砂轮寿命、表面形貌、磨损及修整

砂轮磨损
㈡砂轮磨损的特征 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， 以以往大量研究表明规律如图
初期磨损阶段：砂轮磨损主要是磨粒的破损和整体脱落。 砂轮刚刚修整过，砂轮工作表明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，松动的磨粒会 整体脱落。 砂轮磨损 正常磨损阶段：受力作用还有一些磨粒破碎，主要的是 磨粒经受长时间磨削而使磨粒切刃钝化，即磨耗磨损。 急剧磨损阶段：由于磨粒进一步钝化，作用在磨粒上的 力急剧增大，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎以及 整个磨粒脱落。此时砂轮不能正常工作，一般砂轮在到 达该阶段之前就需要重新修整。
④光电自动测量法
⑤激光功率谱方法
通过检测砂轮工作面 的功率谱就可以确定 可实现磨削过程中砂轮工作表面磨 磨粒切刃数、 磨粒切刃数、磨粒棱 损状态的在线检测，检测结果经过 面磨耗宽、 面磨耗宽、磨耗面积 数据处理，可以获得有关砂轮形貌 及磨耗磨粒的分布状 的特征参数。 态。
可清晰观察到磨粒磨损面的微观 形貌。 两个显微镜，一个用于观测磨粒 表面，另一个瞄准砂轮主轴带轮 ⑥电镜观察法 外圆上的刻度，用于确定磨粒的 位置。 砂轮修整后磨粒表面存在微小的、 高低不平的破碎缺陷，其量与磨 损相比是非常大的，故出现整个 缺陷的地方则失掉了切刃，造成 有切刃的地方加速磨损，整个切 刃全部磨损后失掉磨削能力，即 达到寿命极限。
③磨粒间距 右图为磨削硅片时磨 粒平均间距随砂轮切入深 度变化趋势。切深较小时， 砂轮表面形貌评价 磨粒平均间距随着砂轮切 深的增加而迅速减小，而 后减小趋势减缓。
㈠磨损的形态与原因 ⑴磨损的形态 砂轮磨损分磨耗磨损和破碎磨损两种形式。A代 三、砂轮磨损 表磨耗磨损，B和C代表了破碎磨损情况，D代 表磨粒的脱落。
③黏附磨损的特征 磨削钛合金和不锈钢等难磨材料时，砂轮会发 生黏附磨损，砂轮的黏附分为小面积和大面积 黏附。黏附造成砂轮磨损的一个原因是磨粒随 砂轮磨损 着黏附团一起脱落。另一个原因是随着黏附团 的脱落，砂轮在黏附团附近的磨粒受到损伤， 这些损伤的磨粒比较容易脱落，其脱落取决于 每颗磨粒磨削力的大小。
圆锥形触针可获得砂轮某 一剖面内磨削前后的实际 轮廓。记录的部分廓形可 能是由磨粒侧面描划出来 的虽有凸峰形貌但并非真 触针法 实磨粒切刃，故获得的单 位长度上的切刃数大于实 际切刃数。刀口形触针可 获得刀口宽度范围内的综 合廓形。刀口形触针与高 触针法可获得砂轮工作面磨削 前后形貌的廓形， 刃接触，所检测的磨粒切 前后形貌的廓形，可检测出磨 刃密度将小于实际密度。 粒切刃的磨损形状及磨刃分布 以及容屑空间等， 以及容屑空间等，但不能识别 磨粒、结合剂及堵塞物。 磨粒、结合剂及堵塞物。
砂轮寿命、表面形貌、磨损及修整
在磨削过程中，由于砂轮本身的磨损，不断地 改变着砂轮工作面的状态。随着磨削时间的延 长，砂轮的切削能力下降，各种磨削缺陷不断 一、砂轮寿命 出现，使磨削加工不能继续进行。此时，必须 修整砂轮，恢复正常磨削状态。砂轮在两次修 整之间的实际磨削时间称为砂轮的寿命。砂轮 的寿命是影响磨削加工效果的重要因素，特别 是对于成型磨削尤为重要。
⑶脱落型 脱落易发生在砂轮硬度过软的场合，即当 砂轮硬度过低或磨削条件过重的时候，自锐效 应非常强烈，使砂轮失去正常的几何形状，从 砂轮寿命终结的形式 而使砂轮不能正常工作。此时砂轮仍能继续工 作，但砂轮表面的几何精度和粗糙度已丧失， 因此必须恢复砂轮表面的正确形态。
砂轮表面上磨粒的分布， 每个磨粒的几何形状，特别 是每个磨粒显露出来的切削 刃以及这些切削刃所处的高 二、砂轮表面形貌 度等，构成了砂轮的表面形 貌。 磨粒有效切刃间距λs和 磨粒切刃尖端距砂轮表面距 离Zs都不一定相等，切削过 程中有的切刃是有效的，有 的是无效的，即有效磨粒切 削刃和无效磨粒切削刃。
⑵磨损的原因 ①磨耗磨损 工件中高硬度的质点会使磨粒发生机械磨 损。某些难磨材料磨削时，这种磨粒磨损的现象非常严 重。 砂轮磨损 ②氧化磨损 空气中的氧化对磨削起促进作用。在真空 中进行的磨削实验，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 空气中的氧使工件新生成的表面迅速氧化，形成一层氧 化膜，减少了磨屑黏着的可能性，对于某些磨料，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。
①磨耗磨损的特征 磨耗磨损以砂轮表面上单位面积的磨粒磨损面积表示， 即用磨损面积率a%度量。随着磨削行程次数的增多，单 位砂轮面积的磨粒磨损平面面积逐渐增大。砂轮越硬， 磨粒磨损平面面积率越高。 砂轮磨损
②破碎磨损特征 砂轮的破碎磨损可以认为是磨粒破 碎及结合剂破碎之和。产生破碎磨 损时，磨耗磨损是微不足道的。结 砂轮磨损 合剂破碎占总磨损量的百分比称为 结合剂破碎百分数，与砂轮硬度等 级关系如图。硬砂轮的磨粒脱落较 难，磨粒脱落前已破碎，故硬砂轮 磨粒破碎所占比例增多。虽然磨耗 磨损所占比例很小，但它直接影响 磨削力，影响工件烧伤和磨削振动， 进而影响砂轮的破碎磨损。
⑤热应力破碎磨损 在磨削过程中，磨粒的工作表面在万分之几秒 的时间内升到1000~2000℃高温，又在磨削液 作用下激冷。这种冷热循环的频率与砂轮转速 砂轮磨损 相同。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甚至破碎。 热应力破碎主要取决于磨粒的热导率大小及磨 削冷却液性能好坏等。如热导率越小，磨粒表 面到内部的温度梯度越大，热应力越大，会使 磨粒受到冲击而开裂破碎。
③光截法
这是一种动态测量砂轮磨损的方法。该方法可以随时观测砂轮 工作面的变化规律，并能将所得数据通过记录仪记录后送计算 机进行处理，这样可以得到砂轮磨损的全过程。 从显微镜光源射出的光照 到具有一定转速的砂轮工 作面上， 作面上，只有被磨损的磨 粒表面才产生强的反射光， 粒表面才产生强的反射光， 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， 分的扩大像，穿过窄缝的 窗口， 窗口，便通过光电倍增管 得到对应的光电输出波形。 得到对应的光电输出波形。
检测方法很多，按检测状态不同，分为砂轮磨损 的静态检测和动态检测；按接触状态，分接触式 和非接触式检测；按检测参数不同，分直接检测 砂轮磨损的检测 和间接检测；按机床状态印法是在弹性支承辊 与砂轮之间放入复印纸与玻 璃板，一面缓慢转动砂轮， ①滚动复印法 一面移动复印纸与玻璃板， 则玻璃板上将复印出磨粒的 平面分布图。 采用锥形滚印法，可获得三 维空间的磨粒分布状态。
修整是对砂轮进行整形与修锐。对于普通 四、砂轮修整 磨料砂轮，整修与修锐可同时进行。对于超硬 磨料砂轮，整行和修锐一般可分为两个过程进 行。
1、修整方法与工具 主要由车削法、滚压法、 磨削法三种。 车削法是将修整工具视 ㈠普通磨料砂轮的修整 为车刀，被修砂轮视为工件， 对砂轮表面进行修整；滚压 法是将滚轮以一定压力与砂 轮接触，砂轮以其接触面间 的摩擦力带动滚轮旋转而进 行修整；磨削法修整是采用 磨料圆盘或金刚石滚轮仿效 磨削过程来修整砂轮。
可以对磨粒后面磨损面积 的变化加以测量。在入射 光线的正反射位置放一架 ⑦光反射法 显微摄影机，直接拍摄磨 粒磨损部分的图像。光亮 部分就是磨损小平面，可 以求出磨损平面的面积率。 也可以用来测量切削刃的 密度。
可以在线测量砂轮在磨削过程中的磨损、砂轮与工件的 接触以及砂轮的修整等过程。声发射现象是固体材料由 于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性波，简 称AE(Acoustic Emission).
将砂轮连同法兰盘一起 从磨床上取下安装在此 装置上。测量时，光源6 中的光线经过透镜和光 栅，以矩形光束照射于 砂轮表面，与圆柱砂轮 相截，形成矩形测定带， 此装置可测出磨削前后磨粒的形 测定带的长轴与砂轮轴 状，切刃分布和切刃密度等多项 线平行，观察用的显微 参数。连续检测砂轮圆周不同位 参数。 镜2与砂轮圆周相切，这 置的磨粒形状及数量， 样就能观察与拍摄磨粒 置的磨粒形状及数量，可以确定 磨粒形状的种类、 切刃的形态，磨粒切刃 磨粒形状的种类、组成及分布状 的轴向位置及长度尺寸 态。在磨削过程中定期的检测砂 可通过显微镜的目镜进 轮同一位置的磨粒形状及其变动 行测量。 情况，可以研究磨粒磨耗破碎、 情况，可以研究磨粒磨耗破碎、 脱落及新磨粒的出现等规律。 脱落及新磨粒的出现等规律。
⑧声发射监测法
AE传感器采用压电陶瓷材 AE传感器采用压电陶瓷材 采用两套， 料。采用两套，一套借助 夹具安装在砂轮修整器上， 夹具安装在砂轮修整器上， 用来检测修整砂轮过程中 AE信号 信号。 的AE信号。一套安装在磨 床工作台磁性吸盘上， 床工作台磁性吸盘上，用 来检测砂轮与工件的接触 状态和磨削过程。 状态和磨削过程。
类似于表面粗糙度的测 量。测量原理：在差动式电 感传感器前端安装金刚石触 针，测量中触针上下移动， ②触针法 使传感器中的电感产生相应 的变化，该变化量通过测微 电路被转变为电压变化信号 并进行放大与整流，最后输 入记录仪记录，即得到砂轮 磨损后的形貌轮廓。固定传 感器的基准套是浮动的，可 以排除砂轮偏心及表面波动 对触针读数的影响。
①磨粒出刃高度
低的出刃高度容易造成砂轮容屑空间不足， 使砂轮载荷增加，增大磨削力；磨粒出刃高度过 砂轮表面形貌评价 大，会增大磨粒的切削深度，造成较深的磨削损 伤，加剧砂轮磨损。
②静态有效磨粒数 砂轮切入深度从零 逐渐增大时，砂轮静态 有效磨粒数逐渐增加， 砂轮表面形貌评价 当增大到一定程度后， 其增加趋势逐渐变缓。
③扩散磨损 磨粒与被磨材料在磨削高温下接 触时，元素互相扩散，造成磨粒表层弱化而产 生磨损。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 砂轮磨损 扩散现象且扩散是相互的。 ④塑性磨损 在磨削高温作用下，磨粒也会因 塑性而变形。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。
砂轮修整工具很多，按几何形状及运动情况可分 为两大类： ①静止砂轮修整器 修整时不存在砂轮速度方向的运动，而只有垂直 普通磨料砂轮的修整 于砂轮表面的切入运动和平行于修整砂轮轮廓的 进给运动。如单颗金刚石修整笔和多粒金刚石修 整器。 ②运动砂轮修整器 修整时具有砂轮速度方向的运动。如金刚石滚轮 等。
判定砂轮寿命 ： 一般是根据砂轮工作面磨损后 所产生的各种现象，通过观察和测试进行的。 砂轮磨损后所产生的磨削现象主要有： 磨削过 砂轮寿命的判据 程产生自激振动、工件表面出现再生振纹； 磨 削噪音的增大；工件表面出现磨削烧伤； 磨削 力急剧增大或减小；磨削精度下降；磨削表面 粗糙度增大。
⑴磨耗磨损型 当磨粒发生严重磨耗磨损，在磨粒顶面出现明显的 磨损平面后，砂轮表面平坦光滑。此时切刃的磨损总面 积增大，摩擦加剧，切刃难以切入工件表面。但砂轮硬 砂轮寿命终结的形式 度偏高，致使磨粒不能及时产生破碎和脱落。若继续使 用，会使磨削力、磨削热显著增大，并出现明显的振动 和噪声，不能有效地切除材料，此时就必须对砂轮进行 修整。 这种磨耗磨损一般发生在磨粒硬度偏低、砂轮硬度 偏高和磨粒粒度过细以及工件材料的抗拉强度较高的情 况下。这是在普通磨削条件下加工一般钢材时砂轮寿命 结束的最常见原因。
⑵砂轮堵塞型 磨削加工时，砂轮表面附着大量切屑，称为砂轮堵 塞。分两类：一种为侵入型堵塞，即切屑钻入砂轮表面 的空隙中，在磨削钢材时容易出现这种形式的堵塞。一 砂轮寿命终结的形式 种为粘附型堵塞，切屑熔结在磨粒和结合剂表面上，把 磨粒切刃覆盖。在磨削非铁金属如钛合金、铜合金、镁 合金等延展性好熔点低的材料时会发生这种粘附型堵塞。 当砂轮堵塞到一定程度后，其切削能力明显下降，容易 出现明显的振动和噪声甚至发生烧伤现象。 砂轮堵塞形式和程度主要和工件材料的机械性能、 砂轮特性、磨削用量和切削液类型及供液方式有关。