砂轮寿命、表面形貌、磨损及修整

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砂轮寿命、表面形貌、磨损及修整 一、砂轮寿命在磨削过程中，由于砂轮本身的磨损，不断地改变着砂轮工作面的状态。随着磨削时间的延长，砂轮的切削能力下降，各种磨削缺陷不断出现，使磨削加工不能继续进行。此时，必须修整砂轮，恢复正常磨削状态。砂轮在两次修整之间的实际磨削时间称为砂轮的寿命。砂轮的寿命是影响磨削加工效果的重要因素，特别是对于成型磨削尤为重要。 砂轮寿命的判据判定砂轮寿命：一般是根据砂轮工作面磨损后所产生的各种现象，通过观察和测试进行的。砂轮磨损后所产生的磨削现象主要有：磨削过程产生自激振动、工件表面出现再生振纹；磨削噪音的增大；工件表面出现磨削烧伤；磨削力急剧增大或减小；磨削精度下降；磨削表面粗糙度增大。 砂轮寿命终结的形式⑴磨耗磨损型当磨粒发生严重磨耗磨损，在磨粒顶面出现明显的磨损平面后，砂轮表面平坦光滑。此时切刃的磨损总面积增大，摩擦加剧，切刃难以切入工件表面。但砂轮硬度偏高，致使磨粒不能及时产生破碎和脱落。若继续使用，会使磨削力、磨削热显著增大，并出现明显的振动和噪声，不能有效地切除材料，此时就必须对砂轮进行修整。这种磨耗磨损一般发生在磨粒硬度偏低、砂轮硬度偏高和磨粒粒度过细以及工件材料的抗拉强度较高的情况下。这是在普通磨削条件下加工一般钢材时砂轮寿命结束的最常见原因。 ⑵砂轮堵塞型磨削加工时，砂轮表面附着大量切屑，称为砂轮堵塞。分两类：一种为侵入型堵塞，即切屑钻入砂轮表面的空隙中，在磨削钢材时容易出现这种形式的堵塞。一种为粘附型堵塞，切屑熔结在磨粒和结合剂表面上，把磨粒切刃覆盖。在磨削非铁金属如钛合金、铜合金、镁合金等延展性好熔点低的材料时会发生这种粘附型堵塞。当砂轮堵塞到一定程度后，其切削能力明显下降，容易出现明显的振动和噪声甚至发生烧伤现象。砂轮堵塞形式和程度主要和工件材料的机械性能、砂轮特性、磨削用量和切削液类型及供液方式有关。砂轮寿命终结的形式 ⑶脱落型脱落易发生在砂轮硬度过软的场合，即当砂轮硬度过低或磨削条件过重的时候，自锐效应非常强烈，使砂轮失去正常的几何形状，从而使砂轮不能正常工作。此时砂轮仍能继续工作，但砂轮表面的几何精度和粗糙度已丧失，因此必须恢复砂轮表面的正确形态。砂轮寿命终结的形式 二、砂轮表面形貌砂轮表面上磨粒的分布，每个磨粒的几何形状，特别是每个磨粒显露出来的切削刃以及这些切削刃所处的高度等，构成了砂轮的表面形貌。磨粒有效切刃间距λs和磨粒切刃尖端距砂轮表面距离Zs都不一定相等，切削过程中有的切刃是有效的，有的是无效的，即有效磨粒切削刃和无效磨粒切削刃。 砂轮表面形貌评价①磨粒出刃高度低的出刃高度容易造成砂轮容屑空间不足，使砂轮载荷增加，增大磨削力；磨粒出刃高度过大，会增大磨粒的切削深度，造成较深的磨削损伤，加剧砂轮磨损。 ②静态有效磨粒数砂轮切入深度从零逐渐增大时，砂轮静态有效磨粒数逐渐增加，当增大到一定程度后，其增加趋势逐渐变缓。砂轮表面形貌评价 砂轮表面形貌评价③磨粒间距右图为磨削硅片时磨粒平均间距随砂轮切入深度变化趋势。切深较小时，磨粒平均间距随着砂轮切深的增加而迅速减小，而后减小趋势减缓。 三、砂轮磨损㈠磨损的形态与原因⑴磨损的形态砂轮磨损分磨耗磨损和破碎磨损两种形式。A代表磨耗磨损，B和C代表了破碎磨损情况，D代表磨粒的脱落。 ⑵磨损的原因①磨耗磨损工件中高硬度的质点会使磨粒发生机械磨损。某些难磨材料磨削时，这种磨粒磨损的现象非常严重。②氧化磨损空气中的氧化对磨削起促进作用。在真空中进行的磨削实验，发现刚玉砂轮磨削低碳钢时比在空气中困难得多。这是由于空气的对流使磨削温度降低且空气中的氧使工件新生成的表面迅速氧化，形成一层氧化膜，减少了磨屑黏着的可能性，对于某些磨料，表面会在高温下发生氧化作用，使其逐渐消耗，这种情况为氧化磨损。砂轮磨损 ③扩散磨损磨粒与被磨材料在磨削高温下接触时，元素互相扩散，造成磨粒表层弱化而产生磨损。两紧密接触的金属材料，在高温高压下，经过一定时间，在其接触表面处就会出现扩散现象且扩散是相互的。④塑性磨损在磨削高温作用下，磨粒也会因塑性而变形。塑性磨损取决于工件材料的热硬度。磨削时，磨粒接触区的温度较高，接近材料的熔点，若切削层在剪切面上的热硬度大于磨粒接触区的热硬度，则磨粒接触区将产生较大的塑性变形而磨损。砂轮磨损 ⑤热应力破碎磨损在磨削过程中，磨粒的工作表面在万分之几秒的时间内升到1000~2000℃高温，又在磨削液作用下激冷。这种冷热循环的频率与砂轮转速相同。磨粒表面在交变的热和力的作用下形成很大的热应力，使磨粒表面疲劳开裂甚至破碎。热应力破碎主要取决于磨粒的热导率大小及磨削冷却液性能好坏等。如热导率越小，磨粒表面到内部的温度梯度越大，热应力越大，会使磨粒受到冲击而开裂破碎。砂轮磨损 ㈡砂轮磨损的特征随着被磨材料磨除体积的增加，砂轮的磨损逐渐增大；对砂轮的磨损与金属材料磨除体积之间的关系，以以往大量研究表明规律如图砂轮磨损 初期磨损阶段：砂轮磨损主要是磨粒的破损和整体脱落。砂轮刚刚修整过，砂轮工作表明上的磨粒受修整工具的冲击而产生裂纹，甚至整个磨粒都已松动。在磨削力作用下，产生裂纹的磨粒会出现大块碎裂，松动的磨粒会整体脱落。正常磨损阶段：受力作用还有一些磨粒破碎，主要的是磨粒经受长时间磨削而使磨粒切刃钝化，即磨耗磨损。急剧磨损阶段：由于磨粒进一步钝化，作用在磨粒上的力急剧增大，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎以及整个磨粒脱落。此时砂轮不能正常工作，一般砂轮在到达该阶段之前就需要重新修整。砂轮磨损 ①磨耗磨损的特征磨耗磨损以砂轮表面上单位面积的磨粒磨损面积表示，即用磨损面积率a%度量。随着磨削行程次数的增多，单位砂轮面积的磨粒磨损平面面积逐渐增大。砂轮越硬，磨粒磨损平面面积率越高。砂轮磨损 ②破碎磨损特征砂轮的破碎磨损可以认为是磨粒破碎及结合剂破碎之和。产生破碎磨损时，磨耗磨损是微不足道的。结合剂破碎占总磨损量的百分比称为结合剂破碎百分数，与砂轮硬度等级关系如图。硬砂轮的磨粒脱落较难，磨粒脱落前已破碎，故硬砂轮磨粒破碎所占比例增多。虽然磨耗磨损所占比例很小，但它直接影响磨削力，影响工件烧伤和磨削振动，进而影响砂轮的破碎磨损。砂轮磨损 ③黏附磨损的特征磨削钛合金和不锈钢等难磨材料时，砂轮会发生黏附磨损，砂轮的黏附分为小面积和大面积黏附。黏附造成砂轮磨损的一个原因是磨粒随着黏附团一起脱落。另一个原因是随着黏附团的脱落，砂轮在黏附团附近的磨粒受到损伤，这些损伤的磨粒比较容易脱落，其脱落取决于每颗磨粒磨削力的大小。砂轮磨损 砂轮磨损的检测检测方法很多，按检测状态不同，分为砂轮磨损的静态检测和动态检测；按接触状态，分接触式和非接触式检测；按检测参数不同，分直接检测和间接检测；按机床状态不同，分在线检测及停机检测等。 ①滚动复印法普通滚印法是在弹性支承辊与砂轮之间放入复印纸与玻璃板，一面缓慢转动砂轮，一面移动复印纸与玻璃板，则玻璃板上将复印出磨粒的平面分布图。采用锥形滚印法，可获得三维空间的磨粒分布状态。 ②触针法类似于表面粗糙度的测量。测量原理：在差动式电感传感器前端安装金刚石触针，测量中触针上下移动，使传感器中的电感产生相应的变化，该变化量通过测微电路被转变为电压变化信号并进行放大与整流，最后输入记录仪记录，即得到砂轮磨损后的形貌轮廓。固定传感器的基准套是浮动的，可以排除砂轮偏心及表面波动对触针读数的影响。 圆锥形触针可获得砂轮某一剖面内磨削前后的实际轮廓。记录的部分廓形可能是由磨粒侧面描划出来的虽有凸峰形貌但并非真实磨粒切刃，故获得的单位长度上的切刃数大于实际切刃数。刀口形触针可获得刀口宽度范围内的综合廓形。刀口形触针与高刃接触，所检测的磨粒切刃密度将小于实际密度。触针法触针法可获得砂轮工作面磨削前后形貌的廓形，可检测出磨粒切刃的磨损形状及磨刃分布以及容屑空间等，但不能识别磨粒、结合剂及堵塞物。 ③光截法将砂轮连同法兰盘一起从磨床上取下安装在此装置上。测量时，光源6中的光线经过透镜和光栅，以矩形光束照射于砂轮表面，与圆柱砂轮相截，形成矩形测定带，测定带的长轴与砂轮轴线平行，观察用的显微镜2与砂轮圆周相切，这样就能观察与拍摄磨粒切刃的形态，磨粒切刃的轴向位置及长度尺寸可通过显微镜的目镜进行测量。此装置可测出磨削前后磨粒的形状，切刃分布和切刃密度等多项参数。连续检测砂轮圆周不同位置的磨粒形状及数量，可以确定磨粒形状的种类、组成及分布状态。在磨削过程中定期的检测砂轮同一位置的磨粒形状及其变动情况，可以研究磨粒磨耗破碎、脱落及新磨粒的出现等规律。 ④光电自动测量法这是一种动态测量砂轮磨损的方法。该方法可以随时观测砂轮工作面的变化规律，并能将所得数据通过记录仪记录后送计算机进行处理，这样可以得到砂轮磨损的全过程。从显微镜光源射出的光照到具有一定转速的砂轮工作面上，只有被磨损的磨粒表面才产生强的反射光，通过窄缝传到光电倍增管上，于是磨粒上被磨平部分的扩大像，穿过窄缝的窗口，便通过光电倍增管得到对应的光电输出波形。 ⑤激光功率谱方法可实现磨削过程中砂轮工作表面磨损状态的在线检测，检测结果经过数据处理，可以获得有关砂轮形貌的特征参数。通过检测砂轮工作面的功率谱就可以确定磨粒切刃数、磨粒棱面磨耗宽、磨耗面积及磨耗磨粒的分布状态。 ⑥电镜观察法可清晰观察到磨粒磨损面的微观形貌。两个显微镜，一个用于观测磨粒表面，另一个瞄准砂轮主轴带轮外圆上的刻度，用于确定磨粒的位置。砂轮修整后磨粒表面存在微小的、高低不平的破碎缺陷，其量与磨损相比是非常大的，故出现整个缺陷的地方则失掉了切刃，造成有切刃的地方加速磨损，整个切刃全部磨损后失掉磨削能力，即达到寿命极限。 ⑦光反射法可以对磨粒后面磨损面积的变化加以测量。在入射光线的正反射位置放一架显微摄影机，直接拍摄磨粒磨损部分的图像。光亮部分就是磨损小平面，可以求出磨损平面的面积率。也可以用来测量切削刃的密度。 ⑧声发射监测法可以在线测量砂轮在磨削过程中的磨损、砂轮与工件的接触以及砂轮的修整等过程。声发射现象是固体材料由于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性波，简称AE(AcousticEmission).AE传感器采用压电陶瓷材料。采用两套，一套借助夹具安装在砂轮修整器上，用来检测修整砂轮过程中的AE信号。一套安装在磨床工作台磁性吸盘上，用来检测砂轮与工件的接触状态和磨削过程。 四、砂轮修整修整是对砂轮进行整形与修锐。对于普通磨料砂轮，整修与修锐可同时进行。对于超硬磨料砂轮，整行和修锐一般可分为两个过程进行。 ㈠普通磨料砂轮的修整1、修整方法与工具主要由车削法、滚压法、磨削法三种。车削法是将修整工具视为车刀，被修砂轮视为工件，对砂轮表面进行修整；滚压法是将滚轮以一定压力与砂轮接触，砂轮以其接触面间的摩擦力带动滚轮旋转而进行修整；磨削法修整是采用磨料圆盘或金刚石滚轮仿效磨削过程来修整砂轮。 砂轮修整工具很多，按几何形状及运动情况可分为两大类：①静止砂轮修整器修整时不存在砂轮速度方向的运动，而只有垂直于砂轮表面的切入运动和平行于修整砂轮轮廓的进给运动。如单颗金刚石修整笔和多粒金刚石修整器。②运动砂轮修整器修整时具有砂轮速度方向的运动。如金刚石滚轮等。普通磨料砂轮的修整 普通磨料砂轮的修整2、单颗金刚石笔修整根据修整时的进给量和修整深度的大小不同，砂轮工作表面将发生不同改变。如果以获得低的表面粗糙度值为目标，修整时的修整深度ad和进给量fd均应取较小值。 3、金刚石滚轮修整金刚石滚轮是用烧结或电镀的方法把金刚石固结在滚轮的金属基体的圆周表面上制成。与单颗金刚石修笔方法相比，此方法修整时间短，且容易修整出各种复杂的成形表面。有两种方法：切入式滚轮修整和摆式滚轮修整。普通磨料砂轮的修整 普通磨料砂轮的修整切入式滚轮修整中，如同外圆切入磨削工件一样，滚轮的旋转由电机驱动，滚轮相对砂轮做切入运动从而进行修整。摆式滚轮修整中，金刚石滚轮装在摆臂的一端，由电机带动旋转，摆臂的旋转运动由液压系统驱动，通过这两种运动进行修整。 对于超硬磨料砂轮，整形是对砂轮进行微量切削，使砂轮达到所要求的几何形状精度并使磨粒尖端细微破碎，形成锋利磨刃。修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出结合剂之外，形成切削刃。对于结合剂疏松型超硬磨料砂轮(如陶瓷结合剂金刚石或CBN砂轮)，整形和修锐可在一个工序中同时进行；对于结合剂密实型超硬磨料砂轮(如树脂或金属结合剂金刚石砂轮等)，整形与修锐须分别进行。㈡超硬磨料砂轮的修整 1、整形陶瓷结合剂CBN砂轮一般可以用单颗金刚石或滚轮进行修整，比较容易实现。结合剂密实型砂轮整形方法有以下几种：①金刚石笔整形法用于修整树脂结合剂超硬磨料砂轮，修整时砂轮低速旋转，金刚石笔磨损较快，修整的砂轮表面较光滑，磨削性能差，形状及尺寸精度较低，故该方法只在没有其他修整条件下进行。超硬磨料砂轮的修整 超硬磨料砂轮的修整②滚压整形法所用的整形砂轮为绿碳化硅或白氧化铝陶瓷结合剂砂轮，其粒度根据超硬磨料砂轮的粒度选择。若超硬磨料砂轮粒度细，则应选择较细的修整轮。滚压整形法主要靠压力使磨粒破碎与脱落，因此磨床的刚性要求要好，否则修整出的砂轮轮廓形状精度低。为提高滚压整形法的整形效果，可采用制动修整装置。制动器目的是为了使整形轮与CBN砂轮间产生相对速度。 超硬磨料砂轮的修整③磨削整形法此方法同时也可以用于修锐。可用碳化硅、刚玉油石或者动力驱动金刚石、碳化硅或刚玉砂轮来修整超硬砂轮。用普通磨粒砂轮修整时，整形精度稍差，但被修整砂轮磨削性能好，适用于型面精度要求不高或对磨削力有要求的砂轮。用金刚石砂轮修整时，整形精度好，但被修整砂轮磨削能力差，故用于型面精度要求较高的砂轮。为提高磨削力，可两者兼用，即用金刚石砂轮整形后再用普通磨粒砂轮加以修整。 超硬磨料砂轮的修整修整轮的硬度和粒度对修整效率、修整效果和磨削性能影响很大。修整轮硬度提高，修整效率提高，但被修砂轮的磨削性能却相应降低，砂轮表面比较光滑，磨削比降低。修整轮的粒度对修整效率和砂轮的磨削性能影响不大。当修整轮粒度接近被修砂轮粒度时，磨削性能较好。 超硬磨料砂轮的修整④软钢磨削整形法也可以用作修锐。由于整形时磨粒脱落多，因此不宜用此方法修整型面要求较高的砂轮。有单滚轮法和双滚轮法两种。双滚轮法采用两个软钢滚轮，修整时两个滚轮的转向相同，转速不等。在被修整轮切线方向有两个大小相等、方向相反的修整力。这样就使被修整轮不会产生附加干扰力矩，保证整形过程平稳，提高整形质量。 2、修锐①游离磨粒挤轧修锐法利用压力将绿碳化硅或刚玉磨粒注射到砂轮与修整轮之间，游离磨粒在被修整轮和修整轮之间滚轧，使砂轮磨粒露出结合剂表面，形成锋利磨刃。超硬磨料砂轮的修整②喷射修锐法用压缩空气把碳化硅、刚玉磨粒或玻璃球喷向转动的超硬砂轮表面，去除磨粒间的结合剂以修锐砂轮。 ③刚玉块切入修锐法修锐时，刚玉块在弹性力作用下以一定径向切入速度作切入修锐。由于刚玉磨粒较硬，可用于切削CBN砂轮磨粒之间的树脂结合剂。CBN砂轮磨粒硬度高于刚玉磨粒，两者相遇刚玉磨粒破碎或者把CBN磨粒从结合剂中剔除。超硬磨料砂轮的修整 ④磨削修锐法低碳钢磨削法可用于树脂结合剂CBN砂轮的整形和修锐，普通磨料的修整轮也可以用来修整结合剂密实型的超硬磨粒砂轮，但由于磨损迅速，修整轮的表面形状被复映到被修整轮上造成较大误差。超硬磨料砂轮的修整 ⑤电解修锐法该法仅适用于金属结合剂超硬磨料砂轮的修整，电解修锐法的设备复杂昂贵，但修锐效果好。修锐时，磨粒基本不脱落。电解修锐法的缺点是：如果电解参数控制不当，电解过程中结合剂会局部溶解腐蚀，使黏结力减弱，降低砂轮耐用度。超硬磨料砂轮的修整 ⑥液压喷射修锐法高压泵喷出冷却液进入漩涡室形成低压，吸入大量空气，修锐介质从侧孔进入，与液体混合后，通过陶瓷喷嘴喷射在转动的砂轮表面上。超硬磨料砂轮的修整 超硬磨料砂轮的修整⑦GC杯形砂轮修锐法修整砂轮安装在修整轴的一端，另一端安有皮带轮，靠电机带动。修整时将修整器固定在磁力工作台上，回转轴与工作台垂直。修整过程中从杯形砂轮脱落下来的磨粒对金刚石磨粒和结合剂的冲击以及研磨，从而产生修整效果。此方法不论对结合剂密实型金刚石砂轮还是结合剂疏松型金刚石砂轮，都能取得良好的修整效果。修整效率高，整形效果好，被修砂轮的偏心量基本为零。修整后的金刚石砂轮磨削性能好，磨削力小，磨削效率高。 超硬磨料砂轮的修整⑧在线电解修整法（EID）电解修锐开始时，由于电解液的作用，铸铁结合剂砂轮的结合剂部位将被电解，产生铁离子。铁离子在磨削液中形成氢氧化铁或氧化铁的生成物。铁的氢氧化物易脱氧成铁的氧化物，而后被堆积在砂轮表面，逐渐形成了一层具有绝缘性质的氧化物薄膜。薄膜的存在使作用在结合剂上的电解电流逐渐降低，此为初期修整。随着磨削过程的进行，砂轮磨粒顶面逐渐磨损，由于磨屑及工件表面的摩擦和挤压将使原来的氧化膜逐渐剥落，砂轮电导性恢复，继续开始砂轮表面的电解过程。周而复始，利用在线电解作用连续修整砂轮来获得恒定的磨粒突出高度。 超硬磨料砂轮的修整 超硬磨料砂轮的修整⑨弹性修整法此方法关键是被修整的超硬磨料砂轮与修整元件在修整时能自动选择合适的挤压力并保持修整稳定。只适用于修锐。混油磨料注入CBN砂轮与修整元件之间时，在旋转砂轮的带动下通过砂轮与修整元件之间的间隙，修整磨料挤压超硬磨粒碰到硬质点时，可以退让或转向而专门挤研砂轮表面上的软点—结合剂，获得良好的修整效果。 超硬磨料砂轮的修整⑩超声波振动修整法由超声波发生器、换能器、振幅放大杆和薄钢板等组成。修整时，将超声波振动修整装置调到谐振状态，然后注入混油磨料。当修整磨粒通过砂轮与修整元件之间时，利用修整元件传递的能量，有效地去除CBN砂轮表面的结合剂，使CBN磨粒凸出砂轮表面。由于此方法采用了主动颤振方式，修整磨粒本身又带有一定能量，增强了对CBN砂轮表面结合剂的挤研作用，因此得到良好的修整效果。