304不銹鋼砂帶磨削試驗研究

黃 云 楊春強 黃 智

1.重慶大學，重慶，400030 2.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心，重慶，400021

0 引言

304不銹鋼具有熱穩定性好、耐腐蝕性及耐磨性好等特點，并且具有全面和良好的綜合性能，因此被廣泛應用在航空、航海、汽車配件、醫療器具等領域[1－2]。隨著生產的發展，人們對其加工精度及加工效率的要求也愈來愈高，但是由于其韌性大、導熱系數小、彈性模量低等特點，在使用砂輪磨削加工時易產生以下問題：①磨削力大、磨削過程發熱加劇；②磨屑易黏附砂輪；③磨屑難以切離、磨粒容易磨鈍；④加工表面易產生燒傷和裂紋，表面粗糙度增大，工件表面質量不易保證[3－5]。這些問題在一定程度上限制了304不銹鋼的推廣和使用。為此，研制性能卓越的不銹鋼磨削工具，提高磨削效率與磨削質量，已成為非常迫切的要求。

砂帶磨削技術的發展，為解決上述問題提供了一條有效的途徑。砂帶磨削是一種優質高效的工藝技術。砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光等多重作用，使得表面加工質量粗糙度小，加工表面發熱少，即使干磨也不易燒傷工件，具有“冷態加工”的美譽[6－7]。

本文通過2種不同磨料砂帶對304不銹鋼進行磨削試驗，分析磨削時間、法向磨削壓力對工件表面粗糙度的影響。借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察砂帶表面磨損形貌，研究砂帶磨損機理，以期提高304不銹鋼的加工精度和磨削效率，實現304不銹鋼的大規模應用。

1 磨粒和加工表面的實際接觸時間

在磨削過程中，當舊的磨粒磨損后，就不斷會有新的磨粒參與磨削，因此參與磨削的磨粒數基本上是不變的。磨粒和加工表面的實際接觸時間ts是一個非常重要的參數，它對磨粒的磨損有著直接的影響。ts對應于砂帶從點A到運動到點B（圖1）。ts可以用下式來表示：

圖1 砂帶磨削模型

2 工藝試驗研究

2.1 試驗材料的選用

試驗材料選用304不銹鋼（國際為0Cr18Ni9），規格為φ35mm×400mm。

2.2 試驗裝置

試驗裝置包含外圓砂帶磨床試驗機、表面粗糙度儀、SEM等。

試驗在重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心外圓砂帶磨削試驗機床上進行，同時配備相應的變頻器對主動輪進行矢量變頻調速實現無級調速。

表面粗糙度的測定采用針描法，使用北京時代集團制造的粗糙度儀TR200，測定的粗糙度參數為Ra。當磨削試驗完成后，在掃描電子顯微鏡上分析砂帶表面的微觀形貌特征。

2.3 試驗條件

該試驗采用順磨方式，所采用的試驗條件見表1。

表1 試驗條件

3 試驗結果分析

3.1 表面粗糙度的影響因素研究

磨削加工一般作為機械零件的終加工工序，其主要目的是保證零件的表面粗糙度和形狀精度要求。磨削表面的創成過程是磨粒與工件表面材料相互干涉的最終結果。由于磨削過程復雜，影響表面粗糙度的因素眾多，磨削過程的物理關系往往很難精確表達[8－9]。

3.1.1 磨削時間對表面粗糙度的影響

磨削時間與表面粗糙度的關系如圖2所示，接觸輪的硬度標準為邵氏硬度（HS），從圖2可以知道，無論是硬度為90HS還是硬度為70HS的接觸輪，它是橡膠硬度的一種表示方式。表面粗糙度的變化都分為兩個階段：表面粗糙度Ra值快速減小階段和穩定階段。從一個階段變化到另一階段的時間與的實際接觸時間ts相一致，由圖2可以看出，兩個階段的分界線大約是在8s，即ts＝8s。因此，磨削時間對表面粗糙度的影響很大。當t＜ts時，磨粒的等高性差，表面粗糙度值大，隨著磨粒的鋒利性的降低，表面粗糙度的值快速下降。當t＞ts時，磨粒磨損使砂帶表面形貌標準偏差穩定地減小，磨粒等高性變好，表面粗糙度的大小也趨于穩定。由圖2可看出，隨著磨削時間的延長，表面粗糙度值的大小與接觸輪硬度的關系不大。

圖2 磨削時間與表面粗糙度的關系

3.1.2 法向磨削力對粗糙度的影響

法向磨削壓力與表面粗糙度的關系如圖3所示，從圖3可以知道，表面粗糙度隨著磨削壓力的增大而減小。當法向磨削壓力較小時（30N以下），表面粗糙度減小得較快；當法向磨削壓力較大時，表面粗糙度的減小變得緩慢。表面粗糙度值的減小直接與參與磨削的磨粒數Ng和磨粒的形狀有關。Ng隨著法向磨削壓力的增大而增大，然而，磨粒的形狀一方面與法向接觸壓力有關，另一方面與磨削時間有關。當法向磨削壓力大時，磨粒的快速磨損使表面粗糙度減小得緩慢。壓力的增大，使振動加劇，磨粒脫離嚴重，Ng減小。

圖3 法向磨削壓力與表面粗糙度的關系

在較小的法向磨削壓力下，磨削時間長的表面粗糙度比磨削時間短的表面粗糙度要小。這是因為在較小的法向磨削壓力下，磨粒的磨損率較小，并且能保持較長時間的切削性，磨削時間長可以對表面多次磨削，使表面粗糙度值減小。然而，在大的磨削壓力下，表面粗糙度的大小與磨削時間的關系不大。

3.2 砂帶磨損研究

砂帶磨損與磨削效率、加工精度、表面質量和生產成本等密切相關，因此砂帶磨損機理也受到了國內外研究人員的廣泛關注[10]。砂帶磨損在正常情況下有三種基本形式：①黏蓋。是指微細切屑殘留并黏焊在磨粒外表面上，阻礙磨粒繼續參與切削，嚴重降低磨削能力。有時，大量切屑黏附在磨粒之間的容屑空間，即發生堵塞。②脫落。磨削時，磨粒所受的作用力超過其黏著力時，則磨粒將從黏結劑中脫落或與黏結劑一起掉落。③磨鈍。由于磨粒與被加工材料多次反復摩擦，使磨粒頂點鈍化為小平面或磨粒尖頂部的破斷而無切刃。

在這三種磨損形式中，黏蓋往往和被加工材料的性質和砂帶的選擇有關，脫落則是由于磨削力過大或者砂帶黏結劑質量較差而造成的。磨鈍則是貫穿于整個磨削過程之中，是砂帶磨損最普遍和最根本的形式，所以下面主要對磨鈍這一形式進行分析。

3.2.1 磨粒的磨損機理模型

因為磨粒的形狀不規則，并且隨機的分布在砂帶上，這使得磨粒的磨損機理非常復雜[11]。但是，還是可以通過如圖4的理論模型對磨粒的鈍化磨損做一些定性分析。

圖4 磨粒磨損的模型

磨粒鈍化主要是磨粒的磨耗磨損和破碎磨損。磨耗磨損是由磨粒與工件相對運動時的摩擦而致。破碎磨損是磨粒因受沖擊頂尖破碎或整個磨粒因黏結劑的破裂而脫落。通過對砂帶形貌的電鏡觀察分析可知，新砂帶的磨粒頂部幾乎沒有小平面，而是參差不齊的尖峰垂直“聳立”。隨著磨削的進行，頂部逐漸出現小平面的磨粒數增多，小平面面積加大，這時各頂峰變平并且其高幾乎在一條直線上（圖4）。

砂帶以恒定的速度va運動，3Δt是磨粒和工件的實際接觸時間，即對應于ts。在磨粒頂端經過快速磨損之后，直至使用壽命終結，砂帶一直處于穩定磨損階段，一方面切除材料，另一方面和工件發生摩擦，在峰頂部形成不斷增大的磨鈍小平面，同時一些鋒刃較低的磨粒逐步顯露出來，參與磨削工作。在3Δt后，與工件接觸的磨粒的磨損保持常量，因為總有新的磨粒替代舊磨粒參與磨削。圖5描述了磨粒的磨損的過程。如果磨削時間小于ts（如t1），磨粒磨損程度取決于磨削時間。但是，如果磨削時間大于ts（如t2），磨損達到最大，不再隨磨削時間的變化而變化。

3.2.2 砂帶磨損表面形貌研究

圖5 磨削時間和磨粒磨損的關系

磨料的微結構和使用條件對砂帶磨粒的具體磨損形式和演變過程影響很大。為了提高砂帶使用壽命和增加材料切除率，從微觀角度來研究不同種類磨料的磨粒磨損形式，進而分析砂帶磨損的變化規律[12]。

由圖6a可以看出，磨削304不銹鋼后鋯剛玉磨料砂帶磨粒頂部出現了鈍化的小平面，但其表面相對平滑，此外除磨粒邊緣有少量破碎外，幾乎沒發現有塊狀破碎和黏附磨損，砂帶磨粒以緩慢鈍化磨損為主。

碳化硅磨料與鋯剛玉相比，砂帶磨損形式呈現出明顯的差異（圖6b），碳化硅磨料磨削后的磨粒頂部幾乎都出現較大的磨損小平面，在磨損小平面周圍出現有少量的磨粒脫落和破碎現象，且砂帶表面有較明顯的裂紋。從放大后的SEM照片還可以發現小平面幾乎被黏附物覆蓋，即砂帶磨粒頂部被黏附物包裹，并且磨削過程中還可以觀察到大量明亮的火花。以上跡象表明碳化硅磨料砂帶在磨削過程中磨粒與304不銹鋼的親合力較強，出現了較嚴重的黏蓋磨損。

通過以上對比分析可以看出，砂帶的磨損形式主要是磨粒的微細破碎磨損和黏蓋磨損，兼有少量小塊狀破碎磨損；鋯剛玉砂帶的磨損過程穩定，以磨粒緩慢鈍化磨損為主。而碳化硅磨損比鋯剛玉嚴重，有較大的磨損小平面和嚴重的黏蓋磨損。

圖6 鋯剛玉和碳化硅砂帶磨損微觀地貌圖

3.2.3 磨粒的破碎與自銳作用

通常單個碳化硅磨粒由一個或幾個粗大的晶體構成，從圖7a可知，在磨削過程中，磨粒頂點首先鈍化成小平面。隨著磨削的持續進行，鋒利的磨粒頂部鈍化成小平面并逐漸擴展變大，磨粒與工件表面摩擦增加而切削作用減小，這一變化將會加速磨粒的磨損。

鋯剛玉作為一種抗破碎性強的磨粒，通常由多個晶體構成。從圖7b可知，單個晶體由黑色片狀Al2O3和白色片狀ZrO2交替堆疊形成。在磨削過程中，首先是ZrO2層快速被磨掉，然后才是下層Al2O3緩慢地被磨掉，這種交替磨損的原因就在于ZrO2層相對Al2O3層較軟，每次ZrO2層被磨掉就會使下面新的Al2O3層暴露出來，即形成耐磨而較鋒利的切削刃。

圖7 碳化硅和鋯剛玉磨粒磨損過程示意圖

4 結論

（1）磨粒和加工表面的實際接觸時間ts對表面粗糙度Ra有很大的影響，由試驗結果知ts＝8s。即當磨削時間t＜8s時，表面粗糙度快速減小；當t＞8s時，表面粗糙度大小趨于穩定。在磨削時間大于20s后，表面粗糙度值的大小與接觸輪硬度的關系不大。

（2）表面粗糙度隨著法向磨削壓力的增大而減小。當法向磨削壓力較小時（30N以下），表面粗糙度減小得較快；當法向磨削壓力較大時，表面粗糙度減小變得緩慢。當法向磨削力在60～80N時，表面粗糙度有穩定的最小值。

（3）砂帶磨損有三種基本形式：黏蓋、脫落和磨鈍。根據鋯剛玉和碳化硅的SEM圖像分析可知，鋯剛玉砂帶的磨損過程穩定，磨粒邊緣有少量破碎外，以磨粒緩慢鈍化磨損為主。而碳化硅磨損比鋯剛玉嚴重，有較大的磨損小平面和嚴重的黏蓋磨損。鋯剛玉磨粒的自銳作用較強，能不斷形成鋒利的切削刃。

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