深入解析研磨加工避免表面變質？

研磨加工是製造業中不可或缺的一環。作為一種表面加工技術，研磨不僅需要實現精確的形狀和尺寸，還需兼顧表面平滑度與表層性能的穩定性。然而，在研磨過程中，由於熱負荷和機械應力的影響，可能引發一系列問題，如加工變質、殘留應力、面粗度不佳等，這些問題直接影響零件的性能與壽命。

因此，本章深入了解研磨加工的核心問題，並提出有效的解決方案。

研磨的主要目標是獲得理想的加工面，而在研磨加工中主要面臨三大問題：

• 加工面的準確性：即加工面是否位於預定位置，涉及形狀和尺寸生成的過程。
• 加工面的平滑度：即表面粗糙度的控制，加工面外觀圓滑程度如何達到要求。
• 加工面表層的穩定性：即表層是否因研磨過程中的力學作用或熱負荷而發生變質。

※本章主要探討加工面表層的穩定性

研磨加工過程中的變質

研磨加工因其高溫、高速切削及摩擦作用，使工件表面承受比切削加工更為苛刻的變質，其深度長達數百μm。這些變質表現如下：

1. 加工硬化（機械性應力引起）：常見於退火材。
2. 焠火硬化（研磨熱引起）：常見於退火材，導致表面硬度增加，但也可能造成裂紋和脆性。
3. 回火軟化（研磨熱引起）：常見於焠火材，會使表面變軟，降低表面硬度。

上述的複合效應如硬度變化、熱應力、變態應力等將可能會使加工件出現殘留應力、使表面燒焦、研磨破裂等問題，下面我們將深度探討。

表面硬度變化的四種型態

表面硬度變化可以分為四種主要型態，這些型態通常與研磨過程中的切削力、切入量以及研磨熱的產生有關：

型態A：切削力不良的細磨

• 特徵：砂輪切削力不強，且處於細磨狀況，這時不容易發生磨屑，摩擦力學作用大於研磨熱。
• 變質：表面不會有顯著的熱影響，主要以機械應力為主，表面硬度變化較小。

型態B：切削力不良的中磨

• 特徵：切削力較差，切入量稍大，這使得研磨過程中產生一定的熱量。
• 變質：由於熱效應，表面可能會發生回火現象，這樣的熱效應會使表面硬度減少。

型態C：適當研磨

• 特徵：研磨過程中，由於高溫和摩擦作用，研磨熱導致的回火效果主導了表面變質。
• 變質：這樣的加工會導致表面硬度下降，並形成回火層，使表面變軟。

型態D：過大研磨熱

• 特徵：當研磨熱過高時，表面會形成再焠火層，這會導致表面硬度顯著變化。
• 變質：過度的熱量引發的再焠火層會使表面變硬，但同時可能造成脆性增加，並出現裂紋或其他損傷。

殘留應力的影響與改善

殘留應力的形成

研磨過程中，工件表面會因為高溫和強大的塑性變形而產生殘留應力。這些殘留應力是由研磨熱和磨削力共同作用下，在材料表層和內部積累而形成的，此殘留應力大到「不能不計」。

隨著研磨後的長時間變化，雖然應力會慢慢消失，但對工件的尺寸穩定性已造成影響，有礙製造精密零件。

殘留應力有甚麼影響?

• 高溫與塑性變形：在研磨過程中，工件表面會承受極高的溫度，這樣會引起材料的塑性變形，進而產生應力。
• 尺寸變化：隨著殘留應力的存在，工件在研磨後可能會出現尺寸變化，這會對精密零件的精度產生負面影響，尤其是在高要求的應用中。
• 時效破裂：當殘留應力過大時，可能會導致工件在後期使用中發生時效破裂，即材料在長時間內逐漸發生疲勞，最終導致破裂或脆性失效。

如何減少殘留應力呢?

1.選擇低殘留應力的研磨工藝：選擇合適的研磨條件和砂輪類型，並進行適當的修整，以降低加工過程中產生的殘留應力。

2.後處理方法：

• 深冷處理：將工件冷卻至極低的溫度，促使材料內部應力的釋放，從而減少殘留應力。
• 人工時效：通過將工件加熱到特定溫度，然後逐漸冷卻，促使材料內部的應力得以緩解。
• 退火處理：通過將工件加熱至高溫並緩慢冷卻，使材料內部的晶格結構重新排列，這樣有助於消除殘留應力，改善工件的機械性能。

研磨燒焦

是一種在研磨過程中，因為過高的磨削熱量(研磨面的溫度接近1000°C時)導致工件表面產生局部過熱，進而造成材料變質或表面燒焦的現象。燒焦通常表現在工件表面顏色的變化（如變暗、變黑）、表面硬度的降低、微裂紋的產生，甚至是材料的變形。這種現象不僅會影響工件的外觀，還會大大降低其機械性能。

研磨燒焦產生原因：

1. 過高的磨削熱量： 在研磨過程中，磨粒與工件表面之間的摩擦會產生大量熱量。如果這些熱量無法有效散去，會導致局部區域溫度過高，造成材料表面燒焦。尤其是在硬度較高的材料（如鋼、合金等）研磨時，這種情況更為常見。
2. 磨削速度過高： 過高的磨削速度會增加摩擦和熱量的產生，從而提高燒焦的風險。如果磨削過程過於激烈，材料無法有效散熱，便容易引發燒焦現象。
3. 進給量過低： 如果進給量過低，磨粒與工件表面的接觸時間會過長，產生的熱量積累無法及時散發，這樣就會導致過熱，從而造成燒焦。
4. 冷卻液不足或使用不當： 在研磨過程中，冷卻液的作用是降低工件的溫度，避免過多的熱量積聚。如果冷卻液不足、供應不均或選擇不當，會使得工件表面無法得到有效的冷卻，增加燒焦的風險。
5. 磨具磨損或鈍化： 當磨具變鈍或磨損過度時，其切削效果會減弱，無法有效去除材料，從而產生更多的摩擦熱，增加燒焦的機會。
6. 工件材料的特性： 某些材料（如硬化鋼、工具鋼、合金材料等）對熱敏感，容易在高溫下發生結構變化，甚至是燒焦。

研磨燒焦的影響：

1. 表面硬度降低： 研磨燒焦會導致材料表面的金屬結構變化，尤其是硬化層可能被破壞，導致表面硬度降低，這會影響工件的耐磨性和使用壽命。
2. 微裂紋與脆性增加： 由於燒焦區域材料結構的變化，會產生微裂紋，並使得材料的韌性下降，增加破裂或斷裂的風險。
3. 外觀問題： 燒焦通常會導致工件表面顏色變暗或發黑，這會影響工件的外觀質量，尤其在精密或高端產品中會對質量造成不良影響。
4. 尺寸精度影響： 因為燒焦可能伴隨著工件表面的變形或硬度變化，這會影響最終的尺寸精度和加工質量。

如何減少研磨燒焦的風險？

1. 合理控制磨削參數： 降低磨削速度、增加進給量或選擇較低的切削深度，有助於減少過多的熱量積聚，防止過熱。
2. 加強冷卻措施： 保證充足的冷卻液流量或使用有效的冷卻方法來降低工件的溫度。冷卻液的選擇和供應也需要根據材料和加工條件來確定。
3. 選擇適當的磨料： 使用適合材料的磨料，保證其切削性能強，減少因磨粒鈍化而引起的過熱現象。
4. 磨具維護與更換： 定期檢查和更換磨具，避免磨具鈍化和過度磨損，保持良好的切削效果，減少摩擦熱。
5. 優化加工流程： 經過合理的工藝設計，避免過度磨削，並根據工件的材質選擇合適的加工方法。

研磨破裂

研磨破裂是一種在研磨過程中，由於磨削力、熱量等因素引起的材料表面損壞現象。這種破裂通常表現為材料表面出現裂縫、碎片或微裂紋，對工件的品質和精度造成不利影響。

這種問題常見於滲碳鋼、軸承鋼和輥材等材料，特別容易發生的情境是在經過焠火硬化處理後進行研磨時。

研磨破裂產生原因：

1. 過高的磨削熱：研磨過程中，磨粒與工件表面之間的摩擦會產生大量熱量。如果熱量無法有效散去，會導致局部過熱，進而引發表面裂紋或破裂。
2. 過大的磨削力：過大的磨削力會對工件施加過高的應力，超過材料的承受極限，造成破裂。這尤其在硬質或脆性材料中更容易發生。
3. 磨具鈍化或磨損：當磨具變鈍或磨損時，磨粒切削性能降低，會產生更多的摩擦熱，增加破裂風險。
4. 不適當的冷卻方式：如果冷卻液供應不足或使用不當，會導致材料過熱，從而加劇表面損傷和破裂。
5. 進給量過低：進給量過低會導致磨粒在工件表面停留時間過長，增加熱量積聚，容易引發過熱和破裂。
6. 材料的脆性：某些材料（如硬化鋼、陶瓷等）本身較脆，對外部應力敏感，容易在研磨過程中產生裂紋。

研磨破裂的影響：

1. 影響機械零件的疲勞壽命：研磨破裂有時不會立即發生，而是在研磨結束後的數小時到數日內逐漸顯現。這些龜裂會顯著影響機械零件的疲勞壽命，從而影響其可靠性和耐久性。
2. 尺寸精度受影響：破裂會導致工件尺寸偏差，影響加工精度。
3. 增加脆性和破損風險：使材料變得更脆，容易斷裂或失效。
4. 降低耐腐蝕性：破裂區域會破壞表面保護層，增加腐蝕風險。

如何減少研磨破裂？

• 選擇合適的磨料與工具：根據材料選擇適當的磨料和粒度，避免過粗的磨料造成過大應力。
• 調整研磨參數：減少磨削壓力、降低轉速和進給量，避免過度負荷。
• 冷卻與潤滑：使用冷卻液來降低溫度，避免過熱引起裂紋。
• 逐步加工：採取分層或多次輕磨，避免一次性去除過多材料。
• 設備維護與檢查：保持研磨設備穩定運行，定期檢查磨具磨損情況。
• 操作員培訓：確保操作員掌握正確的研磨技巧，合理設置工藝參數。
• 材料選擇：選擇適合的材料，避免過脆的材料在研磨過程中破裂。

防止研磨破裂的基本方法是選擇能降低研磨溫度的研磨條件，並調整工件的熱處理工藝以降低裂化風險。然而，事前很難準確找到具體的定量依據來預測和控制。

結論

研磨加工是一種高精度、高要求的加工方式，其對工件表面性能的影響是多方面且複雜的。在研磨過程中，由於高溫、摩擦力及塑性變形的共同作用，工件表層可能會出現多種變質現象，包括加工硬化、焠火硬化、回火軟化及其複合效應。這些變質不僅改變了工件的表面硬度分布，還可能帶來殘留應力、尺寸變化及零件的疲勞壽命等問題。

為了提升研磨品質並減少不良影響，應根據材料特性選擇適合的研磨參數，採取低殘留應力的研磨工藝，並配合適當的後處理方式如深冷處理、人工時效或退火處理以緩解殘留應力。此外，控制研磨過程中的熱量生成和分散，避免研磨燒焦和裂紋的產生，也是確保工件性能穩定的關鍵。

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