磨料及其磨削工艺的探讨

王春雨

摘要：磨削作为一种加工手段，一般用于最开始的初加工和最后一道工序的精加工。从磨料开始详细地介绍了砂轮的种类与磨料的选择，阐述了磨削工艺的特点，探讨曲轴磨削技术，提出了曲轴磨削后产生裂纹的解决途径。

关键词：磨削；磨料；曲轴

中图分类号：TG580.6

文献标识码：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.05.007

0.引言

磨削作为一种加工手段，一般用于最开始的初加工和最后一道工序的精加工，是指用磨料、磨具切除工件上多余材料的加工方法，具有加工少、精度高、产生热量少、外形美观等特点，在机械加工中占主导地位，可用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面、平面以及螺纹、齿轮、键等特殊、复杂的成形表面，有各种不同的工件，就要有相应的加工磨床，对应各种不同的磨料，正确掌握磨削工艺，正确选择磨料磨具对提高加工质量是至关重要的。

1.磨料

磨削加工时，首先要根据待加工的工件材质来选择所对应的磨料。

1.1磨料的选择

主要取决于工件材料及热处理方法。

（1）磨削抗张强度高的材料时，选用韧性大的磨料。如含钨高的材料，应选择具有高韧性的陶瓷刚玉磨料进行加工。

（2）磨削硬度比较低、延展率大的材料时，可适当选择较脆的磨料。

（3）磨削硬度较高的材料，要选择较软的砂轮。

1.2砂轮硬度的选择

砂轮的硬度是衡量砂轮“自锐性”的主要指标，加工过程中，磨粒逐渐由锐利而变钝。部分钝化的磨粒继续工作，作用在磨粒上的压力就会不断增大，当压力大到一定数值时，有的磨粒会自行崩碎而形成新的刃口，当压力超过结合剂的粘结力时，磨粒会自行脱落。钝化了的磨粒自行崩碎或脱落使砂轮保持锐利的特性称为自锐性，较软的砂轮有较好的自锐性，能够提高砂轮的磨削性能，减少磨削力和磨削热。当磨削软的材料时，砂轮不易钝化，应选择硬砂轮以避免磨料过早脱落损耗，磨削特别软而且韧性高的材料应选用较软的砂轮。

磨削加工时，还要考虑选择不易与加工材料发生化学反应的磨料。

1.3砂轮的种类及其对应加工的材料

最常用的磨料有白刚玉、棕刚玉、黑碳化硅、绿碳化硅、铬刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉、锆刚玉。随着工艺的发展，现在又制作了陶瓷砂料，树脂砂轮、橡胶砂轮、金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮。

棕刚玉砂轮：棕刚玉的硬度高、韧性大，适宜磨削抗拉强度较高的金属，比如碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等，这种磨料的磨削性能好，适应性广，常用于切除较大余量的粗磨，可以广泛使用。

白刚玉砂轮：白刚玉的硬度略高于棕刚玉，韧性比棕刚玉低。在磨削时，磨料容易破裂，因此，磨削热量小适宜制造精磨淬火钢、高碳钢、高速钢以及磨削薄壁零件用的砂轮，成本比棕刚玉高。

黑碳化硅砂轮：黑碳化硅砂轮性脆而锋利，硬度比白刚玉低，适用于磨削机械强度较低的材料，如铸铁、黄铜、铝和耐火材料。

绿碳化硅砂轮：绿碳化硅硬度脆性较黑碳化硅高，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。

外圆磨和曲轴磨的顶针由于使用不当，出现了破损需要重新磨削才可以使用，就是将顶针放在床头的主动锥口里，用黑碳化硅钢进行磨削，其精度和光洁度都可与新件媲美。

铬刚玉砂轮：适用于磨削刀具、量具、仪表、螺纹等表面加工质量要求高的工件。

单晶刚玉砂轮：适用于磨削不锈钢、轴承钢和特种球墨铸铁等，用于成型磨、切入磨、镜面磨削。

锆刚玉砂轮：适用于磨削奥氏体不锈钢、钛合金、耐热合金，特别适用于重负荷磨削。

金刚石树脂砂轮：金刚石砂轮是最坚硬的砂轮，磨削能力非常强悍，只适用加工高硬度的材料，而不宜用来磨削一般钢材或其他软性材料，其修整要用碳化硅磨料进行，冷却液有煤油、轻柴油，一般以煤油为好。

新的金刚石砂轮使用前因出厂和装配时的不同心度，一般要进行修整，一般有两种方法：（1）在陶瓷工具上进行微量磨削，自行归圆；（2）手持碳化硅磨料进行修整。

吉林化工压缩车间压缩柱塞表面喷涂陶瓷，用金刚石砂轮进行磨削加工，提高了加工效率和质量。

立方氮化硼是由六方氮化硼和触煤在高温高压下合成的，是继人造金刚石问世后出现的又一种新型高新技术产品，它具有很高的硬度，热稳定性和化学隋性，以及良好的透红外性和较宽的禁带宽度等优异性能，它的硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，对铁系元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。适用于加工既硬又韧的材料，如高速钢、工具钢、模具钢、轴承钢、镍和钴基合金、铸铁等。

2.磨削工艺

选择合适的磨具，制定出合理的加工工艺，才能有效地提高工作效率，加工出高质量的工件。常用的磨削工艺包括外圆磨削和曲轴磨削。

磨削前要根据磨削的材质，合适地选择砂轮磨削粗磨、半精磨、精磨几个步骤进行。磨削工艺看似简单，却是加工中最重要的一个环节，磨削工艺掌握的好坏，直接影响到工件的质量，这就需要在生产生活中多积累，多探索，才能适应市场的需求，工艺才能趋于完美。

2.1外圆磨削

首先要考虑磨削用量四要素，包括磨削速度、工件圆周速度，横向进给量和纵向进给量。

2.1.1磨削速度

磨削速度即是砂轮圆周速度，也叫切削速度，其为砂轮外圆表面上任一位置在1s内所通过的路程。

2.1.3横向进给量

掌握好合适的进给量，对消除由于磨损而产生的力，对于提高工件质量有很好的作用，一般采用O.1一O.35mm。

2.1.4纵向进给量

纵向进给量一般受砂轮厚度的影响，粗磨时采用O.3—0.85T，精磨时采用0.2-0.3T（T为砂轮厚度，mm）。

2.2工件的装卡

工件的装卡在磨削加工中至关重要，外圆磨床磨削工件时大多是用两边顶针进行装卡，这就对于力度的掌握有很高的要求，以能够用手转动工件发滞而不自由为准。自由就会精度不够，误差过大；力量过大，重的工件就会使研磨顶针孔出现大的椭圆，而无法保证加工精度，重量轻的工件，力度过大可能会使工件微变形，保证不了同心度，也就无法保证加工质量。

3.曲轴的磨削工艺

曲轴是多种发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，磨削作为曲轴精加工的工序对曲轴的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度和不同心度、热裂纹及振动波纹的产生都有极大地影响，因此研究磨削工艺对曲轴质量的影响具有重要意义。

在曲轴磨床上磨销曲轴，装卡之后先磨削主轴，调整主轴中心，使主轴中心在一条工作线上，保证其同心度，以第1和第7道主轴为基准，如果其它轴径超出范围，则视为主轴弯曲。

在磨削连杆轴时，要求是保证其回转半径的正确。行程大小决定了发动机的压缩比的大小。曲轴曲柄的行程大小是一个很重要的参数，一般程序比规定值大1mm以上时，活塞在上止点就要顶缸盖，而不能装配使用。一般发动机曲轴的回转半径的公差为±O.15mm，这就要求曲轴连杆轴径在磨削时要求保证其回转半径的正确。曲轴的磨削除了轴径表面尺寸精度和表面粗糙度符合技术要求外，还必须达到形位公差的要求，磨削曲轴时必须保证主轴径和连杆轴径各轴心线的同轴度及两轴心线的平行度。

曲轴的圆角是应力最为集中的地方，所以磨削曲轴时要保证圆角不作大的改变，磨削之前用R规量出圆角的半径，用金刚石在砂轮上修出相对应的圆角，变化范围在±O.5°为宜。

在实验的基础上研究磨削参数（切削深度，进给量和砂轮线速度）对磨削规律的影响，结果表明：（1）随着切削深度的增加，表面粗糙度呈上升的趋势，因此磨削工艺分粗磨和精磨非常必要；（2）粗磨工序的进给量对砂轮磨损量的影响最大，而精磨工序对表面粗糙度的影响最大。为了达到小节拍和高质量的目的，必须优化这两道工序的进给量，才能保证加工精度。（3）提高砂轮磨削速度，加大切削深度，提高工作回转速度均可提高磨削效率，减少节拍。但在进行大切深磨削时，裂纹和烧伤比较严重时，可以通过工艺优化的方法，达到既提高加工效率，又保证了工件的表面质量，工件的表面粗糙度随着砂轮线速度增加而减少。

曲轴的拉应力随着砂轮的进给力量的增加会逐渐变大，慢慢接近工件材料的抗拉强度。一旦超过工件材料的抗拉强度时便会产生裂纹。

解决磨削裂纹的根本途径：（1）砂轮的磨料是关键，选择合适的砂轮。对磨料性能的要求是硬度高，抗弯强度大，耐磨性能好，刃口锋利，且自锐能力强。耐磨性能高，能长期维护刃口锋利的刚玉类较好，铬刚玉、单晶刚玉和微晶刚玉则更好一些，最理想的磨料为立方氮化硼，各种性能均优于刚玉类磨料。（2）要使用自动砂轮修整器，始终保持砂轮刃口的锋利性。（3）选择润滑性能好的磨削液，如含极压成分的切削液，硫化切削油等。（4）具有较大压力和流量的供液装置，磨削时能将充分的磨削液送人磨削区，进行高效的润滑、冷却和清洗，将热量带走，降低磨削区温度，并避免砂轮堵塞。（5）具有高效的磨削过滤装置，磨削液中的砂轮、铁屑等杂质，不仅对曲轴的精度、粗糙度有不利影响，而且它会破坏润滑膜，成为裂纹源，因此必须将磨削液中的杂质过滤清除。