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用新品种刚玉磨料制成的SG砂轮

2018年01月22日15:03
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       近年美国Norton公司连续为其新产品SG(Seeded Gel)砂轮做广告,宣称这种砂轮是磨削难磨削材料和精密磨削用砂轮的一大进展。SG砂轮中含有一定量的SG磨料,其颗粒是由几十万个亚微米级AI2O3晶体烧结而成。在磨削时磨料颗粒有自锐性,能不断暴露出新的锋利的尖角形刃口。它是用在高磨削压力下高生产率磨削难磨削材料的最佳磨料之一。
 
       在机械加工工艺中,磨削是一个很重要的环节,一般来说,精密加工都需要磨削。在一般工件的磨削中,刚玉(AI2O3)砂轮用得最广泛,但对难磨削的高温合金和淬硬到高硬度的钢,需采用立方氮化硼砂轮(CBN)。使用CBN砂轮不仅价格昂贵,而且往往要求改造原有机床,增强机床刚度。
 
       美国Norton公司在对陶瓷磨料的研究中,导致产生一种新的陶瓷刚玉磨料,其注册商标代号为SG(为Seeded-Gel)的简写,意为有烧结体核的磨料。含有SG磨料的砂轮如使用正确,能获得比一般非超硬磨具高得多的磨削性能。
 
       一、什么是SG磨料
       普通刚玉磨料的制造过程是,将原料装入电炉中,用熔融法加热熔化,以制成大块料锭(Pig),在冷却固化后,将其粉碎到所需的粒度。每一个磨料颗粒只包含数量很少的晶体,有些只有一个晶体。当制成砂轮使用时,磨料颗粒将沿各晶体的界面裂开。每次一个磨料颗粒碎裂时,它将损失多达其20%的磨削表面。
 
       SG磨料则与上述情况不同,它虽也是陶瓷刚玉,但不是用熔融方法生产。Norton公司用比微米级尺寸更细的刚玉粒子为原料,通过“烧结”以获得所需的磨料颗粒尺寸。一颗60粒度的SG磨料,可能包含有数十万个亚微米级的粒子。
 
       Norton公司将烧结而成的SG磨料与其38A Alundum(相当我国的白刚玉GB)磨料相混合,以制成SG砂轮。SG砂轮中SG磨料的含量浓度分为4种:100%、50%、30%和10%(所以本文将为Seeded-Gel译为“有烧结体核的”),其代号见表1。这种砂轮的结合剂,一般为陶瓷结合剂,代号为VS,但也有树脂结合剂的,代号为B。
 
       二、SG磨料的自锐性
       普通刚玉磨料,因磨钝而变平,自锐能力差,磨削时会发热;而SG磨料则不同,当磨钝时,亚微米级尺寸微粒可从整个颗粒上自动脱落,又重新露出新的切削刃口,使SG磨料的颗粒仍能保持锋利(见图)。因此,磨削时便能减少由于颗粒变钝而产生摩擦热,显著地减少砂轮堵塞现象,延长砂轮使用寿命。
 
       SG磨料没有普通刚玉中可见到的裂缝及控制的碎裂面(指晶体界面——译者),这使它碎裂后形成一个新的,有锋锐小面的锐角刃口,使磨料颗粒能继续有效地切削。
 
       此外,SG磨料的纯度高(99.6%ɑ—AI2O3),能保证均匀的显微组织。这导致不仅在每一颗粒内,而且在颗粒与颗粒间也保持一致的硬度和锋利性。SG磨料的硬度高于普通刚玉和锆刚玉等磨料。
 
       三、SG砂轮的特征及优点
       综上所述,含有不同浓度SG磨料的SG砂轮其特征及优点。
 
 
       四、SG砂轮的应用领域
       尽管SG砂轮可用于磨削任何一种钢和合金,但用于磨削“难磨削”的材料,能取得最大效果。由于SG砂轮的单价比普通刚玉砂轮贵,因此要考虑其性能价格比合算的应用领域,有:
       (1)高温合金,如Inconel Re.nee,Hastelloy,Waspalloy等用于航天、航空发动机和汽轮机零件的合金。
       (2)淬硬到HRC55以上的工具钢,如各种高速工具钢和高碳高铬冷作模具钢。
       (3)喷涂合金,如喷涂Stellite合金、Metco喷涂层、焊口和硬铬层。
 
       此外,通常性能价格比还合算的应用场合有:淬硬到HRC50以上的轴承钢52100(我国GCr15)和M50(低合金高速钢)和牌号为440C的淬硬不锈钢。
 
       若从创造价值、机床、村料、尺寸公差、磨烧伤、测量和生产率等7个敏感点衡量,最适合用SG砂轮的行业依次为航天、轴承、切削刀具和汽车等。用于切削刀具行业可避免工件磨烧伤造成的废品。
若从产品考虑,最适合用SG砂轮磨削的为齿轮和轴承滚道等。它可满意地用于任何精度的齿轮磨削,因SG砂轮保持形状性能好。
 
       五、SG砂轮的应用实例
       (1)磨削M2高速钢麻花钻淬硬毛坯螺旋沟
       试验者:美国Normac公司(1990年2月)
       机床 :Normac F300钻头磨沟机
       砂轮 :Norton 3SGA70—VB—X457C,树脂结合剂,300×203×4.8mm
       砂轮转速 :4313r/min(69m/s)
       砂轮进给速度 :0.7m/min
       冷却液及压力 :优质磨削油7×105~10×105Pa
       工件直径:1/4 英寸(6.35mm)M2高速钢麻花钻,硬度>HRC63
       一件的磨削周期(从上料到上料)11秒(使用57A1003—UB354刚玉砂轮为14.5~18秒)
       此时,砂轮每修整一次可磨削6件;磨削周期为13秒时,每修整砂轮一次可磨8件;
       每次修整砂轮的进给量 :0.013mm
       结论  用SG砂轮可提高生产率最高约30%,且仍能保持低粗糙度、正确的几何形状和允差。试验用的SG砂轮费用与用刚玉砂轮近似。
 
       (2)磨削镍基合金叶片
       工序  旋转工作台平面磨削
       工件  1447镍合金叶片,硬度HRC44
       机床  Campell旋转工作台磨床
       砂轮  Norton5SG6O—JVS(原用National MA602 I14V6W)
       冷却液  水溶性乳化油
       总体特征:  太阳高度角渐低,温度渐降
       每件叶片的磨削周期  27分(原需2小时)并可省去2次修整砂轮时间
       每个砂轮可磨叶片  555件(原为400)
       砂轮费用  SG砂轮为69美分/件,用刚玉砂轮为23美分/件,但考虑到缩短了磨削周期和增加了每片砂轮可磨的叶片数,总的算来,每个叶片的  加工费用可节省10美元。
 
       (3)磨削高速钢立铣刀端齿刃沟(gashing)
       在磨削整体立铣刀的诸工序中,端齿刃沟是磨削余量较大的工序。据美国某立铣刀制造厂报导,此工序在采用SG砂轮后,砂轮的消耗量减少了25%,且保证不会烧伤工件。
 
       在上述3个例子中,Norton公司在衡量使用SG砂轮是否合算时,是按“实际磨削费用”来决定的,公式为:
 
        
 
       从例子看,SG砂轮的单价约为普通刚玉砂轮的3倍,一小时的(工资+管理费)总计为50美元。在此条件下,用SG砂轮每个工件的实际磨削成本低于用普通刚玉砂轮的。
 
       六、SG砂轮的选用和使用
       1、SG砂轮的浓度选择
       (1)磨削难磨材料时,砂轮的SG磨料的浓度要高。
       (2)磨削接触面积增大时,砂轮的SG磨料浓度要降低。
       (3)磨削压力增加时,砂轮的SG磨料浓度要提高。
       (4)机床的刚性好时,可用较高SG磨料浓度的砂轮。
       (5)磨削余量较多时应选用SG磨料浓度较高的砂轮。
       (6)使用不同冷却剂时对砂轮的选择:使用水基冷却剂时,内磨、平磨用3SG砂轮,外圆磨削时用5SG砂轮,选用高压油冷却剂时用5SG或SG砂轮;在干磨时根据磨削压力大小及留量多少选用3SG~SG 。
 
       2、SG砂轮的粒度选择
       SG磨料极为锋锐,这对磨出工件的粗糙度不利。大家都知道,用钝的砂轮能磨出良好的工件表面粗糙度。1988年,在Norton推荐选用SG砂轮的资料中,其粒度要比用刚玉砂轮小1或2个粒度等级。但Norton公司1990年的资料宣称,现在选用SG砂轮的粒度可与用刚玉砂轮的相同,他们在磨料混合上做了工作,使用相同粒度的砂轮,可获得相同的工件表面粗糙度。
 
       3、SG砂轮硬度的选择
       当换用SG砂轮时,可采用与刚玉砂轮相同的硬度等级,但有两个例外:对小砂轮(直径350mm以下)从VBE要提高一个硬度等级;对大砂轮(直径350mm以上)V127/128也要提高一个硬度等级。
 
       4、使用SG砂轮时需注意之点
       使用SG砂轮与使用标准刚玉砂轮区别不多,不需特殊的机床,但需注意下列几点:
       (1)加大进给量。这可较快地磨除余量及降低每个工件的磨削费用。
       (2)减少砂轮的修整次数,因SG砂轮有自锐性。
       (3)减少每次修整砂轮时金刚石的进给量。这(包括第二条)可延长砂轮和金刚石修整器的寿命。
       (4)磨削时SG砂轮的声音与普通刚玉砂轮的不同,SG砂轮的声音听起来好象砂轮太硬,一个有经验的磨工会误以为有问题。
 
       七、小结
       综上所述,SG磨料和砂轮具有下列优点:较高的硬度、有自锐性能、工作寿命长、磨削时温度较低、成形砂轮形状保持性好等。它最适宜用在高磨削压力下,磨削难磨削材料,生产效率高。若使用的正确,SG砂轮有可能成为近年磨削工艺的最大进展之一。
 
 

 

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