APP下载

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

扫码了解更多

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。

9.结语

在机械加工中,难磨削材料不只上述几种,还有很多。但只要根据材料的性能和磨削特点,尽力优选磨削条件,就会顺利克服材料在磨削过程中的不良现象,从而获得好的磨削效果。

猜你喜欢

刚玉磨料砂轮
Sm2O3、Y2O3对刚玉-莫来石多孔陶瓷结构和性能的影响
刚玉自流浇注料强度影响因素的研究
不同加载作用下砂轮片破裂失效的有限元分析
太原刚玉物流工程有限公司
基于ANSYS的数控磨床砂轮架主轴热特性分析
磨床砂轮修整器的改进
基于拉法尔喷嘴的磨料气体射流加速规律研究*
自由磨料射流轴心磨料速度模型及分析
转塔式砂轮架B轴回转机构设计
微晶刚玉磨粒磨削20CrMnTi钢的数值模拟研究