机床导轨磨削表面划痕问题的分析与研究

孔丽国 周 斌 忻月海

（宁波海天精工股份有限公司，宁波 315800）

机床是工业化生产最典型的生产资料，是装备制造业的加工母机。几乎所有金属切削和成形过程均需借助机床来实现[1]。导轨是机床的重要部件之一，在一定程度上决定了机床的性能。滑动导轨因结构简单、工艺性好、刚性佳及吸震性良好等优点，广泛应用于各种机床。为提高导轨精度、耐磨性及动态性能，基体导轨硬化处理后进行磨削加工。导轨磨削表面的质量直接影响机床的性能和精度稳定性。

1 导轨加工工艺及磨削表面划痕的产生

导轨是机床的重要部件之一。为获得良好的性能及精度稳定性，通常经粗加工、回火、半精加工、表面淬火以及时效等工序后再进行精密磨削加工[2-5]。图1为卧式加工中心床身矩形导轨结构及磨削加工示意图。床身导轨采用HT300灰口铸铁，表面G48中频淬火，在导轨磨用上一次装夹用水平磨头砂轮加工导轨上表面，用万能磨头45°砂轮加工导轨两侧面，用万能磨头CBN碗形砂轮加工导轨底部压板面。

因导轨各面的磨削方式及所采用的砂轮不同，加工完成后导轨表面呈现不同的表面粗糙度及磨削纹路。导轨底部压板面用CBN碗形砂轮端面磨削的方式加工，表面粗糙度Ra为0.4～0.8 μm，磨削纹路呈网状。导轨侧面及上表面采用单晶刚玉砂轮径向磨削方式加工，表面粗糙度Ra为0.4 μm左右，磨削纹路呈与工件运动方向相同的纹理。导轨上表面局部有划痕，零星分散分布（0.4 m2左右大小的导轨面5～10处），划痕长度10 mm左右，划痕处用表面粗糙度仪测量粗糙度Ra为0.8 μm左右。

2 磨削表面划痕问题的分析与研究

导轨磨削加工时，高速旋转的砂轮去除工件表面材料的同时会造成砂轮砂粒脱。脱落的砂粒夹在砂轮和工件间，是造成导轨磨削表面划痕的主要原因。脱落的砂粒造成的划痕有两种方式：一种是磨削加工时砂轮砂粒脱落，直接与工件表面接触造成划痕；另一种是脱落的砂轮砂粒粘在工件表面或者混在磨削液中，导致磨削加工时砂粒在砂轮与工件表面挤压造成划痕。在磨削加工过程中，最有可能影响磨削表面质量造成表面划痕的因素有砂轮、磨削液以及磨削工艺参数等[6]。

图1 床身导轨磨削加工示意图

2.1 砂轮因素

砂轮是磨削加工的刀具。在磨削过程中，砂轮与工件直接接触。砂轮的选用直接影响磨削质量和效率。砂轮原材料及制造工艺不同，因此不同砂轮的特性差异较大，适用于不同的场合。影响砂轮特性的因素主要有磨料、粒度、硬度以及组织等。

磨料是砂轮的主要组成部分，具有尖锐的棱角，用来切削加工工件。常用砂轮按磨料可分为刚玉类（棕刚玉A、白刚玉WA、单晶刚玉SA、铬钢玉PA等）砂轮、碳化硅类砂轮以及超高硬类砂轮。以上砂轮磨料的硬度依次由低到高，韧性则依次由高到低。一般来说，磨削抗张强度大的材料要选韧性大的磨料。磨削硬度高的材料，要选硬度高的磨料。粒度主要表示砂轮磨料颗粒大小的程度。砂轮粒度的大小对磨削效率和加工面的粗糙度影响较大。一般来说，粗磨时要选用粗粒度的砂轮，可采用较大的磨削深度获得较高的磨削效率，但表面粗糙度差。精磨时要选细粒度的砂轮，以获得较好的表面粗糙度。磨削软金属时，要选粗粒度的砂轮。磨削硬金属时，要选细粒度的砂轮。硬度主要表示砂轮工作时磨料自砂轮上脱落的难易程度。砂轮硬度越高，磨料越难从砂轮上脱落。一般来说，工件材料硬，砂轮硬度应选软一些，以便砂轮磨钝磨粒及时脱落，露出锋利的新磨粒继续正常磨削。工件材料软，磨粒不容易磨钝，砂轮硬度可以选大一些。组织主要指砂轮中磨粒、结合剂以及气孔的比例，通常以磨粒所占砂轮体积的百分比或气孔大小来分等级。一般来说，较松组织的磨具（大气孔砂轮）在使用时不易钝化、发热少，适合粗磨或对磨削热比较敏感的场合。紧密型组织的砂轮磨粒不容易脱落，有利于保持磨具的几何形状，适合精磨。

课题研究的导轨材质HT300灰口铸铁，G48中频感应淬火，因此磨削时用SA60-F25VCF2材质的砂轮。SA单晶刚玉磨料硬度高，一般在HRC60以上[7]。60粒度的磨料颗粒能兼顾磨削效率与表面粗糙度。平面磨削时能达到Ra=0.4 μm左右的粗糙度。F级硬度较软，磨料容易脱落，比较适合加工HRC60以上的工件。砂轮组织气孔较大，磨削时砂轮不容易钝且工件不容易发热。综上所述，砂轮硬度偏低，磨料在磨削过程中很容易从砂轮上脱落，且磨料硬度远高于工件硬度，可能导致磨削过程中砂轮砂粒脱落夹在砂轮与工件间造成导轨磨削表面划痕。

2.2 磨削液因素

磨削液是磨削加工中的辅助及配套材料，主要由润滑剂、稳定剂以及防锈剂等组成，起润滑、冷却、清洗以及防锈的作用。磨削加工中，砂轮对工件挤压切削。有效使用磨削液可以增强砂轮与工件间的润滑，减小磨削力，降低产生的磨削热。在磨削加工中喷射磨削液，既可以带走大量的磨削热，又可以冷却工件，从而减少工件热变形，保证零件加工精度。在磨削加工中喷射磨削液，能及时带走磨削时产生的铁屑及砂粒，防止堵塞砂轮或附着在工件上，有利于延长砂轮使用寿命，保证表面的加工质量。

脱落的砂轮砂粒粘在工件表面或者混在磨削液中，在磨削加工时砂粒在砂轮与工件表面挤压会造成划痕。为避免粘在工件表面的砂粒造成划痕，可用干净的磨削液清洁待磨削工件表面。具体措施包括加大磨削液喷射压力、流量，调整喷嘴位置，使磨削液能喷射在砂轮前边，保证磨削工件表面清洁。为保证磨削液干净不含砂粒，除配备必要的过滤设备外，还需要定期清理机床水箱和更换磨削液。

课题研究的导轨上表面和侧面磨削加工采用相同材质的砂轮，加工完成后上表面有零星分散的划痕而侧面基本没有，有可能是脱落的砂轮砂粒粘在导轨上表面（导轨侧面不容易粘砂粒）导致磨削加工时砂粒与工件表面挤压造成划痕。现场试验时，更换了机床磨削液并调整磨削液喷嘴，使其中一路磨削液喷射在砂轮前边。磨削完成后，导轨上表面的划痕数量较之前明显减少。

2.3 磨削工艺参数

影响导轨磨削表面质量的磨削工艺参数主要包括加工过程中的磨削用量（砂轮线速度、磨削深度、磨削宽度、工件运动速度等）及砂轮的修整。磨削加工时，砂轮线速度越高，促使材料塑性变形的速度跟不上磨削速度，则表面光洁度越好。增加磨削深度、磨削宽度及工件运动速度会增加磨削力，从而导致工件塑性变形增加，表面光洁度变差。影响表面质量的砂轮修整主要与修整工具、修整量及修整速度有关。常用的砂轮修整工具有金刚石笔、金刚石滚轮等。用金刚石滚轮修整的砂轮要比用金刚石笔修整的砂轮更锋利，磨削加工效率更高，表面质量更好。砂轮修整量及修整速度影响砂轮修整质量。例如，单次修整量越大，切削温度越高；砂轮修整器磨损严重，将影响砂轮修整质量；砂轮修整速度太慢会堵塞砂轮，影响加工效率及工件表面粗糙度。因此，理想的修整方式是少量、多次以及均匀快速修整。

课题研究的导轨上表面及侧面磨削用量（砂轮线速度28 m·s-1，磨削深度0.002 mm，磨削宽度20 mm，工件运动速度10 m·min-1）及砂轮的修整（单点式金刚石笔修整器每次修整量0.02 mm，修整2次）基本一致，加工完成后表面粗糙度Ra为0.4 μm左右，而导轨磨削表面划痕的出现基本在砂轮修整完磨削2～3个循环后出现。为获得良好的表面光洁度，每次精磨前需要进行砂轮修整。

3 结语

导轨磨削加工时，高速旋转的砂轮去除工件表面材料的同时会造成砂轮砂粒脱落，而脱落的砂粒夹在砂轮和工件间会造成磨削表面划痕。由于砂轮自锐性的存在，不可能杜绝脱粒。但是，可以从砂轮、磨削液以及磨削工艺参数等方面入手，减少和减轻划痕。此外，在提高质量的同时会增加生产成本、降低生产效率，因此需要根据零件要求及现场工况进行综合分析及试验，以达到质量、效率以及成本的最佳平衡点。