磨料性能及工艺参数对金属材料表面加工性能影响分析

李演楷，庞 磊，张振威

（洛阳双瑞金属复合材料有限公司，河南 洛阳 471003）

金属材料加工过程中因不同的工艺要求，需进行表面打磨、抛光除锈或者提高表面加工质量以及光洁度。常规的金属表面加工方式有以下几种：表面磨削，酸洗工艺处理，表面喷砂处理等方式。目前在先进加工制造业中采用激光除锈等作业方式完成金属表面除锈。喷砂作业由于加工局限性以及难以满足工艺要求且环境粉尘污染较大，难以实现材料的高精度，高质量加工要求；激光表面加工除锈方式由于投入成本较高且不能完全满足工艺处理要求，具有一定的使用局限性。

正确选择磨料特性参数的依据就是研究和掌握磨料对磨削性能的影响机理。磨料对工件的作用微观上表现为切削，其影响因素较多，没有特定的规律。

论文主要介绍不同的磨料对普通碳钢板，高强度碳钢板，热处理后的不锈钢复合板，钛钢复合板表面磨削作业机理。通过试验研究确定不同的金属材料所适用的磨料种类，磨料性能参数，工艺参数，确定最优的磨削工艺。

1 常用磨料种类及其性能参数

磨料的种类很多，并且具有各种形状和尺寸，结构一般为砂轮，千叶轮，砂带等。由于砂轮的磨料、结合剂材料以及砂轮的制造工艺不同，各种砂轮就具有不同的工作性能。其主要由磨料本身、粒度、硬度等参数所决定。

（1）磨料种类。常用的为棕刚玉（A）和白刚玉（WA），其次是黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），其余常用的还有铬刚玉（PA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、锆刚玉（ZA）。棕刚玉砂轮：棕刚玉的硬度高，韧性大，适宜磨削抗拉强度较高的金属，黑碳化硅砂轮：黑碳化硅性脆而锋利，硬度比白刚玉高，适于磨削机械强度较低的材料，如铸铁、钛及钛合金材料、铝等材料。

（2）粒度/目数。粒度是指磨料颗粒大小，磨料颗粒大小通常分为磨粒和微粉两大类。粒度的选择主要取决于被磨削工件的表面粗糙度和磨削效率。用粗粒度砂轮磨削时，生产效率高，磨出的工件表面较粗糙；用细粒度砂轮磨削时，磨出的工件表面粗糙度较好，而生产率较低。

（3）磨料的硬度。硬度的选择主要取决于被磨削的工件材料、磨削效率和加工表面质量。硬度是指外力作用下磨粒脱落的难易程度，为了适应不同工件材料磨加工的要求，制造磨具时分成不同硬度的等级。砂轮选得过硬，磨钝的磨粒不易脱落，砂轮易堵塞，磨削热增加，工件易烧伤，磨削效率低，影响工件表面质量；砂轮选得过软，磨粒还在锋利时就脱落，增加了砂轮损耗，易失去正确的几何形状，影响工件精度。

2 不同磨料对金属材料加工试验

2.1 普通碳钢表面加工试验

图1 Q235材料碳化硅加工试验

图2 316L棕刚玉加工试验

分别采用60#棕刚玉，碳化硅千叶轮，以及白刚玉砂轮进行试验。普通白刚玉砂轮最适合Q235B正火板，热轧板等粗加工，去除量较大，且磨削热量小，无烧伤等现象发生。

2.2 退火不锈钢表面加工试验

不锈钢材料韧性大，热强度高，导热系数小。磨削时磨料选择不当可能存在粘附，材料表面烧伤等现象。试验分别采用46#棕刚玉，碳化硅千叶轮进行试验。通过试验可以得出棕刚玉千叶轮加工性能良好，磨削均匀，板材表面无烧伤，无粘附现象发生。

2.3 热轧钛板表面加工试验

图3 TA1 碳化硅加工试验

钛系列金属材料本身具有良好的防腐作用。钛板材在高温热轧后表面会出现一层黑色的氧化层。试验采用46#棕刚玉及碳化硅千叶轮。钛板材加工时，形成钛粉剧烈燃烧，产生大量的火星以及热量。

3 不同参数对金属材料加工试验

图4 粗糙度于磨料目数关系

图5 压力对加工效率影响

分别采用30#，40#，54#，60#，70#，80#碳化硅千叶轮对热轧钛板进行试验。对表面加工粗糙度进行测量得出数据如下图所示。随着目数增大，加工粗糙度越低，当目数大于60#时，表面较光滑，粗糙度较小趋于稳定，最高可超过0.8Ra。

（1）压力对磨削效率的影响。试验利用平面抛磨设备，碳化硅千叶轮宽度为100mm,转速设定为20米/秒。压力分别为5Kg,10Kg，15Kg,20Kg等。通过试验测出不同压力下，磨料加工效率。随着千叶轮压力不断增加，磨削效率随之增加，超过30Kg时加工效率最高，压力继续增大，超过磨料允许压力时效率有所下降，且磨料的使用寿命显著降低。

（2）转速对磨削效率的影响。试验利用平面抛磨设备，在20Kg压力下，分别测定15米/秒，25米/秒时的加工效率。25米/秒时效率远高于15米/秒。转速太高时，工件极易被烧伤，且千叶轮离心力增加，磨料以及附属装置极易损坏。

4 结论

（1）磨料种类，目数，硬度等特性参数对磨削性能有着重要的影响，不同金属材料选用合适的磨料，才能达到最优的使用效果以及较高的寿命。

（2）磨料压力，转速等工艺参数对加工效率，表面质量，磨料寿命以及安全性，具有较大影响。

（3）不同金属材料及表面性能，磨料、性能参数，工艺参数之间具有一定的关系，确定最佳的匹配性，才能达到最优的加工性能以及最低的加工成本。