浸泡砂轮工艺及磨削机理

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1994.05.009 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t1994 浸泡砂轮工艺及磨削机理 赵景华 曲开宏 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要研究了碘化钾没泡刚玉系砂轮的磨削机理及最佳工艺，结果表明，采用碘化钾浸泡刚玉系 砂轮可减轻砂轮表面糊塞和粘屑现象，降低磨削温度，减小磨削力，改善磨削表面质量，该方法简 单易行，成本低， 关键词磨削，砂轮，高速工具钢/高钒高速钢 中图分类号TG580.11,TG580.6 The Research of Soaking Process of Grinding Wheels and Its Cutting Action Zhao Jinghua Qu Kaihong Mechanical Engineering College,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper describes the optimized soaking process and its cutting action ofthe wheels soaked in KI solution.By employing the soaked wheel,the pores cloging and chip sticking onthe surface of the wheel are greatly improved,which results in the lower cutting force and temperature and improved surface quality.Beseides the simple soaking process,it is also convenient and inexpensive. KEY WORDS gringing,abrasive wheel,high-speed tool steels/V-riched high-speed steels 目前国内外虽然针对高钒高速钢等难加工材料研制了大气孔强力磨削刚玉砂轮、错钕刚 玉砂轮及立方氮化硼砂轮等，但由于制造工艺复杂、价格昂贵，限制了其推广应用，为此本 文对浸泡法改善砂轮磨削性能进行了系统的试验研究. 刚玉系砂轮应用普遍，浸泡法工艺简单、成本低，为该方法推广应用带来有利条件. 本研究采用碘化钾溶液浸泡砂轮，从理论上深入分析了浸泡处理后的砂轮磨削机理.研究表 明，用浸泡法改善砂轮磨削机理是有效的，具有推广价值. 1试验条件 1994-02-23收稿第一作者女56岁副教授

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州年 月 扭 巧 望玛 浸泡砂轮工 艺及磨削机理 赵景 华 曲开 宏 北 京科技大学机械工 程 学 院 ， 北 京 摘要 研究 了碘化钾浸泡 刚玉 系砂轮 的磨削机理及最佳工 艺 结果表 明 ， 采用碘化钾浸泡 刚玉系 砂轮可减轻砂轮表面糊塞和粘屑 现象 ， 降低磨削温度 ， 减小磨削力 ， 改善磨 削表面质量 ， 该方法简 单易行 ， 成本低 关键词 磨 削 ， 砂轮 ， 高速工具钢 高钒高速钢 中图分类号 ， 石 五 岛 认飞 恤 拍司 叼 肠 卿 ， ， 倒 ， 比 谊血 岛 卫 ， 代么 】 ， 心 毗 山忱示 心 五 加 粼 ， 曰山 ， ， 一 仪沮 让兄 爪 一 巧 一 伐沮 仪纪 目前 国 内外 虽 然 针 对高钒高速钢等难加工 材料研制 了大气孔 强力磨 削 刚玉砂 轮 、 错钦 刚 玉砂 轮及 立 方 氮化硼 砂轮等 ， 但 由于 制 造 工 艺 复 杂 、 价 格 昂 贵 ， 限 制 了 其 推 广 应 用 为 此 本 文 对浸泡法 改 善砂 轮磨 削性 能进行 了系 统 的试验研究 刚玉 系砂 轮应用普遍 ， 浸 泡法 工 艺 简 单 、 成 本 低 ， 为 该 方 法 推 广 应 用 带 来 有 利 条 件 本研究采用碘化钾 溶 液浸 泡砂轮 ，从理论上深人分析 了浸泡处理后 的砂 轮 磨 削 机理 研究表 明 ， 用浸泡法 改善砂 轮磨 削机理是 有 效 的 ， 具有 推广价值 试验条件 卯 一 肚 一 收稿 第一作者 女 岁 副教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．05．009

Vol.16 No.5 赵景华等：浸泡砂轮工艺及磨削机理 .447. 试验材料选用W12Mo3Cr4V3N(简称V3),其机械性能为：硬度HRc68~69.5;强 c=2000~3000MPa;冲击韧性a,=15J/cm2, 砂轮浸泡处理的方法有很多种，！，本文采用自然浸泡法，该方法的优点是不需要特殊 设备，可就地取材，而且操作简便，在浸泡前首先检验砂轮是否有碰伤、裂纹等缺陷，并用 压缩空气吹掉砂轮表面的游离磨粒及粉尘等杂物，砂轮处理的最佳药液浓度及处理工艺采用 回归正交设计法确定.用不同浓度的碘化钾(K)溶液及不同工艺方法对砂轮进行浸泡处 理.浸泡过的砂轮经烘干后使用， 砂轮型号：GB46ZR,A6BW150×20×32.试验选用3种不同处理方式的砂轮：1号砂 轮一未经处理；2号砂轮一处理工艺合理；3号砂轮一处理工艺不合理，磨削用量：磨削速 度v=18.4m/s;磨削深度a。=0.01~0.02mm;未加切削液. 2试验结果与分析 砂轮在磨削过程中依靠工作面上的磨粒棱边，从工件上切除金属薄层使其变为切屑，砂轮中 的气孔起容纳切屑和冷却的作用，因此，保持砂轮工作时气孔不糊塞是减少磨削热的产生和 传出，避免工件烧伤和阻止微裂纹产生的重要条件， 用扫描电镜观测使用后的砂轮发现，未处理砂轮糊塞面积约占总面积的70%以上；而处 理后的砂轮糊塞面积约占总面积的20%左右，这表明处理后砂轮表面糊塞状况已有明显改善， 此外，沿砂轮圆周表面切取相同厚度的材料（含磨粒、结合剂和切屑），采用钽试剂一三 氯甲烷萃取吸光光度法测定其中的含钒量.对样品与标准系列分析比较后，在紫外/可见分 光光度计上测量吸光度，通过计算求得各样品中钒的含量.测试结果表明，未经处理的1号 砂轮表面粘附物中，钒的比例比经处理的2号砂轮高5倍左右（见表1）；3号砂轮由于处理 工艺不合理，所以钒含量高.这说明只要砂轮处理工艺合理，表面粘屑和糊塞现象就能明显 诚轻，同时也表明，造成砂轮表面粘屑及糊塞的重要原因是高速钢中含钒量偏高. 砂轮经碘化钾溶液处理后磨削高钒高速钢时，其表面糊塞现象减轻的机理是：砂轮磨粒材 料是六方晶型的三氧化二铝，由于铝被带负电的氧所包围，分子呈负电性.当带正电荷的钾 离子出现，两者很快结合，在砂轮表面形成阳离子吸附膜.该吸附膜能阻止切屑粘附于砂轮 表面，避免砂轮气孔严重糊塞，并能改善磨粒与工件、磨粒与切屑之间的摩擦状态，减少由 摩擦产生的热量.图1所示为采用热电偶法测出的磨削区平均温度随时间变化的规律.从图中 可见，经浸泡后的2号砂轮磨削温度低于未浸泡处理的1号砂轮，而且温度变化较平稳；3号 磨削温度曲线则与1号砂轮相近，温度略有增高，这是由于3号砂轮的浸泡液中碘化钾浓度过 高，处理工艺不合理，溶液浓度过高，使砂轮表面沉积过量的碘化钾，一方面使砂轮气孔缩 小，容屑空间变窄，切屑排出不畅，散热条件恶化：另一方面，当磨削温度至681℃（碘化钾的 熔点)以上时，在磨粒表面形成液态碘化钾，使砂轮表面的粘屑或糊塞现象加重，磨削温度升 高.因此，合理选择溶液的配方及处理工艺是降低磨削温度的关键. 观察试件的磨削表面还发现，在相同试验条件下，1号砂轮磨削的试件表面有严重的烧 伤现象.维氏硬度测量结果表明，试件表面在磨削前的平均硬度是HV940,磨削后降至HV

赵景华等 浸泡砂轮工 艺及磨削机理 · 科 试验材料 选 用 简 称 哟 ， 其机 械 性 能 为 硬 度 一 强 。 一 冲击韧性 砂轮浸泡处理 的方法 有很多种， 刁 ， 本 文采 用 自然 浸 泡 法 ， 该方 法 的优点是 不 需 要 特 殊 设备 ， 可就地取材 ， 而 且操作 简便 在浸 泡前首先检验砂 轮是 否 有 碰 伤 、 裂 纹等缺 陷 ， 并用 压缩空 气 吹掉砂轮表 面 的游 离磨粒及 粉尘 等 杂物 砂 轮处理 的最佳药 液浓度 及处理 工 艺 采用 回 归 正 交 设 计 法 确 定 用 不 同浓 度 的 碘 化 钾 溶 液 及 不 同工 艺 方 法 对砂 轮 进 行 浸 泡 处 理 浸泡 过 的砂轮 经烘 干后 使 用 砂 轮 型 号 ， 犯 试 验 选 用 种 不 同处理 方 式 的砂轮 号砂 轮 一 未经处理 号砂 轮 一 处理工 艺合理 号砂轮 一 处理工 艺 不 合 理 磨 削 用 量 磨 削 速 度 。 一 坷 磨 削 深度 犷 一 未加切 削液 试验结果 与分析 砂轮在磨削过程 中依靠工作面上 的磨粒棱边 ， 从工件上切 除金属薄层使其变为切屑 ， 砂轮 中 的气孔 起容 纳 切 屑 和 冷却 的作 用 因此 ， 保持 砂 轮工 作 时气孔 不糊 塞是 减 少磨 削热 的产 生 和 传 出 、 避 免工件烧伤和 阻止 微裂 纹产 生 的重要 条件 用 扫描 电镜观测 使用 后 的砂轮 发 现 ， 未处理 砂 轮糊 塞 面积约 占总面积 的 以 上 而处 理后 的砂 轮糊 塞 面积 约 占总 面 积 的 左右 ， 这表 明处理后 砂轮表 面糊 塞状况 已 有 明显改善 此外 ， 沿砂轮 圆周 表 面切取相 同厚度 的材料 含磨粒 、 结合剂和切 屑 ， 采 用 钮 试 剂 一 三 氯 甲烷萃取 吸光光度 法 测 定其 中的含钒量 对样 品 与标 准 系列分 析 比较 后 ， 在 紫 外 可 见 分 光光度计上 测量 吸光度 ， 通 过计算求得 各样 品 中钒 的含量 测 试结 果 表 明 ， 未 经 处理 的 号 砂 轮表 面粘 附物 中 ， 钒 的 比例 比经处理 的 号砂 轮高 倍左 右 见 表 号 砂 轮 由于 处理 工 艺 不合理 ， 所 以 钒含量 高 这说 明只 要 砂 轮处理 工 艺合理 ， 表 面粘 屑 和糊 塞现象就 能 明显 减 轻 ， 同时也 表 明 ， 造成砂 轮表 面粘 屑及 糊 塞 的重要 原 因是 高速 钢 中含钒量 偏 高 砂 轮 经碘化钾 溶液处理 后 磨 削高钒 高速 钢 时 ， 其表 面糊 塞现象减 轻 的机理 是 砂轮磨粒材 料 是 六方 晶型 的三 氧化二 铝 由于 铝被 带 负 电 的 氧 所 包 围 ， 分 子 呈 负 电性 当带正 电荷 的 钾 离子 出现 ， 两者很快结 合 ， 在 砂 轮表 面形 成 阳离子 吸附膜 该 吸 附膜能 阻止切 屑粘 附于 砂轮 表 面 ， 避 免砂 轮气孔严重糊 塞 ， 并 能改 善磨粒 与工件 、 磨粒 与切 屑 之 间 的摩 擦 状 态 ， 减 少 由 摩擦产生 的热量 图 所示 为采用 热 电偶法 测 出的磨 削 区 平均 温 度 随时 间变化 的规律 从 图中 可见 ， 经浸泡 后 的 号砂 轮磨 削温 度低 于 未浸 泡处理 的 号 砂 轮 ， 而 且 温 度 变 化 较 平 稳 号 磨 削温度 曲线则 与 号砂轮 相 近 ， 温度 略有 增 高 这是 由于 号砂 轮 的浸 泡 液 中碘化钾 浓 度过 高 ， 处 理 工 艺 不 合 理 溶 液 浓 度 过 高 ， 使 砂 轮 表 面 沉 积 过 量 的 碘 化 钾 ， 一 方 面 使 砂 轮 气 孔 缩 小 ， 容 屑 空 间变 窄 ， 切 屑 排 出不 畅 ， 散热条件恶 化 另 一 方 面 ， 当磨 削 温 度 至 ℃ 碘 化 钾 的 熔点 以 上 时 ， 在磨粒表面形成 液态碘 化钾 ， 使砂 轮表 面 的粘 屑 或糊 塞 现象加重 ， 磨 削温度 升 高 因此 ， 合理 选 择溶液 的配 方及 处理 工 艺 是 降低磨 削温 度 的关 键 观察试件 的磨削表 面还 发现 ， 在相 同试验 条件下 ， 号砂 轮磨 削 的试件表 面 有 严 重 的烧 伤现象 维 氏硬 度测 量 结果 表 明 ， 试件表 面在磨 削前 的平 均 硬度是 ， 磨 削后 降至

…448. 北京科技大学学报 1994年No.5 表1粘附于砂轮表面的钒量 Table 1 Vanadium content sticking on the surface of grinding wheels 砂轮号 砂轮材料+磨屑 含V量 V占的比例 g /mg 1% 1 0.6204 0.088 0.00142 2 8.7607 0.525 0.00029 3 0.6210 0.898 0.00144 1000m 300 0200 800 品 100 600 F 0 0 4 81218 20 磨削时间/min 200 1#砂轮 2#砂轮 图1磨削区平均温度 图21号砂轮和2号砂轮磨削力比较 Fig.I The average temperature of grinding area Fig.2 Comparison of forces of No.1 and No.2 898;2号砂轮磨削的试件表面未见烧伤现象，磨削前后的硬度值基本不变，平均为HV935 由透射电镜观察结果知，2号砂轮磨削的试件表面没有微裂纹， 磨粒在磨削过程对工件表面具有滑擦、耕犁和切削3种作用.其中滑擦、耕犁在磨削中 所消耗的能量所占比例最大.当砂轮表面上分布的磨粒较钝，切削深度过小，则滑擦、耕犁 作用增加，磨削力随之加大，试验结果表明，未浸泡处理的】号砂轮由于切屑的粘附及砂轮 表面的糊塞使磨粒变钝，伸出长度相对减小，切削作用的比例相应降低，使切削力增大，图2 表示两种处理状态下的砂轮的磨削力. 切屑形状在一定程度上反映磨粒在磨削过程中的作用.磨粒锋利或凸出，可获得 较大的切削厚度，形成带状切屑或挤裂切屑；磨粒较钝或凸出小，则不形成切屑，或形成切屑 灰烬，有时也形成挤裂切屑，用未经处理的1号砂轮进行磨削时，切削形状部分呈挤裂切屑 ,还有熔融形切屑及切屑灰烬.图3为采用合理处理工艺的2号吵轮磨削时的切屑形状，大 部分呈带状切屑，少部分为挤裂和熔融切屑， 粗糙度测量结果表明，未经处理的1号砂轮磨削的工件表面粗糙度较大，而且，沿整个 表面分布不均，最大轮廓算术平均偏差R=0.310m,最小R=0.257m.而采用处理过的砂

科 北 京 科 技 大 学 学 报 塑 年 表 粘附于砂轮表面的钒且 决 田扮曲朋 。 圈血斌 成吮肠 毛 阅 翻 ，『血仪 颤诫吧 侧比出 砂轮号 砂轮材料 磨屑 含 量 占的 比例 八 印 名 侧刃 只︸犯脚之。 口 显锄侧四︸ 少 磨削时间 而 … 二 一 砂 轮 砂轮 图 磨 削区 平 均 温度 图 号砂轮和 号砂轮磨削力 比较 珑 、 嗯 枉” 扣加 弓 珑 佣 声 义旧 茂男 回 号砂 轮磨 削 的试 件表 面未 见烧 伤现象 ， 磨 削前 后 的硬度 值基本不 变 ， 平 均 为 由透射 电镜观 察结果 知 ， 号 砂 轮磨 削 的试件表 面没有 微裂 纹 磨粒在磨 削过程 对工 件 表 面具 有 滑擦 、 耕 犁和切 削 种作 用 其 中滑擦 、 耕 犁在磨削中 所 消耗 的能量 所 占 比例 最大 当砂 轮表 面上分布 的磨粒较钝 ， 切 削深 度 过 小 ， 则 滑 擦 、 耕 犁 作用 增 加 ， 磨 削力 随之 加大 试验结果表 明 ， 未 浸泡 处理 的 号砂轮 由于 切 屑 的粘 附及 砂 轮 表 面 的糊 塞 使磨粒变钝 ， 伸 出长度 相 对减小 ， 切 削作用 的 比例相 应 降低 ， 使切削力增大 图 表示 两 种处理 状 态下 的砂 轮 的磨 削力 切 屑 形 状 在 一 定 程 度 上 反 映 磨 粒 在 磨 削 过 程 中 的 作 用 磨 粒 锋 利 或 凸 出 ， 可 获 得 较大 的切 削 厚度 ， 形 成 带状切 屑 或挤裂 切 屑 磨 粒 较 钝 或 凸 出小 ， 则 不 形 成 切 屑 ， 或 形 成 切 屑 灰烬 ， 有 时也形 成挤裂切 屑 用 未 经处理 的 号砂 轮进行磨 削 时 ， 切 削 形 状 部 分呈 挤 裂 切 屑 ， 还 有 熔 融 形 切 屑 及 切 屑 灰 烬 图 为 采 用 合 理处理 工 艺 的 号 吵轮磨 削 时 的切 屑形 状 ， 大 部分呈 带状 切 屑 ， 少部 分 为挤裂 和 熔融 切 屑 粗糙度测 量 结果表 明 ， 未 经处理 的 号 砂 轮磨 削 的工 件表 面粗糙度较大 ， 而且 ， 沿整 个 表 面分 布不 均 ， 最大 轮廓算术 平均偏 差 尺 娜 ， 最小 风 娜 而采用处理过的砂

科 北 京 科 技 大 学 学 报 塑 年 表 粘附于砂轮表面的钒且 决 田扮曲朋 。 圈血斌 成吮肠 毛 阅 翻 ，『血仪 颤诫吧 侧比出 砂轮号 砂轮材料 磨屑 含 量 占的 比例 八 印 名 侧刃 只︸犯脚之。 口 显锄侧四︸ 少 磨削时间 而 … 二 一 砂 轮 砂轮 图 磨 削区 平 均 温度 图 号砂轮和 号砂轮磨削力 比较 珑 、 嗯 枉” 扣加 弓 珑 佣 声 义旧 茂男 回 号砂 轮磨 削 的试 件表 面未 见烧 伤现象 ， 磨 削前 后 的硬度 值基本不 变 ， 平 均 为 由透射 电镜观 察结果 知 ， 号 砂 轮磨 削 的试件表 面没有 微裂 纹 磨粒在磨 削过程 对工 件 表 面具 有 滑擦 、 耕 犁和切 削 种作 用 其 中滑擦 、 耕 犁在磨削中 所 消耗 的能量 所 占 比例 最大 当砂 轮表 面上分布 的磨粒较钝 ， 切 削深 度 过 小 ， 则 滑 擦 、 耕 犁 作用 增 加 ， 磨 削力 随之 加大 试验结果表 明 ， 未 浸泡 处理 的 号砂轮 由于 切 屑 的粘 附及 砂 轮 表 面 的糊 塞 使磨粒变钝 ， 伸 出长度 相 对减小 ， 切 削作用 的 比例相 应 降低 ， 使切削力增大 图 表示 两 种处理 状 态下 的砂 轮 的磨 削力 切 屑 形 状 在 一 定 程 度 上 反 映 磨 粒 在 磨 削 过 程 中 的 作 用 磨 粒 锋 利 或 凸 出 ， 可 获 得 较大 的切 削 厚度 ， 形 成 带状切 屑 或挤裂 切 屑 磨 粒 较 钝 或 凸 出小 ， 则 不 形 成 切 屑 ， 或 形 成 切 屑 灰烬 ， 有 时也形 成挤裂切 屑 用 未 经处理 的 号砂 轮进行磨 削 时 ， 切 削 形 状 部 分呈 挤 裂 切 屑 ， 还 有 熔 融 形 切 屑 及 切 屑 灰 烬 图 为 采 用 合 理处理 工 艺 的 号 吵轮磨 削 时 的切 屑形 状 ， 大 部分呈 带状 切 屑 ， 少部 分 为挤裂 和 熔融 切 屑 粗糙度测 量 结果表 明 ， 未 经处理 的 号 砂 轮磨 削 的工 件表 面粗糙度较大 ， 而且 ， 沿整 个 表 面分 布不 均 ， 最大 轮廓算术 平均偏 差 尺 娜 ， 最小 风 娜 而采用处理过的砂