研磨加工是制造业中不可或缺的一环。作为一种表面加工技术，研磨不仅需要实现精确的形状和尺寸，还需兼顾表面平滑度与表层性能的稳定性。然而，在研磨过程中，由于热负荷和机械应力的影响，可能引发一系列问题，如加工变质、残留应力、面粗度不佳等，这些问题直接影响零件的性能与寿命。
因此，本章深入了解研磨加工的核心问题，并提出有效的解决方案。
研磨的主要目标是获得理想的加工面，而在研磨加工中主要面临三大问题：
- 加工面的准确性：即加工面是否位于预定位置，涉及形状和尺寸生成的过程。
- 加工面的平滑度：即表面粗糙度的控制，加工面外观圆滑程度如何达到要求。
- 加工面表层的稳定性：即表层是否因研磨过程中的力学作用或热负荷而发生变质。
※本章主要探讨加工面表层的稳定性
目錄
研磨加工过程中的变质
研磨加工因其高温、高速切削及摩擦作用，使工件表面承受比切削加工更为苛刻的变质，其深度长达数百μm。这些变质表现如下：
- 加工硬化（机械性应力引起）：常见于退火材。
- 淬火硬化（研磨热引起）：常见于退火材，导致表面硬度增加，但也可能造成裂纹和脆性。
- 回火软化（研磨热引起）：常见于淬火材，会使表面变软，降低表面硬度。
上述的复合效应如硬度变化、热应力、变态应力等将可能会使加工件出现残留应力、使表面烧焦、研磨破裂等问题，下面我们将深度探讨。
表面硬度变化的四种型态
表面硬度变化可以分为四种主要型态，这些型态通常与研磨过程中的切削力、切入量以及研磨热的产生有关：
型态A：切削力不良的细磨
- 特征：砂轮切削力不强，且处于细磨状况，这时不容易发生磨屑，摩擦力学作用大于研磨热。
- 变质：表面不会有显著的热影响，主要以机械应力为主，表面硬度变化较小。
型态B：切削力不良的中磨
- 特征：切削力较差，切入量稍大，这使得研磨过程中产生一定的热量。
- 变质：由于热效应，表面可能会发生回火现象，这样的热效应会使表面硬度减少。
型态C：适当研磨
- 特征：研磨过程中，由于高温和摩擦作用，研磨热导致的回火效果主导了表面变质。
- 变质：这样的加工会导致表面硬度下降，并形成回火层，使表面变软。
型态D：过大研磨热
- 特征：当研磨热过高时，表面会形成再淬火层，这会导致表面硬度显著变化。
- 变质：过度的热量引发的再淬火层会使表面变硬，但同时可能造成脆性增加，并出现裂纹或其他损伤。
残留应力的影响与改善
残留应力的形成
研磨过程中，工件表面会因为高温和强大的塑性变形而产生残留应力。这些残留应力是由研磨热和磨削力共同作用下，在材料表层和内部积累而形成的，此残留应力大到「不能不计」。
随着研磨后的长时间变化，虽然应力会慢慢消失，但对工件的尺寸稳定性已造成影响，有碍制造精密零件。
残留应力有什么影响?
- 高温与塑性变形：在研磨过程中，工件表面会承受极高的温度，这样会引起材料的塑性变形，进而产生应力。
- 尺寸变化：随着残留应力的存在，工件在研磨后可能会出现尺寸变化，这会对精密零件的精度产生负面影响，尤其是在高要求的应用中。
- 时效破裂：当残留应力过大时，可能会导致工件在后期使用中发生时效破裂，即材料在长时间内逐渐发生疲劳，最终导致破裂或脆性失效。
如何减少残留应力呢?
1.选择低残留应力的研磨工艺：选择合适的研磨条件和砂轮类型，并进行适当的修整，以降低加工过程中产生的残留应力。
2.后处理方法：
- 深冷处理：将工件冷却至极低的温度，促使材料内部应力的释放，从而减少残留应力。
- 人工时效：通过将工件加热到特定温度，然后逐渐冷却，促使材料内部的应力得以缓解。
- 退火处理：通过将工件加热至高温并缓慢冷却，使材料内部的晶格结构重新排列，这样有助于消除残留应力，改善工件的机械性能。
研磨烧焦
是一种在研磨过程中，因为过高的磨削热量(研磨面的温度接近1000°C时)导致工件表面产生局部过热，进而造成材料变质或表面烧焦的现象。烧焦通常表现在工件表面颜色的变化（如变暗、变黑）、表面硬度的降低、微裂纹的产生，甚至是材料的变形。这种现象不仅会影响工件的外观，还会大大降低其机械性能。
研磨烧焦产生原因：
- 过高的磨削热量： 在研磨过程中，磨粒与工件表面之间的摩擦会产生大量热量。如果这些热量无法有效散去，会导致局部区域温度过高，造成材料表面烧焦。尤其是在硬度较高的材料（如钢、合金等）研磨时，这种情况更为常见。
- 磨削速度过高： 过高的磨削速度会增加摩擦和热量的产生，从而提高烧焦的风险。如果磨削过程过于激烈，材料无法有效散热，便容易引发烧焦现象。
- 进给量过低： 如果进给量过低，磨粒与工件表面的接触时间会过长，产生的热量积累无法及时散发，这样就会导致过热，从而造成烧焦。
- 冷却液不足或使用不当： 在研磨过程中，冷却液的作用是降低工件的温度，避免过多的热量积聚。如果冷却液不足、供应不均或选择不当，会使得工件表面无法得到有效的冷却，增加烧焦的风险。
- 磨具磨损或钝化： 当磨具变钝或磨损过度时，其切削效果会减弱，无法有效去除材料，从而产生更多的摩擦热，增加烧焦的机会。
- 工件材料的特性： 某些材料（如硬化钢、工具钢、合金材料等）对热敏感，容易在高温下发生结构变化，甚至是烧焦。
研磨烧焦的影响：
- 表面硬度降低： 研磨烧焦会导致材料表面的金属结构变化，尤其是硬化层可能被破坏，导致表面硬度降低，这会影响工件的耐磨性和使用寿命。
- 微裂纹与脆性增加： 由于烧焦区域材料结构的变化，会产生微裂纹，并使得材料的韧性下降，增加破裂或断裂的风险。
- 外观问题： 烧焦通常会导致工件表面颜色变暗或发黑，这会影响工件的外观质量，尤其在精密或高端产品中会对质量造成不良影响。
- 尺寸精度影响： 因为烧焦可能伴随着工件表面的变形或硬度变化，这会影响最终的尺寸精度和加工质量。
如何减少研磨烧焦的风险？
- 合理控制磨削参数： 降低磨削速度、增加进给量或选择较低的切削深度，有助于减少过多的热量积聚，防止过热。
- 加强冷却措施： 保证充足的冷却液流量或使用有效的冷却方法来降低工件的温度。冷却液的选择和供应也需要根据材料和加工条件来确定。
- 选择适当的磨料： 使用适合材料的磨料，保证其切削性能强，减少因磨粒钝化而引起的过热现象。
- 磨具维护与更换： 定期检查和更换磨具，避免磨具钝化和过度磨损，保持良好的切削效果，减少摩擦热。
- 优化加工流程： 经过合理的工艺设计，避免过度磨削，并根据工件的材质选择合适的加工方法。
研磨破裂
研磨破裂是一种在研磨过程中，由于磨削力、热量等因素引起的材料表面损坏现象。这种破裂通常表现为材料表面出现裂缝、碎片或微裂纹，对工件的品质和精度造成不利影响。
这种问题常见于渗碳钢、轴承钢和辊材等材料，特别容易发生的情境是在经过淬火硬化处理后进行研磨时。
研磨破裂产生原因：
- 过高的磨削热：研磨过程中，磨粒与工件表面之间的摩擦会产生大量热量。如果热量无法有效散去，会导致局部过热，进而引发表面裂纹或破裂。
- 过大的磨削力：过大的磨削力会对工件施加过高的应力，超过材料的承受极限，造成破裂。这尤其在硬质或脆性材料中更容易发生。
- 磨具钝化或磨损：当磨具变钝或磨损时，磨粒切削性能降低，会产生更多的摩擦热，增加破裂风险。
- 不适当的冷却方式：如果冷却液供应不足或使用不当，会导致材料过热，从而加剧表面损伤和破裂。
- 进给量过低：进给量过低会导致磨粒在工件表面停留时间过长，增加热量积聚，容易引发过热和破裂。
- 材料的脆性：某些材料（如硬化钢、陶瓷等）本身较脆，对外部应力敏感，容易在研磨过程中产生裂纹。
研磨破裂的影响：
- 影响机械零件的疲劳寿命：研磨破裂有时不会立即发生，而是在研磨结束后的数小时到数日内逐渐显现。这些龟裂会显著影响机械零件的疲劳寿命，从而影响其可靠性和耐久性。
- 尺寸精度受影响：破裂会导致工件尺寸偏差，影响加工精度。
- 增加脆性和破损风险：使材料变得更脆，容易断裂或失效。
- 降低耐腐蚀性：破裂区域会破坏表面保护层，增加腐蚀风险。
如何减少研磨破裂？
- 选择合适的磨料与工具：根据材料选择适当的磨料和粒度，避免过粗的磨料造成过大应力。
- 调整研磨参数：减少磨削压力、降低转速和进给量，避免过度负荷。
- 冷却与润滑：使用冷却液来降低温度，避免过热引起裂纹。
- 逐步加工：采取分层或多次轻磨，避免一次性去除过多材料。
- 设备维护与检查：保持研磨设备稳定运行，定期检查磨具磨损情况。
- 操作员培训：确保操作员掌握正确的研磨技巧，合理设置工艺参数。
- 材料选择：选择适合的材料，避免过脆的材料在研磨过程中破裂。
防止研磨破裂的基本方法是选择能降低研磨温度的研磨条件，并调整工件的热处理工艺以降低裂化风险。然而，事前很难准确找到具体的定量依据来预测和控制。
结论
研磨加工是一种高精度、高要求的加工方式，其对工件表面性能的影响是多方面且复杂的。在研磨过程中，由于高温、摩擦力及塑性变形的共同作用，工件表层可能会出现多种变质现象，包括加工硬化、淬火硬化、回火软化及其复合效应。这些变质不仅改变了工件的表面硬度分布，还可能带来残留应力、尺寸变化及零件的疲劳寿命等问题。
为了提升研磨品质并减少不良影响，应根据材料特性选择适合的研磨参数，采取低残留应力的研磨工艺，并配合适当的后处理方式如深冷处理、人工时效或退火处理以缓解残留应力。此外，控制研磨过程中的热量生成和分散，避免研磨烧焦和裂纹的产生，也是确保工件性能稳定的关键。
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