难磨削材料的磨削加工

2018-10-10中车北京南口机械有限公司102202郑文虎张明杰

金属加工(冷加工) 2018年9期

关键词：刚玉磨料砂轮

■ 中车北京南口机械有限公司（102202）郑文虎张明杰

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所谓难磨削材料，就是在磨削加工时，磨削加工性差的材料。难磨削材料与难切削材料有许多共同的特点，也有一些不相同的特点。在难磨削材料中，有的切削加工性很好，如有色金属中的铜、铝及其合金。一般淬火钢，切削很难，可磨削比较易。

1.难磨削材料的区分

（1）按材料含合金元素区分。材料中含有Cr、Ni、W、Mo、Mn、Ti、Al、Co、V等元素，提高了材料的强度、韧性、塑性和耐热性，降低了材料的导热性，磨削就相对困难。

（2）按磨削比来区分。磨削比G（磨去材料的体积与砂轮磨耗的体积之比）大的材料易磨削，反之难磨削。磨削比G小的材料，在磨削过程中砂轮磨损脱粒快，磨削力大，磨削温度高，易产生振动、烧伤和磨削裂纹，磨削效率低。

（3）按材料的物理和力学性能区分。工件材料的塑性和韧性高，硬度和热导率低，磨屑容易粘附在砂轮表面上，堵塞砂轮气孔，使砂轮失去磨削能力，造成磨削力大和磨削温度高，从而产生磨削缺陷。这些不良现象极易在磨削铜、铝、纯铁、高钒高速钢、高温合金、钛合金和不锈钢时发生。

（4）按磨削后工件表面质量来区分。有的工件材料在磨削时易产生烧伤和裂纹，工件被脱粒下来的磨粒划伤，表面粗糙度值大，难以达到工件质量要求，这些材料也难于磨削。

2.难磨削材料的磨削特点

（1）烧伤。在磨削韧性大、热导率低的材料时，加之砂轮硬度等特性选择不当、砂轮太钝和没有及时修整、磨削深度过大和磨削液供给不足或没有浇注在磨削区时，磨削区的温度高达1 000℃以上，不易传出去，就会产生磨削烧伤。在磨削高温合金和不锈钢时最为突出。

（2）砂轮堵塞。这种现象在磨削塑性高、硬度低的材料时发生。磨削时，砂轮气孔和磨粒的切削刃被磨下的磨屑粘糊住，又不能去除，砂轮表面上形成一层粘糊状化合物，使砂轮在很短的时间失去磨削能力，使磨削条件恶化。在磨削铜、铝、不锈钢、钛合金和高温合金时最为突出。

（3）砂轮磨损严重。在磨削韧性大、强度高的工件材料时，切屑不易切离，磨削力大，造成砂轮磨损和脱粒严重。如用刚玉类磨料的砂轮磨削高钒高速钢、高温合金、硬质合金和加工硬化严重的材料时，只见砂轮磨损脱粒，不见工件材料去除。

3.解决难磨削材料磨削问题的主要途径

机械加工专家、高级技师郑文虎

（1）合理选择砂轮。选择砂轮就是选择砂轮特性，包括砂轮的磨料、硬度、结合剂、粒度和组织，及高硬度磨料（人造金刚石和立方氮化硼）的浓度，这是解决难磨削材料磨削问题的主要途径。①选择合适的磨料。磨削难磨削材料的磨料包括白刚玉（WA）、锆刚玉（ZA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、绿碳化硅（GC）、立方氮化硼（CBN）和人造金刚石（D）。采用锆刚玉磨削奥氏体不锈钢，不仅效率高，也不易产生烧伤。采用单晶刚玉磨削普通和高钒高速钢、不锈钢和高温合金，其效果也较好。采用CBN磨料的砂轮磨高钒高速钢的效果最好。采用绿碳化硅磨钛合金效果也很好。采用几种磨料按不同比例混合制成的砂轮，比单一磨料的砂轮都好。②合理选择砂轮粒度。砂轮粒度不仅与磨削后工件表面粗糙度值有直接关系，也和磨削效率、磨削后工件的缺陷可能性有关系。磨削难磨削材料时，在保证工件质量的前提下，应尽量选用粗粒度的砂轮。③合理选择砂轮硬度和组织。磨削难磨削材料时，应选用砂轮硬度偏低和组织疏松一些的砂轮，有利于磨钝的磨粒脱落，使锋利的磨粒参加切削，从而避免烧伤、堵塞和粘附。

（2）合理选择磨削用量。vc≤35m/s，ap＝0.01～0.02mm，应采用较高的工件速度，以避免产生烧伤现象。

（3）合理选用磨削液。针对不同的难磨削材料，选用不同的磨削液，也是改善材料磨削加工性的重要途径之一。如磨削铁、镍、铬基的高温合金和钛合金时，不管用什么磨料的砂轮，磨削比G＜2。但用硫化油磨削时，磨削比G＞10。

（4）合理选择磨削方法。当普通磨料和一般方法难以解决难磨削材料的磨削问题时，可采用人造金刚石和立方氮化硼砂轮，进行电解、电火花、电解砂轮和深切缓进给磨削。

4.铜、铝及其合金的磨削

铜、铝及其合金的硬度低（25～160HB），纯铜和纯铝的硬度只有25～45HB。纯铜的熔点为1 083℃，铝合金的熔点为660～780℃，而磨削区的温度可高达1 000℃以上。磨削时，在磨削热的作用下，由于工件表面一层金属熔化并灌入砂轮孔隙或涂抹在砂轮表面上，而产生热熔粘附，使砂轮严重堵塞，很快失去磨削能力，使磨削特别困难。因此，长期以来，对于铜、铝及其合金工件高质量的表面，都是采用精密机床，用金刚石刀具进行精密或超精密切削，使工件表面达到镜面。磨削这类材料时，还会出现表面划伤，有一道道约0.5～17μm的沟状凹痕，用手摸有粗糙感。这是由于砂轮脱落下来的磨粒落入磨削区划伤工件表面所致。为了克服在磨削铜、铝及其合金时上述现象的发生，应采取以下措施：

（1）砂轮。磨料应采用性脆而锋利、有良好导热性和自锐性的黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），可以有效地防止砂轮堵塞。选用白刚玉（WA）也可以。粗磨时，应选用F36和F46的粒度，因为粒度粗可以容纳磨屑和减少堵塞。精磨时，可采用F60粒度；超精磨削时，选用更细的W1粒度。对于磨削铜、铝软金属的砂轮硬度，应选用J和H砂轮硬度，否则砂轮硬度高了，会造成砂轮严重堵塞。为了容纳磨屑，把磨削液和空气带入磨削区，有利于散热，应选用11～12号疏松组织的大气孔砂轮。为了防止刻入性划伤，应选用树脂结合剂或石墨结合剂的砂轮。砂轮修整时，应采用70°～80°的金刚石笔，精修时，在f＝0.001mm/r的进给量下，工作台往返一次，再空行程一次，以达到微刃性和微刃等高性，这时的工件表面粗糙度值可达Ra＝0.025～0.05μm。

（2）磨削用量。磨削时工件速度vw＝20～30m/min，工作台速度为0.5～3m/min，磨削深度ap＝0.003～0.015mm，精磨时取小值。

（3）磨削液。磨削铜、铝的磨削液，要求有良好的清洗和冷却作用。如10%～20%的乳化液、煤油和煤油与矿物油的混合油。在这三种中，煤油的效果最好，并应特别注意磨削液的过滤。

5.高钒高速钢的磨削

含钒量3%或以上的高速钢称为高钒高速钢，牌号有W12Cr4V4Mo、W6Mo5Cr4V3、W9Cr4V5、W12Cr4V5Co5、W9Cr4V5Co5和W12Mo3Cr4V3N等。由于这种钢中难熔的高硬度碳化物占30%～35%，其中碳化钒占7%～8%，VC的硬度高达2 800HV，其显微硬度比刚玉磨料的硬度（2 000～2 400HV）还高许多，磨削温度可达1 400～1 500℃，比磨削普通高速钢高出近一倍，所以造成砂轮快速磨损和脱粒及磨削烧伤，磨削极为困难。

磨削高钒高速钢砂轮的磨料，可用单晶刚玉（SA），其砂轮的寿命为白刚玉（WA）的6～7倍，但磨削比还是很低。最好采用立方氮化硼（CBN）为磨料的砂轮，其砂轮的寿命是SA的几百倍，磨削单位功率比刚玉类砂轮小2/3～5/6，而且不会修整，还不会产生磨削烧伤。CBN砂轮的结合剂为树脂结合剂（B），粒度为F150～F240，砂轮浓度为100%～150%。砂轮速度vc＝30～50m/s，工件速度vw＝8～20m/min，磨削深度ap＝0.01～0.03mm/dst，磨削液必须用矿物油（煤油），千万不能用水基磨削液，否则会加速CBN砂轮磨损。

6.不锈钢的磨削

通常人们把含铬量＞12%或含镍量＞8%的合金钢称为不锈钢。这种钢在大气中或腐蚀介质中具有一定的耐蚀能力，并在＞450℃高温下具有较高的强度。含铬量为16%～18%的钢称为耐酸不锈钢。在不锈钢中加入Mo、Mn、Cu、Nb、W、Co等合金元素，不仅提高了钢的耐蚀能力，同时也改变了钢的物理、力学性能和内部组织。合金元素在钢中含量不同，对不锈钢的性能影响很大，有的有磁性，有的则无磁性，有的能热处理强化，有的则不能热处理强化。

不锈钢按金相组织分，有马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体-铁素体和沉淀硬化等五类。

（1）不锈钢的磨削特点。磨屑易粘附在砂轮表面，填满磨粒间的孔隙，使砂轮失去磨削能力。这种现象在耐浓酸不锈钢严重，奥氏体不锈钢次之，马氏体不锈钢较轻。由于它的韧性高，磨屑不易被切离，砂轮磨粒易变钝，使磨削恶化，造成必须勤修整砂轮。单位面积磨削力大，可达68 600MPa，磨削温度可达1 000～1 500℃，易出现烧伤；磨削表面硬化严重，为基体硬度的1.4～2.2倍，硬化深度达0.1～0.2mm；由于不锈钢的线膨胀系数比一般钢材大50%，造成工件易变形；奥氏体不锈钢无磁性，平磨时装夹困难。

（2）砂轮特性选择。磨料一般采用白刚玉（WA），内圆磨削时，采用微晶刚玉（MA）或单晶刚玉（SA），也可采用硬度高、耐用度高、磨削力和磨削热小的CBN磨料。粗磨时采用粒度F36和F46，精磨时采用F60。结合剂一般采用陶瓷结合剂（V），磨耐浓酸不锈钢内孔时，采用树脂结合剂（B）。砂轮硬度为J～H。砂轮组织为5～8号中等和疏松的组织。

（3）磨削用量。陶瓷结合剂砂轮速度vc＝30～35m/s，树脂结合剂砂轮速度vc＝30～50m/s。工件速度vw＝（1/100～1/60）vc（m/min），平磨工作台速度15～20m/min。磨削深度：粗磨时ap＝0.04～0.08mm，精磨时ap＝0.01～0.03mm。进给量（双行程）fa＝（0.2～0.6）B（B为砂轮宽度）。

（4）磨削余量。由于不锈钢磨削困难，磨削余量应小一些。一般余量为0.15～0.30mm，平磨时余量为0.2mm左右。

（5）磨削液。磨削液为乳化液或极压乳化液，流量为20～40L/min。

7.高温合金的磨削

高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，能在600～1 000℃的高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作，具有优良的热强性、热稳定性和热疲劳性能。因而广泛应用于航空、航天和造船等领域。

高温合金按生产工艺分，有变形高温合金和铸造高温合金两类；若按高温合金基体合金元素分，可分为铁基高温合金、铁-镍基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。

（1）高温合金的磨削特点。由于钢中强化相很多，高温强度高，切屑不易切离，造成单位磨削力比磨削一般钢材大2倍，而且切深切削力大于主切削力；由于砂轮粘附、堵塞和摩擦加剧，致使磨削区的温度高达1 500℃，比磨削一般钢材高200℃以上；由于加工硬化严重，磨削力大，磨削温度高，砂轮粘附和堵塞，造成砂轮磨损严重；由于其热导率很低，κ＝10W/（m·K）左右，加上磨削温度高，易产生烧伤。

（2）砂轮特性的选择。磨料一般采用白刚玉（WA）、单晶刚玉（SA）效果好，镨钕刚玉（NA）的自锐性好，最好是CBN；粒度一般为F46，在磨削薄片、内孔和端面时应粗一点；硬度常用K和L；结合剂为陶瓷（V）；砂轮组织为5～8号较疏松的组织。

（3）磨削用量。一般砂轮速度vc＝20～25m/s，CBN砂轮速度vc＝30～35m/s。工件速度：外、内圆磨削vw＝30m/min左右，平磨vw＝25～28m/min。磨削深度ap＝0.01～0.05mm，精磨取小值。进给量：外圆磨削时，f＝（0.05～0.5）B/r，内圆磨削f＝（0.1～0.3）B/r，平磨横向进给量为（0.4～0.6）B（mm/dst）；磨削余量应小一些。

（4）磨削液。由于磨削高温合金的磨削温度高，一般应选用冷却效果好的水基磨削液。浇注量要大，以便带走大量的热量以及冲洗工件和砂轮表面。

（5）砂轮的修整。磨削高温合金时，砂轮的修整十分重要。如果砂轮修整得好，不仅可以提高砂轮寿命，而且也可提高磨削效果。一般采用0.07～0.1mm/st较深的修整量、工作台纵向进给速度为1.1～1.5m/min的大深度大走刀的修整法。

8.钛合金的磨削

钛合金的密度小（4.5g/cm3），强度高（σb＝422～834MPa），热导率低[κ＝5.44～15W/（m·K）]，弹性模量小（E＝107 800MPa），能耐各种酸、碱、海水和大气等介质的腐蚀，具有优良的力学和物理性能，因而在航空、航天、核能、船舶、化工、石油、冶金和医疗器械等工业领域中得到了广泛的应用。

钛合金可分为α钛合金（TA1～TA8）、β钛合金（TB1、TB2）和α+β钛合金（TC1～TC10）三种。它具有高的比强度（σb/ρ）、比弹性模量（E/ρ），化学活性大（能与O、H、N等产生强烈的化学反应而生成硬脆层）。

（1）钛合金的磨削特点。磨削温度高，是磨削45钢的1.5～2倍；磨削力大，比磨削45钢大30%；磨削比低，在同样的磨削条件下，磨削TC4钛合金的磨削比只有1∶1.53，而磨削45钢就高达1∶71.5，两者相差47倍，造成砂轮易变钝，磨削效率低；在磨削过程中，砂轮除粘附、扩散磨损外，钛合金与磨粒之间会起化学反应，加速砂轮磨损而失去磨削能力。

（2）砂轮特性的选择。磨削钛合金的砂轮磨料，应采用绿碳化硅（GC）和铈碳化硅（CC），使砂轮粘附减轻、不易堵塞气孔，铈碳化硅尤其好。如采用混合磨料（以GC、CC为主磨料，SA和ZA或MA为辅磨料）的砂轮，可使磨削效果有很大提高，使磨削温度降到600℃以下，磨削比可达1∶12。采用人造金刚石（JR）和立方氮化硼（CBN）超硬磨料，效果最好。实践证明，砂轮粒度为F60～F80，既可减小磨削力，又可提高磨削力。砂轮硬度为K～M；砂轮结合剂一般选用陶瓷结合剂（V），也可选用树脂结合剂（B），可减小磨削力和降低磨削温度；砂轮组织为5～8号为宜。为了减小砂轮粘附、堵塞，可采用砂轮浸渗固体润滑剂（MoS2、石墨、硫黄和硬脂酸）。浸渗的方法是将MoS2粉和乙醇混合成液体，浸泡14h，取出自然干燥后即可使用。

（3）磨削用量。外圆磨削时，砂轮速度vc＝15～20m/s，工件速度vw＝15～30m/min，ap＝0.01～0.025mm，纵向进给量B/10～B/5；内圆磨削时，vc＝20～25m/s，vw＝15～45m/min，ap＝0.005～0.01mm，纵向进给量为B/6～B/3；平面磨削时，vc＝15～20m/s，vw＝15～18m/min，横向进给量为B/10。

（4）磨削液。要求磨削液具有冷却、润滑和清洗作用。更重要的是抑制钛与磨料的粘附和化学作用。目前用的较多的是水溶性磨削液，有亚硝酸钾溶液、亚硝酸钾+甲酸钠溶液、亚硝酸钠溶液，亚硝酸钠+甲酸钠溶液和亚硝酸胺溶液。但使用含S、P、Cl极压添加剂的极压乳化液，效果更好。使用时，砂轮每毫米宽度不小于0.5L。