磨削用量對磨削淬硬加工中兩側方向毛刺的影響*

熊金奎 劉菊東

（廈門市集美大學，福建 廈門 361021）

磨削淬硬加工是集磨削加工與表面淬火于一體的加工工藝，它可以替代感應淬火等表面熱處理工藝，實現磨削加工與熱處理的集成制造，減少工件的加工工序、熱處理設備及人員等的投入，減少資源與能源的消耗以及環境的污染，實現磨削工藝的綠色性。因而在磨削加工與金屬材料表面改性領域具有十分廣闊的應用前景［1］。但是它在平面磨削淬硬加工中采用的是干磨削，磨削力大、磨削溫度高，形成的毛刺也將隨著磨削表面層的淬硬而硬化，從而增加了后續去除的難度。國內外學者對切削毛刺的形成機理及抑制方法進行了許多研究并取得了若干創新成果［2－8］，但鮮見對磨削淬硬加工中兩側方向毛刺的研究。因此，深入研究磨削淬硬加工中毛刺的形成機理及其變化的規律，尋找有效抑制或減小毛刺的途徑和方法，對提高磨削淬硬加工的技術水平和促進磨削淬硬的工程應用具有重要的實際意義。

1 試驗條件與測試方法

1．1 試驗條件

試件材料采用熱軋退火態65Mn鋼，尺寸為100 mm×5 mm×15 mm。試件表面沿長度（100 mm）方向磨削后，再用砂紙拋光，去掉毛刺。試驗在M7130型臥軸矩臺平面磨床上進行。采用的磨削工藝條件見表1。

1．2 測試方法

試件磨削淬硬加工后，沿試件切入方向分成20等分，用電火花線切割機將試件切割成5 mm×5 mm×5 mm的小試樣。經金相鑲嵌機鑲嵌后研磨拋光，制成金相試樣。用DZ4型連續變焦視頻顯微鏡觀察宏觀形貌并測量毛刺尺寸。毛刺兩側尺寸的表示方法如圖1所示，其中H為毛刺高度，B為毛刺根部厚度，陰影部分為毛刺區域。毛刺尺寸的試驗結果為3個重復試樣左、右兩側方向毛刺尺寸測量數據的平均值。

表1 磨削工藝條件

2 試驗結果與分析

2．1 平面磨削淬硬加工中兩側方向毛刺的主要形式

根據實驗測量數據統計以及毛刺的形狀，對毛刺進行了系統的歸類、整理。本實驗條件下平面磨削淬硬加工中兩側方向毛刺主要有2種形式，如圖2所示。

（1）Ⅰ型毛刺 毛刺斷面尺寸從根部到尾部快速縮小，呈三角態，如圖2a所示。主要出現在試件的切入端以及相鄰部位。

（2）Ⅱ型毛刺 毛刺斷面尺寸從根部到尾部緩慢減小，毛刺尾部向內翻成卷曲狀，同時毛刺根部厚度比毛刺高度增長快，如圖2b所示。主要出現在試件的切入端后。

2．2 試件長度方向上兩側方向毛刺尺寸的變化

圖3為工件進給速度vw=0.4 m/min時，在不同磨削深度ap下，試件長度方向（磨削方向）兩側毛刺尺寸的變化趨勢。圖4為磨削深度ap=0.4 mm時，在不同工件進給速度vw下，試件長度方向兩側毛刺尺寸的變化趨勢。由圖3和圖4可見，從切入端到切出端，兩側方向毛刺尺寸逐漸增大。這是因為:磨削過程中，砂輪開始切入工件時，由于磨床—試件—砂輪系統處于常溫態。同時砂輪剛修整過，比較鋒利、排屑性也較強，此時產生的磨屑大部分被及時排出［9－11］。在此狀況下，產生的毛刺尺寸較小。隨著磨削的進行，磨粒逐漸被磨鈍和砂輪逐漸被磨屑堵塞，摩擦和擠壓程度逐漸加劇，磨削力逐漸增大，磨削溫度逐漸升高，砂輪的排屑性逐漸減弱，試件金屬材料在磨削溫度逐漸升高下塑性變形區域逐漸增大，由于砂輪切削性能逐漸降低，塑性變形材料在砂輪的擠壓作用下沿砂輪寬度方向橫向運動加劇，產生的毛刺尺寸逐漸增大。

2．3 磨削用量對磨削方向兩側毛刺最大尺寸的影響

圖5是磨削用量對磨削淬硬加工中最大毛刺尺寸的影響。由圖可見，隨著磨削深度ap的增大或工件進給速度vw的減小，毛刺最大尺寸逐漸增大。這是因為:隨著磨削深度ap的增大，切削材料厚度增加，相應的磨削力增大、磨削溫度增高，磨粒磨鈍和砂輪堵塞程度逐漸加劇，金屬擠壓程度加大，局部溫度進一步升高，導致毛刺最大尺寸逐漸增大;而隨著工件進給速度vw的減小，磨削加工時間相應延長，此時磨削力有所減小、磨削溫度相應增高，但是磨削溫度對金屬塑性流動性的影響大于磨削力對金屬的塑性流動性的影響，因此最大毛刺尺寸逐漸增大。

3 抑制或減少兩側方向毛刺的方法

根據以上兩側方向毛刺尺寸變化規律的試驗結果，總結幾點抑制或減少磨削淬硬加工中兩側方向毛刺的方法:

（1）權衡生產效益，盡量選用較小的磨削深度ap;

（2）根據表面加工要求，盡量選用較高的工件進給速度vw。

綜上所述，研究毛刺變化規律是在磨削淬硬加工前提下進行的，我們首先必須要保證淬硬層厚度的要求，在這個前提下，才有研究的價值。而淬硬層厚度和毛刺尺寸大小都和磨削溫度有關，而磨削速度、磨削深度、工件進給速度、材料性能、砂輪特性、加工環境等都會影響到磨削溫度。因此，在實際生產中，根據實際情況，統籌考慮淬硬層厚度和毛刺尺寸兩方面因素的影響，合理調整磨削參數，在保證淬硬層厚度要求下，有效抑制或減小毛刺尺寸。

4 結語

（1）單程順磨磨削過程中，兩側方向毛刺主要有兩種形式:Ⅰ型毛刺、Ⅱ型毛刺。Ⅰ型毛刺主要出現在試件的切入端以及相鄰部位;Ⅱ型毛刺主要出現在試件的切入端后。

（2）由于砂輪磨損、堵塞等的影響，磨削淬硬件從切入端到切出端兩側方向毛刺逐漸增大。

（3）在本實驗條件下，隨著磨削深度ap增大或工件進給速度vw減小，兩側方向毛刺最大尺寸逐漸增大。

（4）在磨削淬硬加工中，根據實際情況，合理調整磨削工藝參數來抑制毛刺尺寸。

［1］潘忠峰，王貴成，張金煜，等．磨削淬硬層厚度的預測預報［J］．工具技術，2009，43（1）:20 －24．

［2］王貴成．金屬切削毛刺［M］．長春:吉林科學技術出版社，1997．

［3］王貴成，中山一雄，新井実．金屬切削中進給方向毛刺的生成機理及其控制［J］．應用科學學報，1991（3）:269－275．

［4］王貴成．兩側方向毛刺形態的界限轉換條件［J］．兵工學報，1997，18（1）:68－72．

［5］王貴成．機械加工中毛刺的影響及其控制［J］．中國安全科學學報，1996（2）:37－42．

［6］王貴成．金屬切削毛刺分類體系的研究及其應用［J］．中國機械工程，1995，6（6）:40 －43．

［7］常海平．金屬切削過程中毛刺的控制［J］．機械管理開發，2003（4）:24－26．

［8］趙殿君，許亞娟．銑削毛刺形成研究［J］．佳木斯大學學報:自然科學版，1997，17（2）:117 －119．

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［10］（美）馬爾金 S．磨削技術理論與應用［M］．蔡光起，等譯．沈陽:東北大學出版社，2002．

［11］池震宇．磨削加工與磨具選擇［M］．北京:兵器工業出版社，1990．