磨料及其磨削工藝的探討

王春雨

摘要：磨削作為一種加工手段，一般用于最開始的初加工和最后一道工序的精加工。從磨料開始詳細地介紹了砂輪的種類與磨料的選擇，闡述了磨削工藝的特點，探討曲軸磨削技術，提出了曲軸磨削后產生裂紋的解決途徑。

關鍵詞：磨削；磨料；曲軸

中圖分類號：TG580.6

文獻標識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.05.007

0.引言

磨削作為一種加工手段，一般用于最開始的初加工和最后一道工序的精加工，是指用磨料、磨具切除工件上多余材料的加工方法，具有加工少、精度高、產生熱量少、外形美觀等特點，在機械加工中占主導地位，可用于加工各種工件的內外圓柱面、圓錐面、平面以及螺紋、齒輪、鍵等特殊、復雜的成形表面，有各種不同的工件，就要有相應的加工磨床，對應各種不同的磨料，正確掌握磨削工藝，正確選擇磨料磨具對提高加工質量是至關重要的。

1.磨料

磨削加工時，首先要根據待加工的工件材質來選擇所對應的磨料。

1.1磨料的選擇

主要取決于工件材料及熱處理方法。

（1）磨削抗張強度高的材料時，選用韌性大的磨料。如含鎢高的材料，應選擇具有高韌性的陶瓷剛玉磨料進行加工。

（2）磨削硬度比較低、延展率大的材料時，可適當選擇較脆的磨料。

（3）磨削硬度較高的材料，要選擇較軟的砂輪。

1.2砂輪硬度的選擇

砂輪的硬度是衡量砂輪“自銳性”的主要指標，加工過程中，磨粒逐漸由銳利而變鈍。部分鈍化的磨粒繼續工作，作用在磨粒上的壓力就會不斷增大，當壓力大到一定數值時，有的磨粒會自行崩碎而形成新的刃口，當壓力超過結合劑的粘結力時，磨粒會自行脫落。鈍化了的磨粒自行崩碎或脫落使砂輪保持銳利的特性稱為自銳性，較軟的砂輪有較好的自銳性，能夠提高砂輪的磨削性能，減少磨削力和磨削熱。當磨削軟的材料時，砂輪不易鈍化，應選擇硬砂輪以避免磨料過早脫落損耗，磨削特別軟而且韌性高的材料應選用較軟的砂輪。

磨削加工時，還要考慮選擇不易與加工材料發生化學反應的磨料。

1.3砂輪的種類及其對應加工的材料

最常用的磨料有白剛玉、棕剛玉、黑碳化硅、綠碳化硅、鉻剛玉、單晶剛玉、微晶剛玉、鋯剛玉。隨著工藝的發展，現在又制作了陶瓷砂料，樹脂砂輪、橡膠砂輪、金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪。

棕剛玉砂輪：棕剛玉的硬度高、韌性大，適宜磨削抗拉強度較高的金屬，比如碳鋼、合金鋼、可鍛鑄鐵、硬青銅等，這種磨料的磨削性能好，適應性廣，常用于切除較大余量的粗磨，可以廣泛使用。

白剛玉砂輪：白剛玉的硬度略高于棕剛玉，韌性比棕剛玉低。在磨削時，磨料容易破裂，因此，磨削熱量小適宜制造精磨淬火鋼、高碳鋼、高速鋼以及磨削薄壁零件用的砂輪，成本比棕剛玉高。

黑碳化硅砂輪：黑碳化硅砂輪性脆而鋒利，硬度比白剛玉低，適用于磨削機械強度較低的材料，如鑄鐵、黃銅、鋁和耐火材料。

綠碳化硅砂輪：綠碳化硅硬度脆性較黑碳化硅高，磨粒鋒利，導熱性好，適合于磨削硬質合金、光學玻璃、陶瓷等硬脆材料。

外圓磨和曲軸磨的頂針由于使用不當，出現了破損需要重新磨削才可以使用，就是將頂針放在床頭的主動錐口里，用黑碳化硅鋼進行磨削，其精度和光潔度都可與新件媲美。

鉻剛玉砂輪：適用于磨削刀具、量具、儀表、螺紋等表面加工質量要求高的工件。

單晶剛玉砂輪：適用于磨削不銹鋼、軸承鋼和特種球墨鑄鐵等，用于成型磨、切入磨、鏡面磨削。

鋯剛玉砂輪：適用于磨削奧氏體不銹鋼、鈦合金、耐熱合金，特別適用于重負荷磨削。

金剛石樹脂砂輪：金剛石砂輪是最堅硬的砂輪，磨削能力非常強悍，只適用加工高硬度的材料，而不宜用來磨削一般鋼材或其他軟性材料，其修整要用碳化硅磨料進行，冷卻液有煤油、輕柴油，一般以煤油為好。

新的金剛石砂輪使用前因出廠和裝配時的不同心度，一般要進行修整，一般有兩種方法：（1）在陶瓷工具上進行微量磨削，自行歸圓；（2）手持碳化硅磨料進行修整。

吉林化工壓縮車間壓縮柱塞表面噴涂陶瓷，用金剛石砂輪進行磨削加工，提高了加工效率和質量。

立方氮化硼是由六方氮化硼和觸煤在高溫高壓下合成的，是繼人造金剛石問世后出現的又一種新型高新技術產品，它具有很高的硬度，熱穩定性和化學隋性，以及良好的透紅外性和較寬的禁帶寬度等優異性能，它的硬度僅次于金剛石，但熱穩定性遠高于金剛石，對鐵系元素有較大的化學穩定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分優異，不僅能勝任難磨材料的加工提高生產率，還能有效地提高工件的磨削質量。適用于加工既硬又韌的材料，如高速鋼、工具鋼、模具鋼、軸承鋼、鎳和鈷基合金、鑄鐵等。

2.磨削工藝

選擇合適的磨具，制定出合理的加工工藝，才能有效地提高工作效率，加工出高質量的工件。常用的磨削工藝包括外圓磨削和曲軸磨削。

磨削前要根據磨削的材質，合適地選擇砂輪磨削粗磨、半精磨、精磨幾個步驟進行。磨削工藝看似簡單，卻是加工中最重要的一個環節，磨削工藝掌握的好壞，直接影響到工件的質量，這就需要在生產生活中多積累，多探索，才能適應市場的需求，工藝才能趨于完美。

2.1外圓磨削

首先要考慮磨削用量四要素，包括磨削速度、工件圓周速度，橫向進給量和縱向進給量。

2.1.1磨削速度

磨削速度即是砂輪圓周速度，也叫切削速度，其為砂輪外圓表面上任一位置在1s內所通過的路程。

2.1.3橫向進給量

掌握好合適的進給量，對消除由于磨損而產生的力，對于提高工件質量有很好的作用，一般采用O.1一O.35mm。

2.1.4縱向進給量

縱向進給量一般受砂輪厚度的影響，粗磨時采用O.3—0.85T，精磨時采用0.2-0.3T（T為砂輪厚度，mm）。

2.2工件的裝卡

工件的裝卡在磨削加工中至關重要，外圓磨床磨削工件時大多是用兩邊頂針進行裝卡，這就對于力度的掌握有很高的要求，以能夠用手轉動工件發滯而不自由為準。自由就會精度不夠，誤差過大；力量過大，重的工件就會使研磨頂針孔出現大的橢圓，而無法保證加工精度，重量輕的工件，力度過大可能會使工件微變形，保證不了同心度，也就無法保證加工質量。

3.曲軸的磨削工藝

曲軸是多種發動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，磨削作為曲軸精加工的工序對曲軸的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度和不同心度、熱裂紋及振動波紋的產生都有極大地影響，因此研究磨削工藝對曲軸質量的影響具有重要意義。

在曲軸磨床上磨銷曲軸，裝卡之后先磨削主軸，調整主軸中心，使主軸中心在一條工作線上，保證其同心度，以第1和第7道主軸為基準，如果其它軸徑超出范圍，則視為主軸彎曲。

在磨削連桿軸時，要求是保證其回轉半徑的正確。行程大小決定了發動機的壓縮比的大小。曲軸曲柄的行程大小是一個很重要的參數，一般程序比規定值大1mm以上時，活塞在上止點就要頂缸蓋，而不能裝配使用。一般發動機曲軸的回轉半徑的公差為±O.15mm，這就要求曲軸連桿軸徑在磨削時要求保證其回轉半徑的正確。曲軸的磨削除了軸徑表面尺寸精度和表面粗糙度符合技術要求外，還必須達到形位公差的要求，磨削曲軸時必須保證主軸徑和連桿軸徑各軸心線的同軸度及兩軸心線的平行度。

曲軸的圓角是應力最為集中的地方，所以磨削曲軸時要保證圓角不作大的改變，磨削之前用R規量出圓角的半徑，用金剛石在砂輪上修出相對應的圓角，變化范圍在±O.5°為宜。

在實驗的基礎上研究磨削參數（切削深度，進給量和砂輪線速度）對磨削規律的影響，結果表明：（1）隨著切削深度的增加，表面粗糙度呈上升的趨勢，因此磨削工藝分粗磨和精磨非常必要；（2）粗磨工序的進給量對砂輪磨損量的影響最大，而精磨工序對表面粗糙度的影響最大。為了達到小節拍和高質量的目的，必須優化這兩道工序的進給量，才能保證加工精度。（3）提高砂輪磨削速度，加大切削深度，提高工作回轉速度均可提高磨削效率，減少節拍。但在進行大切深磨削時，裂紋和燒傷比較嚴重時，可以通過工藝優化的方法，達到既提高加工效率，又保證了工件的表面質量，工件的表面粗糙度隨著砂輪線速度增加而減少。

曲軸的拉應力隨著砂輪的進給力量的增加會逐漸變大，慢慢接近工件材料的抗拉強度。一旦超過工件材料的抗拉強度時便會產生裂紋。

解決磨削裂紋的根本途徑：（1）砂輪的磨料是關鍵，選擇合適的砂輪。對磨料性能的要求是硬度高，抗彎強度大，耐磨性能好，刃口鋒利，且自銳能力強。耐磨性能高，能長期維護刃口鋒利的剛玉類較好，鉻剛玉、單晶剛玉和微晶剛玉則更好一些，最理想的磨料為立方氮化硼，各種性能均優于剛玉類磨料。（2）要使用自動砂輪修整器，始終保持砂輪刃口的鋒利性。（3）選擇潤滑性能好的磨削液，如含極壓成分的切削液，硫化切削油等。（4）具有較大壓力和流量的供液裝置，磨削時能將充分的磨削液送人磨削區，進行高效的潤滑、冷卻和清洗，將熱量帶走，降低磨削區溫度，并避免砂輪堵塞。（5）具有高效的磨削過濾裝置，磨削液中的砂輪、鐵屑等雜質，不僅對曲軸的精度、粗糙度有不利影響，而且它會破壞潤滑膜，成為裂紋源，因此必須將磨削液中的雜質過濾清除。