工具磨床磨削成形面质量控制关键问题

■洛阳轴研科技股份有限公司 （河南 471000） 马 磊 李 琦 杨立光 权超健

工具磨床磨削成形面质量控制关键问题

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摘要：烧伤对工具磨床磨削成形面质量影响较严重，为了预防磨削烧伤，通过对成形面烧伤机理的分析，基于工具磨床的操作规程，提出了预防成形面烧伤的措施。

1. 工具磨床的特点

磨削加工是零件表面精加工的一种重要加工工艺，被广泛应用于高精度和高粗糙度质量要求工件的生产过程中，磨削精度达1 ～2级，表面粗糙度值达Ra=0.1～0.8μ m。与其他加工工艺相比，磨削加工切除单位体积材料时需要非常高的能量输入，这些能量几乎全部转化为热量集中在磨削区内，导致磨削区的温度瞬间升高。

工具磨床可磨削工件的平面、侧面、槽面、斜面和圆弧面等复杂成形面。适用于工具车间和模具车间对工具、模具零件的磨削加工。该机床工作台采用液压传动；砂轮架采用电动机驱动快速升降和手动微量升降两套机构。垂直导轨、横向导轨采用贴塑导轨。机床精度稳定，操作灵活方便。其磨削成形面的方式为通过式，属于成形磨削，磨削类型属于干磨削。

2. 工具磨缺陷

磨削加工一般作为终工序，其任务就是保证产品零件能达到图样上所要求的精度和表面质量。在进行磨加工时，零件一般会出现两大类缺陷：一是表面精度缺陷，主要包括表面粗糙度、表面波度、表面纹理、表面瑕疵及尺寸要求等方面的缺陷；二是表面层物理力学性能缺陷，主要包括表面层硬度、表面层组织、表面层残余应力及烧伤等缺陷。

工具磨床磨削成形面生产中，发现以下影响工件质量控制的问题：①容易出现成形面均匀或局部烧伤。②砂轮修整频繁影响生产效率。③成形面易出现振纹。由于成形面振纹主要因系统刚性振动产生，所以在此不做过多研究。而砂轮的修整主要是为了防止工件烧伤并保持工件的形状精度，因此，主要针对工件成形面烧伤方面进行质量控制关键问题的研究。

图1　全面烧伤

3. 烧伤机理分析

磨削时，砂轮与工件间经历摩擦、耕犁和切削3个阶段，消耗的机械能90%以上转变为热能，使磨削区产生瞬时高温（900～1 500℃），导致成形面表面组织发生局部变化，并在表面的某些部分形成氧化变色，这种现象称为磨削烧伤。

根据磨具工具磨床磨削工件烧伤外观不同，可分为全面烧伤、局部斑状烧伤、局部烧伤及线条状烧伤等，如图1所示是全面烧伤，烧伤范围、深度比较大；图2所示是局部斑点烧伤，烧伤范围比较小；图3所示是局部烧伤，但烧伤程度不均匀；图4所示是线

条状烧伤，烧伤处如同一条线一样。根据烧伤深度又可分浅度、中度和深度烧伤。最常见的是局部烧伤和全面烧伤。由于烧伤表面往往伴有氧化作用，形成氧化膜，所以可根据表面颜色判断烧伤程度。

图2　局部斑状烧伤

图3　局部烧伤

图4　线条状烧伤

尽管烧伤形状、程度各异，但导致磨削烧伤的直接原因都是磨削温度过高，而影响磨削温度的因素有磨削液、磨削参数、砂轮参数、工件材料和夹具等。本次研究内容属于干磨成形面，因此，烧伤因素应主要从磨削参数、砂轮参数和夹具进行研究。

（1）磨削参数：根据磨削工件表面温度公式

式中，ta为磨削工件表面温度；C为热容；vw为工作台运动速度；ap为磨削深度；f为砂轮进给量；vs为砂轮速度。由公式可以看出，磨削深度、砂轮进给量和砂轮转速对工件表层温度影响较大，其中磨削深度和砂轮转速与工件表层温度成正比关系，砂轮进给量与工件表层温度成反比关系。工作台往复运动速度增加可以使工件表面温度增加，但是由于工件与砂轮接触时间变短，工件表面产生的热量主要以辐射散热和对流换热传出，导致传入工件内部的热量降低，使工件表层下各深度的温度差增大。另外，工具磨床磨削过程是磨削圆弧面，因接触面较大，砂轮易堵塞导致烧伤。

（2）砂轮参数：砂轮选的太硬，钝化的磨粒不能及时脱落而产生大量磨削热，造成工件烧伤；砂轮粒度号过大（磨粒过小），组织过紧，容易引起砂轮堵塞，磨削热不易及时传出，引起烧伤；修整砂轮频率低，砂轮钝化，也易引起表面烧伤。另外，砂轮结构散热效果不同，也可引起烧伤。

（3）夹具稳定性和可靠性对工件的烧伤。夹具稳定性较差，同一批工件，同样的磨削参数也将会引起烧伤；装夹不可靠，工件磨削时受到砂轮滑擦力作用出现移动也可导致烧伤。

4. 表面烧伤对工件的影响

磨削加工中被加工工件材料的表面层受到磨削力的作用，产生冷态塑性变形，使晶格扭曲，晶粒被拉长呈纤维化，甚至碎化，改变了工件表层的组织结构，使表层产生加工硬化，从而引起工件性能改变。表面烧伤时，瞬间高温对表层组织进行软化作用，使工件表层硬度降低，影响工件的耐磨性；另外，由于工件表层温度高于里层温度，工件出现热态塑性变形，这种冷态、热态塑性变形导致表层产生残余应力。

由于材料的金相组织密度不同，体积也不同，当工件烧伤时，表层体积膨胀，金相组织密度改变，使工件表层的金相组织发生变化。由于工件表层金相组织的改变，残余应力的产生导致工件的耐疲劳性、耐腐蚀性能降低。并且由于残余应力的存在，工件几何形状和尺寸发生改变，从而影响了工件的配合精度和配合性质。

由上述可见，烧伤工件已失去了工件所需的性能指标，属于报废品，因此，在生产实践中要尽量避免工件烧伤现象的出现。

5. 烧伤预防措施

磨削热过高引起烧伤，则预防烧伤就应对减少磨削热的因素进行研究，而成形面磨削过程主要是砂轮与装夹的工件相互作用，因此主要对磨削参数、砂轮参数及装夹状况进行研究。

（1）磨削参数：①工作台速度。工作台速度越慢，单位时间内磨粒磨削工件的次数就越多，从而被磨表面的温度越高，砂轮堵塞也越严重，加重了磨削热的产生。然而，加快工作台速度将

使工件表面粗糙度质量变差。因此，粗磨时应该适当加快工作台的速度，精磨时适当放慢工作台速度。②磨削深度。根据砂轮磨削工件表面温度公式可知，磨削参数对工件表面温度的影响中，以磨削深度的影响最大，砂轮速度次之。工具磨床砂轮主轴由普通电动机驱动，砂轮转速已定，因此磨削参数中主要研究磨削深度对减轻烧伤的影响。

磨粒在砂轮工作表面上的分布不均匀，且高低参差不齐。由磨削运动的关系可知，实际参与磨削工作的磨刃数将少于砂轮表面的磨刃数。磨削中增大磨削深度ap，将使砂轮上静态有效磨刃数增加，磨削热增大，砂轮的金属磨除率增大，效率提高。因此，粗磨时应选稍大的ap，精磨时磨削余量小，宜选稍小的ap。

（2）砂轮参数：①砂轮粒度。砂轮越细，磨削能力越差，磨粒与工件的有效接触数量越多，磨削功率消耗越大，产生的磨削热越多。磨粒粗，将导致工件表面粗糙度值偏大，工件表面精度不易满足要求。因此，粗磨时选择砂轮粒度号小一些的，精磨时选择砂轮粒度号大一些的，以满足工件表面质量要求。②砂轮硬度。砂轮硬度越高，钝化的磨粒越不易脱落形成新的磨刃，同时磨刃间距变短使切屑形状变小，砂轮堵塞增加导致磨削热增大。砂轮硬度低，将使砂轮的形状保持性降低，导致砂轮修整频率增加，影响加工效率。因此，粗磨时宜选择软点的砂轮，以提高磨削效率；精磨时磨削余量小，宜选择偏硬的砂轮，以保持成品工件的形状设计要求。③砂轮组织。砂轮组织是指砂轮中的磨粒、结合剂、气孔三者之间的体积关系，一般以磨粒率或气孔率来表示砂轮组织的松紧程度。粗磨时磨削余量大，磨削热高，宜选用组织偏松的砂轮，以加快磨削热的导出。精磨时宜选用组织偏紧的砂轮，以获得较高的砂轮成形修整精度和较好的形状保持性。④砂轮形状。砂轮上开槽，可实现间断磨削，工件间断性受热，并且改善工件的散热条件，从而可减轻工件的烧伤。但是，开槽的砂轮磨削能力降低，只适用于极易烧伤的工件磨削过程。

（3）砂轮修整：长时间使用砂轮，导致砂轮堵塞，磨粒锋刃变钝，如果不及时修整砂轮将导致磨削力增大，使工件表面沿砂轮旋转方向出现划痕，磨削热增大，最终导致工件烧伤，也叫划痕烧伤。因此，磨削过程中需适时修整砂轮。修砂轮的频率可根据磨削声音或凭操作经验确定。

（4）装夹力：工具磨削成形面的夹具选用专用虎钳夹具，当装夹力不足时，磨削时工件发生瞬间滑动引起表面烧伤，并且对操作人员安全危害较大。因此装夹时需夹紧牢固工件。

综上所述，粗磨时选择砂轮粒度粗、偏软、组织松的砂轮，并且加快工作台的往复运动速度，适当加大砂轮的进给量，及时修整砂轮；精磨时选择砂轮粒度细、偏硬、组织紧的砂轮，并且减慢工作台的往复运动速度，适当降低砂轮的进给量，及时修整砂轮。

参考文献：

[1] 李伯民，赵波，李清. 磨料、磨具与磨削技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 张红霞，陈五一，陈志同. SG砂轮磨削钛合金烧伤机理[J].北京航空航天大学学报，2008 （1）：22-26.

[3] 叶伟昌，梁萍. 新型砂轮的发展与应用[J].精密制造与自动化，2003（3）：26-32.

专家点评

作者通过对工具磨床加工成形面的质量控制，探讨了磨削过程中出现的烧伤问题及预防措施。尽管烧伤形状、程度各异，但导致磨削烧伤的直接原因都是干磨成形面时，磨削区域的温度过高所致。抓住问题的关键后，作者从砂轮参数、磨削参数、砂轮形状、砂轮修整及装夹方式等工艺角度进行分析和研究，提出了粗磨、精磨时预防表面烧伤的方法。在工具磨床的成型面磨削中，具有很好的实用价值和指导意义。

收稿日期：（20150202）