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第三章磨削加工技术 3 1磨削原理3 2精密和超精密磨削3 3缓进给磨削3 4砂带磨削2020年3月21日 之徐印锋 第三章磨削加工技术 3 1磨削原理GrindingAbrasiveMachining 3 1磨削加工机理 磨削加工采用固结硬质磨料工具或游离的硬质磨料对工件进行切除的加工方法精度 IT5 IT7Ra1 25 0 08 m精密磨削Ra 0 01 m 3 1 1磨削加工特点及其分类1 磨削加工的特点 砂轮表面磨粒 刃口形状均随机状态 磨削速度很高 磨粒的切削刃和前 后 刀面的形状极不规则 1 磨削加工的特点 磨粒有自砺性 单个磨粒切削厚度小 可获得高加工精度和小Ra 大负 0和大rn 使Fy Fz 工艺系统变形大 实际ap 名义ap 2 磨削加工的分类 2 磨削加工的分类 2 磨削加工的分类 2 磨削加工的分类 2 磨削加工的分类 2 磨削加工的分类 工件回转表面的磨削外圆磨削内圆磨削 工件平型表面的磨削成形面磨削 3 1 2固结磨料磨具 固结磨具磨具 涂附磨具研磨剂固结磨具 通过某种方式将磨料固定住 具有固定形状的磨具 砂轮是使用较广的固结磨具 由磨粒 结合剂和气孔组成 砂轮的结构1 磨粒 2 结合剂 3 气孔 1 磨料 磨料具备的条件 硬度高 红硬性好 有一定的强度和韧性 有锋利的边刃 2 粒度 粒度 磨料颗粒的大小 37个粒度号F4 F220称为粗磨粒 F230 F1200称为微粉 3 结合剂 将磨料粘结成各种形状和尺寸的砂轮 直接影响砂轮的强度 耐热性和耐用度 4 硬度 硬度 结合剂对磨料的粘结力 粘结力越大 磨料越不易脱落 砂轮的硬度越高 砂轮自砺性 砂轮上磨粒钝化后 磨削力增大 表层的磨粒自行脱落 里层有锋利边刃的磨料露出 代替磨钝的磨粒参加磨削 砂轮自砺性与砂轮硬度有关 硬度高 磨粒不易脱落 自砺性差 硬度低 磨粒易脱落 自砺性好 5 组织 磨料 结合剂 气孔三者比例关系 磨料的比例越大 则砂轮越紧密 a 紧密 b 中等 c 疏松砂轮的组织 6 砂轮磨损和修整 砂轮磨损 磨粒损耗磨粒的钝化C C磨粒的破碎B B磨粒的脱落A A CC 砂轮失效砂轮工作表面变钝砂轮工作表面堵塞砂轮轮廓畸变 砂轮耐用度及磨削比 砂轮耐用度T 砂轮相邻两次修整间的磨削时间磨削比Gr 单位时间内磨除工件材料的体积与砂轮磨耗体积比磨耗比Gs 为磨削比Gr的倒数 切除单位体积材料所消耗的砂轮体积 砂轮修整技术 修整目的 去除钝化和堵塞的磨粒 产生新的锋利的磨粒 获得足够的切削刃 降低粗糙度 达到所需的轮廓整形 使砂轮具有一定精度的几何形状修锐 去除磨粒间的结合剂 使磨粒具有一定突出高度 形成良好的切削刃和容屑空间 3 1 3磨削加工过程1 磨削运动 外圆磨 平面磨 砂轮的旋转运动Vs 即磨削速度 主运动v Ra 但受砂轮的强度限制 常用30 35m s 工件旋转运动Vw 又称圆周进给运动 即工件速度vw 生产率 工件磨削烧伤 但vw过大 振动 工件Ra 轴向进给运动fa 工件转动一圈 工件和砂轮在砂轮轴线方向的相对移动 根据砂轮宽度B选择粗磨fa 0 3 0 85 B精磨fa 0 2 0 3 B 径向进给运动fr 工作台两个行程之间砂轮在半径方向上的相对位移粗磨fr 0 01 0 07mm 行程精磨fr 0 005 0 02mm 行程 2 磨削过程 单个磨粒磨削过程 磨粒的形状刀尖角为90 120 负前角切削刃为空间曲线 前刀面为空间曲面 形状不规则磨粒的切削刃有几个到几十个微米的圆角经过修整 磨粒上会出现微刃 2 磨屑形成过程 划擦阶段磨粒挤压工件 产生弹性变形 刻划阶段磨粒前方和两侧金属产生塑性变形而隆起 切削阶段磨粒前方金属层的厚度达到临界值 金属滑移成为切屑 单个磨粒切削厚度 acgmax为单个磨粒最大切削厚度acgmax 去除率 F Ng 砂轮圆周上每毫米的磨粒数 Ng acgmax Vw 工件速度 Vw acgmax Vs 砂轮速度 Vs acgmax fr 径向进给 fr acgmax ds 砂轮直径 ds acgmax 3 1 4磨削温度及磨削烧伤1 基本概念 磨粒磨削点温度磨粒磨削点温度是磨粒切削刃与切屑接触点的温度 是磨削中温度最高的部位 可达1000 1400 也是磨削热的主要热源 砂轮磨削区温度砂轮磨削区温度是砂轮与工件接触区的平均温度 它影响工件表面的烧伤 裂纹和加工硬化 工件平均温升工件平均温升是磨削热传入工件而引起的温升 2 磨削烧伤及控制 1 磨削烧伤 定义 由磨削热引起的 在加工表层瞬间发生的氧化变色现象 根据烧伤形貌分类 全面烧伤 零件的整个表面被烧伤斑状烧伤 表面上出现分散的烧伤斑点线条状烧伤 整个零件表面有线条形烧伤 根据显微组织分类 回火烧伤淬火烧伤退火烧伤 2 磨削烧伤及控制 第三章磨削加工技术 3 2精密和超精密磨削PrecisionGrinding Ultra PrecisionGrinding 3 2 1精密磨削加工 精密磨床细粒度砂轮精修砂轮 磨痕极其微细残留高度极小加工精度为1 0 1 mRa为0 2 0 025 m 磨粒微刃性磨粒等高性 普通砂轮精密磨削1 精密磨削机理 微刃的微切削作用切削的刃口增多 深度减小 Ra 微刃的等高切削作用 a 砂轮 b 磨粒 c 微刃 锐利 半钝化 钝化 磨粒具有微刃性和等高性 1 精密磨削机理 微刃的滑擦 挤压 抛光作用 弹性变形的作用Fy Fz Fx砂轮具有退让性 反复光磨提高精度 2 精密磨削砂轮及砂轮的修整 精密磨削砂轮 磨料 易于产生和保持微刃及其等高性钢和铸铁 刚玉类磨料有色金属 碳化硅粒度 46 60 结合剂 金属类 陶瓷类结合剂 精密磨削砂轮的修整 金刚石笔修整器修整导程 10 15mm min修整深度 2 5 m str初修修整精修光修 70 80 a 金刚石笔修整器 b 修整器与砂轮的相对位置 精密磨削砂轮的修整 金刚石滚轮修整烧结或电镀金刚石滚轮修整时间短 精密磨削砂轮的修整 金刚石滚轮修整烧结或电镀金刚石滚轮修整时间短 磨削用量 砂轮速度 15 30m s工件速度 6 12m min工件纵向进给 0 06 0 5mm r磨削深度 0 6 2 5 m str走刀次数 2 3str 2 超硬磨料砂轮磨削 超硬磨料砂轮金刚石砂轮立方氮化硼砂轮 特点适合高硬度 高脆性和非金属材料磨削能力强磨削力小 磨削温度低磨削效率高加工成本低 磨削工艺磨削用量磨削液 砂轮修整 磨削速度 12 30m s磨削深度 0 001 0 01工件速度 10 20m min纵向进给速度 0 45 1 5m min 整形 车削法 磨削法修锐 挤压滚扎 喷射 电加工法 3 2 2超精密磨削加工1 超精密加工的机理 加工精度达到0 1 m以下 Ra 0 025 m 2 ELID镜面磨削 1 基本原理 使用ELID磨削 冷却液为特殊电解液 通电后 砂轮结合剂发生氧化 氧化层阻止电解进一步进行 在切削力作用下 氧化层脱落 露出了新的锋利磨粒 电解修锐连续进行 砂轮在整个磨削过程保持锋利状态 2 ELID磨削的特点 良好的稳定性提高了贵重磨料的利用率良好的可控性镜面磨削 残留裂纹少 3 ELID磨削的必备装置 具有较高主轴回转精度的磨床 良好的导电性和电解性能的砂轮电源装置电解液 日本KOGE 4 适用范围 电子材料和磁性材料的镜面磨削光学材料的镜面磨削及难加工光学材料的研磨抛光前的镜面磨削等陶瓷材料的镜面磨削高硬度钢铁及其复合材料以及硬质合金的镜面磨削 3 超精密磨削的特点及应用 金刚石砂轮磨削光学玻璃 树脂结合剂砂轮磨粒粒度 6 12 m磨削深度 4 m进给速度 6mm min粗糙度Ra 1 04nm 3 超精密磨削的特点及应用 ELID镜面磨削实验室 Ra1 2nm工业应用 Ra10 50nm 玻璃表面SEM图像 玻璃表面AFM图像 4 超精密磨削对机床环境的要求 高精度高刚度稳定性微量进给装置计算机数控有良好过滤的磨削液超稳定加工环境条件和超净化空间防振系统 第三章磨削加工技术 3 3缓进给磨削Creepfeedgrinding 3 3缓进给磨削 缓进给深切磨削 强力磨削 重负荷磨削 蠕动磨削 缓进给 普通磨削的10 2 10 3大切深 普通磨削的102 103磨削效率是普通磨削的3 5倍Ra 0 2 0 4 m 精度 2 5 m 3 3 1缓进给磨削加工的特点 1 缓进给磨削存在的问题 正常磨削时温度较低而容易突发烧伤 1 烧伤程度往往比较严重 2 烧伤存在某种程度的突然性 2 缓进给磨烧伤的沸腾换热理论 0qlim 成膜沸腾阶段突发烧伤 始终保持磨削过程中磨粒的锋利 可以避免烧伤 3 缓进给磨削加工的特点 磨削深度大 砂轮与工件接触弧较长 缓进给磨削是大切深 一次进给 进给速度比较低 产生大量磨削热 易烧伤 应配有强冷却 生产效率高 可以直径磨削难加工的材料至尺寸要求 磨削精度高和表面质量好 参加切削磨粒数多 总磨削力及功率大 3 3 2缓进给磨削工艺1 连续修正 边磨削边再成形和修锐砂轮省去了砂轮修整 提高了磨削效率 最长磨削长度取决于磨床可利用的磨削长度 比磨削能降低 磨削力及磨削热均降低 2 强化换热 冷却液应以一定压力和流量送入磨削区而起到强冷却作用 冲掉附着砂轮表面的部分丝状磨屑 磨削弧区采用径向射流冲击强化换热 3 大气孔砂轮 容屑空间 接触面积 摩擦力 磨削力 功率 冷却效果 第三章磨削加工技术 3 4砂带磨削加工BeltGrinding 用于磨削管件的砂带磨床 带有行星系统 3 4 1砂带的特点及制备1 砂带的构成及特点 构成 基体 结合剂 磨料砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动 进行磨削或抛光 2 砂带的制备 静电植砂是利用高压静电场使磨粒成为带电体而被吸附到已涂有粘结剂的基体上特点具有很好的等高性使砂带更锋利切削效率更高 1 基材 2 底胶 结合剂 3 磨料 4 复胶 结合剂 5 基材剂 结合剂 1 上极板 2 下极板 3 砂箱 4 基体 5 传送带 3 砂