磨削系統(tǒng)解決方案之砂輪堵塞原因解析
2021-02-26（來源：深圳西斯特科技有限公司）
導(dǎo)讀：磨削過程是一個復(fù)雜的多因素、多變量共同作用的過程。在磨削加工中，不僅磨粒的尺寸、形狀和分布對加工過程有影響，而且砂輪的氣孔狀況也起著重要的作用，往往在加工韌性金屬時，出現(xiàn)砂輪壽命過早結(jié)束，這時的失效原因主要就是砂輪被堵塞了。要避免砂輪的堵塞和由此產(chǎn)生的不利因素，對產(chǎn)生堵塞的機理、過程及采取的工藝措施需要進行系統(tǒng)的解析。
01 砂輪堵塞的類型
砂輪堵塞的種類很多，不同的工件材料和加工條件所產(chǎn)生的堵塞狀態(tài)各異，分類方法也不同，如圖1所示：
01 砂輪堵塞的類型
砂輪堵塞的種類很多，不同的工件材料和加工條件所產(chǎn)生的堵塞狀態(tài)各異，分類方法也不同，如圖1所示：
圖1
（1）磨屑嵌塞在砂輪工作面空隙處的堵塞狀態(tài)，稱嵌入型堵塞；
（2）磨屑熔結(jié)在磨粒及結(jié)合劑上的堵塞狀態(tài)，稱為粘著型堵塞；
（3）砂輪工作面及空隙處，既有嵌入型堵塞又有粘著型堵塞時，這種堵塞狀態(tài)稱為混合型堵塞。
02 砂輪堵塞的形貌
通常用同一砂輪磨削不同的材料時，砂輪的磨削性能和壽命是不一樣的。其原因是工件材料的力學(xué)、物理性能不同，促使磨料切刃鈍化速度不同，切屑的形態(tài)也不一樣。由于不同材料的磨削性能和切屑形狀的差異，砂輪堵塞量和堵塞形態(tài)也不一樣，詳見表1：
（2）磨屑熔結(jié)在磨粒及結(jié)合劑上的堵塞狀態(tài)，稱為粘著型堵塞；
（3）砂輪工作面及空隙處，既有嵌入型堵塞又有粘著型堵塞時，這種堵塞狀態(tài)稱為混合型堵塞。
02 砂輪堵塞的形貌
通常用同一砂輪磨削不同的材料時，砂輪的磨削性能和壽命是不一樣的。其原因是工件材料的力學(xué)、物理性能不同，促使磨料切刃鈍化速度不同，切屑的形態(tài)也不一樣。由于不同材料的磨削性能和切屑形狀的差異，砂輪堵塞量和堵塞形態(tài)也不一樣，詳見表1：
由表1可見，用不同砂輪磨削同一工件材料，其堵塞程度不同；用同一砂輪磨不同工件材料，其堵塞程度更不同。因此砂輪的堵塞形態(tài)，如果以砂輪種類分：白剛玉砂輪磨削軸承鋼和鑄鐵，主要是嵌入型堵塞；磨削不銹鋼和黃銅時則為混合型堵塞。用綠色碳化硅砂輪磨削軸承鋼和鑄鐵，主要是嵌入型堵塞；磨削鋁材是粘著性堵塞，磨黃銅則屬于混合型堵塞。如果以工件材料來分：碳素鋼、合金鋼易發(fā)生嵌入型堵塞；高速鋼、不銹鋼、高溫合金易發(fā)生混合型堵塞；鋁和鈦合金主要產(chǎn)生粘著型堵塞。
03 砂輪堵塞的形成機理
（1）嵌入型堵塞
嵌入型堵塞主要是磨屑機械地侵嵌在砂輪空隙里，其中磨屑與磨粒之間并無化學(xué)粘著作用發(fā)生。形成機理：
①外來因素：磨削加工有一個很重要的特點，一般Fy/Fz≥2~10,工件材料愈硬，塑性愈小，比值愈大，磨削區(qū)的磨屑在強大的正壓力作用下，被機械擠進砂輪表面的空隙里。磨屑是沿磨粒前面滑出，磨粒前面的局部區(qū)域堆積著數(shù)層磨屑，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)的作用，磨粒后面形成氣流旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的空氣壓力顯著減小，在負(fù)壓力作用下，使部分磨屑依附在磨粒的后面，形成磨粒后刀面的依附性堵塞，依附物多數(shù)是灰燼和微粒。
②靜電場的作用：在磨削區(qū)某些小區(qū)域內(nèi)形成了由砂輪和工件組成的小電場，在電場的作用下，部分磨屑將呈現(xiàn)極性，根據(jù)異性相吸原理，與砂輪極性相反的磨屑就被吸附在砂輪工作表面。借助于砂輪與工件之間較大的機械壓力，使已吸附在砂輪表面的磨屑能穩(wěn)定地嵌入砂輪表面空隙之間。如在磨削碳鋼時，當(dāng)磨粒在金屬表面上摩擦或磨削時，磨粒的磨損就開始了，即磨粒的鋒利邊沿開始被磨去，這就在磨粒上形成一個平面。該平面變得越來越大，以致于作用在磨粒上的摩擦力大得足以引起砂輪表面砂粒脫落或斷裂，從而露出新的磨削刃。這時砂輪的堵塞是磨屑嵌塞在空隙處而形成嵌入型堵塞。
（2）粘著型堵塞
粘著型堵塞的形成過程是，首先在磨屑和磨粒之間產(chǎn)生化學(xué)粘合，然后磨屑之間在機械粘力和壓力作用下相互熔焊，形成了粘屑型堵塞。形成機理：
①熔化性粘結(jié)：磨削過程中絕大部分輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠幔鼓ハ鼽c溫度高達1200k以上，磨屑遇空氣快速氧化，形成低熔點的金屬氧化物，在磨削區(qū)高溫加熱呈熔化或微熔狀態(tài)，覆蓋在砂輪表面，當(dāng)砂輪上這部分表面再次參與磨削時，在磨削力的作用下被擠開或強化，增加了與砂輪的親和力和附著力，有的被擠壓粘附在工件表面隆起的溝槽表面中。通過多次隨機磨削，磨粒四周粘附許多磨屑，使磨削力增大，同時溫度升高,由此引起惡性循環(huán)，加劇堵塞，直至磨粒破碎或脫落。
②化學(xué)性粘結(jié)：不同元素之間的化學(xué)親和力是粘結(jié)性堵塞的又一重要原因。磨粒和被磨削材料在髙溫下接觸，溫度因素使它們活動能力增強，親和力加劇，當(dāng)具備一定條件時就導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)，使磨粒和磨屑在砂輪表面生成一種喪失切削能力的晶體。如在磨削鈦合金時，砂輪與磨屑之間極易產(chǎn)生化學(xué)粘合現(xiàn)象，造成砂輪堵塞。當(dāng)磨粒刃口被第一層化學(xué)粘附層包住后，大大減少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑與待加工表面間的滑動和擠壓過程中進行的，磨削力和摩擦熱都劇增。這種高溫、高壓、高摩擦力的狀態(tài)，促成了切屑與切屑之間的壓焊過程，這種多個單元切屑多次的相互壓焊，形成了砂輪的堵塞。這就是粘著型堵塞的形成機理。
04 影響砂輪堵塞的因素分析
▲砂輪種類
（1）磨料種類
不同的砂輪其堵塞程度差別很大，從減少堵塞程度，改善磨削效果來看，不同的工件材料，應(yīng)該選用不同的磨料種類。如果所選用的磨料不能適應(yīng)工件材料的磨削性能，就易產(chǎn)生急劇堵塞，使加工無法正常進行。
（2）磨料粒度
磨料粒度對砂輪堵塞有一定影響。一般來說細(xì)粒度比粗粒度容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。用#60的砂輪與#100的砂輪比較，在同樣條件下，后者堵塞量大。但是隨著切入次數(shù)增多，粗粒度砂輪與細(xì)粒度砂輪相比，切入深度要大，磨粒切刃磨損量就大，且磨削溫度上升，在孔隙里的切屑熔結(jié)物就增多。到一定次數(shù)后，粗粒度砂輪的堵塞量反而要超過細(xì)粒度砂輪的堵塞量。
（3）砂輪的硬度
砂輪的硬度對堵塞量影響較大，一般來說，砂輪越硬，堵塞量越大。
（4）砂輪的濃度
砂輪組織越密，工作的磨粒數(shù)越多，切削刃間距離變短，越容易堵塞。含有45%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半；含有53%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高兩倍。在磨削易產(chǎn)生堵塞的難加工材料時，一般選大氣孔砂輪磨削效果較好。
（5）氣孔率
砂輪的氣孔的作用主要為容屑及冷卻。一般來說，氣孔率越多、氣孔越大的砂輪相較氣孔少、氣孔小的砂輪更不容易堵塞。
▲加工參數(shù)
（1）砂輪線速度
砂輪線速度的影響比較復(fù)雜，當(dāng)砂輪從28.8m/s提高到33.6m/s時，速度提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因為砂輪線速度的增加使磨粒的最大切深減小，切屑截面積減小，同時切削次數(shù)和磨削熱增加，這兩個因素均能使堵塞量增加，但是當(dāng)砂輪線速度高達一定程度時(如達50m/s以上)砂輪的堵塞量反而大大下降。
實踐表明：在磨削不銹鋼、高溫合金時，55m/s的砂輪速度比30m/s砂輪的堵塞量減少30%~100%。因此，在磨削難磨材料時，要么采用低于20m/s的速度，要么采用高于50m/s的速度，選在其之間的磨削速度對砂輪的堵塞是很不利的。當(dāng)然，對于各種工件材料來說，各有一定的其堵塞量最小的臨界砂輪速度值。
（2）徑向切入量
徑向切入量對砂輪堵塞的影響呈現(xiàn)駝峰趨勢，當(dāng)徑向切入量較小時,(ap＜0.01mm)產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，隨著切入量的增加，平均堵塞量也增加，當(dāng)切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)時,堵塞量又呈減少趨勢，之后隨著切入量的繼續(xù)增加(達ap=0.04mm)時，堵塞量又急劇上升。
03 砂輪堵塞的形成機理
（1）嵌入型堵塞
嵌入型堵塞主要是磨屑機械地侵嵌在砂輪空隙里，其中磨屑與磨粒之間并無化學(xué)粘著作用發(fā)生。形成機理：
①外來因素：磨削加工有一個很重要的特點，一般Fy/Fz≥2~10,工件材料愈硬，塑性愈小，比值愈大，磨削區(qū)的磨屑在強大的正壓力作用下，被機械擠進砂輪表面的空隙里。磨屑是沿磨粒前面滑出，磨粒前面的局部區(qū)域堆積著數(shù)層磨屑，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)的作用，磨粒后面形成氣流旋渦區(qū)，旋渦區(qū)的空氣壓力顯著減小，在負(fù)壓力作用下，使部分磨屑依附在磨粒的后面，形成磨粒后刀面的依附性堵塞，依附物多數(shù)是灰燼和微粒。
②靜電場的作用：在磨削區(qū)某些小區(qū)域內(nèi)形成了由砂輪和工件組成的小電場，在電場的作用下，部分磨屑將呈現(xiàn)極性，根據(jù)異性相吸原理，與砂輪極性相反的磨屑就被吸附在砂輪工作表面。借助于砂輪與工件之間較大的機械壓力，使已吸附在砂輪表面的磨屑能穩(wěn)定地嵌入砂輪表面空隙之間。如在磨削碳鋼時，當(dāng)磨粒在金屬表面上摩擦或磨削時，磨粒的磨損就開始了，即磨粒的鋒利邊沿開始被磨去，這就在磨粒上形成一個平面。該平面變得越來越大，以致于作用在磨粒上的摩擦力大得足以引起砂輪表面砂粒脫落或斷裂，從而露出新的磨削刃。這時砂輪的堵塞是磨屑嵌塞在空隙處而形成嵌入型堵塞。
（2）粘著型堵塞
粘著型堵塞的形成過程是，首先在磨屑和磨粒之間產(chǎn)生化學(xué)粘合，然后磨屑之間在機械粘力和壓力作用下相互熔焊，形成了粘屑型堵塞。形成機理：
①熔化性粘結(jié)：磨削過程中絕大部分輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠幔鼓ハ鼽c溫度高達1200k以上，磨屑遇空氣快速氧化，形成低熔點的金屬氧化物，在磨削區(qū)高溫加熱呈熔化或微熔狀態(tài)，覆蓋在砂輪表面，當(dāng)砂輪上這部分表面再次參與磨削時，在磨削力的作用下被擠開或強化，增加了與砂輪的親和力和附著力，有的被擠壓粘附在工件表面隆起的溝槽表面中。通過多次隨機磨削，磨粒四周粘附許多磨屑，使磨削力增大，同時溫度升高,由此引起惡性循環(huán)，加劇堵塞，直至磨粒破碎或脫落。
②化學(xué)性粘結(jié)：不同元素之間的化學(xué)親和力是粘結(jié)性堵塞的又一重要原因。磨粒和被磨削材料在髙溫下接觸，溫度因素使它們活動能力增強，親和力加劇，當(dāng)具備一定條件時就導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)，使磨粒和磨屑在砂輪表面生成一種喪失切削能力的晶體。如在磨削鈦合金時，砂輪與磨屑之間極易產(chǎn)生化學(xué)粘合現(xiàn)象，造成砂輪堵塞。當(dāng)磨粒刃口被第一層化學(xué)粘附層包住后，大大減少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑與待加工表面間的滑動和擠壓過程中進行的，磨削力和摩擦熱都劇增。這種高溫、高壓、高摩擦力的狀態(tài)，促成了切屑與切屑之間的壓焊過程，這種多個單元切屑多次的相互壓焊，形成了砂輪的堵塞。這就是粘著型堵塞的形成機理。
04 影響砂輪堵塞的因素分析
▲砂輪種類
（1）磨料種類
不同的砂輪其堵塞程度差別很大，從減少堵塞程度，改善磨削效果來看，不同的工件材料，應(yīng)該選用不同的磨料種類。如果所選用的磨料不能適應(yīng)工件材料的磨削性能，就易產(chǎn)生急劇堵塞，使加工無法正常進行。
（2）磨料粒度
磨料粒度對砂輪堵塞有一定影響。一般來說細(xì)粒度比粗粒度容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。用#60的砂輪與#100的砂輪比較，在同樣條件下，后者堵塞量大。但是隨著切入次數(shù)增多，粗粒度砂輪與細(xì)粒度砂輪相比，切入深度要大，磨粒切刃磨損量就大，且磨削溫度上升，在孔隙里的切屑熔結(jié)物就增多。到一定次數(shù)后，粗粒度砂輪的堵塞量反而要超過細(xì)粒度砂輪的堵塞量。
（3）砂輪的硬度
砂輪的硬度對堵塞量影響較大，一般來說，砂輪越硬，堵塞量越大。
（4）砂輪的濃度
砂輪組織越密，工作的磨粒數(shù)越多，切削刃間距離變短，越容易堵塞。含有45%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半；含有53%磨粒的砂輪比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高兩倍。在磨削易產(chǎn)生堵塞的難加工材料時，一般選大氣孔砂輪磨削效果較好。
（5）氣孔率
砂輪的氣孔的作用主要為容屑及冷卻。一般來說，氣孔率越多、氣孔越大的砂輪相較氣孔少、氣孔小的砂輪更不容易堵塞。
▲加工參數(shù)
（1）砂輪線速度
砂輪線速度的影響比較復(fù)雜，當(dāng)砂輪從28.8m/s提高到33.6m/s時，速度提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因為砂輪線速度的增加使磨粒的最大切深減小，切屑截面積減小，同時切削次數(shù)和磨削熱增加，這兩個因素均能使堵塞量增加，但是當(dāng)砂輪線速度高達一定程度時(如達50m/s以上)砂輪的堵塞量反而大大下降。
實踐表明：在磨削不銹鋼、高溫合金時，55m/s的砂輪速度比30m/s砂輪的堵塞量減少30%~100%。因此，在磨削難磨材料時，要么采用低于20m/s的速度，要么采用高于50m/s的速度，選在其之間的磨削速度對砂輪的堵塞是很不利的。當(dāng)然，對于各種工件材料來說，各有一定的其堵塞量最小的臨界砂輪速度值。
（2）徑向切入量
徑向切入量對砂輪堵塞的影響呈現(xiàn)駝峰趨勢，當(dāng)徑向切入量較小時,(ap＜0.01mm)產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，隨著切入量的增加，平均堵塞量也增加，當(dāng)切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)時,堵塞量又呈減少趨勢，之后隨著切入量的繼續(xù)增加(達ap=0.04mm)時，堵塞量又急劇上升。
（3）軸向進給速度
一般在同樣的總磨量下，軸向進給速度越慢，磨粒磨削工件的次數(shù)就越多，從而被磨表面的溫度就越高，堵塞量增加。如當(dāng)軸向進給速度從1.2m/min降低至0.5m/min時，砂輪堵塞量增大5倍。在0.5m/min條件下，產(chǎn)生細(xì)小切屑，大部分侵嵌在孔隙里；當(dāng)軸向速度為1.2m/min時，產(chǎn)生長屑，只嵌壓在氣孔內(nèi)。
（4）砂輪修整速度
當(dāng)砂輪修整速度低時，砂輪工作面平坦，單位面積內(nèi)有效磨刃數(shù)增加，使切屑的截面積變小，切屑數(shù)量增多，故易產(chǎn)生堵塞。當(dāng)砂輪修整速度高時，砂輪工作面變粗，有效磨粒數(shù)減少，在砂輪表面出現(xiàn)凹部，起到孔隙作用，切屑易被沖走，熔結(jié)物容易脫落。因此各種砂輪修整時均有一最佳的速度范圍。
（5）工件轉(zhuǎn)速
工件轉(zhuǎn)速對砂輪堵塞程度的影響，與切削條件中其他因素有密切關(guān)系。在所給的實驗條件下，工件轉(zhuǎn)速提高一倍，砂輪堵塞量增加三倍。這是因為工件速度越高，磨粒切入深度就越淺，切屑截面積變小，相當(dāng)于砂輪特性變硬，故容易引起砂輪堵塞。
▲磨削液
不同的磨削液對磨削效果影響很大，一般的水基磨削液，含有大量礦物油和油性添加劑，稀釋后呈水包油乳白色液體，它的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)小，在劇烈摩擦過程中很容易造成砂輪與工件之間的粘附磨損和擴散性磨損，使砂輪堵塞，磨削力增加，最后引起磨粒過早破碎和脫落，使磨削比降低。因此，一般難加工材料應(yīng)選用潤滑性更好的磨削液或改為磨削油冷卻會更好的減少堵塞現(xiàn)象。
▲磨削方式
一般來說，切入磨削比縱向磨削堵塞嚴(yán)重。由于切入磨削時，砂輪與工件間接觸面積大，磨粒切削刃在同一條磨痕上要擦過幾次，加上冷卻液進入磨削區(qū)困難，故磨削時熱量高，易造成堵塞的條件?？v磨時，首先接觸工件材料的是砂輪一側(cè)緣，接觸面積小，冷卻液容易進入磨削區(qū)，磨粒磨損只是發(fā)生在最先接觸的一側(cè)緣。當(dāng)磨損面增大到一定程度時，在磨削力作用下磨粒破碎、斷裂，實現(xiàn)自銳。大多數(shù)磨粒能處于鋒利狀態(tài)下工作，使磨削力和磨削熱相對來說較低。同時，受磨削力和磨削熱影響區(qū)的相當(dāng)一部分可以順縱磨方向排出到工件之外，故降低了化學(xué)粘附的可能性。上述因素的綜合影響使縱磨比切入磨的砂輪堵塞程度低一些。
總結(jié)
由于磨削系統(tǒng)的復(fù)雜性較高，導(dǎo)致砂輪堵塞的失效現(xiàn)象在加工中會經(jīng)常出現(xiàn)。砂輪種類、加工條件以及冷卻對砂輪堵塞均有較大影響。深圳西斯特科技有限公司會根據(jù)被加工材料的物理及化學(xué)性能結(jié)合不同的條件，進行評估、確認(rèn)與優(yōu)化，可為客戶大幅改善甚至徹底解決砂輪堵塞這一失效現(xiàn)象，為客戶帶來更穩(wěn)定的加工品質(zhì)及更優(yōu)的加工綜合成本。