磨削用量對(duì)磨削淬硬加工中兩側(cè)方向毛刺的影響*

熊金奎 劉菊東

（廈門(mén)市集美大學(xué)，福建 廈門(mén) 361021）

磨削淬硬加工是集磨削加工與表面淬火于一體的加工工藝，它可以替代感應(yīng)淬火等表面熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)磨削加工與熱處理的集成制造，減少工件的加工工序、熱處理設(shè)備及人員等的投入，減少資源與能源的消耗以及環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)磨削工藝的綠色性。因而在磨削加工與金屬材料表面改性領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景［1］。但是它在平面磨削淬硬加工中采用的是干磨削，磨削力大、磨削溫度高，形成的毛刺也將隨著磨削表面層的淬硬而硬化，從而增加了后續(xù)去除的難度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)切削毛刺的形成機(jī)理及抑制方法進(jìn)行了許多研究并取得了若干創(chuàng)新成果［2－8］，但鮮見(jiàn)對(duì)磨削淬硬加工中兩側(cè)方向毛刺的研究。因此，深入研究磨削淬硬加工中毛刺的形成機(jī)理及其變化的規(guī)律，尋找有效抑制或減小毛刺的途徑和方法，對(duì)提高磨削淬硬加工的技術(shù)水平和促進(jìn)磨削淬硬的工程應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)條件與測(cè)試方法

1．1 試驗(yàn)條件

試件材料采用熱軋退火態(tài)65Mn鋼，尺寸為100 mm×5 mm×15 mm。試件表面沿長(zhǎng)度（100 mm）方向磨削后，再用砂紙拋光，去掉毛刺。試驗(yàn)在M7130型臥軸矩臺(tái)平面磨床上進(jìn)行。采用的磨削工藝條件見(jiàn)表1。

1．2 測(cè)試方法

試件磨削淬硬加工后，沿試件切入方向分成20等分，用電火花線切割機(jī)將試件切割成5 mm×5 mm×5 mm的小試樣。經(jīng)金相鑲嵌機(jī)鑲嵌后研磨拋光，制成金相試樣。用DZ4型連續(xù)變焦視頻顯微鏡觀察宏觀形貌并測(cè)量毛刺尺寸。毛刺兩側(cè)尺寸的表示方法如圖1所示，其中H為毛刺高度，B為毛刺根部厚度，陰影部分為毛刺區(qū)域。毛刺尺寸的試驗(yàn)結(jié)果為3個(gè)重復(fù)試樣左、右兩側(cè)方向毛刺尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

表1 磨削工藝條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 平面磨削淬硬加工中兩側(cè)方向毛刺的主要形式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及毛刺的形狀，對(duì)毛刺進(jìn)行了系統(tǒng)的歸類、整理。本實(shí)驗(yàn)條件下平面磨削淬硬加工中兩側(cè)方向毛刺主要有2種形式，如圖2所示。

（1）Ⅰ型毛刺 毛刺斷面尺寸從根部到尾部快速縮小，呈三角態(tài)，如圖2a所示。主要出現(xiàn)在試件的切入端以及相鄰部位。

（2）Ⅱ型毛刺 毛刺斷面尺寸從根部到尾部緩慢減小，毛刺尾部向內(nèi)翻成卷曲狀，同時(shí)毛刺根部厚度比毛刺高度增長(zhǎng)快，如圖2b所示。主要出現(xiàn)在試件的切入端后。

2．2 試件長(zhǎng)度方向上兩側(cè)方向毛刺尺寸的變化

圖3為工件進(jìn)給速度vw=0.4 m/min時(shí)，在不同磨削深度ap下，試件長(zhǎng)度方向（磨削方向）兩側(cè)毛刺尺寸的變化趨勢(shì)。圖4為磨削深度ap=0.4 mm時(shí)，在不同工件進(jìn)給速度vw下，試件長(zhǎng)度方向兩側(cè)毛刺尺寸的變化趨勢(shì)。由圖3和圖4可見(jiàn)，從切入端到切出端，兩側(cè)方向毛刺尺寸逐漸增大。這是因?yàn)?磨削過(guò)程中，砂輪開(kāi)始切入工件時(shí)，由于磨床—試件—砂輪系統(tǒng)處于常溫態(tài)。同時(shí)砂輪剛修整過(guò)，比較鋒利、排屑性也較強(qiáng)，此時(shí)產(chǎn)生的磨屑大部分被及時(shí)排出［9－11］。在此狀況下，產(chǎn)生的毛刺尺寸較小。隨著磨削的進(jìn)行，磨粒逐漸被磨鈍和砂輪逐漸被磨屑堵塞，摩擦和擠壓程度逐漸加劇，磨削力逐漸增大，磨削溫度逐漸升高，砂輪的排屑性逐漸減弱，試件金屬材料在磨削溫度逐漸升高下塑性變形區(qū)域逐漸增大，由于砂輪切削性能逐漸降低，塑性變形材料在砂輪的擠壓作用下沿砂輪寬度方向橫向運(yùn)動(dòng)加劇，產(chǎn)生的毛刺尺寸逐漸增大。

2．3 磨削用量對(duì)磨削方向兩側(cè)毛刺最大尺寸的影響

圖5是磨削用量對(duì)磨削淬硬加工中最大毛刺尺寸的影響。由圖可見(jiàn)，隨著磨削深度ap的增大或工件進(jìn)給速度vw的減小，毛刺最大尺寸逐漸增大。這是因?yàn)?隨著磨削深度ap的增大，切削材料厚度增加，相應(yīng)的磨削力增大、磨削溫度增高，磨粒磨鈍和砂輪堵塞程度逐漸加劇，金屬擠壓程度加大，局部溫度進(jìn)一步升高，導(dǎo)致毛刺最大尺寸逐漸增大;而隨著工件進(jìn)給速度vw的減小，磨削加工時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，此時(shí)磨削力有所減小、磨削溫度相應(yīng)增高，但是磨削溫度對(duì)金屬塑性流動(dòng)性的影響大于磨削力對(duì)金屬的塑性流動(dòng)性的影響，因此最大毛刺尺寸逐漸增大。

3 抑制或減少兩側(cè)方向毛刺的方法

根據(jù)以上兩側(cè)方向毛刺尺寸變化規(guī)律的試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)幾點(diǎn)抑制或減少磨削淬硬加工中兩側(cè)方向毛刺的方法:

（1）權(quán)衡生產(chǎn)效益，盡量選用較小的磨削深度ap;

（2）根據(jù)表面加工要求，盡量選用較高的工件進(jìn)給速度vw。

綜上所述，研究毛刺變化規(guī)律是在磨削淬硬加工前提下進(jìn)行的，我們首先必須要保證淬硬層厚度的要求，在這個(gè)前提下，才有研究的價(jià)值。而淬硬層厚度和毛刺尺寸大小都和磨削溫度有關(guān)，而磨削速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度、材料性能、砂輪特性、加工環(huán)境等都會(huì)影響到磨削溫度。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)實(shí)際情況，統(tǒng)籌考慮淬硬層厚度和毛刺尺寸兩方面因素的影響，合理調(diào)整磨削參數(shù)，在保證淬硬層厚度要求下，有效抑制或減小毛刺尺寸。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）單程順磨磨削過(guò)程中，兩側(cè)方向毛刺主要有兩種形式:Ⅰ型毛刺、Ⅱ型毛刺。Ⅰ型毛刺主要出現(xiàn)在試件的切入端以及相鄰部位;Ⅱ型毛刺主要出現(xiàn)在試件的切入端后。

（2）由于砂輪磨損、堵塞等的影響，磨削淬硬件從切入端到切出端兩側(cè)方向毛刺逐漸增大。

（3）在本實(shí)驗(yàn)條件下，隨著磨削深度ap增大或工件進(jìn)給速度vw減小，兩側(cè)方向毛刺最大尺寸逐漸增大。

（4）在磨削淬硬加工中，根據(jù)實(shí)際情況，合理調(diào)整磨削工藝參數(shù)來(lái)抑制毛刺尺寸。

［1］潘忠峰，王貴成，張金煜，等．磨削淬硬層厚度的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)［J］．工具技術(shù)，2009，43（1）:20 －24．

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