在零件机械加工中,用磨削完成终加工工序的可达到80%,即绝大部分零件的表面质量由磨削加工得到。而在磨削加工中,常常会引起工件磨削烧伤,使工件的表面质量大大降低,严重的磨削烧伤使零件使用寿命成倍下降,有时根本无法使用.如何解决磨削烧伤是磨削加工中的一个很重要的问题。
1磨削烧伤的概述何谓磨削烧伤?磨削时,由于在磨削区内瞬时产生高温(一般为—℃),使工件表层组织发生局部变化,并在表面的某些部分出现变色(即氧化膜的颜色—黄、褐、紫、青等色),这种现象称为磨削烧伤。
磨削烧伤可根据外观、表层显微组织变化的性质和深度进行区分。根据烧伤外观的不同,有全面烧伤(零件的整个表面被烧伤)斑状烧伤(表面上出现分散的烧伤斑点)、线条状烧伤(整个零件表面有线条形烧伤),线条状烧伤是生产中最常见的烧伤。
按表层显微组织变化的性质区分有回火烧伤—当工件表面层温度未超过相变温度Ac3,但超过马氏体的转变温度时,马氏体将转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体;淬火烧伤—当工件表面层温度超过相变温度Ac3,马氏体转变成奥氏体,且这时有充分的冷却液,则表层将速冷形成二次淬火马氏体,硬度比回火马氏体高,但很薄(只有几微米),其下层为硬度较低的回火索氏体和屈氏体;退火烧伤—当工件表面层温度超过相变温度Ac3,马氏体转变成奥氏体,而这时如无冷却液,则表面硬度急剧下降,使工件表层被退火。干磨时很容易出现这种情况。
根据表层显微组织变化深度的不同,烧伤还可分为浅烧伤(深度至0.mm),中等烧伤(深度至0.mm),深烧伤(深度在0.01mm以上)。
2影响磨削烧伤的因素和解决措施在磨削加工中,产生烧伤的主要原因是磨削区的温度过高,为降低磨削区温度可从减少磨削热的产生和加速磨削热的传出这两条途径入手。
2.1合理选取磨削用量为了合理选取磨削用量,首先必须分析磨削区表面温度和磨削用量之间的关系.现以平面磨削为例,按接近实际加工情况将磨削区简化为连续均匀热源AB只向工件表面下方传导的半无限大热场的计算问题(见图1)。通过有关温度场的理论分析和计算,可得出磨削区内的连续均匀热源AB在单位时间内的发热量Q=C0VI0.2ap0.35V砂0.35f-0.3(C0为常数)。由上述磨削区表面温度与磨削用量的关系式可知:
(1)磨削深度ap当磨削深度ap增大时发热量增大,会使工件表面温度随之升高,烧伤程度加大,故ap不能选得太大。
(2)横向进给量f当横向进给量f增大时,磨削区表面温度反而降低,磨削烧伤减少。其原因是f增加使砂轮与工件的表面接触时间相对减少,因而热的作用时间减少,散热条件得到改善.为了弥补因横向进给量增大而导致表面粗糙度的增大,可采用较宽的砂轮。
(3)工件速度vI当工件速度vI增大时,磨削区表面温度上升。但进一步研究发现vI越大,磨削表面附近处的温度梯度越大,如表1.
这是因为vI虽然增大,但热的作用时间却减少,即虽然磨削区的温度高,但工件表面还来不及烧伤,就出了磨削区得到有效冷却,根据表1数据表明,选择较大vI可减轻磨削表面的烧伤,同时又能提高生产率。
当然提高vI会导致表面粗糙度增高,为了弥补这个缺陷,可以相应提高砂轮速度.事实上根据有关研究表明,如vI增大3倍,导致表面粗糙度的增高,只需v砂增加39%即可得到补偿。实践证明,同时提高vI和v砂可以避免磨削烧伤。如图2是磨削18CrNiWA钢时,vI和v砂无烧伤的临界比值曲线.图示曲线的右下方是容易出现烧伤的危险区(Ⅰ区),曲线的左上方是安全区(Ⅱ区)。
2.2合理选择工件材料工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和导热系数。工件硬度越高,磨削区热量越大,但材料过软,易于堵塞砂轮,反而使加工表面温度急剧上升;工件强度越高,磨削时消耗的功率越多,发热量也越多;工件韧性越大,磨削力越大,发热量越多。另外,导热性能比较差的材料如耐热钢、轴承钢、不锈钢等,在磨削时都容易产生烧伤。
2.3正确选择砂轮在磨削加工中,单位切削截面切削力约(1×～2×)N/mm2,这已经数十倍地超过了材料强度极限,产生如此大的切削力,很显然不是由被加工材料的强度抗力所造成,而是由磨削过程中切削不合理产生极大摩擦力所引起的,改善切削过程、减少功率消耗而达到降低磨削区温度是很有潜力可挖的。
分析磨削过程来看,磨削是通过砂轮上每个磨粒进行磨削的,每个磨粒切削厚度通常(0.2～0.02)μm范围内,而磨粒曲率半径ρ一般为8μm,远远大于切削厚度,则在大多数情况下,切削层金属仅被挤压,并没有切除,这层金属只是通过大量磨粒反复挤压而疲劳剥落,故在切削抗力中大部分是摩擦力。如果磨粒尖锐,摩擦力会大大下降,而磨粒的尖锐取决于磨粒的硬度和强度,故提高磨料的硬度和强度是改善砂轮磨削条件的一个重要方向。
金刚石磨粒砂轮在磨削硬质合金时,由于其磨粒的硬度和强度大,刀尖锋利,改善了磨削条件,从而使磨削力及摩擦区温度下降,另外,金刚石与金属在无润滑液情况下的摩擦系数极低,故不产生烧伤。
目前CBN砂轮也应用广泛,其热稳定性好,磨削温度低,且本身硬度、强度仅次于金刚石,磨削力小,能磨出较高的表面质量。另外,采用有一定弹性的结合剂,如橡胶、树脂等,也能改善砂轮磨削条件。当由于某种原因导致切屑力增大时,这样的结合剂能使砂轮的磨粒产生一定的弹性退让,使切屑深度自动减小,避免烧伤。
2.4合理采用冷却方法在磨削加工中,由于高速旋转的砂轮表面上产生强大气流层,以致冷却液难于进入磨削区,且大量倾注在已经离开磨削区的加工表面上,这时烧伤早已产生.故合理采用冷却方法很有必要.下面介绍几种有效冷却方法:
1采用高压大流量冷却。这样不但能加强冷却作用,而且还可以冲洗砂轮表面,使其空隙不易被切削堵塞。为防止冷却液飞溅,机床需安装防护罩。
2在砂轮上安装带有空气挡板的冷却液喷嘴。为减轻高速旋转砂轮表面的高压附着气流作用,可加装如图3的带有空气挡板的冷却液喷嘴,以使冷却液能顺利地喷注到磨削区。
3实现内冷却。由于砂轮上的孔隙均能渗水,冷却液可通过砂轮内部在离心力作用下送入磨削区,为防止砂轮空隙被冷却液堵塞,使用内冷却磨削时应特别注意冷却液的清洁度。
4直角喷嘴。直角喷嘴的设计简单,但效果突出,已广泛地为高速磨削所采用.直角喷嘴在很宽的砂轮速度V=(40～)m/s范围内基本消除了空气流对磨削液的阻滞影响。
5浸渍砂轮。将液态固体润滑剂渗入砂轮孔隙内,覆盖于磨粒表面,磨削时形成磨粒与切屑以及磨粒与加工面的润滑作用。
6自加速法。利用液体动压原理,使磨削液获得与砂轮周速相当的速度,从而产生同步冷却效应。
7低温压缩空气冷却法。在换热器中用液氮(-℃)将压缩空气冷却至(-℃),再由喷嘴到磨削区上进行冷却的。为防止温度下降时,空气中的水分在换热器管道中结冰,必须使用空气干燥器.这是一种取代传统磨削液冷却法的新技术。
磨削烧伤在生产加工中经常出现,除了采用以上措施以外,还要注意热处理加工和严格遵守工艺纪律。
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