砂轮刚性对磨削性能及产品加工质量的影响

　　摘要

　　通过测量不同砂轮磨削时机床功率、磨削区温度、刀具的表面粗糙度和刃口质量，分析砂轮刚性改变对砂轮磨削性能和刀具质量的影响。研究发现：在一定范围内降低砂轮的刚性可以提高砂轮的磨削性能，改善刀具的加工质量。其中，加入体积分数10%的尼龙制备的砂轮对其刚性改善比较明显，在相同的磨削条件下，其磨削区的平均温度较普通砂轮磨削区的平均温度低50℃左右;累计磨削相同工件后，机床负载约为使用普通砂轮时的30%～50%;磨削得到的刀具表面粗糙度降低，可以达到Ra0.02μm 以下，且磨削纹路规则;在×500倍显微镜下，观察不到刀具崩刃等缺陷，刃口质量得到明显改善。

　　随着数码产品的高速发展，CNC(computer　numerical control)机台用高光刀具的应用也愈发广泛。随着高性能、高精度CNC机床的发展和性能优异的金属切削刀具的出现，高光加工已有了很大的突破，以铣(车)代磨成为可能，已经成为机械加工行业相继追寻的目标。

　　高光刀具刃口在高倍显微镜下几乎看不到任何缺口毛边，刃口能经受长期的切削而不变化，在加工过程中能始终保持刀刃对工件直接切削，保证工件光亮度，因此，采取必要措施防止或减少刃磨裂纹是亟需解决的工作。

　　高光刀具采用普通金刚石砂轮磨削时，剧烈的摩擦使刀具表面产生局部高温，形成附加热应力，极易引起刀具崩口、热变形和热裂纹，引入表面损伤，直接影响刀具使用寿命和加工质量。可采用降低工艺系统刚度和阻尼的方法，降低表面粗糙度、提高刀具刃口质量。

　　通过研究机床功率、磨削区温度和刀具表面光洁度，我们分析了砂轮刚性对砂轮磨削性能和刀具质量的影响规律，并开发出一种适用于高光刀具磨削的超硬磨具。在保证高效精密磨削的前提下，其能达到降低刀具表面损伤、提高磨削质量的目的。

　　1　实验条件过程

　　1.1　实验准备

　　制作3组砂轮，分别标记为a、b、c。其中，a 组砂轮为普通精磨砂轮，b组砂轮的金属基体和磨料层之间带有5mm厚的胶木过渡层，c组砂轮中加入10%体积分数的尼龙1012材料。其规格如表1所示。

 

　　根据用途不同，清边砂轮的具体规格为：11A2　80×35×31.75×5×5D10B100;沟槽抛光砂轮的具体规格为：3A1　125×6×31.75×5×5D10B100。

　　被加工刀具为四刃铝加工用立铣刀，规格为φ8mm×60mm，刀具材料为TF25硬质合金。刀具已用金刚石砂轮粗磨加工。

　　实验所用磨床为ANCA　MX7五轴数控工具磨床。测量磨削区温度时用FLIR　TG165红外成像测温仪。使用KEYENCE　VHX-2000超景深显微镜观测刀具加工后刃口表面。

　　1.2　实验步骤

　　在进行磨削实验前，用硬度检测设备测试3组砂轮的硬度(HRB)，沿圆周方向均匀测试4个点。

　　将不同的砂轮装卡在五轴工具磨床上进行磨削实验。其进给速度vf为200mm/min，切深ap为0.02mm，冷却方式为油冷。检测并记录砂轮磨削过程中，机床的负载和磨削区的温度。磨削完成后，测试刀具表面的粗糙度并在显微镜下观察刀具的刃口质量。

　　2　结果分析

　　2.1　砂轮硬度

　　砂轮的硬度对加工后刀具的表面质量和磨削效率有显著的影响。若砂轮的硬度较高，则磨粒不易脱落，其切削刃的等高性容易保持，加工出的工件表面粗糙度好、精度高。但砂轮过硬会导致磨削力和磨削热显著增大，工件表面容易产生烧伤裂纹等缺陷。

　　砂轮硬度测量结果如表2所示。从表2中可以看出：a组砂轮的硬度最高，b组砂轮次之，c组砂轮硬度最低。其原因在于，b组砂轮中增加了弹性过渡层，对于砂轮层硬度有间接作用;c组砂轮中添加了尼龙，其具有优良的机械强度、韧性和耐磨性，能直接有效地降低砂轮磨料层硬度。

 

　　3组砂轮的微观形貌如图1所示。其中，b组砂轮虽然引入胶木过渡层，但砂轮层硬度不变，因此其微观形貌和a组相同(图1a)。c组砂轮混料时加入尼龙材料，成型固化后会形成非连续的孤岛状结构(图1b)，降低砂轮层密度，从而降低砂轮硬度。

 

(a)a组和b 组砂轮的微观形貌

 

(b)c组砂轮的微观形貌

图1　3组砂轮的微观形貌

　　2.2　机床负载

　　机床负载主要和磨削力有关。通常，磨削力分为法向力和切向力：法向力较高会导致误差和颤振，切向力较高会产生大量磨削热并导致工件热损伤。在刀具精磨时，随磨削进行，砂轮逐渐堵塞、磨削功率增加、挤压力增大，刀具表面损伤层厚度加大。

　　在砂轮转速25m/s、切深0.02mm、进给速率60mm/min的条件下，测得的机床负载如图2所示。在切槽过程中，利用功率仪对磨削过程进行全程监测，设定采样频率，记录磨削过程中的功率变化，认定每个磨削行程中最大功率作为本行程有效功率，利用有效功率来分析实验中磨削功率变化的整体趋势。

　　从图2a中可以看出：a2砂轮修整后，精加工功率约为0.6kW;随磨削进行，金刚石磨粒开始变钝，砂轮磨损，导致机床的磨削功率增大;当磨削到第20支工件时，精磨功率由0.6kW增加到1.2kW(增加100%);到第100支件时，功率进一步增加，达到初始值的350%。

　　b2砂轮的磨削功率增长趋势(图2b)与a2大致相同，但增长速率较慢，磨削第100支工件时功率为初始值的260%。c2砂轮的功率增长速率最小(图2c)，磨削第100支工件时，功率为初始值的180%。

 

(a)使用a2砂轮时的机床负载

　　

 

(b)使用b2砂轮时的机床负载

 

(c)使用c2砂轮时的机床负载

图2　磨削时机床负载

　　因此，在相同的磨削条件下，使用c2砂轮的机床负载低、功率增长较慢。

　　2.3　磨削区温度

　　磨削加工时，绝大部分磨削能转化为热能，进而传递到工件、砂轮、磨屑和磨削液等物质中，造成磨削区的温度急剧升高。磨削温度过高会造成工件表层出现各种形式的热损伤，如表面烧伤、材料氧化、残余应力和裂纹等，从而影响刀具的使用寿命和工作性能，同时还会影响砂轮的使用寿命。为了控制和防止磨削高温及热损伤的出现，有必要对磨削温度进行深入的研究。

　　红外测温的原理是测量磨削时向外辐射的热能，具有反应速度快、测量直观等优点。因此，选用红外测温仪作为测量工具。但红外测温是非接触的，会产生一定误差，除仪器本身外，还有测试角度、距离和环境等影响因素，所以在实验过程中必须避免或减少此类因素对检测结果的影响。

　　设定砂轮线速度为25m/s，磨削液流量5L/min，测量切深0.02mm干磨加工时磨削区的温度;然后在湿磨状态下改变切深，分别测量ap为0.01、0.02和0.03mm时的磨削区温度。实验结果如表3所示。湿磨状态下，不同切深的磨削区温度如图3所示。

 

图3　湿磨状态下不同切深的磨削区温度

　　由图3可知：随切深增大，3组砂轮的磨削区温度均升高。在相同的磨削条件下，砂轮c2

　　的磨削区温度最低，砂轮a2的磨削区温度最高，且随着单次切深的增大，砂轮c2的增长速率最小。这主要是由于磨削挤压过程中，砂轮的刚性不同，受挤压状态下，砂轮与工件间的作用力也不一样，砂轮的刚性越小，作用力越小，产生的热量越少，磨削区温度越低。

　　2.4　刀具表面的粗糙度和刃口质量

　　采用相同的磨削参数完成磨削后，测试3组砂轮磨削后刀具的尺寸精度都达到了要求，分别测试刀具的表面粗糙度，其结果如表4所示。

 

　　砂轮a2和砂轮b2磨削得到的刀具表面粗糙度Ra接近0.023μm，b2砂轮的性能稍优于a2砂轮的;用砂轮c2加工后，刀具的表面粗糙度Ra可以达到0.020μm以下。其原因是砂轮的刚性过大，工件表面受到强烈的摩擦和挤压，加剧塑性变形，工件表面容易产生烧伤等缺陷。在磨削力和磨削热等因素的综合作用下，被磨工件表面产生了细微的裂口和局部的金属堆积现象。因此，在相同的磨削条件下，砂轮刚性过大、硬度较高等造成刀具磨削表层金属塑性变形的因素，是影响表面粗糙度的决定性因素。各刀具刃口质量如图4所示。

 

(a)用a2砂轮磨削后的刀具刃口质量

(b)用b2砂轮磨削后的刀具刃口质量

(c)用c2砂轮磨削后的刀具刃口质量

图43组砂轮磨削后的刀具刃口质量

　　从图4中可以看出：a2砂轮磨削得到的刃口质量最差(图4a)，刃口呈现轻微的锯齿状，磨削纹路有部分不规则的地方;b2砂轮磨削后的刃口质量要稍微优于a2磨削后的，崩刃尺寸降低，基本看不到挤压的磨削痕迹(图4b);c2砂轮加工后的刀具表面粗糙度最好，几乎看不到崩刃情况，且磨削纹路比较均匀(图4c)。

　　3结论

　　(1)与普通砂轮相比，砂轮增加弹性过渡层和加入韧性材料改性磨料层，可以有效降低砂轮的刚性。前者的硬度下降5%，后者的硬度下降15%，可降低因为砂轮刚性过高对磨削质量的影响。

　　(2)砂轮的刚性降低，能够减小磨削时的机床负载和磨削区温度。在相同磨削条件下，加入韧性材料改性砂轮的改善更为明显，平均磨削区温度比仅增加过渡层砂轮磨削时降低50℃。磨削到第100支工件时，机床负载约为普通砂轮的30%～50%。有效降低了因挤压力过大和磨削温度过高造成工件表层出现各种形式的损伤。

　　(3)砂轮刚性降低有助于精磨刀具表面粗糙度值降低，其磨削表面粗糙度值最好可以达到Ra0.02μm以下，刃口基本不出现崩口现象，且磨削纹路规则，刃口质量得到有效改善。

　　(4)对比实验中3组砂轮的数据可以看出，采用在磨料层中添加增韧材料的方法对于磨削质量的改善最为明显，效果优于仅增加弹性过渡层的方法。