越來越多的制造商們意識到了深進緩給磨削有助于減少成本。新技術允許它做得更多并且取得更好的結果。深進緩給磨削能夠加工出更高質量的零件并且它這么做時所花費的時間比其他加工方法花去的時間更少，這得益于新的磨粒、更好的機床和改良了的方法。
　　
　　深進緩給本質上是這樣一種加工，它在砂輪的一個單程內磨掉大部分原材料——然后在二次行程內形成規定的表面公差和光潔度。與其他磨削加工方法相比，深進緩給磨削具有更快的循環時間、更高的金屬切削率、更好的尺寸精度和更少的毛刺，因為砂輪和工件之間有相對更大的區域保持一致。
　　
　　一些公司曾經努力開發技術要訣以建立示范性的深進緩給實踐。Norton Abrasives是這些公司其中之一，它在其產品研發實驗室內設計并執行了無數的試驗。這些試驗揭示了最大化利用深進緩給加工的方法。
　　
　　關于這些試驗的簡介
　　
　　所有深進緩給磨削試驗均使用一臺標準的機床和一種水溶性冷卻油，后者以與砂輪的圓周速度相匹配的速度被輸送到砂輪/工件的接觸面處。一個高架式噴嘴以195psi的流速使用冷卻液流來清潔砂輪。如圖1所示。
　　
　　圖1：該裝置用于所有深進緩給磨削試驗
　　
　　為了全面地了解加工的效果，需要測量并評估如下變量，例如金屬切削率；法向力和切向力；以及功耗。這些因素結合在一起構成了很好的衡量標準來衡量砂輪的切削作用和工作的效率。
　　
　　磨削力是深進緩給磨削中的一項主要考慮因素，因為它涉及到高速砂輪與工件之間的一致性。在這種磨削中需要低單位磨削能以達到高金屬切削率并防止工件過度受熱。
　　
　　當與金屬切削率聯系在一起時，磨削力可以提供砂輪切削作用的圖形化證據。圖2顯示了法向力與金屬切削率的典型曲線圖。一段陡峭的斜線（例如標記“A”的一段斜線）表明金屬切削率大幅增加導致磨削力小幅增加，這是利切削或軟作用砂輪的征兆。與此相反，一段平坦或者較淺的斜線（例如標記“B”的一段斜線）表明金屬切削率變化很小而磨削力大幅增加，這是鈍切削或者硬作用砂輪的征兆。
　　
　　圖2：使用一個銳切削砂輪時，磨削力小幅增加導致金屬切削
　　率大幅增加，如斜線A。
　　使用一個鈍切削砂輪時，增加磨削力僅僅使金屬切削率增加了一點點，如斜線B。
　　
　　通常，表面光潔度很重要，因為他們反映了零件的質量，可以用來間接說明加工的形狀保持能力。磨削力與表面光潔度之間的相互關系有助于控制零件質量與加工效率二者之間的平衡。
　　
　　向上切削還是向下切削
　　
　　關于砂輪在接觸工件時的最佳旋轉方向一直以來就有爭論。問題圍繞當材料進給時采用向上或向下切削作用的磨削所能帶來的好處（如圖3所示）。做了幾次試驗，先使用氧化鋁砂輪來切削硬度達50 Rockwell C的4340鋼，然后使用金剛石砂輪來切削C-2硬質合金。
　　
　　圖3：砂輪反方向旋轉以形成向上或向下切削
　　
　　向下切削通常效率更高，并且它引起的問題更少，因為在這種加工方式下，更容易有效地向磨削區輸送冷卻液。向下切削形成更加均勻的切屑厚度。對于鋼制工件和氧化鋁砂輪，向下切削比向上切削需要的功率更小，并且能在實際切削深度下得到更好的表面光潔度（0.125英寸）。對于碳化鎢工件，向下切削所需的功率要少26%，并且產生的碎屑更少，熱損傷更小。
　　
　　另一方面來說，向上切削對于碳化鎢產生更好的表面光潔度，這可能是因為砂輪在刀具的最底部產生拋光作用。那就是上切切屑最稀少的地方，并且切屑厚度與表面光潔度直接相關。和向下切削不同，向上切削在排屑的摩擦和耕作階段在工件的已加工表面上開始形成切屑，以提高表面光潔度。當使用氧化鋁砂輪向上切削時，G系數接近25%或更好，但是這是以損害表面質量為代價的。同時，在更高的金屬切削率的情況下，冷卻液的應用和振動對于向上切削都是更嚴重的問題。
　　
　　總之，對于較高的磨削量，向下切削更好（假設機器裝置具有足夠的剛度），而對于較低的金屬切削率，向上切削改善了表面光潔度。
　　
　　選擇合適的砂輪
　　
　　選擇最好的砂輪時要考慮許多因素。磨蝕類型、磨粒尺寸、等級以及粘結系統是全部重要因素。在試驗中，金剛砂輪的磨粒尺寸和粘結系統對與工件表面光潔度有關的性能產生顯著影響。
　　
　　砂輪類型。在一系列試驗中，當磨削C-2碳化鎢時比較電鍍、鍍層和粘結金剛砂輪。電鍍砂輪被修整到0.0002英寸范圍內并且未被磨光。所有其他砂輪則用制動器控制的修整設備對它們予以修整，并用一根細礫氧化鋁瓷化棒進行磨光。
　　
　　所有電鍍砂輪都顯示了針對不同磨粒尺寸時力與表面光潔度之間的預測關系（如圖4所示）。在比較鍍層砂輪與瓷化和樹脂粘結砂輪的試驗中，鍍層砂輪展現了最大的鈍化特性。實際上，鍍層砂輪的性能是最難預測的，因為它們時常隨著使用而變化或鈍化，而瓷化和樹脂粘結系統可以進行再修整。
　　
　　圖4：對于電鍍砂輪，磨粒的尺寸與表面光潔度之間有明確的關系。
　　最小的磨粒產生最光滑的表面。
　　
　　通常，粘結金剛砂輪產生更好的表面光潔度，顯示出更好的形狀保持特性，并且具有更好的磨削結果一致性。電鍍金剛砂輪在砂輪的使用壽命期內在功率、G系數和表面光潔度三方面顯示出了最大的變化。這些砂輪具有一層磨粒，它們解釋了在砂輪使用壽命期內的性能變化。瓷化砂輪需要最大的功率，但是它的G系數受金屬切削率變化的影響較小。樹脂砂輪更難以修整，盡管它們通常需要較小的功率并產生更好的表面光潔度。在樹脂粘結砂輪內，粗礫砂輪比細礫砂輪更難修整。
　　
　　砂輪直徑。 直徑為18.715英寸和16.58英寸的兩個砂輪之間的比較結果表明較小的砂輪需要的功率更低，并且每切削金屬單位的法向力也更低。但是，較大的砂輪在保持圓角半徑和保持良好的G系數方面通常表現得更好，特別是在低材料切削率時。當砂輪變小時，它與工件的接觸弧也變小，這種變化使總磨削力降低。
　　
　　在較高的金屬切削率時，較小的砂輪顯示出稍高的G系數，這緣于砂輪與工件之間的接觸面的變化。對于較高金屬切削率情況下出現的較大力，較大砂輪使接觸面積增大，導致磨削力更大，從而產生更大的砂輪磨損。
　　
　　砂輪孔。孔隙是瓷化深進緩給砂輪內的小孔穴的網絡，它決定砂輪在磨削加工期間傳輸冷卻液和沖洗金屬切屑的能力。孔隙是由于在加工過程期間添加特殊的致孔材料而造成的。孔隙在磨削期間對于砂輪的性能產生重大影響。
　　
　　由細孔構成的砂輪比大孔構成的砂輪性能更好。因為它們更小，所以細孔產生一個“更容易滲透的” （更易于液體流過）孔隙互連網絡，因為孔更緊密地聚集在一起。這樣的孔結構像一塊海綿一樣發揮作用，促進冷卻液的分配和切屑的流動。而具有大尺寸、大間距孔隙的砂輪在磨削期間更加阻礙冷卻液和金屬切屑的流動，因為這些孔較難滲透。若缺乏足夠的滲透性，就會發生冷卻液的“熱流”或“核沸騰”現象，致使磨削區變干切屑無處可走。這種情況最終冶金損傷工件并破壞了工件的幾何特征。
　　
　　砂輪修整。修整對于深進緩給磨削很重要，因為它使砂輪處在一種開放的自有切削狀態下。對于值得投資成本的操作，金剛石整形輥應該成為磨削加工的一部分。金剛石整形輥的類型和使用它的方式對于深進緩給磨削加工的質量和效率有著重大的影響。
　　
　　通常，含有較細金剛石微粒的修整輥似乎能帶來深進緩給砂輪的最好性能。在修整氧化鋁砂輪的試驗中，30/40目的金剛輥比類似的20/30粒的修整輥產生更好的表面光潔度和更好的G系數。然而，用較細金剛石修整的砂輪使用稍多一點的功率。
　　
　　修整輥內的金剛石濃度與功耗以及修整砂輪的其他方面之間具有直接的關系。用含有較高金剛石濃度的修整輥修整過的砂輪在切削時更鋒利、更自由。同時，輥子的類型對于保持銳角轉角的能力幾乎沒有影響，盡管較鋒利的砂輪是由高濃度輥子造就的。
　　
　　反向鍍層修整輥通常具有高金剛石濃度和較細的微粒尺寸，這使得它們比粘結修整輥更高效。當與金屬粘結輥相比時，反向鍍層金剛石輥表現出較少的輥子磨損，并且經它們修整過的磨削砂輪顯示降低了的磨削功率和較小的磨削力。由于其設計的本質特性，反向鍍層金剛輥更經用且能夠保持更緊密的幾何特性和公差。
　　
　　磨輥與未磨輥或研磨輥之間的比較顯示砂輪性能截然不同。磨輥是指它的金剛石經過研磨或磨削以提供一個格外光滑的表面。磨輥修整器使砂輪更加堅硬 — 大三個硬度等級。和較硬的砂輪一樣，用磨輥修整器修整過的砂輪需要更大的功率，具有更好的G系數。但是，這樣更容易灼燒工件，表面光潔度也較差。較差的表面質量可能是由于為了達到希望的金屬切削率需要使磨削力增加而引起的。
　　
　　相比于燒結金剛石修整輥而言，鍍層金剛輥修整器產生更鋒利、更開放的氧化鋁磨削砂輪。經鍍層金剛輥修整過的瓷化砂輪使用較小的功率并具有較低的法向力。在試驗中，G系數不受所選修整輥類型的影響。但是，表面光潔度明顯變差，該結果緣于修整后砂輪的鋒利磨削作用。更鋒利的砂輪將以更高的金屬切削率進行更自由的磨削。
　　
　　金剛石輥旋轉的有多快以及旋轉的方向也對全面進刀修整應用中的深進緩給磨削有重要影響。在輥子和砂輪之間的接觸點確定旋轉的轉速和方向（圖5）。正速度比意味著輥子和砂輪在接觸點同向前進。速度比為+0.85意味著金剛石輥的圓周速度是砂輪圓周速度的85％，且二者同向。這意味著砂輪表面以砂輪表面速度的15％通過金剛石輥表面。
　　
　　圖5：當全面進刀修整一個深進緩給砂輪時，使金剛石輥按正確的轉向和合適
　　的速度旋轉取決于砂輪的類型和希望的表面光潔度。
　　
　　當應用于氧化鋁砂輪時，根據其速度和轉向，輥子修整器產生不同的結果。一般地，適于功耗和表面光潔度的最佳條件在+0.85到+0.5的速度比范圍內。圖6顯示了針對不同等級金屬切削率的轉速和功耗的典型曲線圖。注意不同切削率的功率曲線大致平行。典型地，當速度比從+0.85減小至+0.5時，功耗增加了20％；當速度比進一步減小時，功耗只稍微增大一點。當修整器以-0.85的速度比旋轉時（在接觸點的轉向與砂輪的方向相反），砂輪變鈍，該情況對工件造成熱損傷。
　　
　　圖6：在該曲線圖中，四條曲線代表在逐漸增高的
　　金屬切削率條件下取得的結果。
　　
　　當磨削力低時，修整力高，反之亦然。這是因為修整力與修整器的速度比有關。當進行非金剛石修整時，產生最高修整力，此時出現最低磨削力。當采用高修整器速度比時，需要一臺剛性的高扭矩機動修整設備以產生足夠的修整功率并盡量減小偏斜，它會導致砂輪不圓的情況。
　　
　　不同速度比所引起的最大變化體現在表面光潔度上。隨著速度比從+0.85減小至+0.2，表面光潔度通常得到改善。而當速度比從+0.2減小至-0.85，表面光潔度就變得不可預測，這可能是由于高磨削力的緣故。
　　
　　“滾動”反向鍍層輥子修整器改變它的性能。在滾動過程中減少粘結基質，以暴露更多的金剛石并得到這樣一個砂輪，它具有更低的磨削力、更低的牽引功率和更佳的表面光潔度以及更好的形狀保持能力。減少修整輥上的粘結基質使輥子得以使砂輪變得在作用時更鋒利，切削時更冷卻。結果得到更高的金屬切削率并且不會使工件過熱。
　　
　　冷卻液
　　
　　研究者們精密地研究了冷卻液，用到了圖6所示的安排。通過一個噴嘴將每種耐磨的水溶性冷卻油輸送到砂輪/工件的交界面，噴嘴的設計使冷卻液的流速與砂輪的圓周速度相匹配。這種冷卻液輸送方式確保冷卻液滲透到磨削區。為了計算冷卻液的速率，需要使用適當的轉換，把冷卻液泵的體積流量除以冷卻液噴嘴口的面積。
　　
　　正確地使用冷卻液可能是深進緩給磨削中最重要的部分——噴嘴的設計和它的位置相當重要。噴嘴口必須具有一個均勻筆直的輪廓以消除湍流和充氣，從而保證冷卻液流暢、穩定地流動。噴嘴應該盡可能靠近磨削區，使液流直指砂輪與工件之間的接觸面。最佳位置通常是偏離水平線7度處。
　　
　　在評估兩種不同的耐磨水溶性冷卻油時，更高的冷卻液濃度和更低的溫度提高了性能。冷卻液濃度的增加通過降低磨削力和功率要求，以及延長砂輪使用壽命，使磨削性能得到改善。但是，在這些試驗中，表面光潔度似乎不受冷卻液濃度的影響。
　　
　　特別地，試驗結果表明冷卻液濃度的增加能夠使功率減少20%到30%。當防銹劑混合液變成3%濃度的水溶性冷卻油時，G系數的值改善了78%。當濃度變成5%時，G系數的值改善了100%到200%。
　　
　　當使用防銹劑溶液時，在全部金屬切削率條件下都發生工件過熱現象，通過增加水溶性冷卻油的濃度使該現象得到顯著改善。使用5%濃度的冷卻液時，試驗中不出現過熱現象。這些結果表明潤滑能力是冷卻液最重要的性質。冷卻液消除熱量的能力（導熱性）產生的影響小得多。
　　
　　而且，冷卻液的溫度減少7度，從32℃到25℃，致使金屬切削率增加了30%。砂輪在更低的冷卻液溫度下切削更自由—而且這一變化在更高的工作臺轉速下甚至更明顯。在更低溫度下單位功耗也減少28%。同樣地，更低的溫度改善了表面光潔度并且產生最好的G系數。當工作在最高工作臺速度或者金屬切削率時，產生了所有形式的最驚人的改善。
　　
　　使用研究結果
　　
　　使用這些研究結果來改善深進緩給磨削加工能夠從本質上減少成本，提高生產效率。也許最重要的整體經驗就是把深進緩給磨削看作一個內部所有元素彼此相關的系統。理解變量如何影響彼此是指導我們處理平衡關系并達到最優結果的最佳指南。
　　
　　關于作者：John Besse是位于馬薩諸塞州伍斯特的Norton Abrasives的高級應用工程師。