针对特殊材料的磨削砂轮研制

周润锋

【摘 要】某设备上一种特殊的零件采用一种特殊金属材料（成份类似弹簧钢）制成，该材料硬而粘，磨削性不好，而且加工磨削时砂轮与工件接触面积较大，因而砂轮的工作条件比较恶劣，使用普通砂轮较难保证大批量、连续生产的要求。为了增加砂轮使用寿命，提高工件合格率，进行了磨削该工件专用砂轮的研制工作，通过理论分析和加工试验，最终选取到比较理想的砂轮配方。

【关键词】专用砂轮；磨削；特殊材料

0 引言

某设备上一种特殊的机械零件采用一种特殊金属材料（成份类似弹簧钢）制成，设计形状为薄壁圆盘状，圆盘直径约Φ100mm，厚度约1mm，设计尺寸和形位公差精度要求较高。其中薄壁圆盘零件材料成分类似弹簧钢（含Mn），特点是硬度高，韧性大，弹性好，较难产生塑性变形。该材料硬而粘，磨削性不好，而且加工工艺采用“切磨”的方式，磨削时砂轮与工件接触面积较大，磨削力很大，砂轮脱粒也很快，因而砂轮的工作条件比较恶劣，使用普通砂轮较难保证大批量、连续生产的要求。

为了提高工件合格率，提高加工效率，并适当延长砂轮使用寿命，进行了磨削该工件专用砂轮的研制工作，并经实验验证该专用砂轮研制的可行性，解决了原砂轮使用寿命短，磨削效率低的问题，并成功应用于大批量生产加工中。

1 专用砂轮的研制

1.1 砂轮分类及选用原则

砂轮也叫固结磨具，是采用结合剂将磨料固结为要求的形状（大多数为圆形，中部有通孔），并有一定强度的固结磨具。一般由结合剂、磨料和气孔组成，此三种组成长称为砂轮的三要素。按照结合剂不同分类常有陶瓷结合剂砂轮、树脂结合剂砂轮和橡胶结合剂砂轮。砂轮在制造过程中是在磨料中加入不同的结合剂，经压坯、干燥和焙烧等工序制成的内部有很多气孔的物体。由于原材料和制造工艺的不同，砂轮的加工性能有很大差别。砂轮的特性主要优磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等因素决定。具体选用原则如下：

1.1.1 磨料的选择

最常用的磨料是棕刚玉（A）和白刚玉（WA），然后是黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），其余还有单晶刚玉（SA）和鉻刚玉（PA）等。白刚玉适宜于制造精磨淬火钢、高碳钢、高速钢等；绿碳化硅砂轮磨粒锋利、导热性好，适合于磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。

1.1.2 粒度的选择

用粗粒度砂轮磨削时，生产效率高，工件表面粗糙，用细粒度砂轮磨削时，工件表面质量好，而效率较低。

一般平蘑、外圆磨和无心磨选用36#-46#。

1.1.3 硬度的选择

磨削软材料时要选用较硬的砂轮，磨削硬材料则选用软砂轮。

1.1.4 结合剂的选择

陶瓷结合剂是一种无机类型的结合剂，化学性能非常稳定，这种结合剂制造的砂轮磨削效率较高、磨削损耗较小，能很好地保持砂轮的几何形状和尺寸，因而应用范围较广，是一种非常常用的结合剂。适用于磨削加工普通碳钢、合金钢、不锈钢等。但是，陶瓷结合剂砂轮脆性较大，容易损坏，不能受剧烈震动。一般只能在线速度为35m/s内磨削加工情况下使用。树脂结合剂则是一种有机类型的结合剂，使用它制造的砂轮强度很高，并且具有一定弹性，耐热性低，自锐性好，不易损坏，因而可制作工作速度高于50m/s的砂轮和很薄的特殊用途的砂轮。

1.1.5 大气孔砂轮的选择

大气孔砂轮在磨削加工时具有不堵塞、耐用度好和切削力大等优点。适用于软金属、塑料和皮革等非金属材料的粗、精磨削加工。同时由于空隙比较大，利于热量的散发，它还具有散热快的特点，所以在磨削加工一些热敏性大的材料、薄壁工件和干磨工序中有良好的效果，得到了比较广泛的应用。大气孔砂轮的生产范围是：磨料一般选用碳化物和刚玉等，磨料粒度（36#-180#），气孔尺寸（0.7-1.4mm）。

1.2 工艺简介

磨削过程是砂轮刀具与工件相互作用，磨削中磨粒与工件材料之间的作用既包括磨粒与工件之间的刮擦，又包括磨粒与工件之间的高速冲撞。作为刀具的砂轮稳定性对加工的精度起主要作用。本工艺中砂轮端面磨削工件为面接触，参与切削工件材料的磨粒数量众多，用于制造砂轮的磨粒晶体的生长机理不同及制粒过程的破碎方法不同，使得磨料几何形状极不规则，由于砂轮结构和制造工艺的原因，磨粒在砂轮端面上呈随机分布状态，磨削速度及磨削区的温度高，在这种高应变和高温下呈现出的材料性能尤为复杂，砂轮磨粒的磨损、磨粒的切削性能也受到很大的影响。工件材料特殊，材料韧性大，硬度高，磨削性不好，工件薄磨削面积大，在磨削中一次去屑率大，磨削力大，磨削引起的磨削热易使零件过热烧伤纹。

1.3 砂轮配方及实验

砂轮粒度的大小、磨料的配方和粘结剂的选用、砂轮硬度和气孔率的确定直接影响砂轮的使用。根据磨削经验，砂轮磨料粒度小所承载的磨削力小，对于材料韧性大，磨削性不好的工件不能进行磨削，粒度太大，单位面积内磨料减少，砂轮锋利度下降，对大面积工件磨削性不好；选用大硬度的砂轮，砂轮脱粒性低，磨屑易将砂轮表面粘结，由于零件较硬，磨削时易产生“打滑”现象，砂轮硬度小，磨削力小，脱粒太快，对工件则无法进行磨削，综合考虑选用粒度为46#、中软，树脂结合剂的砂轮，考虑工件材料，砂轮磨料分别选用单晶刚玉、铬刚玉和绿色碳化硅进行对比试验，从中选取适合此种材料加工的磨料。根据上面的试验方案，选用每种类型的砂轮按照不同的磨削参数进行磨削试验，以修正一次能加工合格工件的数量作为评判标准。结果如表1。

从上述表中可以很明显的做出判断，绿色碳化硅磨料的砂轮试验数据比较理想，因而最终选用性能优异的绿色碳化硅材料的砂轮。

1.4 砂轮结构设计

磨削时接触面积大，一次磨削去屑率高，磨屑不能及时由磨削液带走，工件属超薄壁，未带走的磨屑直接影响的表面质量，单靠选用较大气孔已经难以解决上述问题。为了解决该问题，在砂轮成型时端面上特制40个容屑孔，研制的砂轮结构如图1，使用该结构的砂轮磨削过程中砂轮较易被冲刷干净，从而保证工件的表面质量和加快砂轮磨削时散热，从而提高砂轮的使用寿命。

2 专用砂轮使用效果在正式生产中，使用专门研制的此种砂轮，磨削过程中砂轮耐磨度、脱粒程度、磨削进给量、磨削速度均能满足工艺要求，并且加工的工件变形较小，合格率高，同时提高了磨削效率2倍以上。

3 结论

（1）通过对工件特殊原材料及磨削工艺技术分析，根据经典砂轮选用原则，研制了磨削加工该零件的专用砂轮，通过加工验证表面，该砂轮满足了工艺要求。

（2）在批量生产中采用此种砂轮进行加工，大幅度的提高了零件合格率和磨削效率。

【参考文献】

[1]张幼桢.金属切削理论[M].北京：航空工业出版社，1987.

[责任编辑：王楠]