最大化利用深进缓给磨削

 

越来越多的制造商们意识到了深进缓给磨削有助于减少成本。新技术允许它做得更多并且取得更好的结果。深进缓给磨削能够加工出更高质量的零件并且它这么做时所花费的时间比其他加工方法花去的时间更少，这得益于新的磨粒、更好的机床和改良了的方法。

深进缓给本质上是这样一种加工，它在砂轮的一个单程内磨掉大部分原材料——然后在二次行程内形成规定的表面公差和光洁度。与其他磨削加工方法相比，深进缓给磨削具有更快的循环时间、更高的金属切削率、更好的尺寸精度和更少的毛刺，因为砂轮和工件之间有相对更大的区域保持一致。

一些公司曾经努力开发技术要诀以建立示范性的深进缓给实践。Norton Abrasives是这些公司其中之一，它在其产品研发实验室内设计并执行了无数的试验。这些试验揭示了最大化利用深进缓给加工的方法。

关于这些试验的简介

所有深进缓给磨削试验均使用一台标准的机床和一种水溶性冷却油，后者以与砂轮的圆周速度相匹配的速度被输送到砂轮/工件的接触面处。一个高架式喷嘴以195psi的流速使用冷却液流来清洁砂轮。如图1所示。

图1：该装置用于所有深进缓给磨削试验

为了全面地了解加工的效果，需要测量并评估如下变量，例如金属切削率；法向力和切向力；以及功耗。这些因素结合在一起构成了很好的衡量标准来衡量砂轮的切削作用和工作的效率。

磨削力是深进缓给磨削中的一项主要考虑因素，因为它涉及到高速砂轮与工件之间的一致性。在这种磨削中需要低单位磨削能以达到高金属切削率并防止工件过度受热。

当与金属切削率联系在一起时，磨削力可以提供砂轮切削作用的图形化证据。图2显示了法向力与金属切削率的典型曲线图。一段陡峭的斜线（例如标记“A”的一段斜线）表明金属切削率大幅增加导致磨削力小幅增加，这是利切削或软作用砂轮的征兆。与此相反，一段平坦或者较浅的斜线（例如标记“B”的一段斜线）表明金属切削率变化很小而磨削力大幅增加，这是钝切削或者硬作用砂轮的征兆。

图2：使用一个锐切削砂轮时，磨削力小幅增加导致金属切削
率大幅增加，如斜线A。
使用一个钝切削砂轮时，增加磨削力仅仅使金属切削率增加了一点点，如斜线B。

通常，表面光洁度很重要，因为他们反映了零件的质量，可以用来间接说明加工的形状保持能力。磨削力与表面光洁度之间的相互关系有助于控制零件质量与加工效率二者之间的平衡。

向上切削还是向下切削

关于砂轮在接触工件时的最佳旋转方向一直以来就有争论。问题围绕当材料进给时采用向上或向下切削作用的磨削所能带来的好处（如图3所示）。做了几次试验，先使用氧化铝砂轮来切削硬度达50 Rockwell C的4340钢，然后使用金刚石砂轮来切削C-2硬质合金。

图3：砂轮反方向旋转以形成向上或向下切削

向下切削通常效率更高，并且它引起的问题更少，因为在这种加工方式下，更容易有效地向磨削区输送冷却液。向下切削形成更加均匀的切屑厚度。对于钢制工件和氧化铝砂轮，向下切削比向上切削需要的功率更小，并且能在实际切削深度下得到更好的表面光洁度（0.125英寸）。对于碳化钨工件，向下切削所需的功率要少26%，并且产生的碎屑更少，热损伤更小。

另一方面来说，向上切削对于碳化钨产生更好的表面光洁度，这可能是因为砂轮在刀具的最底部产生抛光作用。那就是上切切屑最稀少的地方，并且切屑厚度与表面光洁度直接相关。和向下切削不同，向上切削在排屑的摩擦和耕作阶段在工件的已加工表面上开始形成切屑，以提高表面光洁度。当使用氧化铝砂轮向上切削时，G系数接近25%或更好，但是这是以损害表面质量为代价的。同时，在更高的金属切削率的情况下，冷却液的应用和振动对于向上切削都是更严重的问题。

总之，对于较高的磨削量，向下切削更好（假设机器装置具有足够的刚度），而对于较低的金属切削率，向上切削改善了表面光洁度。

选择合适的砂轮

选择最好的砂轮时要考虑许多因素。磨蚀类型、磨粒尺寸、等级以及粘结系统是全部重要因素。在试验中，金刚砂轮的磨粒尺寸和粘结系统对与工件表面光洁度有关的性能产生显著影响。

砂轮类型。在一系列试验中，当磨削C-2碳化钨时比较电镀、镀层和粘结金刚砂轮。电镀砂轮被修整到0.0002英寸范围内并且未被磨光。所有其他砂轮则用制动器控制的修整设备对它们予以修整，并用一根细砾氧化铝瓷化棒进行磨光。

所有电镀砂轮都显示了针对不同磨粒尺寸时力与表面光洁度之间的预测关系（如图4所示）。在比较镀层砂轮与瓷化和树脂粘结砂轮的试验中，镀层砂轮展现了最大的钝化特性。实际上，镀层砂轮的性能是最难预测的，因为它们时常随着使用而变化或钝化，而瓷化和树脂粘结系统可以进行再修整。

图4：对于电镀砂轮，磨粒的尺寸与表面光洁度之间有明确的关系。
最小的磨粒产生最光滑的表面。

通常，粘结金刚砂轮产生更好的表面光洁度，显示出更好的形状保持特性，并且具有更好的磨削结果一致性。电镀金刚砂轮在砂轮的使用寿命期内在功率、G系数和表面光洁度三方面显示出了最大的变化。这些砂轮具有一层磨粒，它们解释了在砂轮使用寿命期内的性能变化。瓷化砂轮需要最大的功率，但是它的G系数受金属切削率变化的影响较小。树脂砂轮更难以修整，尽管它们通常需要较小的功率并产生更好的表面光洁度。在树脂粘结砂轮内，粗砾砂轮比细砾砂轮更难修整。

砂轮直径。 直径为18.715英寸和16.58英寸的两个砂轮之间的比较结果表明较小的砂轮需要的功率更低，并且每切削金属单位的法向力也更低。但是，较大的砂轮在保持圆角半径和保持良好的G系数方面通常表现得更好，特别是在低材料切削率时。当砂轮变小时，它与工件的接触弧也变小，这种变化使总磨削力降低。

在较高的金属切削率时，较小的砂轮显示出稍高的G系数，这缘于砂轮与工件之间的接触面的变化。对于较高金属切削率情况下出现的较大力，较大砂轮使接触面积增大，导致磨削力更大，从而产生更大的砂轮磨损。

砂轮孔。孔隙是瓷化深进缓给砂轮内的小孔穴的网络，它决定砂轮在磨削加工期间传输冷却液和冲洗金属切屑的能力。孔隙是由于在加工过程期间添加特殊的致孔材料而造成的。孔隙在磨削期间对于砂轮的性能产生重大影响。

由细孔构成的砂轮比大孔构成的砂轮性能更好。因为它们更小，所以细孔产生一个“更容易渗透的” （更易于液体流过）孔隙互连网络，因为孔更紧密地聚集在一起。这样的孔结构像一块海绵一样发挥作用，促进冷却液的分配和切屑的流动。而具有大尺寸、大间距孔隙的砂轮在磨削期间更加阻碍冷却液和金属切屑的流动，因为这些孔较难渗透。若缺乏足够的渗透性，就会发生冷却液的“热流”或“核沸腾”现象，致使磨削区变干切屑无处可走。这种情况最终冶金损伤工件并破坏了工件的几何特征。

砂轮修整。修整对于深进缓给磨削很重要，因为它使砂轮处在一种开放的自有切削状态下。对于值得投资成本的操作，金刚石整形辊应该成为磨削加工的一部分。金刚石整形辊的类型和使用它的方式对于深进缓给磨削加工的质量和效率有着重大的影响。

通常，含有较细金刚石微粒的修整辊似乎能带来深进缓给砂轮的最好性能。在修整氧化铝砂轮的试验中，30/40目的金刚辊比类似的20/30粒的修整辊产生更好的表面光洁度和更好的G系数。然而，用较细金刚石修整的砂轮使用稍多一点的功率。

修整辊内的金刚石浓度与功耗以及修整砂轮的其他方面之间具有直接的关系。用含有较高金刚石浓度的修整辊修整过的砂轮在切削时更锋利、更自由。同时，辊子的类型对于保持锐角转角的能力几乎没有影响，尽管较锋利的砂轮是由高浓度辊子造就的。

反向镀层修整辊通常具有高金刚石浓度和较细的微粒尺寸，这使得它们比粘结修整辊更高效。当与金属粘结辊相比时，反向镀层金刚石辊表现出较少的辊子磨损，并且经它们修整过的磨削砂轮显示降低了的磨削功率和较小的磨削力。由于其设计的本质特性，反向镀层金刚辊更经用且能够保持更紧密的几何特性和公差。

磨辊与未磨辊或研磨辊之间的比较显示砂轮性能截然不同。磨辊是指它的金刚石经过研磨或磨削以提供一个格外光滑的表面。磨辊修整器使砂轮更加坚硬 — 大三个硬度等级。和较硬的砂轮一样，用磨辊修整器修整过的砂轮需要更大的功率，具有更好的G系数。但是，这样更容易灼烧工件，表面光洁度也较差。较差的表面质量可能是由于为了达到希望的金属切削率需要使磨削力增加而引起的。

相比于烧结金刚石修整辊而言，镀层金刚辊修整器产生更锋利、更开放的氧化铝磨削砂轮。经镀层金刚辊修整过的瓷化砂轮使用较小的功率并具有较低的法向力。在试验中，G系数不受所选修整辊类型的影响。但是，表面光洁度明显变差，该结果缘于修整后砂轮的锋利磨削作用。更锋利的砂轮将以更高的金属切削率进行更自由的磨削。

金刚石辊旋转的有多快以及旋转的方向也对全面进刀修整应用中的深进缓给磨削有重要影响。在辊子和砂轮之间的接触点确定旋转的转速和方向（图5）。正速度比意味着辊子和砂轮在接触点同向前进。速度比为+0.85意味着金刚石辊的圆周速度是砂轮圆周速度的85％，且二者同向。这意味着砂轮表面以砂轮表面速度的15％通过金刚石辊表面。

图5：当全面进刀修整一个深进缓给砂轮时，使金刚石辊按正确的转向和合适
的速度旋转取决于砂轮的类型和希望的表面光洁度。

当应用于氧化铝砂轮时，根据其速度和转向，辊子修整器产生不同的结果。一般地，适于功耗和表面光洁度的最佳条件在+0.85到+0.5的速度比范围内。图6显示了针对不同等级金属切削率的转速和功耗的典型曲线图。注意不同切削率的功率曲线大致平行。典型地，当速度比从+0.85减小至+0.5时，功耗增加了20％；当速度比进一步减小时，功耗只稍微增大一点。当修整器以-0.85的速度比旋转时（在接触点的转向与砂轮的方向相反），砂轮变钝，该情况对工件造成热损伤。

图6：在该曲线图中，四条曲线代表在逐渐增高的
金属切削率条件下取得的结果。

当磨削力低时，修整力高，反之亦然。这是因为修整力与修整器的速度比有关。当进行非金刚石修整时，产生最高修整力，此时出现最低磨削力。当采用高修整器速度比时，需要一台刚性的高扭矩机动修整设备以产生足够的修整功率并尽量减小偏斜，它会导致砂轮不圆的情况。

不同速度比所引起的最大变化体现在表面光洁度上。随着速度比从+0.85减小至+0.2，表面光洁度通常得到改善。而当速度比从+0.2减小至-0.85，表面光洁度就变得不可预测，这可能是由于高磨削力的缘故。

“滚动”反向镀层辊子修整器改变它的性能。在滚动过程中减少粘结基质，以暴露更多的金刚石并得到这样一个砂轮，它具有更低的磨削力、更低的牵引功率和更佳的表面光洁度以及更好的形状保持能力。减少修整辊上的粘结基质使辊子得以使砂轮变得在作用时更锋利，切削时更冷却。结果得到更高的金属切削率并且不会使工件过热。

冷却液

研究者们精密地研究了冷却液，用到了图6所示的安排。通过一个喷嘴将每种耐磨的水溶性冷却油输送到砂轮/工件的交界面，喷嘴的设计使冷却液的流速与砂轮的圆周速度相匹配。这种冷却液输送方式确保冷却液渗透到磨削区。为了计算冷却液的速率，需要使用适当的转换，把冷却液泵的体积流量除以冷却液喷嘴口的面积。

正确地使用冷却液可能是深进缓给磨削中最重要的部分——喷嘴的设计和它的位置相当重要。喷嘴口必须具有一个均匀笔直的轮廓以消除湍流和充气，从而保证冷却液流畅、稳定地流动。喷嘴应该尽可能靠近磨削区，使液流直指砂轮与工件之间的接触面。最佳位置通常是偏离水平线7度处。

在评估两种不同的耐磨水溶性冷却油时，更高的冷却液浓度和更低的温度提高了性能。冷却液浓度的增加通过降低磨削力和功率要求，以及延长砂轮使用寿命，使磨削性能得到改善。但是，在这些试验中，表面光洁度似乎不受冷却液浓度的影响。

特别地，试验结果表明冷却液浓度的增加能够使功率减少20%到30%。当防锈剂混合液变成3%浓度的水溶性冷却油时，G系数的值改善了78%。当浓度变成5%时，G系数的值改善了100%到200%。

当使用防锈剂溶液时，在全部金属切削率条件下都发生工件过热现象，通过增加水溶性冷却油的浓度使该现象得到显著改善。使用5%浓度的冷却液时，试验中不出现过热现象。这些结果表明润滑能力是冷却液最重要的性质。冷却液消除热量的能力（导热性）产生的影响小得多。

而且，冷却液的温度减少7度，从32℃到25℃，致使金属切削率增加了30%。砂轮在更低的冷却液温度下切削更自由—而且这一变化在更高的工作台转速下甚至更明显。在更低温度下单位功耗也减少28%。同样地，更低的温度改善了表面光洁度并且产生最好的G系数。当工作在最高工作台速度或者金属切削率时，产生了所有形式的最惊人的改善。

使用研究结果

使用这些研究结果来改善深进缓给磨削加工能够从本质上减少成本，提高生产效率。也许最重要的整体经验就是把深进缓给磨削看作一个内部所有元素彼此相关的系统。理解变量如何影响彼此是指导我们处理平衡关系并达到最优结果的最佳指南。

关于作者：John Besse是位于马萨诸塞州伍斯特的Norton Abrasives的高级应用工程师。

（John Besse）

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