■洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 （河南 471000） 馬 磊 李 琦 楊立光 權(quán)超健

工具磨床磨削成形面質(zhì)量控制關(guān)鍵問(wèn)題

■洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 （河南 471000） 馬 磊 李 琦 楊立光 權(quán)超健

摘要：燒傷對(duì)工具磨床磨削成形面質(zhì)量影響較嚴(yán)重，為了預(yù)防磨削燒傷，通過(guò)對(duì)成形面燒傷機(jī)理的分析，基于工具磨床的操作規(guī)程，提出了預(yù)防成形面燒傷的措施。

1. 工具磨床的特點(diǎn)

磨削加工是零件表面精加工的一種重要加工工藝，被廣泛應(yīng)用于高精度和高粗糙度質(zhì)量要求工件的生產(chǎn)過(guò)程中，磨削精度達(dá)1 ～2級(jí)，表面粗糙度值達(dá)Ra=0.1～0.8μ m。與其他加工工藝相比，磨削加工切除單位體積材料時(shí)需要非常高的能量輸入，這些能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量集中在磨削區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致磨削區(qū)的溫度瞬間升高。

工具磨床可磨削工件的平面、側(cè)面、槽面、斜面和圓弧面等復(fù)雜成形面。適用于工具車間和模具車間對(duì)工具、模具零件的磨削加工。該機(jī)床工作臺(tái)采用液壓傳動(dòng)；砂輪架采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)快速升降和手動(dòng)微量升降兩套機(jī)構(gòu)。垂直導(dǎo)軌、橫向?qū)к壊捎觅N塑導(dǎo)軌。機(jī)床精度穩(wěn)定，操作靈活方便。其磨削成形面的方式為通過(guò)式，屬于成形磨削，磨削類型屬于干磨削。

2. 工具磨缺陷

磨削加工一般作為終工序，其任務(wù)就是保證產(chǎn)品零件能達(dá)到圖樣上所要求的精度和表面質(zhì)量。在進(jìn)行磨加工時(shí)，零件一般會(huì)出現(xiàn)兩大類缺陷：一是表面精度缺陷，主要包括表面粗糙度、表面波度、表面紋理、表面瑕疵及尺寸要求等方面的缺陷；二是表面層物理力學(xué)性能缺陷，主要包括表面層硬度、表面層組織、表面層殘余應(yīng)力及燒傷等缺陷。

工具磨床磨削成形面生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)以下影響工件質(zhì)量控制的問(wèn)題：①容易出現(xiàn)成形面均勻或局部燒傷。②砂輪修整頻繁影響生產(chǎn)效率。③成形面易出現(xiàn)振紋。由于成形面振紋主要因系統(tǒng)剛性振動(dòng)產(chǎn)生，所以在此不做過(guò)多研究。而砂輪的修整主要是為了防止工件燒傷并保持工件的形狀精度，因此，主要針對(duì)工件成形面燒傷方面進(jìn)行質(zhì)量控制關(guān)鍵問(wèn)題的研究。

圖1　全面燒傷

3. 燒傷機(jī)理分析

磨削時(shí)，砂輪與工件間經(jīng)歷摩擦、耕犁和切削3個(gè)階段，消耗的機(jī)械能90%以上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使磨削區(qū)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫（900～1 500℃），導(dǎo)致成形面表面組織發(fā)生局部變化，并在表面的某些部分形成氧化變色，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。

根據(jù)磨具工具磨床磨削工件燒傷外觀不同，可分為全面燒傷、局部斑狀燒傷、局部燒傷及線條狀燒傷等，如圖1所示是全面燒傷，燒傷范圍、深度比較大；圖2所示是局部斑點(diǎn)燒傷，燒傷范圍比較??；圖3所示是局部燒傷，但燒傷程度不均勻；圖4所示是線

條狀燒傷，燒傷處如同一條線一樣。根據(jù)燒傷深度又可分淺度、中度和深度燒傷。最常見(jiàn)的是局部燒傷和全面燒傷。由于燒傷表面往往伴有氧化作用，形成氧化膜，所以可根據(jù)表面顏色判斷燒傷程度。

圖2　局部斑狀燒傷

圖3　局部燒傷

圖4　線條狀燒傷

盡管燒傷形狀、程度各異，但導(dǎo)致磨削燒傷的直接原因都是磨削溫度過(guò)高，而影響磨削溫度的因素有磨削液、磨削參數(shù)、砂輪參數(shù)、工件材料和夾具等。本次研究?jī)?nèi)容屬于干磨成形面，因此，燒傷因素應(yīng)主要從磨削參數(shù)、砂輪參數(shù)和夾具進(jìn)行研究。

（1）磨削參數(shù)：根據(jù)磨削工件表面溫度公式

式中，ta為磨削工件表面溫度；C為熱容；vw為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度；ap為磨削深度；f為砂輪進(jìn)給量；vs為砂輪速度。由公式可以看出，磨削深度、砂輪進(jìn)給量和砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)工件表層溫度影響較大，其中磨削深度和砂輪轉(zhuǎn)速與工件表層溫度成正比關(guān)系，砂輪進(jìn)給量與工件表層溫度成反比關(guān)系。工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度增加可以使工件表面溫度增加，但是由于工件與砂輪接觸時(shí)間變短，工件表面產(chǎn)生的熱量主要以輻射散熱和對(duì)流換熱傳出，導(dǎo)致傳入工件內(nèi)部的熱量降低，使工件表層下各深度的溫度差增大。另外，工具磨床磨削過(guò)程是磨削圓弧面，因接觸面較大，砂輪易堵塞導(dǎo)致燒傷。

（2）砂輪參數(shù)：砂輪選的太硬，鈍化的磨粒不能及時(shí)脫落而產(chǎn)生大量磨削熱，造成工件燒傷；砂輪粒度號(hào)過(guò)大（磨粒過(guò)?。M織過(guò)緊，容易引起砂輪堵塞，磨削熱不易及時(shí)傳出，引起燒傷；修整砂輪頻率低，砂輪鈍化，也易引起表面燒傷。另外，砂輪結(jié)構(gòu)散熱效果不同，也可引起燒傷。

（3）夾具穩(wěn)定性和可靠性對(duì)工件的燒傷。夾具穩(wěn)定性較差，同一批工件，同樣的磨削參數(shù)也將會(huì)引起燒傷；裝夾不可靠，工件磨削時(shí)受到砂輪滑擦力作用出現(xiàn)移動(dòng)也可導(dǎo)致燒傷。

4. 表面燒傷對(duì)工件的影響

磨削加工中被加工工件材料的表面層受到磨削力的作用，產(chǎn)生冷態(tài)塑性變形，使晶格扭曲，晶粒被拉長(zhǎng)呈纖維化，甚至碎化，改變了工件表層的組織結(jié)構(gòu)，使表層產(chǎn)生加工硬化，從而引起工件性能改變。表面燒傷時(shí)，瞬間高溫對(duì)表層組織進(jìn)行軟化作用，使工件表層硬度降低，影響工件的耐磨性；另外，由于工件表層溫度高于里層溫度，工件出現(xiàn)熱態(tài)塑性變形，這種冷態(tài)、熱態(tài)塑性變形導(dǎo)致表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

由于材料的金相組織密度不同，體積也不同，當(dāng)工件燒傷時(shí)，表層體積膨脹，金相組織密度改變，使工件表層的金相組織發(fā)生變化。由于工件表層金相組織的改變，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致工件的耐疲勞性、耐腐蝕性能降低。并且由于殘余應(yīng)力的存在，工件幾何形狀和尺寸發(fā)生改變，從而影響了工件的配合精度和配合性質(zhì)。

由上述可見(jiàn)，燒傷工件已失去了工件所需的性能指標(biāo)，屬于報(bào)廢品，因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中要盡量避免工件燒傷現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5. 燒傷預(yù)防措施

磨削熱過(guò)高引起燒傷，則預(yù)防燒傷就應(yīng)對(duì)減少磨削熱的因素進(jìn)行研究，而成形面磨削過(guò)程主要是砂輪與裝夾的工件相互作用，因此主要對(duì)磨削參數(shù)、砂輪參數(shù)及裝夾狀況進(jìn)行研究。

（1）磨削參數(shù)：①工作臺(tái)速度。工作臺(tái)速度越慢，單位時(shí)間內(nèi)磨粒磨削工件的次數(shù)就越多，從而被磨表面的溫度越高，砂輪堵塞也越嚴(yán)重，加重了磨削熱的產(chǎn)生。然而，加快工作臺(tái)速度將

使工件表面粗糙度質(zhì)量變差。因此，粗磨時(shí)應(yīng)該適當(dāng)加快工作臺(tái)的速度，精磨時(shí)適當(dāng)放慢工作臺(tái)速度。②磨削深度。根據(jù)砂輪磨削工件表面溫度公式可知，磨削參數(shù)對(duì)工件表面溫度的影響中，以磨削深度的影響最大，砂輪速度次之。工具磨床砂輪主軸由普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，砂輪轉(zhuǎn)速已定，因此磨削參數(shù)中主要研究磨削深度對(duì)減輕燒傷的影響。

磨粒在砂輪工作表面上的分布不均勻，且高低參差不齊。由磨削運(yùn)動(dòng)的關(guān)系可知，實(shí)際參與磨削工作的磨刃數(shù)將少于砂輪表面的磨刃數(shù)。磨削中增大磨削深度ap，將使砂輪上靜態(tài)有效磨刃數(shù)增加，磨削熱增大，砂輪的金屬磨除率增大，效率提高。因此，粗磨時(shí)應(yīng)選稍大的ap，精磨時(shí)磨削余量小，宜選稍小的ap。

（2）砂輪參數(shù)：①砂輪粒度。砂輪越細(xì)，磨削能力越差，磨粒與工件的有效接觸數(shù)量越多，磨削功率消耗越大，產(chǎn)生的磨削熱越多。磨粒粗，將導(dǎo)致工件表面粗糙度值偏大，工件表面精度不易滿足要求。因此，粗磨時(shí)選擇砂輪粒度號(hào)小一些的，精磨時(shí)選擇砂輪粒度號(hào)大一些的，以滿足工件表面質(zhì)量要求。②砂輪硬度。砂輪硬度越高，鈍化的磨粒越不易脫落形成新的磨刃，同時(shí)磨刃間距變短使切屑形狀變小，砂輪堵塞增加導(dǎo)致磨削熱增大。砂輪硬度低，將使砂輪的形狀保持性降低，導(dǎo)致砂輪修整頻率增加，影響加工效率。因此，粗磨時(shí)宜選擇軟點(diǎn)的砂輪，以提高磨削效率；精磨時(shí)磨削余量小，宜選擇偏硬的砂輪，以保持成品工件的形狀設(shè)計(jì)要求。③砂輪組織。砂輪組織是指砂輪中的磨粒、結(jié)合劑、氣孔三者之間的體積關(guān)系，一般以磨粒率或氣孔率來(lái)表示砂輪組織的松緊程度。粗磨時(shí)磨削余量大，磨削熱高，宜選用組織偏松的砂輪，以加快磨削熱的導(dǎo)出。精磨時(shí)宜選用組織偏緊的砂輪，以獲得較高的砂輪成形修整精度和較好的形狀保持性。④砂輪形狀。砂輪上開(kāi)槽，可實(shí)現(xiàn)間斷磨削，工件間斷性受熱，并且改善工件的散熱條件，從而可減輕工件的燒傷。但是，開(kāi)槽的砂輪磨削能力降低，只適用于極易燒傷的工件磨削過(guò)程。

（3）砂輪修整：長(zhǎng)時(shí)間使用砂輪，導(dǎo)致砂輪堵塞，磨粒鋒刃變鈍，如果不及時(shí)修整砂輪將導(dǎo)致磨削力增大，使工件表面沿砂輪旋轉(zhuǎn)方向出現(xiàn)劃痕，磨削熱增大，最終導(dǎo)致工件燒傷，也叫劃痕燒傷。因此，磨削過(guò)程中需適時(shí)修整砂輪。修砂輪的頻率可根據(jù)磨削聲音或憑操作經(jīng)驗(yàn)確定。

（4）裝夾力：工具磨削成形面的夾具選用專用虎鉗夾具，當(dāng)裝夾力不足時(shí)，磨削時(shí)工件發(fā)生瞬間滑動(dòng)引起表面燒傷，并且對(duì)操作人員安全危害較大。因此裝夾時(shí)需夾緊牢固工件。

綜上所述，粗磨時(shí)選擇砂輪粒度粗、偏軟、組織松的砂輪，并且加快工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，適當(dāng)加大砂輪的進(jìn)給量，及時(shí)修整砂輪；精磨時(shí)選擇砂輪粒度細(xì)、偏硬、組織緊的砂輪，并且減慢工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，適當(dāng)降低砂輪的進(jìn)給量，及時(shí)修整砂輪。

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專家點(diǎn)評(píng)

作者通過(guò)對(duì)工具磨床加工成形面的質(zhì)量控制，探討了磨削過(guò)程中出現(xiàn)的燒傷問(wèn)題及預(yù)防措施。盡管燒傷形狀、程度各異，但導(dǎo)致磨削燒傷的直接原因都是干磨成形面時(shí)，磨削區(qū)域的溫度過(guò)高所致。抓住問(wèn)題的關(guān)鍵后，作者從砂輪參數(shù)、磨削參數(shù)、砂輪形狀、砂輪修整及裝夾方式等工藝角度進(jìn)行分析和研究，提出了粗磨、精磨時(shí)預(yù)防表面燒傷的方法。在工具磨床的成型面磨削中，具有很好的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

收稿日期：（20150202）