砂轮的磨损与检测解析.pptx

磨削加工中，不仅磨粒的尺寸、形状和分布对加工过程有影响，而且砂轮的气孔状况也起着重要的作用，往往在加工韧性金属时,出现砂轮寿命过早结束。要避免砂轮的堵塞和由此产生的不利因素，对产生堵塞的机理、过程及采取的工艺措施进行讨论是十分必要的。4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 砂轮堵塞的形貌砂轮堵塞的形貌砂轮堵塞的形貌砂轮堵塞的形貌影响砂轮堵塞的因素影响砂轮堵塞的因素 砂轮的堵塞是磨削加工中的普遍现象，不论加工条件选择得如何合理，要完全防止堵塞是不可能的，其差别只是程度上的不同。影响堵塞的因素如图4-1所示。4.1 砂轮的堵塞第1页/共137页4.1 砂轮的堵塞 图中所列出的诸因素其影响程度是不同的。砂轮种类砂轮种类和加工条加工条件件对砂轮堵塞有较大影响，但最主要的则是被加工材料的物理、力加工材料的物理、力学性能学性能以及有无磨削液有无磨削液。第2页/共137页砂轮堵塞的类型砂轮堵塞的类型 砂轮堵塞的种类很多，不同的工件材料和加工条件所产生的堵塞状态各异，分类方法也不同，见图4-2所示 4.1 砂轮的堵塞磨屑嵌塞在砂轮工作面空隙处的堵塞状态，称嵌入型堵塞；磨屑熔结在磨粒及结合剂上的堵塞状态，称为粘着型堵塞；砂轮工作面及空隙处，既有嵌入型堵塞又有粘着型堵塞时，这种堵塞状态称为混合型堵塞。第3页/共137页砂轮堵塞的形貌砂轮堵塞的形貌 通常用同一砂轮磨削不同的材料时，砂轮的磨削性能和寿命是不一样的。其原因是工件材料的力学、物理性能不同，促使磨料切刃钝化速度不同，切屑的形态也不一样。由于不同材料的磨削性能和切屑形状的差异，砂轮堵塞量和堵塞形态也不一样。见表4-1。4.1 砂轮的堵塞第4页/共137页 由表4-1可见，用不同砂轮磨削同一工件材料，其堵塞用不同砂轮磨削同一工件材料，其堵塞程度不同；用同一砂轮磨不同工件材料，其堵塞程度更不同程度不同；用同一砂轮磨不同工件材料，其堵塞程度更不同。因此砂轮的堵塞形态，如果以砂轮种类分以砂轮种类分：白刚玉砂轮磨削轴承钢和铸铁，主要是嵌入型堵塞；磨削不锈钢和黄铜时则为混合型堵塞。用绿色碳化硅砂轮磨削轴承钢和铸铁，主要是嵌入型堵塞；磨削铝材是粘着性堵塞，磨黄铜则属于混合型堵塞。如果以工件材料来分以工件材料来分：碳素钢、合金钢易发生嵌入型堵塞；高速钢、不锈钢、高温合金易发生混合型堵塞；铝和钛合金主要产生粘着型堵塞。4.1 砂轮的堵塞第5页/共137页4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 砂轮堵塞的形成机理砂轮堵塞的形成机理砂轮堵塞的形成机理砂轮堵塞的形成机理 嵌嵌入入型型堵堵塞塞主要是磨屑机械地侵嵌在砂轮空隙里，其中磨屑与磨粒之间并无化学粘着作用发生。嵌入型堵塞嵌入型堵塞的形成机理的形成机理 在磨削碳钢时，当磨粒在金属表面上摩擦或磨削时，磨粒的磨损就开始了，即磨粒的锋利边沿开始被磨去，这就在磨粒上形成一个平面。该平面变得越来越大，以致于作用在磨粒上的摩擦力大得足以引起砂轮表面砂粒脱落或断裂，从而露出新的磨削刃。这时砂轮的堵塞是磨屑嵌塞在空隙处而形成嵌入型堵塞嵌入型堵塞。4.1 砂轮的堵塞第6页/共137页 粘着型堵塞粘着型堵塞的形成过程是，首先在磨屑和磨粒之间产生化学粘合，然后磨屑之间在机械粘力和压力作用下相互熔焊，形成了粘屑型堵塞。粘着型堵塞粘着型堵塞的形成机理的形成机理l磨削钛合金时砂轮堵塞的机理主要有以下几点：l钛合金在磨削过程中，由于磨削温度的作用，易生成TiO2和Ti2O3，这种氧化物硬度与刚玉砂轮Al2O3基本相当，这种硬度一致的材料在高温、高压下易产生粘合现象。l氧化物Ti2O3和刚玉Al2O3晶体结构相同，点阵参数相近，所以Al2O3和Ti203之间有很好的亲和力。4.1 砂轮的堵塞第7页/共137页lTi 元素化学活性大，易和碳、氮、氧生成化合物，这种化合物又易与Al2O3形成一种钛酸铝的固溶体Al2O3Ti2O3，使钛与刚玉有了较强的结合，形成了新的化合物。l钛的氧化物和刚玉的热膨胀率很接近，更提高了对刚玉粘附的可靠性。由于以上原因，使钛合金在磨削时，砂轮与磨屑之间极易产生化学粘合现象，造成砂轮堵塞。当磨粒刃口被第一层化学粘附层包住后，大大减少了磨削能力。以后的磨削是在粘附的磨屑与待加工表面间的滑动和挤压过程中进行的，磨削力和摩擦热都剧增。这种高温、高压、高摩擦力的状态，促成了切屑与切屑之间的压焊过程，这种多个单元切屑多次的相互压焊，形成了砂轮的堵塞。这就是粘着型堵塞的形成机理。4.1 砂轮的堵塞第8页/共137页5.1.3 5.1.3 影响砂轮堵塞的因素分析影响砂轮堵塞的因素分析 影响砂轮堵塞的因素主要有以下几种：磨料种类磨料种类 不同的砂轮其堵塞程度差别很大，从减少堵塞程度，改善磨削效果来看，不同的工件材料，应该选用不同的磨料种类。如果所选用的磨料不能适应工件材料的磨削性能，就易产生急剧堵塞，使加工无法正常进行。磨料粒度磨料粒度 磨料粒度对砂轮堵塞有一定影响。一般来说细粒度比粗粒度容易产生堵塞现象。用WA46ZR1的砂轮与WA60K1的砂轮比较，在同样条件下，后者堵塞量大。但是用WA20M和WA60M的砂轮比较，到一定的切入次数(125次)后，前者的堵塞量反而减少。因为细粒度砂轮的孔隙容积和磨屑截面积都小，细粒度砂轮的切刃数增加，切屑也多，再加上磨削温度升高等原因，因此在切入次数较4.1 砂轮的堵塞第9页/共137页 小的范围内，细粒度砂轮在孔隙内，磨粒和结合剂上的切屑以及切屑熔结物大小的数量就大。随着切入次数增多，粗粒度砂轮与细粒度砂轮相比，切入深度要大,磨粒切刃磨损量就大，且磨削温度上升，在孔隙里的切屑熔结物就增多。到一定次数后，粗粒度砂轮的堵塞量反而要超过细粒度砂轮的堵塞量。砂轮的硬度砂轮的硬度 砂轮的硬度对堵塞量影响较大，一般来说，砂轮越硬，堵塞量越大。一般情况下，砂轮硬度选用KL，在一些难加工材料中，也常采用GT的硬度。砂轮组织砂轮组织 砂轮组织越密，工作的磨粒数越多，切削刃间距离变短，越容易堵塞。含有45%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要少一半；含有53%磨粒的砂轮比含49.2%磨粒的平均堵塞量要高两倍。在磨削易产生堵塞的难加工材料时，一般选用78级组织，大气孔砂轮磨削效果较好。4.1 砂轮的堵塞第10页/共137页砂轮线速度砂轮线速度 砂轮线速度的影响比较复杂，当砂轮从28.8m/s提高到33.6m/s时，速度提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因为砂轮线速度的增加使磨粒的最大切深减小，切屑截面积减小，同时切削次数和磨削热增加，这两个因数均能使堵塞量增加，但是当砂轮线速度高达一定程度时(如达50m/s以上)砂轮的堵塞量反而大大下降。生产实践表明：在磨削不锈钢、高温合金时，55m/s的砂轮速度比30m/s砂轮的堵塞量减少 30%100%。因此，在磨削难磨材料时，要么采用低于 20m/s 的速度，要么采用高于50m/s的速度，选在其之间的磨削速度对砂轮的堵塞是很不利的。当然，对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量最小的临界砂轮速度值。4.1 砂轮的堵塞第11页/共137页径向切入量径向切入量 径向切入量对砂轮堵塞的影响呈现驼峰趋势，当径向切入量较小时,(ap 0.01mm)产生堵塞现象，随着切入量的增加，平均堵塞量也增加，当切入量增大到一定程度(ap=0.03mm)时,堵塞量又呈减少趋势，之后随着切入量的继续增加(达ap=0.04mm)时，堵塞量又急剧上升。产生这种现象的原因可4.1 砂轮的堵塞第12页/共137页工作台速度工作台速度 工作台速度从 1.2m/min 降低至0.5m/min时，砂轮堵塞量增大5倍。在0.5m/min条件下，产生细小切屑，大部分侵嵌在孔隙里；当速度为 1.2m/min时，产生长屑，只嵌压在大气孔内。因此，在同样的总磨量下，工作台速度越慢，磨粒磨削工件的次数就越多，从而被磨表面的温度就越高，堵塞量增加。砂轮修整速度砂轮修整速度 当砂轮修整速度低时，砂轮工作面平坦，单位面积内有效磨刃数增加，使切屑的截面积变小，切屑数量增多，故易产生堵塞。当砂轮修整速度高时，砂轮工作面变粗，有效磨粒数减少，在砂轮表面出现凹部，起到孔隙作用，切屑易被冲走，熔结物容易脱落。因此各种砂轮修整时均有一最佳的速度范围。工件速度工件速度 工件速度对砂轮堵塞程度的影响，与切削条件中其他因素有密切关系。在所给的实验条件下，工件线速度提高一倍，砂轮堵塞量增加三倍。这是因为工件速度越高，磨粒切入深度就越浅，切屑截面积变小，相当于砂轮特性变硬，故容易引起砂轮堵塞。4.1 砂轮的堵塞第13页/共137页磨磨削削液液 不同的磨削液对磨削效果影响很大，目前通用的乳化液，含有大量矿物油和油性添加剂，稀释后呈水包油乳白色液体，它的比热容和导热系数小，在剧烈摩擦过程中很容易造成砂轮与工件之间的粘附磨损和扩散性磨损，使砂轮堵塞，磨削力增加，最后引起磨粒过早破碎和脱落，使磨削比降低。因此，选用优良的磨削液对改善磨削性能有重要作用。近些年来，针对不同的磨削材料研究出了一些新的磨削液(见第 6章)。即使如此，优良磨削液对今后的磨削研究来说仍是一个主要的研究方向。4.1 砂轮的堵塞第14页/共137页磨削方式磨削方式 一般来说，切入磨削比纵向磨削堵塞严重。由于切入磨削时，砂轮与工件间接触面积大，磨粒切削刃在同一条磨痕上要擦过几次，加上冷却液进入磨削区困难，故磨削时热量高，易造成堵塞的条件。纵磨时，首先接触工件材料的是砂轮一侧缘，接触面积小，冷却液容易进入磨削区，磨粒磨损只是发生在最先接触的一侧缘。当磨损面增大到一定程度时，在磨削力作用下磨粒破碎、断裂，实现自锐。大多数磨粒能处于锋利状态下工作，使磨削力和磨削热相对来说较低。同时，受磨削力和磨削热影响区的相当一部分可以顺纵磨方向排除到工件之外，故降低了化学粘附的可能性。上述因素的综合影响使纵磨比切入磨的砂轮堵塞程度低一些。4.1 砂轮的堵塞第15页/共137页4.2 4.2 4.2 4.2 砂轮的磨损砂轮的磨损砂轮的磨损砂轮的磨损 砂轮的磨损比切削刀具的磨损来说要复杂得多，这是因为磨粒在砂轮表面上的分布是随机的，且在磨削过程中会产生破碎使磨粒切削刃自锐。此外砂轮结合剂的破碎，也使磨粒产生脱落。况且，在磨削过程中的磨粒破碎和脱落是连续不断进行又是随机的，因此砂轮磨损问题的研究,是一个十分复杂的问题。4.2 砂轮的磨损 第16页/共137页4.2.1 4.2.1 砂轮磨损形态与原因砂轮磨损形态与原因第17页/共137页1.砂轮磨损的形态 砂轮磨粒的磨损可分为磨耗磨损和破碎磨损两种形式。图5-4绘出了砂轮磨削中的磨损形式。图中A代表了磨耗磨损。所谓磨耗磨损是指磨粒的尖端在磨削中逐渐磨钝，最后形成磨损小平面。这种小平面垂直于砂轮半径，由于它出现在磨粒后面(相当于车刀的后面)，故有的也称之为后面磨损。破碎磨损是指当磨粒切刃处的内应力超过它的断裂强度时，就会产生磨粒的局部破碎。随着磨粒切刃所受负载(热负第18页/共137页第19页/共137页荷和压力)大小和磨粒切刃处晶体结构的不同，有时在磨粒切刃附近发生微破碎(mincrochipping)，形成新的锋刃；有时则在磨粒深部发生破裂(splitting)形成较大的破碎。图5-4中B和C代表了破碎磨损的情况。磨粒的脱落是指当作用于磨粒上的法向力大于磨粒结合桥所能承受的极限时所产生的整颗磨粒的脱落。所谓结合桥是指磨粒与结合剂的连接带。第20页/共137页A如图5-4中D所示。(将磨损成平台的金刚石砂轮块在扫描电将磨损成平台的金刚石砂轮块在扫描电镜下进行观察镜下进行观察,可以详细分析金属结合剂金刚石砂轮的磨损状可以详细分析金属结合剂金刚石砂轮的磨损状况况,其结果如下其结果如下.金刚石砂轮磨削陶瓷材料时金刚石砂轮磨削陶瓷材料时,砂轮磨损的砂轮磨损的主要形式是金刚石磨料的缓慢的磨耗磨损主要形式是金刚石磨料的缓慢的磨耗磨损.磨削过程中磨削过程中,部分金刚石磨料发生局部断裂和破碎部分金刚石磨料发生局部断裂和破碎.破碎严重时破碎严重时,导致磨料导致磨料的脱落的脱落.磨削陶瓷时磨削陶瓷时,陶瓷工件对金刚石砂轮结合剂有反陶瓷工件对金刚石砂轮结合剂有反切削作用切削作用.反切削作用的结果反切削作用的结果,一方面能有利一方面能有利 第21页/共137页 于于砂砂轮轮的的修修锐锐,另另一一方方面面削削弱弱了了结结合合剂剂对对金金刚刚石石磨磨料料的的结结合合作作用用.)(华中理工大学学报_陶瓷磨削中金刚石砂轮磨损形式及其生成原因)2.砂轮磨损的原因 砂轮磨损的原因主要有如下几种：(1)磨耗磨损 在工件材料中，往往含有多种高硬度的质点，在磨粒与工件相对擦滑过程中，会使磨料发生机械磨损。某些难磨材料(如高碳钢、高钒钢和高速钢等)在磨削时，这种磨料磨损的现象第22页/共137页非常严重。因此有人称之为反磨削，即工件中的硬质点把砂轮上的磨粒磨去。比较常见的例子是用刚玉砂轮磨削的某些铸铁的情况。铸铁固化时，会沉积出奥氏体-渗碳体。低硅铸铁中，渗碳体与硅独立存在。如果含硅量增加,SiC 会逐渐取代FesC形成共溶体。而 SiC的硬度高于刚玉，因此用刚玉砂轮磨这种铸铁时，就会很快钝化而使磨粒丧失切削性能.尢其是在径向进给量很小的精磨时，这种现象格外明显。第23页/共137页各种合金钢中，最常见的硬质点是合金元素碳化物。各种合金元素与碳的亲合力按照形成碳化物的难易程度，由易到难排列如下：钛、锆、钒、铌、钽、钨、钼、铬、锰、铁、钴。各种碳化物的晶体结构及其特性见表5-1。碳化物的尺寸可达 15m，数量最多的为36m 的质点。除碳化物外，工件材料中还可能含有各种硼化物和氮化物。常见的一些化合物 第24页/共137页第25页/共137页及其硬度见表5-2，表5-2中许多化合物的硬度超过了刚玉和碳化硅。含有大量这类化合物的材料，就需采用超硬磨料来加工。此外，在钢中除固有的成分外，还可能在熔炼和浇注过程中混入各种外来的夹杂物。往往是耐火材料的组成物混入在液态钢中，也包括出钢和浇注时形成的多种氧化物等。有些金属磨削时，表面形成的氧化物硬度很高，影响其磨削性能.例如钛合金 第26页/共137页第27页/共137页干磨削，表面形成的TiO2，其硬度与刚玉相当，这也是钛难磨的原因之一。在磨耗磨损的研究中，往往有一种错误的概念，认为磨损率应该与摩擦偶件中各自的硬度成比例，应该看到，通常使用的各种硬度计的测试方法，只能表明材料对表面应变阻力的相对值，而不能说明其耐磨性。事实上，各种磨粒的相对磨损率，应该与磨粒晶体的内聚能密度(Ec/V)成比例。其中Ec为内聚能(或称点阵能)，就是晶体相对它的离子无限分离第28页/共137页的能，V为克分子体积。表5-3中列出一些常用磨料的Ec/V 值。为了便于比较，表中还相应列出硬度值。可以看出各种磨料的Ec/V值的比例关系，如果以刚玉为1，则碳化硅为2.23；立方氮化硼为3.38，金刚石为9.20.这个比值比努氏硬度的比值大得多，比较符合各种磨料的实际磨损的比例情况。(2)氧化磨损 空气中的氧化对磨削起促进 第29页/共137页第30页/共137页作用。据以往的研究报道,在10-110-5pa的真空腔中所作的磨削实验。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的新生成的表面迅速氧化，形成一种氧化膜。氧化膜的存在减少了磨屑粘着的可能性。对于某些磨料，其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。第31页/共137页常用磨料有氧化物(Al203、Cr2O2、ZrO2、VO2、TiO2），碳化物(金刚石、SiC、B4C等)和氮化物(CBN)。氧化物在空气中稳定。其余磨料则按其热不稳定性的不同，均可能在一定温度下氧化。下面介绍一些磨料氧化磨损的情况：碳化硅 碳化硅的热稳定性保持在13001400以下，超过此温度，就可能与大气中的氧气产生下列反应：SiC(S)+2O2(g)SiO2(S)+CO2(g)第32页/共137页此反应是一种强的排热反应。这种反应所生成的SiO2膜很坚韧，硬度也较高(努氏硬度8000N/mm2)，熔点为1728，不溶于水。因此能防止SiC 进一步氧化，但当摩擦作用破坏这层薄膜时,新的表面又会氧化。金刚石 金刚石按其晶体发育的完善程度以及所含的微量元素不同，其强度和热稳定性有相当大差别。在缺氧的情况下，加热到500800，金刚石表面开始石墨化，此过程的G值为-7.53kJ/mol。第33页/共137页空气中的氧能促进石墨化过程，并使其表层氧化。其G值为-370.83 kJ/mol。2C(金刚石)+O2 C(石墨)磨钢时，也可能发生向铁扩散而形成Fe3C而后氧化形成石墨。（金刚石）+3Fe Fe3C Fe3C+2O2 C(石墨)+Fe3O4 这两种反应的G值相应为-29.3 kJ/mol和485.57 kJ/mol。这是金刚石砂轮磨削钢时，磨耗较大的原因。第34页/共137页立方氮化硼(CBN)立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，通常称这两种磨料为超硬磨料。由于它们机械磨损的性能都很优越，因此化学磨损就显得格外重要，应该掌握其规律。在温度低于2000时，立方氮化硼是稳定的，到2500时将转变为六方氮化硼，硬度降低。在高温下，晶粒的表面会氧化而转变成玻璃状的氧化硼。由于大气中氮的存在，这种氧化过程是局部可逆的反应。相比较而言，立方氮化硼热稳 第35页/共137页定性比金刚石好得多，在通常的磨削条件下，磨粒切削点的温度不至于超过它的热稳定的极限温度(2000)(一般磨粒磨削点的最高温度近似为被磨材料的熔化温度)。但是，在水蒸气中，当温度超过1000时，立方氮化硼将出现水解作用，到1200时，晶粒表面光泽消失，并出现裂纹和侵蚀斑点，其反应为：BN+3H2O H3BO3+NH3 试验表明，水蒸气对立方氮化硼起催化作用，会促使其磨损加快，因此，这种 第36页/共137页磨料适宜采用干磨削或用油剂磨削液。金刚石与立方氮化硼的硬度都很高，而且比一般磨料锐利。因此，磨料温度比一般磨料低，对于减少氧化磨损有利。(3)扩散磨损 扩散磨损是指磨粒与被磨材料在磨削高温下接触时，元素相互扩散，造成磨粒表层弱化而产生的磨损。由金属物理可知，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。两材料间原子的相互扩散与第37页/共137页材料的化学元素密切相关。对于不同的磨料与工件材料的组合，其扩散速度不同，金属间扩散公式如下：式中 D -扩散系数(m2/s)Do-扩散常数(m2/s)A-扩散物质(化学元素)的亲和势(J/mol);R-摩尔气体常数(J/(molK);T-绝对温度(K)第38页/共137页溶质在溶剂中的扩散厚度y与溶质的扩散系数D及接触时间t之间有如下关系 y2=2Dt由以上二式可知：温度愈高，扩散系数愈大，溶质在溶剂中的扩散厚度愈厚，扩散磨损加剧。此外，扩散物质的亲和势A愈大，D 愈小，则扩散磨损减弱。物质的亲和势A是指原子脱离平衡位置所给予的能量，与其本身的物理化学性质有关。第39页/共137页碳化硅磨料高速划擦钴基合金表面后，用俄歇电子能谱仪(AES)探测被磨表面，发现被磨表面含 Si 的浓度增加。这说明磨料中的化学元素Si 已扩散到零件表面中去，其扩散厚度大约10nm。Si与钴基合金中的 Co、W、Ni及Cr等元素形成了脆性的金属硅化物。比较图5-5及图5-6可知，碳化硅砂轮磨削钛合金时，被磨表面的碳原子浓度增加，未发现 Si的扩散，碳的扩散在被磨表面 第40页/共137页第41页/共137页第42页/共137页上形成了钛的碳化物，达到一定的表面层深度时，碳浓度很低，溅蚀表面的各元素原子浓度与钛合金基体元素的浓度一致。用金刚石砂轮磨削碳钢时，金刚石也扩散了碳元素，它们之间的接触表面出现了石墨层，随着钢中碳含量的减少，金刚石的颗粒磨损增加。扩散磨损与化学磨损一样，与磨料及工件材料有关，也与磨削的环境和用量有关。针对某一种 第43页/共137页材料，欲减少扩散磨损，除了选择合适的砂轮外，还要选择最佳的磨削用量和磨削条件。(4)塑性磨损 在磨削高温作用下，磨粒也会因塑性变形而磨损。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，接近被磨材料的熔点，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。图5-7绘出 第44页/共137页第45页/共137页各种磨料的硬度与温度的关系。由该图可知，各种磨料与硬质合金相比，在高温下均具有较高的硬度，即具有较大的抗塑性磨损的能力。虽然刚玉磨削钢、铸铁及其他1000以下才软化的材料不会出现塑性破坏，但是刚玉和碳化硅却不适合于磨削高温合金，如钼合金和镍基合金等，因为磨削这种材料时 的比值将小于1。从塑性磨损的角度来看立方氮化硼的应用范围较广，可用来磨削钛合金、钒高速钢,高温合金和陶瓷等。第46页/共137页金刚石虽然具有很大的塑性强度，但磨削钨、钼等难熔金属(熔点为25003000)时，仍不能得到满意的结果。因为金刚石在此温度的受力条件下也可能产生塑性流动。应该指出，磨削实验时，磨粒表面上观察到的塑性流动，并不一定是它本身的塑性变形。例如刚玉磨钢时，由于界面的化学作用，会在磨粒表面形成尖晶石(FeO-Al2O3)。这是一种全塑性变形而迅速磨损的化合物。这种尖晶石是立方第47页/共137页对称的，有三个滑动系来获得容积变形。在高剪切应力和高温度的情况下，尖晶迅速塑性化，而从磨粒表面抹掉。这类磨损过程，也具有塑性磨损的特征和形态，但不磨粒本身的塑性流动，其质量转移率取决于尖晶石和形成速度。在这种情况下，实际观察到的塑性磨损，往往可能大于理论值。(5)热应力破碎磨损 磨削过程中，磨粒的工作表面在有万分之几秒的时间中升 第48页/共137页到10002000高温，又在磨削冷却液的作用下激冷。这种冷热循环的频率。与砂轮转速相同。据磨削的形式不同，其频率可达每分钟数百到数万次。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以至破碎。热应力破碎主要取决于磨粒的导热系数大小，线膨胀系数的大小以及磨削冷却液性能的好坏。导热系数愈小，磨粒表面到内部的温度梯度愈大，热应力愈大；线胀系数愈大，热应力愈大。这些均会使磨料受到巨大的热冲击而开裂破碎。第49页/共137页各种磨料导热性能好坏的次序为：金刚石、立方氮化硼、碳化硅、刚玉。表5-4绘出了常用磨料的热胀系数。以上主要的五种磨损形式是砂轮磨削条件下磨损的主要原因。522 砂轮磨损的特征磨削过程中，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，已往的大量研究表明的规律如图5-8所示。第50页/共137页第51页/共137页第52页/共137页由图可见，在金属材料的磨削中，砂轮的磨损过程可分为三个阶段。第一阶段为初期磨损阶段，该阶段的砂轮磨损主要是磨粒的破碎和整体脱落。其原因是该阶段由于砂轮刚刚修整过，砂轮工作表面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，而松动的磨粒则会整体脱落。因此在初期磨损阶段，砂轮半径磨损较大，表现为曲线上升较陡。随着磨削过程的继续进行，进入第二阶段，即正常磨损第53页/共137页阶段。在该阶段中，虽然上个阶段受修整影响的磨粒已经碎裂或脱落，然而力的作用仍会还有一些磨粒破碎，但主要的却是磨粒经历长时间而磨粒切削刃的钝化，即第二阶段主要为磨耗磨损。该阶段磨粒切削刃较稳定的切削使砂轮的磨损曲线变得比较平缓，斜率较小。到第三阶段，急剧磨损阶段，由于磨粒切削刃的进一步钝化，作用在磨粒上的力急剧增大，这又导致磨粒产生的大块碎裂，结合剂破碎以及整个磨粒脱落。第54页/共137页此时，砂轮的半径磨损量剧增，曲线上升很陡，砂轮不能正常工作，一般磨削在达到该阶段之前，砂轮就需要重新修整了。图5-9为采用金刚石砂轮磨削Si3N4陶瓷的磨损规律。图5-10为不同品级的金刚石磨粒的磨损曲线。由图5-9和图5-10可以看出，超硬磨料金刚石砂轮在磨削超硬材料工程陶瓷时，砂轮的磨损亦存在着破碎区和磨耗磨损区。在破碎区磨削的切入深度随 第55页/共137页第56页/共137页第57页/共137页磨削次数n的增大而下降迅速。研究表明，产生这种现象的原因是开始磨削时，磨粒切削深度较大，以较高的速度切削高硬度的材料时产生的冲击力较大，加之金刚石磨粒本身所存在的一定的缺陷，在冲击力作用下，金刚石磨粒发生破碎和微破碎，使磨粒实际切深迅速下降。当磨粒的切削深度下降至一定程度时，磨粒所受的作用力减小，此时磨粒的划痕深度随磨削次数的增加呈线性递减，即磨削进入磨耗磨损阶段。同时在破碎第58页/共137页区和磨耗区之间有一个转换区，该区内(图中的阴影线)磨粒的主要磨损形式由破碎和微破碎向磨耗磨损过渡。由研究表明的显微照片可知，金刚石磨料磨削超硬材料中的微破碎及磨耗磨损现象是极为明显的。当磨粒发生破碎及微破碎时，陶瓷表面的划痕突然变短，或者由一条划痕变成两条甚至多条微细的划痕，而当磨粒发生磨耗磨损时，陶瓷表面的划痕长度逐渐减小，磨粒顶部出现微小磨损平面。第59页/共137页另外从磨削功率角度对CBN砂轮磨削淬火M2高速工具钢的研究表明；在磨削初期，CBN砂轮随磨削行程次数的增加，磨削功率也略有增加，以后较长时间内一直保持在相近的水平上，如图5-11所示。与普通磨料相比，超硬磨料砂轮的磨损特性从理论上具有相近的规律，即存在着破碎磨损阶段、磨耗磨损阶段及剧烈磨损阶段。第60页/共137页第61页/共137页1磨耗磨损的特征 磨耗磨损是以砂轮表面上单位面积的磨粒磨损面积表示的，即可用磨损面积百分率%来度量。磨削过程中，随着磨削行程数的增多，单位砂轮面积的磨粒磨损平面面积逐渐增大。图5-12给出了在平面磨床上以vs=31.8m/s，vw=2.44m/min，ap=0.025mm切入磨削20钢时，磨损面积率与行程次数的关系。由图可见，砂轮愈硬，则磨粒磨损平面面积率%愈高。第62页/共137页第63页/共137页磨削一般钢料(易磨材料)时，磨削力随磨损面积率的增大而线性增大，且磨损面积率达到某一临界值时，磨削力突增，如图5-13所示。图中磨削力的急剧转变点为砂轮磨粒磨损面积率的3.5%处。对于不同硬度等级的砂轮或不同的修整方法，所得的数据差不多都在不同斜率的两直线附近。在磨削镍、钛、钴、青铜和铝时，则出现切屑使砂轮堵塞状况使之丧失切削能力，得不到造成磨削力突增的磨损面积率的临界值。第64页/共137页第65页/共137页2破碎磨损特征 砂轮的破碎磨损可认为是磨粒破碎及结合剂破碎之和。当产生以破碎形式磨损时，磨耗磨损是微不足道的。这时，砂轮的磨损可根据给定行程数条件下所产生的砂轮磨损颗粒的质量确定。确定砂轮磨损颗粒的质量时，预先制作一箱形收集器，使它能封闭磨削区，并尽可能收集所有的磨损颗粒。容器内用白凡士林油脂覆盖，以粘附磨粒颗粒及碎屑。磨削后，将油脂刮下，在沸腾的三氯乙烯中去掉油脂，并在不 第66页/共137页腐蚀氧化铝的王水酸溶液中去掉金属屑，将磨损颗粒分离出来，然后将磨损颗粒过筛，并在电子天平上称量，即可确定总磨损量及颗粒尺寸分布。图5-14给出了用粗，细两种修整方法修整不同硬度等级的砂轮磨削20钢时所得到的砂轮磨损颗粒尺寸分布图。为了便于比较，图中也给出了制造砂轮时，不同颗粒尺尺寸的分布曲线。这些分布曲线是依据从大颗粒向小颗粒渐增的规律画出的，曲线斜率较大者相当于破碎的第67页/共137页第68页/共137页碎粒较少，颗粒较大。可以看出，在使用软砂轮时会得到较大的颗粒，而破碎的碎粒较少。从图中还可以看出，从砂轮上脱落的磨损颗粒并不比制造砂轮的磨粒小很多，这说明破碎磨损主要是结合剂破碎。当然磨粒的破碎也存在，而磨耗磨损所占比例则较少。结合剂破碎占总磨损量的百分比称作“结合剂破碎百分数”，它与砂轮硬度等级的关系如图5-15所示。该图是以图5-14的磨损颗粒分布为依据的。第69页/共137页第70页/共137页由图5-15可见，用硬度K、L的砂轮磨削20号碳钢时，约有85%的总磨损量为结合剂破碎，而用M级砂轮磨削20号碳钢时，结合剂下降到55%。这时磨粒破碎所占的比例相应增多，其原因在于硬砂轮的磨粒脱落较难，在磨粒脱落前已经破碎。从图5-14的磨损磨粒尺寸分布可见，在砂轮总磨损中，磨耗磨损仅占一小部分。通过计算可知仅占磨耗总量的4.3%左右。虽然磨耗磨损所占比例很少，但是，它直接影响了磨削力，影响着工件烧伤和第71页/共137页磨削振动，进而影响着砂轮的破碎磨损。3粘附磨损的特征 磨削钛合金和不锈钢等难磨材料时，砂轮会发生粘附磨损，砂轮的粘附分为小面积和大面积粘附。在小面积粘附时，砂轮的磨损过程与前面讨论的基本一样；出现大面积粘附时，砂轮的磨损过程则具有不同的特点。粘附造成砂轮磨损的第一个原因是磨粒随着粘附团的一起脱落。由试验发现，在砂轮及其修整方法一定的条件下，第72页/共137页粘附面积的大小与粘附面积数量是一定的，因而由于粘附团粘结与脱落造成的砂轮磨损也是一定的。依据上述关系可得砂轮磨损率与粘附团的寿命成反比。设粘附团的寿命由磨削行程数N表示，而N与其他磨削参数的关系可用下式表示，即第73页/共137页由式(5-1)可以推论：砂轮磨损率与实际磨削深度 成正比，与砂轮速度 成反比，与工件速度 无关。粘附磨损的另一个原因是，随着粘附团的脱落砂轮在粘附团附近的磨粒受到损伤，这些损伤的磨粒比较容易脱落。它们的脱落取决于每颗磨粒的磨削力的大小，由于只有当粘附团脱落时才会造成邻近磨粒的脱落，因而邻近磨粒的脱落也与粘附团的寿命N成反比。第74页/共137页经过N个行程次数的磨削后，有 个粘附团被剥落，被剥落的一个粘附团的表面积为A且单位砂轮表面上有NS个有效磨粒，则脱落的有效磨粒数为 。因此由于第一原因直接导致的有效磨粒的失去率 为 。另外设 是因粘附团剥落而失去的邻近磨粒数，它是单颗磨削力的函数，亦即 ，因此在经过N个行程次数的磨削后，由于第二原因所脱落的磨粒数为 ，其磨粒失去率 为 砂轮总的失去率 第75页/共137页应是上述二个原因所造成的失去率之和，即 对于在一定修整条件下修整的砂轮而言，和 均为常数,设 ，则磨粒失去率可表示为式中的 第76页/共137页设Ws砂轮磨损质量，N为磨削行程次数，则砂轮磨损率为设 则 从式(5-5)可知，当所磨材料导致大面积粘附时，实际磨削深度 和工件速度 增大，砂轮变软以及粒度号增加(增加)都将 第77页/共137页使砂轮磨损率增大。表5-5、5-6、5-7、5-8给出了用氧化铝砂轮磨削不锈钢C19N10时，砂轮磨损率与实际磨削深度 、工件速度 、砂轮硬度及砂轮粒度的关系。5 53 3 砂轮磨损的检测砂轮磨损的检测砂轮形貌的检测方法很多，按检测状态的不同，可分为砂轮磨损的静态检测与动态检测。按检测时的接触状态不同，可分为接触式和非接触式检测；按检测的参数不同，可分为直接检测和间接 第78页/共137页第79页/共137页检测；按机床的状态不同，可分为在线检测（工作状态）及停机检测（非工作状态）等。下面介绍几种主要的检测方法。滚动复印法 普通滚印法（见图5-16）是在弹性支承滚与砂轮之间放入复写纸与玻璃板，一面缓慢转动砂轮，一面移动复写纸与玻璃板，则玻璃板上将复印出磨粒的平面分布图。通过采用点算法（PCM），可以求得磨料分布密度第80页/共137页第81页/共137页及磨损棱面的百分比GA。如果采用锥形滚印法，就可获得三维空间的磨粒分布状态，如图5-17 所示。钢环套在二滚珠轴承的外圈上，在钢环之外，又紧套了一个塑料环，塑料环二端带有斜角为1的锥度。在砂轮与塑料环之间插入复写纸与白纸，调好二者的压力后，用手缓慢转动砂轮经滚印后的白纸上即可复印出砂轮锥形截面的磨粒分布图，该图显示了不同高度磨粒的分布状况。用显微镜观察或测出磨粒尖端磨钝（形成小平第82页/共137页第83页/共137页面）的情况。该测量方法简单方便，但仅能粗略地了解磨粒切刃的形状分布和密度。2触针法 触针法测量砂轮的磨损类似于表面粗糙度的测量方法。由测头直接测出砂轮表面形状的变化，测量部分的结构也多种多样。图5-18是其中一种类型。测量原理如下：在差动式电感传感器的前端安装好金刚石触针，测量中触针作上下移动，使传感器中的电感量产生相应的变化，该变化量通过测微仪电 第84页/共137页第85页/共137页路被转变为电压变化信号，并进行放大与相敏整流，最后输入记录仪记录，即得到砂轮磨损后的形貌廓形。电感传感器以紧固螺钉固定于基准套之中，而基准套又通过板簧与固定杆相连。因此，固定传感器壳体的基准套是浮动的。以浮动的基准套作为触针计量的零点，可以排除砂轮偏心及表面波度对触针读数的影响。砂轮由微型电机或步进电机经减速器减速，最后经橡皮轮通过摩擦带动，缓慢旋转。橡皮轮与砂轮间 第86页/共137页的接触压力为0.15N，砂轮速度为0.5m/s。金刚石触针一般有两种形式，一种为圆锥形，一种为刀口形，如图5-19所示。圆锥触针可获得砂轮某一剖面内磨削前后的实际廓形，如图5-20中的AB廓形。其中所记录的部分廓形可能是由磨粒侧面描划出来的，虽有突峰的形貌，并非真实磨粒切刃，成为虚假信息。由此获得的单位长度上切刃数将大于实际切刃数。刀口形触针可获得刀口宽度范围内的第87页/共137页第88页/共137页第89页/共137页磨粒切刃数。但由于在宽度范围内的磨粒切刃有高有低，用刀口形触针描划时，将与高刃接触，使一些低刃信息从中丢失。所以检测的磨粒切刃密度将小于实际密度，考虑到在砂轮磨削过程中，表层深度超过了20m以下的磨粒切刃很少与工件接触，不产生磨损，因此在检测砂轮切刃数和磨损状态时，用刀口形触针比较合理。在采用触针法检测时，触针顶角、触针圆角半径、触针与砂轮的接触压力、仪 第90页/共137页 表的动态特性。触针导向部分刚度等均影响到检测结果的可靠性。一般触针圆角半径；圆锥形取1020m；刃口形取0.4m。圆角半径产生的检测误差可通过数据处理予以修正。圆锥触形顶角对廓形的检测影响较大，一般取5090。如顶角较大，触针强度高，但扫描廓形将产生较大的崎变；反之，如顶角较小，触针易憋死于沟槽之中。触针描迹法可获得砂轮工作面磨削前后形貌的廓形，第91页/共137页可检测出磨粒切刃的磨损形状以及磨刃分布及容屑空间等。但不能识别磨粒、结合剂及堵塞物。3光截法 图5-21所示为应用光截观察法测量砂轮磨损的装置。而且利用该装置还可以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。在图5-21a中，将砂轮3连同法兰盘一起从磨床上取下，重新安装在与砂轮轴有相同锥度的心轴4上，支承于两顶尖之间。左端的顶 第92页/共137页第93页/共137页尖与光学分度头相连，利用其精确分度测出砂轮表面各磨粒切刃在圆周上的位置。测量时，光源6中的光线，经过透镜及光栅，以矩形光束照射于砂轮表面上，与圆柱砂轮相截，形成宽0.02mm，长0.3mm的矩形测定带，测定带的长轴与砂轮轴线平行（见图5-21c）。但观察用的显微镜2与砂轮圆周相切（见图5-21b）。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2中的刻度目镜进行测量。第94页/共137页连续检测砂轮圆周不同位置的磨粒形状以及数量，可以确定磨粒形状的种类，组成及分布状态。在磨削过程中定期地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 光电自动测量法是属于一种动态测量砂轮磨损的方法。该方法能随时观测砂轮工作面的变化规律，并能将所得的数据通过记录仪记录后送 第95页/共137页计算机进行处理。这样就可以得到砂轮磨损的全过程，对于全面研究砂轮的磨损机理十分有益，该测量方法的工作原理见图5-22。从显微镜光源射出的光，照射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，该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Cj，当其穿过窄缝的窗口（a x）后，便通过光电倍增管得到对应的光电输出波形。该波形第9