸的超硬磨粒并不真正起切削作用，而是通過摩擦產(chǎn)生熱，因此磨削區(qū)溫度將變得很高。高的磨削熱的產(chǎn)生與磨粒大的負(fù)前角有關(guān)，還與磨削過程中的接觸弧長有關(guān)，它將極大地提高磨削區(qū)的溫度。如果沒有充分的冷卻和潤滑，工件表面將會產(chǎn)生燒傷。這就是為什么在絕大多數(shù)磨削加工中必須使用冷卻潤滑液的原因。

因此，干磨作為一種既經(jīng)濟又生態(tài)安全的加工方法必須達(dá)到下列要求:要保證加工零件的精度和質(zhì)量，包括無熱缺陷、無燒傷，在工件表面層內(nèi)無不良組織和金相變化等。只有高生產(chǎn)率和高經(jīng)濟性與高加工質(zhì)量相結(jié)合，才能將其推向?qū)嶋H應(yīng)用。完全不采用潤滑冷卻液的磨削過程的實現(xiàn)，其本身又是一個非常復(fù)雜的科技問題。總的來說，高精度、高質(zhì)量和高效率的干磨方法的研究還較少，同時在工業(yè)應(yīng)用中還不是很成功。

2 干磨新方法原理

在磨削加工中，切屑的形狀及形成過程應(yīng)該被優(yōu)化，以便盡量減少砂輪和工件間的摩擦，降低磨削熱的產(chǎn)生。不能產(chǎn)生切削作用的磨粒應(yīng)盡可能脫離與工件的接觸。換句話說，磨粒的切削刃應(yīng)盡可能鋒利。在干磨過程中，砂輪出現(xiàn)類堵塞現(xiàn)象，往往是導(dǎo)致工件燒傷的主要原因。這是因為砂輪在第一次磨削過程中形成的磨屑極易填充在砂輪有限的容屑空間內(nèi)，迫使砂輪產(chǎn)生退讓，即發(fā)生類堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致法向磨削力Fn增加，同時也使包括摩擦力的切向磨削力Ft隨之加大。根據(jù)磨削比能的計算公式有:

式中:Ee為磨削比能，vs為砂輪線速度，vw為工件速度，F(xiàn)t為切向磨削力，ap為磨削深度，b 為磨削寬度。當(dāng)磨削力增大時，其他參數(shù)基本保持不變，磨削比能將大大增加，導(dǎo)致磨削溫度上升，造成工件熱損傷。大量的實驗表明，工件的燒傷發(fā)生在類堵塞出現(xiàn)之后［5］。

為了保證干磨時工件不被燒傷，必須有效減小磨削力，同時防止類堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，改善散熱條件。根據(jù)這一想法，作者對砂輪表面進行了打磨整形，即在砂輪表面根據(jù)一定的規(guī)律減少切削刃，使砂輪表面有的地方?jīng)]有磨粒，有的地方有磨粒，從而產(chǎn)生一個具有獨特結(jié)構(gòu)的砂輪表面，如圖1所示。

圖1 修整砂輪表面結(jié)構(gòu)

首先，這種結(jié)構(gòu)的砂輪表面，將大大降低當(dāng)量磨削層厚度，從而使磨削力下降，磨削比能下降，降低磨削溫度。

其次，在使用這個新砂輪加工過程中，砂輪與工件的接觸是不連續(xù)和間斷的，雖然間斷時間非常短暫，但是卻很有效。在間斷這個時期，磨削熱有足夠的時間傳遞和擴散，因而使工件表面磨削溫度下降。

此外，砂輪表面特殊結(jié)構(gòu)的空隙，有足夠的空間容納切屑，與傳統(tǒng)的磨削加工相比，它能減少切屑與工件表面之間的摩擦，明顯改善類堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。并且切屑將從磨削區(qū)帶走一部分熱量，以減少傳回到工件表面的磨削熱，由于傳遞到工件表面的熱量大幅下降，磨削溫度也隨之大大降低。

3 試驗測試條件

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，使用金剛石修整盤修整普通砂輪;而特殊結(jié)構(gòu)的砂輪使用另一個金剛修整盤進行修整(半徑0.5 mm，傾斜角60°)。修整以后的砂輪，表面CBN 接觸層面積大約只有原來的25%，而對照砂輪表面則是100%的CBN 接觸層。表1 詳細(xì)列出了磨削過程中的測試條件。

表1 測試條件

試驗中使用安裝在工件夾具下的Kistler257BA 型壓電感應(yīng)式測力儀對切向磨削力和法向磨削力進行測量，測量裝置示意圖如圖2所示。磨削力可以分為3個相互垂直的分力，沿砂輪切向的切向磨削力Ft、沿砂輪徑向的法向磨削力Fn和沿砂輪軸向的軸向磨削力Fa。但在平面磨削中，軸向磨削力Fa很小，可以忽略不計，只測量法向磨削力Fn和切向磨削力Ft。

圖2 磨削力測量系統(tǒng)示意圖

磨削表面粗糙度是評價零件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般用3 類參數(shù)來描述零件表面特征:粗糙度(Roughness)、波紋度(Waviness)和輪廓度(Profile)。常用參數(shù)有度量粗糙度的Ra 和Rz，度量波紋度的Wa和度量輪廓度的PRa［8］。該試驗采用德國霍梅爾(HOMMEL WERKE)有限公司T8000 粗糙度儀(圖3)對零件表面質(zhì)量進行評定。評定時在垂直于磨削方向上測量被加工試件表面粗糙度Rz，取3 次測量的算數(shù)平均值。

圖3 HOMMEL WERKE T8000 粗糙度儀

4 試驗結(jié)果及分析

磨削過程中，磨削力、磨削溫度及工件的表面質(zhì)量都和磨削用量密切相關(guān)。試驗過程中，對不同磨削用量下的磨削力、工件表面質(zhì)量等進行了測試研究，具體結(jié)果如圖4— 7所示。

圖4 磨削力與磨削深度的關(guān)系

圖5 磨削力與工作臺進給速度的關(guān)系

圖6 表面粗糙度與磨削深度的關(guān)系

圖7 表面粗糙度與工作臺進給速度的關(guān)系

圖4 中對比顯示了普通表面砂輪、文中特殊結(jié)構(gòu)砂輪的磨削力和磨削切深的關(guān)系，其中砂輪磨削速度為50 m/s，進給速度為1 m/min，砂輪結(jié)合劑為陶瓷。試驗結(jié)果表明:使用特殊結(jié)構(gòu)砂輪，會使磨削力大幅下降，據(jù)此可以解釋砂輪與工件間的磨削能量和磨削熱下降的原因。作者注意到:使用普通砂輪時，當(dāng)切削深度超過0.015 mm 時，將會引起工件表面燒傷;而使用特殊結(jié)構(gòu)砂輪，在同樣切深的條件下則沒有產(chǎn)生任何熱損傷。

圖5 顯示了磨削力和進給速度之間的關(guān)系，其中切削深度為0.015 mm。同樣，在這種情況下，具有特殊表面結(jié)構(gòu)的砂輪磨削力顯著低于普通砂輪。當(dāng)普通砂輪進給速度達(dá)到1m/min 時，出現(xiàn)了燒傷;而使用特殊結(jié)構(gòu)砂輪則沒有這種情況出現(xiàn)。

圖6 和圖7 顯示了表面粗糙度Ra、Rz與切削深度ap、進給速度vw之間的關(guān)系。顯然，相對特殊結(jié)構(gòu)的砂輪來說，使用普通砂輪能得到更好的表面加工質(zhì)量，這是特殊結(jié)構(gòu)砂輪的缺點。但是在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，特殊結(jié)構(gòu)砂輪所獲得的表面粗糙度完全可以達(dá)到加工要求。從理論上來說，特殊結(jié)構(gòu)砂輪表面切削刃少，摩擦也因此減少，而摩擦可以降低表面粗糙度值，因而其粗糙度值高。當(dāng)然要提高工件的表面加工質(zhì)量、降低表面粗糙度值還可以采用光磨及增加光磨次數(shù)的辦法。

5 結(jié)論

采用特殊表面結(jié)構(gòu)的砂輪，大大降低了當(dāng)量磨削層厚度，從而使磨削力下降，磨削比能下降，減少了磨削熱的產(chǎn)生，磨削接觸區(qū)溫度也跟著下降。試驗表明:在使用各種不同磨削參數(shù)的條件下，特殊結(jié)構(gòu)砂輪的磨削力都要小于普通砂輪;使用普通砂輪時，當(dāng)切削深度為0.015 mm、切削速度為50 m/s、進給速度超過1 m/min 時，將會引起工件表面燒傷;而使用特殊結(jié)構(gòu)砂輪，在同樣的切削條件下根本就不會產(chǎn)生任何熱損傷。這種砂輪結(jié)構(gòu)的改進，使得不采用任何冷卻液的干磨工藝變得可行。當(dāng)然由于磨削接觸面積的下降，磨削加工表面變得比較粗糙。在有高精度和高表面質(zhì)量要求的加工過程中，通過增加磨削次數(shù)，這個缺陷可以被克服。下一步可在大量試驗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化砂輪修整參數(shù)和磨削工藝，將其推向工業(yè)應(yīng)用。

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