4第4章-砂轮的磨损与检测解析

CollegeofMechanical&VehicleEngineering第4章砂轮的磨损与检测4.1砂轮的堵塞4.2砂轮的磨损4.3砂轮磨损的检测CollegeofMechanical&VehicleEngineering磨削加工中，不仅磨粒的尺寸、形状和分布对加工过程有影响，而且砂轮的气孔状况也起着重要的作用，往往在加工韧性金属时,出现砂轮寿命过早结束。要避免砂轮的堵塞和由此产生的不利因素，对产生堵塞的机理、过程及采取的工艺措施进行讨论是十分必要的。4.1.1砂轮堵塞的形貌影响砂轮堵塞的因素砂轮的堵塞是磨削加工中的普遍现象，不论加工条件选择得如何合理，要完全防止堵塞是不可能的，其差别只是程度上的不同。影响堵塞的因素如图4-1所示。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering4.1砂轮的堵塞图中所列出的诸因素其影响程度是不同的。砂轮种类和加工条件对砂轮堵塞有较大影响，但最主要的则是被加工材料的物理、力学性能以及有无磨削液。CollegeofMechanical&VehicleEngineering砂轮堵塞的类型砂轮堵塞的种类很多，不同的工件材料和加工条件所产生的堵塞状态各异，分类方法也不同，见图4-2所示4.1砂轮的堵塞•磨屑嵌塞在砂轮工作面空隙处的堵塞状态，称嵌入型堵塞；•磨屑熔结在磨粒及结合剂上的堵塞状态，称为粘着型堵塞；•砂轮工作面及空隙处，既有嵌入型堵塞又有粘着型堵塞时，这种堵塞状态称为混合型堵塞。CollegeofMechanical&VehicleEngineering砂轮堵塞的形貌通常用同一砂轮磨削不同的材料时，砂轮的磨削性能和寿命是不一样的。其原因是工件材料的力学、物理性能不同，促使磨料切刃钝化速度不同，切屑的形态也不一样。由于不同材料的磨削性能和切屑形状的差异，砂轮堵塞量和堵塞形态也不一样。见表4-1。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering由表4-1可见，用不同砂轮磨削同一工件材料，其堵塞程度不同；用同一砂轮磨不同工件材料，其堵塞程度更不同。因此砂轮的堵塞形态，如果以砂轮种类分：白刚玉砂轮磨削轴承钢和铸铁，主要是嵌入型堵塞；磨削不锈钢和黄铜时则为混合型堵塞。用绿色碳化硅砂轮磨削轴承钢和铸铁，主要是嵌入型堵塞；磨削铝材是粘着性堵塞，磨黄铜则属于混合型堵塞。如果以工件材料来分：碳素钢、合金钢易发生嵌入型堵塞；高速钢、不锈钢、高温合金易发生混合型堵塞；铝和钛合金主要产生粘着型堵塞。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering4.1.2砂轮堵塞的形成机理嵌入型堵塞主要是磨屑机械地侵嵌在砂轮空隙里，其中磨屑与磨粒之间并无化学粘着作用发生。嵌入型堵塞的形成机理在磨削碳钢时，当磨粒在金属表面上摩擦或磨削时，磨粒的磨损就开始了，即磨粒的锋利边沿开始被磨去，这就在磨粒上形成一个平面。该平面变得越来越大，以致于作用在磨粒上的摩擦力大得足以引起砂轮表面砂粒脱落或断裂，从而露出新的磨削刃。这时砂轮的堵塞是磨屑嵌塞在空隙处而形成嵌入型堵塞。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering粘着型堵塞的形成过程是，首先在磨屑和磨粒之间产生化学粘合，然后磨屑之间在机械粘力和压力作用下相互熔焊，形成了粘屑型堵塞。粘着型堵塞的形成机理磨削钛合金时砂轮堵塞的机理主要有以下几点：钛合金在磨削过程中，由于磨削温度的作用，易生成TiO2和Ti2O3，这种氧化物硬度与刚玉砂轮Al2O3基本相当，这种硬度一致的材料在高温、高压下易产生粘合现象。氧化物Ti2O3和刚玉Al2O3晶体结构相同，点阵参数相近，所以Al2O3和Ti203之间有很好的亲和力。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineeringTi元素化学活性大，易和碳、氮、氧生成化合物，这种化合物又易与Al2O3形成一种钛酸铝的固溶体Al2O3Ti2O3，使钛与刚玉有了较强的结合，形成了新的化合物。钛的氧化物和刚玉的热膨胀率很接近，更提高了对刚玉粘附的可靠性。由于以上原因，使钛合金在磨削时，砂轮与磨屑之间极易产生化学粘合现象，造成砂轮堵塞。当磨粒刃口被第一层化学粘附层包住后，大大减少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑与待加工表面间的滑动和挤压过程中进行的，磨削力和摩擦热都剧增。这种高温、高压、高摩擦力的状态，促成了切屑与切屑之间的压焊过程，这种多个单元切屑多次的相互压焊，形成了砂轮的堵塞。这就是粘着型堵塞的形成机理。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering5.1.3影响砂轮堵塞的因素分析影响砂轮堵塞的因素主要有以下几种：磨料种类不同的砂轮其堵塞程度差别很大，从减少堵塞程度，改善磨削效果来看，不同的工件材料，应该选用不同的磨料种类。如果所选用的磨料不能适应工件材料的磨削性能，就易产生急剧堵塞，使加工无法正常进行。磨料粒度磨料粒度对砂轮堵塞有一定影响。一般来说细粒度比粗粒度容易产生堵塞现象。用WA46ZR1的砂轮与WA60K1的砂轮比较，在同样条件下，后者堵塞量大。但是用WA20M和WA60M的砂轮比较，到一定的切入次数(125次)后，前者的堵塞量反而减少。因为细粒度砂轮的孔隙容积和磨屑截面积都小，细粒度砂轮的切刃数增加，切屑也多，再加上磨削温度升高等原因，因此在切入次数较4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering小的范围内，细粒度砂轮在孔隙内，磨粒和结合剂上的切屑以及切屑熔结物大小的数量就大。随着切入次数增多，粗粒度砂轮与细粒度砂轮相比，切入深度要大,磨粒切刃磨损量就大，且磨削温度上升，在孔隙里的切屑熔结物就增多。到一定次数后，粗粒度砂轮的堵塞量反而要超过细粒度砂轮的堵塞量。砂轮的硬度砂轮的硬度对堵塞量影响较大，一般来说，砂轮越硬，堵塞量越大。一般情况下，砂轮硬度选用K~L，在一些难加工材料中，也常采用G~T的硬度。砂轮组织砂轮组织越密，工作的磨粒数越多，切削刃间距离变短，越容易堵塞。含有45%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半；含有53%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高两倍。在磨削易产生堵塞的难加工材料时，一般选用7~8级组织，大气孔砂轮磨削效果较好。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering砂轮线速度砂轮线速度的影响比较复杂，当砂轮从28.8m/s提高到33.6m/s时，速度提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因为砂轮线速度的增加使磨粒的最大切深减小，切屑截面积减小，同时切削次数和磨削热增加，这两个因数均能使堵塞量增加，但是当砂轮线速度高达一定程度时(如达50m/s以上)砂轮的堵塞量反而大大下降。生产实践表明：在磨削不锈钢、高温合金时，55m/s的砂轮速度比30m/s砂轮的堵塞量减少30%~100%。因此，在磨削难磨材料时，要么采用低于20m/s的速度，要么采用高于50m/s的速度，选在其之间的磨削速度对砂轮的堵塞是很不利的。当然，对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量最小的临界砂轮速度值。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering径向切入量径向切入量对砂轮堵塞的影响呈现驼峰趋势，当径向切入量较小时,(ap＜0.01mm)产生堵塞现象，随着切入量的增加，平均堵塞量也增加，当切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)时,堵塞量又呈减少趋势，之后随着切入量的继续增加(达ap=0.04mm)时，堵塞量又急剧上升。产生这种现象的原因可4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering工作台速度工作台速度从1.2m/min降低至0.5m/min时，砂轮堵塞量增大5倍。在0.5m/min条件下，产生细小切屑，大部分侵嵌在孔隙里；当速度为1.2m/min时，产生长屑，只嵌压在大气孔内。因此，在同样的总磨量下，工作台速度越慢，磨粒磨削工件的次数就越多，从而被磨表面的温度就越高，堵塞量增加。砂轮修整速度当砂轮修整速度低时，砂轮工作面平坦，单位面积内有效磨刃数增加，使切屑的截面积变小，切屑数量增多，故易产生堵塞。当砂轮修整速度高时，砂轮工作面变粗，有效磨粒数减少，在砂轮表面出现凹部，起到孔隙作用，切屑易被冲走，熔结物容易脱落。因此各种砂轮修整时均有一最佳的速度范围。工件速度工件速度对砂轮堵塞程度的影响，与切削条件中其他因素有密切关系。在所给的实验条件下，工件线速度提高一倍，砂轮堵塞量增加三倍。这是因为工件速度越高，磨粒切入深度就越浅，切屑截面积变小，相当于砂轮特性变硬，故容易引起砂轮堵塞。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering磨削液不同的磨削液对磨削效果影响很大，目前通用的乳化液，含有大量矿物油和油性添加剂，稀释后呈水包油乳白色液体，它的比热容和导热系数小，在剧烈摩擦过程中很容易造成砂轮与工件之间的粘附磨损和扩散性磨损，使砂轮堵塞，磨削力增加，最后引起磨粒过早破碎和脱落，使磨削比降低。因此，选用优良的磨削液对改善磨削性能有重要作用。近些年来，针对不同的磨削材料研究出了一些新的磨削液(见第6章)。即使如此，优良磨削液对今后的磨削研究来说仍是一个主要的研究方向。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering磨削方式一般来说，切入磨削比纵向磨削堵塞严重。由于切入磨削时，砂轮与工件间接触面积大，磨粒切削刃在同一条磨痕上要擦过几次，加上冷却液进入磨削区困难，故磨削时热量高，易造成堵塞的条件。纵磨时，首先接触工件材料的是砂轮一侧缘，接触面积小，冷却液容易进入磨削区，磨粒磨损只是发生在最先接触的一侧缘。当磨损面增大到一定程度时，在磨削力作用下磨粒破碎、断裂，实现自锐。大多数磨粒能处于锋利状态下工作，使磨削力和磨削热相对来说较低。同时，受磨削力和磨削热影响区的相当一部分可以顺纵磨方向排除到工件之外，故降低了化学粘附的可能性。上述因素的综合影响使纵磨比切入磨的砂轮堵塞程度低一些。4.1砂轮的堵塞CollegeofMechanical&VehicleEngineering4.2砂轮的磨损砂轮的磨损比切削刀具的磨损来说要复杂得多，这是因为磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，且在磨削过程中会产生破碎使磨粒切削刃自锐。此外砂轮结合剂的破碎，也使磨粒产生脱落。况且，在磨削过程中的磨粒破碎和脱落是连续不断进行又是随机的，因此砂轮磨损问题的研究,是一个十分复杂的问题。4.2砂轮的磨损CollegeofMechanical&VehicleEngineering4.2.1砂轮磨损形态与原因CollegeofMechanical&VehicleEngineering•1.砂轮磨损的形态砂轮磨粒的磨损可分为磨耗磨损和破碎磨损两种形式。图5-4绘出了砂轮磨削中的磨损形式。图中A代表了磨耗磨损。所谓磨耗磨损是指磨粒的尖端在磨削中逐渐磨钝，最后形成磨损小平面。这种小平面垂直于砂轮半径，由于它出现在磨粒后面(相当于车刀的后面)，故有的也称之为后面磨损。•破碎磨损是指当磨粒切刃处的内应力超过它的断裂强度时，就会产生磨粒的局部破碎。随着磨粒切刃所受负载(热负CollegeofMechanical&VehicleEngineeringCollegeofMechanical&VehicleEngineering•荷和压力)大小和磨粒切刃处晶体结构的不同，有时在磨粒切刃附近发生微破碎(mincrochipping)，形成新的锋刃；有时则在磨粒深部发生破裂(splitting)形成较大的破碎。图5-4中B和C代表了破碎磨损的情况。•磨粒的脱落是指当作用于磨粒上的法向力大于磨粒结合桥所能承受的极限时所产生的整颗磨粒的脱