精密磨削加工

精密加工与特种加工 第三章精密磨削加工 一 精密和超精密磨削概述 用利用细粒度的磨粒和微粉形成的砂轮等磨具对黑色金属 硬脆材料进行磨削加工 研磨加工 抛光加工等 软质铜 铝等有色金属一般用金刚石刀具进行超精密切削 精密和超精密磨料加工方法分类 固结磨料加工 将磨料或微粉与结合剂粘结在一起 形成一定的形状和强度 再采用烧结 涂敷等方法制成砂轮 砂带 油石 砂带等磨具 用烧结方法制成的砂轮 砂条 油石等称为固结磨具用涂覆方法制成的砂带等称为涂覆磨具主要包括 砂轮磨削 砂带磨削等 精密砂轮磨削是利用精细修整的粒度为60 80 的砂轮进行磨削 其加工精度可达1 m 表面粗糙度R 0 025 m 超精密砂轮磨削是利用精细修整的粒度为W40 W5的砂轮进行磨削 其加工精度可达0 1 m 表面粗糙度R 0 025 0 008 m 精密和超精密砂轮磨削 利用粒度为W63 W28的砂带可进行精密砂带磨削 其加工精度可达1 m 表面粗糙度R 0 025 m 利用精细修整的粒度为W28 W3的砂带可进行超精密砂带磨削 其加工精度可达0 1 m 表面粗糙度R 0 025 0 008 m 精密和超精密砂带磨削 游离磨料加工磨料不固定在一起 成游离状态 传统方法主要包括 研磨 抛光新方法有 磁性研磨 弹性发射加工 磨料喷射加工 液体动力抛光 磁流体抛光 液中研磨等 磨削加工 立轴圆台平面磨床 卧轴矩台平面磨床 万能外圆磨床 万能工具磨床 高精密数控端面外圆磨床MKSG1632 万能圆筒磨床 内外圆磨床2706NC 2706CNC 上机MG1480 H中国最高精度万能外圆磨床 难加工材料轴类零件超高速精密外圆磨床 高效超高速数控外圆磨床MGKS1332 1000 H 精密和超精密砂轮磨料磨具 砂轮 内圆磨砂轮 精密和超精密砂轮磨料磨具 1 磨料及其选择2 砂轮的粒度及其选择3 结合剂及其选择4 组织和浓度及其选择5 硬度及其选择6 磨具的强度7 磨具的形状和尺寸及其基体材料 精密和超精密磨削磨具 磨料及其选择 生产中使用的磨料有氧化物 刚玉类 系 碳化物系和超硬磨料 氧化物系 刚玉类 磨料 比碳化物系磨料强度 韧性好 但硬度差 因此 用于磨削各种钢类工件 碳化物系磨料 硬度比刚玉高 性脆锋利 但韧性差 用于磨削铸铁类 黄铜 铝及硬质合金等工件 超硬磨料分类 天然磨料 人造磨料 天然磨料由于价格昂贵 含杂质多 性质不均匀 因此 主要用人造磨料做砂轮 金刚石是最硬的磨料 适于加工硬质合金 光学玻璃 陶瓷等硬质材料 但不宜加工铁族金属 因为它与Fe在高温下化学稳定性差 易磨损 立方氮化硼 CBN 硬度仅次于金刚石 但抗热冲击性 抗弯强度比金刚石好得多 可用于磨削高硬度高强度钢等材料 立方氮化硼易与水反应 生成氨和硼酸 故在磨削时不易用含水的磨削液 超硬磨料砂轮 平形金刚石砂轮 超硬磨料砂轮 碗形金刚石砂轮碟形金刚石砂轮 超硬磨料的优点磨具形状和尺寸易于保持 耐用度高 精度高可长时间使用 修整次数少 易于保持精度磨削温度较低 可减少内应力 裂纹和烧伤等 超精密磨削磨具 粒度及其选择磨粒 180 240 普通磨料 170 200 325 400 超硬磨料 粒度号越大 颗粒越细 加工表面质量越好 生产率越低 微粉 W40 W20 W10 W1 粒度号越小 颗粒越细根据加工要求 工件材料 磨料种类选择 超精密磨削磨具 结合剂及其选择作用 将磨料结合在一起 形成一定的形状 具有一定的强度陶瓷结合剂金属结合剂树脂结合剂结合剂的选择 以树脂类为好 加入石墨填料 可加强摩擦抛光作用 超精密磨削磨具 组织和浓度及其选择 普通砂轮磨料含量用组织表示 反映磨料 结合剂 气孔之间体积的比例关系 超硬磨具中磨料含量用浓度表示 它是指磨料层中每立方厘米体积中所含超硬磨料的重量 浓度越高 含量越高 超精密磨削磨具 组织和浓度及其选择选择时应综合考虑磨料材料 粒度 结合剂 磨削方式 质量要求和生产率等因素 成形磨削 沟槽磨削和宽接触面平面磨削选用高质量浓度 半精磨 精磨选用细粒度 中质量浓度 高精度 小表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度 低质量浓度 甚至低于25 主要考虑砂轮堵塞发热问题 超精密磨削磨具 组织和浓度及其选择 人造金刚石树脂结合剂 立方氮化硼树脂结合剂 超精密磨削磨具 硬度及其选择 普通砂轮硬度是指磨料在外力作用下脱落的难易程度 超硬磨具中无硬度指标 超精密磨削磨具 强度强度是指磨具在高速回转时 抵抗因离心力的作用自身破碎的能力 对各类磨具都是以最高工作线速度规定 超精密磨削磨具形状和尺寸 超硬磨具的结构 基体材料主要和结合剂有关 金属结合剂磨具主要采用铁或铜合金 树脂结合剂磨具采用铝 铝合金或电木 陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷 平形金刚石砂轮碗形金刚石砂轮碟形金刚石砂轮 精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具是将磨料用粘结剂均匀涂覆在纸 布或其他复合材料基底上的磨具 也称为涂敷磨具 常用涂覆磨具有 砂纸 砂布 砂带 砂盘等 精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具的分类有如图所示 常用产品有干磨砂布 砂纸 耐水砂布 砂纸 环状砂带 卷状砂带等 耐水N 干磨G 塑料膜 化纤布 棉布B 纸Z 带状D 复合 环状 卷状J 页状Y 盘状P 涂覆磨具常用磨料棕刚玉 白刚玉 锆刚玉 铬刚玉等黑色碳化硅 绿色碳化硅粒度与普通砂轮相似 但粒度号前加P 如 P240 P320等 P320相当于W50粘结剂 或称胶 包括 树脂 高分子化合物 动物胶等涂覆方法 重力落砂法 涂敷法和静电植砂法等 重力落砂法 涂覆法 静电植砂法 小结 精密磨削概述 精密和超精密加工方法分类 精密和超精密砂轮磨料磨具 特性选择 磨料 粒度 结合剂 组织和浓度 硬度 强度 形状和尺寸及其选择 精密和超精密涂覆磨具 课后作业 什么是精密和超精密磨削加工 如何分类 什么是固结磨具 涂覆磨具 简述超硬磨料的特点 二 精密磨削 精密磨削是指加工误差小于1 0 1 m R 0 2 0 025 m 得到高加工精度和小的表面粗糙度方法 又称为小粗糙度磨削 多用于机床主轴 轴承 液压滑阀 滚动导轨 量规等的精密加工 磨削机理 精密磨削主要是通过对砂轮的精细修整 使磨粒具有微刃性和等高性 磨削后 被加工表面留下大量极细微的磨削痕迹 残留高度极小 加上光磨作用可获得高精度和低表面粗糙度的表面 其机理可归纳为三点 1 微刃的微切削作用2 微刃的等高作用3 微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 磨削机理 1 微刃的微切削作用 应用较小的修整速度 纵向进给量 和修整深度 横向深度 精细修整砂轮 使磨粒破碎而产生微刃 从而得到小粗糙度表面 磨削机理 2 微刃的等高作用 分布在砂轮表层同一深度的微刃数量多 等高性好 残留高度极小 3 微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 修整后的微刃 开始切削作用强 锋锐 随着磨削时间增加会逐渐钝化 但等高性得到改善 切削的微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 磨屑形成过程由于砂轮工作表面形貌特点 其磨粒工作状态有三种 第一种 参加切除金属的称为有效磨粒 另一种 与切削层金属不接触称无效磨粒 第三种 刚好与切削层金属接触 仅产生滑擦而切不下金属 一个有效磨粒切削过程分析如下 一个有效磨粒切削过程分析如下 当磨粒刚进人切削区时 磨粒对切削层金属产生挤压和摩擦 随着切入 挤压力加大 磨粒切入工件 但只刻划出沟槽 金属被挤向两侧 形成隆起 当继续切入时 磨粒切削厚度进一步加大 磨粒前面金属开始沿其流动而形成磨屑 因此 磨屑形成过程可划分三个阶段 滑擦阶段 刻划阶段和切削 切屑形成 阶段 精密磨削的砂轮选择 选择原则 易产生和保持微刃以及等高性为原则 1 钢件及铸铁件 采用刚玉较好 单晶刚玉最好 白刚玉 铬刚玉应用最普遍 2 砂轮的粒度的选择粗粒度经精细修整 以微刃切削作用为主 细粒度经精细修整 其半钝态微刃在适当压力下与工作表面的摩擦抛光作用比较显著 3 结合剂的选择 以树脂类较好 精密磨削砂轮的修整砂轮使用一段时间后会出现磨损 使磨削温度升高 磨削力增大 甚至引起振动 产生噪音 加工质量恶化等 为此 对砂轮应及时进行修整 砂轮耐用度 砂轮相邻两次修整间的磨削时间 用T表示 对于精加工 也可用相邻两次修整间磨削加工工件数作为砂轮耐用度 砂轮的修整是精密磨削的关键之一 修整方法有单粒金刚石修整 金刚石粉末烧结型修整和金刚石超声波修整等 如图所示 精密磨削砂轮的修整 砂轮修整 单粒金刚石修整金刚石粉末型修整器修整金刚石超声波修整 砂轮修整 金刚石修整砂轮的安装位置 一般修整时 修整器应安装在低于砂轮中心0 5 1 5mm处 并向上倾斜10 15度 使金刚石受力减小 寿命延长 精密磨床 可采用磨高 MG 系列的磨床或将普通磨床进行改造 应满足以下要求 1 高几何精度 砂轮主轴的回转精度 导轨的直线度 2 低速进给运动的稳定性 无爬行和无冲击 3 减少振动 防振地基上 或加防振垫 4 减少热变形 机床开启后3 4h趋向热平衡 精密磨削需在热变形稳定后进行 精密磨削用量 1 砂轮速度 一般在15 30m s 砂轮速度取低速好一些 2 工件速度 一般在6 12m min 工件速度选取与工件材料有关 3 工件纵向进给量 一般在50 100m min 不宜过大 4 横向进给量 吃刀量 一般取0 6 2 5 m 单行程 5 进给次数 横向进给次数约为2 3次 单行程 4 光磨 无火花磨削刀量 粗粒度砂轮光磨次数约为5 8次 细粒度砂轮光磨次数约为10 25次 三 超精密磨削 超精密磨削 是具有最高加工精度 最小表面粗糙度的砂轮磨削方法 一般指加工精度达到或高于0 1 m 表面粗糙度小于Ra0 025 m 是一种亚微米级的加工方法 并正向纳米级发展 超精密磨削的特点 1 超精密磨床是关键 2 是超微量切除加工或超薄切削 其去除的余量甚至于小于公差要求 加工机理与一般磨削不同 3 超精密磨削是一个系统工程 影响因素很多 高精度 高稳定性的系统 超精密磨削机床 超精密磨削机床 超精度磨床的特点 1 高精度 2 高刚度 3 高稳定性 4 微量进给装置 5 计算机数控等 精密和超精密砂带磨削 砂带磨削的特点 1 弹性磨削 弹性 柔性 减振 跑合与抛光 砂带与工件柔性接触 磨粒载荷小 且均匀 工件受力 热作用小 加工质量好 Ra值可达0 02 m 2 冷态磨削 散热时间长 切屑不易堵塞 3 高效磨削 效率为铣削的10倍 为磨削的5倍 强力砂带磨削 磨削比 切除工件重量与砂轮磨耗重量之比 高 有 高效磨削 之称 4 静电植砂 磨粒有方向性 尖端向上 摩擦生热小 磨屑不易堵塞砂轮 磨削性能好 5 制作简单 价格低廉 使用方便 6 应用范围广 可用于内外表面及成形表面加工 图9用于磨削管件的砂带磨床 带有行星系统 砂带磨削的方式开式砂带磨削组成 接触轮 卷带轮 砂带轮 成卷砂带 工件 砂带磨削的方式 2 闭式砂带磨削组成 接触轮 张紧轮 环形砂带 工件 精密砂带磨削工艺砂带磨削用量选择 砂带速度 闭式粗磨12 30m s 精磨25 30m s 工件速度 粗磨20 30m min 精磨20m min 砂带选择 根据精度和表面粗糙度要求选择磨料种类 粒度 基底材料等 砂带磨削的润湿与除尘 考虑砂带粘结剂和基底材料的种类 小结 精密和超精密磨削 精密磨削机理 精密磨削砂轮的选择 以易产生和保持微刃及其等高性为原则 超精密磨削相关知识 精密磨削时砂轮的修整和磨削用量的选择 课后作业 精密磨削机理可归纳为几点 精密磨削时砂轮的选择原则 精密砂轮修整时修整器的安装位置 超精密磨削的机床特点 精密和超精密砂带磨削方式 精整加工是生产中常用的精密加工 它是指在精加工之后从工件上去除很薄的材料层 以提高工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法 如研磨 珩磨等 光整加工是指不去除或从工件上去除极薄材料层 以降低表面粗糙度为目的的加工方法 如超级光磨 抛光等 精整和光整加工 1 加工原理研磨是用研磨工具和研磨剂 从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法 具体说 利用微小磨粒借助于研具与工件的相对运动作微小切削 有磁性研磨 弹性发射加工 悬浮抛光等 采用不同的研磨工具 如研磨心棒 研磨套 研磨平板等 可对内圆 外圆和平面等进行研磨 一 研磨 图示为研磨外圆的工具 研磨套2由夹套1夹持 它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂 其上还有一条内外相通的直槽 使其有一定胀缩性 研磨外圆的工具1 夹套 2 研磨套 3 调节螺钉 4 手柄 为了磨料能嵌入研磨套的内表面 研磨套的材应软些 常用的是铸铁 研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂 将该工具套在工件上 并调节好配合的松紧程度 然后让工件旋转 手持研磨工具在轴向来回移动 直至达到研磨的要求为止 研磨剂是很细的磨料 粒度为W14 W15 研磨液和辅助材料的混合剂 常用的有液态研磨剂 研磨膏和固体研磨剂 研磨皂 三种 主要起研磨 吸附 冷却和润滑等作用 2 研磨的特点与应用1 精度高质量好经研磨后的工件表面 尺寸精度可达IT4 IT1级 表面粗糙度值可减小到0 1 0 006 m 形状精度亦可相应提高 2 生产效率低 加工余量小3 研磨剂易飞溅 污染环境 在现代制造业中研磨应用很广 许多精密量块 量规 齿轮 钢球 喷油嘴 石英晶体 陶瓷元件 光学镜头及棱镜等零件均需研磨 1 加工原理利用珩磨工具对工件表面施加一定压力 珩磨工具同时作往复振动 相对旋转和直线往复运动 切除工件上极小余量的工件精加工方法 2 特点与应用一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级 表面粗糙度Ra值可达0 2 0 025 m 珩磨加工的工件表面质量特性好 加工精度和加工效率高 加工应用范围广 经济性好 二 珩磨 机理 微切削 被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工 游离磨料加工 抛光轮 由聚氨基甲酸 乙 酯