第六章 磨削及光整加工(及司乃钧主编《机械加工基础》配套)

1、第六章 磨削与光整加工6.1 磨床与砂轮6.1.1 磨床 磨床磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床，其应用广泛，在机床总数中占的比例较高(25%)。 大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数的是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工，如珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等。 常用的磨床有以下几种：1、外圆磨床 外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床，在普通外圆磨床上可磨削工件的外圆柱面和外圆锥面，在万能外圆磨床上还能磨削内圆柱面和内圆锥面和端面。外圆磨床的主参数为最大磨削直径。 外圆磨床以两顶心为中心，以砂轮为

2、刀具。 外圆磨床主要用于成批轴类零件的端面、外圆及圆锥面的精密磨削，是汽车发动机等行业的主要设备。也适用于军工、航天、一般精密机械加工车间批量小，精度要求高的轴类零件加工。 外圆磨床主机由床身，车头，车尾，磨头，传动吸尘装置等部件构成。车头、磨头可转角度 ，用于修磨顶针及皮辊倒角用。专用夹具，动平衡架，皮辊检测器三部件由客户定购。2、内圆磨床 由装在头架主轴上的卡盘夹持工件作圆周进给运动，工作台带动砂轮架沿床身导轨（见机床导轨）作纵向往复运动，头架沿滑鞍作横向进给运动（见机床）；头架还可绕竖直轴转至一定角度以磨削锥孔。 3、平面磨床 主要用砂轮旋转研磨工件以使其可达到要求的平整度，根据工作台形

3、状可分为矩形工作台和圆形工作台两种，矩形工作台平面磨床的主参数为工作台宽度及长度，圆台平面磨床的主参数为工作台面直径。根据轴类的不同可分为卧轴及立轴磨床之分. 如M7432立轴圆台平面磨床,M7130卧轴矩台平面磨床。卧轴矩台平面磨床6.1.2 磨床液压传动的工作原理和特点1、液压传动的工作原理磨床工作台液压传动动画通过对上面系统的分析可见： 1）液压传动是依靠运动着的液体的压力能来传递动力的。 2）从本质上说，液压传动装置是一种能量转换装置。液压系统工作时，泵将原动机输入的机械能转变为压力能；执行元件（液压缸）将压力能转变为机械能输出。 3）液压传动系统中的油液是在受调节、控制的状态下进行工

4、作的，传动与控制难以截然分开。 4）液压传动系统必须满足它所驱动的运动部件（工作台）在力和速度方面的要求。 5）液压传动系统必须有工作介质：液压油。 2、液压传动系统的组成 1、动力元件：指液压泵。2、执行元件：指液压缸或液压马达。3、控制调节元件：指各种类型的液压阀。 （1）压力控制阀：溢流阀、减压阀、顺序阀。 （2）方向控制阀：单向阀、换向阀。 （3）流量控制阀：节流阀、调速阀。4、辅助装置：油箱、油管、管接头、压力表、过滤器、蓄能器等。5、工作介质：指各种类型的液压油。3、液压传动的优缺点、液压传动的优缺点 主要优点1）便于实现无级调速。2）体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑。3）工作比较

5、平稳，反应快，冲击小，能高速启动，制动和换向。4）易于实现自动化。5）易于实现过载保护，元件能自行润滑，寿命长。6）易于实现系列化、标准化、通用化。7）液压传动易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活。8）产生的热量可由流动着的油带走，所以可避免在系统某些局部位置产生过度温升。主要缺点：1）无法保证严格的传动比。2）液压传动中有机械损失、压力损失、泄漏损失，效率低，不宜作远距离传动。3）液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在低、高温度下使用，对污染很敏感。4）液压传动需要有单独的能源（例液压泵站），液压能不能像电能那样从远处传来，液压元件制造精度高，造价高，所以须组织专业生产。5）液压传动装

6、置出现故障时不易查找原因，不易迅速排除。 总的来说，液压传动优点较多，缺点正随着生产技术的发展逐步加以克服，因此，液压传动在现代化生产中有着广阔的发展前景。6.1.3 砂轮 砂轮是用各种类型的结合剂把磨料粘合起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成的磨削工具。因此，砂轮由磨料、结合剂及气孔三要素组成。 砂轮的性能参数主要包括以下几个方面：1 磨料：担负切削工作，在切削过程中受力破碎后能形成尖锐的棱角。磨料应具有高的硬度、耐热性和相当的韧性。常用磨料性能见表6.1。表6.1 磨料性能及应用范围类别磨料名称代号磨料性能应用范围刚玉类棕刚玉A含9196的Al2O3，棕色，硬度高，韧性好，价廉加工硬度较低的

7、塑性材料，如低、中碳钢和普通合金钢白刚玉WA含9799的Al2O3，白色，比A硬度高，韧性低，自锐性好，磨削时发热少加工硬度较高的塑性材料，如高碳钢、高速钢和淬硬钢等。碳化硅类黑色碳化硅C含95SiC，硬度比WA高，性脆而锋利，导热性和导热性良好加工硬度较低的脆性材料，如铸铁、青铜等。绿色碳化硅GC含97SiC，绿色，硬度和脆性比C高，导热导电性能良好加工硬度较高的脆性材料，如硬质合金、宝石、陶瓷等2 粒度：磨料颗粒的大小。GB2477-83规定了磨粒和微粉两种粒度号。 1)磨粒：筛选法分类，粒度号以1英寸长度上筛孔数表示。颗粒号越大，磨粒的颗粒越小。粒度号有：4、536、40、46240、2

8、80等，共27个号。一般粗磨选角粗的磨粒，如3646；精磨选较细的磨粒，如60120。 2)微粉：粒度号用该级颗粒的实际最大尺寸来表示。粒度号有：W63、W50、W40W1.5、W1.0、W0.5等，共14个等级。多用于研磨等精密加工和超精密加工。 粒度是影响生产率和表面粗糙度的主要参数。磨粒粗，磨削深度增加，生产率高，表面粗糙度增大；磨粒细，磨削深度减小，生产率低，表面粗糙度值减小。磨削软金属时，为减少砂轮堵塞，常用粗磨粒；磨削硬脆材料用细磨粒。3. 结合剂：粘结磨料的材料。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要处决于结合剂的种类和性质。GB2484-84中常用结合剂有： (1)陶瓷结

9、合剂（V）：性能稳定，不怕油、酸、碱的腐蚀，适应各种冷却液，气孔率大，磨削效率高；脆性大，弹性差，不能承受侧向力。适用于V35m/s的内外圆、平面、无心磨削和成形磨削等。 (2)树脂结合剂（B）：由环氧树脂、酚醛树脂等有机化合物组成。强度高、弹性好、耐冲击；耐热性和耐腐蚀性差。适用于切断和开槽的薄片砂轮及V50m/s的高速磨削砂轮。 (3)橡胶结合剂（R）：强度和弹性比树脂结合剂更高；气孔率小，易堵塞，耐热性差，具有较好的抛光作用。适用于无心磨削导轮、抛光砂轮等。 (4)金属结合剂（M）：用青铜作结合剂，韧性和成形性好，强度大，自锐性差。适用于金刚石砂轮和磨具。4 硬度：磨具工作时在外力作用下

10、磨料颗粒脱落的难易程度。 磨粒容易脱落，砂轮硬度软，反之则硬。GB2484-84规定了16个级别。D，E，F（超软）；G，H，J（软）；K，L（中软）；M，N（中）；P，Q，R（中硬）；S，T（硬）；Y（超硬）。普通磨削常用GN级硬度的砂轮。 砂轮的硬度对磨削质量和生产率有很大影响。砂轮硬度过高，磨粒钝化后不能及时脱落，磨屑易堵塞砂轮孔隙，使摩擦力、磨削力和磨削热增加，引起加工面粗糙度增大，生产率下降；而砂轮硬度过低时，磨粒在钝化之前就过早脱落，使砂轮损耗大，并很快失去正确形状。 硬度选取：软材料，硬砂轮；硬材料，软砂轮；成型磨削和精磨，硬砂轮；薄壁、薄片、细长零件磨削，软砂轮，断续表面磨削，

11、硬砂轮。5. 组织：表示磨具中磨粒、结合剂和气孔三者之间体积的比例关系，用来表示砂轮结构的松紧程度。 组织号以磨粒所占磨具体积的百分比来确定，磨粒占百分比越大，组织越致密，反之疏松。 GB2484-84规定了15个组织号：0、1、214，0号最致密，14号最疏松。 组织选取：普通磨削钢和铸铁，中等组织砂轮；成型磨削、精密磨削，组织紧密砂轮；韧性大硬度不高的材料，组织疏松砂轮；硬质合金、热敏性材料（如磁钢）、有色金属，组织更疏松的大气孔砂轮。6 形状和尺寸6.1.4 磨削过程磨削过程的实质: 磨削也是一种切削加工。砂轮表面上分布着为数甚多的磨粒，每个磨粒相当于多刃铣刀的一个刀齿，因此磨削过程可以

12、看作是众多刀齿铣刀的一种超高速铣削。 砂轮表面磨粒形状各异，排列很不规则，其间距和高低随机分布。据测量，刚修正后的刚玉砂轮， 平均为6580 ，磨削一段时间后增大到85。由此可见，磨削时是负前角切削，且负前角远远大于一般刀具切削的负前角。负前角切削是磨削加工的一大特点。o 磨粒的切削过程如图所示。 （1）砂轮表面突起高度较大和较为锋利的磨粒，切入工件较深且有切屑产生，起切削作用（图a）。 （2）突起高度较小和较钝的磨粒，只能在工件表面刻画细微的沟痕，工件材料被挤向两旁而隆起，此时无明显切屑产生，仅起刻划作用（图b）。 （3）比较凹下和已经钝化的磨粒，既不切削也不刻划，只能从工件表面滑擦而过，起

13、摩擦抛光作用。 磨削过程的实质是切削、刻划和摩擦抛光的综合作用过程，由此可获得较小的表面粗糙度值。粗磨时以切削作用为主，精磨时切削作用和摩擦抛光作用同时并存。6.2 磨削加工 磨削加工的应用范围非常广泛，可以加工内外圆柱面、内外圆锥面、平面、成形面和组合面等，如图所示。目前磨削主要用于对工件进行精加工，经过淬火的工件及其它高硬度的特殊材料，几乎只能用磨削来进行加工。另外，磨削也可以用于粗加工。 6.2.1 外圆磨削 外圆磨削是用砂轮外圆周面来磨削工件的外回转表面。它不仅能加工圆柱面端面（台阶部分），还能加工球面和特殊形状的外表面等。1、工件的装夹方法 轴类工件常用顶尖装夹，其方法与车削基本相同

14、，但磨床所用的顶尖不随工件转动，以避免主轴与轴承的制造、轴间间隙、顶尖同轴度等带来误差。精加工所用的中心孔的质量对加工精度影响较大，因此加工中要保证中心孔的质量。 盘套类工件用心轴和顶尖装夹。所用心轴与车削用的心轴相同，只是形状和位置精度以及表面粗糙度要求严格。 磨削短又无中心孔的轴类工件时，可用三爪自定心卡盘或四爪单动卡盘装夹。2、磨削余量 一般磨削分为粗磨与精磨，磨削总余量为0.30.5mm。粗磨余量约占总余量的7/109/10；精磨余量按加工情况确定，一般为0.050.10mm。3、磨削用量1）磨削速度 普通外圆磨削砂轮旋转是主运动。提高磨削速度可以提高生产率并减小表面粗糙度值，但磨削速

15、度受砂轮强度和机床刚性限制。磨外圆和平面时磨削速度为3035m/s，高速磨削时可达50m/s。2）横向进给量fr fr是工作台每双（单）行程内砂轮相对于工件径向移动的距离，单位是mm/dstr（毫米/双行程）或mm/str（毫米/单行程）。3）纵向进给量fa fa是工件每转一转相对砂轮沿轴向移动的距离，单位是mm/r。一般fa =KT。4）工件圆周速度（工件圆周进给量）vw Vw指工件圆周的线速度，单位是m/s或m/min。4、常用磨削方法（1）纵磨法 纵磨时，砂轮的旋转为主运动，工件旋转为圆周进给运动，工件随工作台的直线往复运动为纵向进给运动，每单行程或往复行程终了时，砂轮作周期性的径向进给

16、（即磨削吃刀量）。由于每次的磨削吃刀量小，因而磨削力小，磨削热少；由于工件作纵向进给运动，故散热条件较好。在接近最后尺寸时可作几次无径向进给的“光磨”行程，直至火花消失为止，以减小工件因工艺系统弹性变形所引起的误差。因此，纵磨法的精度高，表面粗糙度Ra值小。但生产率低，因而适用于单件小批生产及精磨中。 （2）横磨法 采用横磨法磨削外圆时，砂轮宽度比工件的磨削宽度大，工件不需作纵向（工件轴向）进给运动，砂轮以缓慢的速度连续地或断续地沿作横向进给运动，实现对工件的径向进给fr，直至磨削达到尺寸要求。其特点是：充分发挥了砂轮的切削能力，磨削效率高，同时也适用于成形磨削。然而，在磨削过程中砂轮与工件接

17、触面积大，使得磨削力增大，工件易发生变形和烧伤。另外，砂轮形状误差直接影响工件几何形状精度，磨削精度较低，表面粗糙度值较大。因而必须使用功率大，刚性好的磨床，磨削的同时必须给予充分的切削液以达到降温的目的。使用横磨法，要求工艺系统刚性要好，工件宜短不宜长。短阶梯轴轴颈的精磨工序，通常采用这种磨削方法。 （3）复合磨削法 是纵磨法和横磨法的综合运用，即先用横磨法将工件分段粗磨，各段留精磨余量，相邻两段有一定量的重叠，最后，再用纵磨法进行精磨。复合磨削法兼有横磨法效率高、纵磨法质量好的优点。（4） 深磨法 是在一次纵向进给中磨去全部磨削余量。磨削时，砂轮修整成一端有锥面或阶梯状，工件的圆周进给速度

18、与纵向进给速度都很慢。此方法生产率较高，但砂轮修整复杂，并且要求工件的结构必须保证砂轮有足够的切入和切出长度。 （5）无心磨削 一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。磨削时，工件不用顶尖定心和支承，而是放在砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交16时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，这称为贯穿磨削。贯穿磨削只能用于磨削外圆柱面。采用切入式无心磨削时，须把导轮轴线与砂轮轴线调整成互相平行，使工件支承在托板上不作轴向移动，砂轮相对导轮连续作横向进给。切入式无心磨削可加工成形面。无心磨削也可用于内圆磨削，加工时工件外圆支承在滚轮或支承块上定心，

19、并用偏心电磁吸力环带动工件旋转，砂轮伸入孔内进行磨削，此时外圆作为定位基准，可保证内圆与外圆同心。无心内圆磨削常用于在轴承环专用磨床上磨削轴承环内沟道。 6.2.2 磨削内圆磨削内圆 利用外圆磨床的内圆磨具可磨削工件的内圆。磨削内圆时，工件大多数是以外圆或端面作为定位基准，装夹在卡盘上进行磨削，磨内圆锥面时，只需将内圆磨具偏转一个圆周角即可。与外圆磨削不同，内圆磨削时，砂轮的直径受到工件孔径的限制，一般较小，故砂轮磨损较快，需经常修整和更换。内圆磨使用的砂轮要比外圆磨使用的砂轮软些，这是因为内圆磨时砂轮和工件接触的面积较大。另外，砂轮轴直径比较小，悬伸长度较大，刚性很差，故磨削深度不能大，而降

20、低了生产率。 6.2.3 平面磨削 在平面磨床上，采用电磁吸盘工作台吸住工件。电磁吸盘工作台的工作原理是当线圈中通过直流电时，芯体被磁化，磁力线经过盖板-工件-盖板-吸盘体而闭合，工件被吸住。电磁吸盘工作台的绝磁层有铅、铜或巴合金等非磁性材料制成、它的作用是使绝大部分磁力线都通过工件 当磨削键、垫圈、薄壁套等小的零件时，由于工件于工作台接触面积小，吸力弱、容易被磨削力弹出造成事故，所以装夹这类工件时，需要工件四周或左右两端用挡铁围住，以防工件移动。 对以上几种平面磨削的特点进行分析比较如下： 砂轮周边磨削和砂轮端面磨削 砂轮周边磨削时，砂轮与工件接触面积小，磨削热量较小，加工表面质量较高。但是

21、，生产效率较低，故常用于精磨和磨削较薄的工件。砂轮端面磨削时，由于主轴是立式的，刚性较好，可使用较大的磨削用量，生产效率较高。但砂轮与工件接触面积较大，磨削热量大，加工表面质量较低，故常用于粗磨。 6.2.4 磨螺纹 主要用于在螺纹磨床上加工淬硬工件的精密螺纹（图3）, 按砂轮截面形状不同分单线砂轮和多线砂轮磨削两种。单线砂轮磨削能达到的螺距精度为56级，表面粗糙度为Ra1.250.08微米，砂轮修整较方便。这种方法适于磨削精密丝杠、螺纹量规、蜗杆、小批量的螺纹工件和铲磨精密滚刀。多线砂轮磨削又分纵磨法和切入磨法两种。纵磨法的砂轮宽度小于被磨螺纹长度，砂轮纵向移动一次或数次行程即可把螺纹磨到最

22、后尺寸。切入磨法的砂轮宽度大于被磨螺纹长度，砂轮径向切入工件表面，工件约转1.25转就可磨好，生产率较高，但精度稍低，砂轮修整比较复杂。切入磨法适于铲磨批量较大的丝锥和磨削某些紧固用的螺纹。 6.2.5磨削的工艺特点磨削的工艺特点一、磨削属多刃、微刃切削 砂轮上每一磨粒相当于一个切削刃，而且切削刃的形状及分布处于随机状态，每个磨粒的切削角度、切削条件均不相同。二、加工精度高 磨削属于微刃切削，切削厚度极薄，每一磨粒切削厚度可小到数微米，故可获得很高的加工精度和低的表面粗糙度值。 三、磨削速度大 一般砂轮的圆周速度达20003000m/min，目前的高速磨削砂轮线速度已达到60250m/s。故磨

23、削时温度很高，磨削区的瞬时高温可达8001000，因此磨削时必须使用切削液。 四、加工范围广 磨粒硬度很高，因此磨削不但可以加工碳钢、铸铁等常用金属材料，还能加工一般刀具难以加工的高硬度、高脆性材料，如淬火钢、硬质合金等。但磨削不适宜加工硬度低而塑性大的有色金属材料。 6.3 先进磨削工艺简介6.3.1 高精度、小表面粗糙度值磨削 精密磨削是指在精密磨床上，选择细粒度砂轮，并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，使被磨削表面所留下的磨削痕迹极其微细、残留高度极小，再加上无火花磨削阶段的作用，获得加工精度为10.1m和表面粗糙度Ra为0.20.025m的表面磨削方法。 6.3.

24、2 高效磨削 高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削去除率和磨削质量的工艺方法，它既是提高磨削精度、表面质量又是提高磨削效率的有效方法。一般砂轮线速度在45m/ss150m/s范围内就属于高速磨削。高速磨削有如下优点： a)磨粒的未变形切削厚度减小，磨削力下降； b)砂轮磨损减小，提高砂轮寿命； c)在磨粒最大未变形切削厚度不变条件下，可加大磨削深度或工件速度，提高磨削效率； d)切削变形程度小，磨粒残留切痕深度减小，磨削厚度变薄，可改善表面质量及减小尺寸和形状误差。 缓进给磨削（Creep Feed Grinding）以往国内有很多种叫法，譬如强力磨削、重负荷磨削、蠕动磨削、铣磨等等，目

25、前确切的名称应该是缓进给深切磨削，通常简称缓磨。该项工艺的显著特点是进给速度低，约是普通磨削的10-310-2倍，譬如在平面磨削时工件速度可以低到0.2mm/s，所以成为“缓”磨。但另一方面，其一次切深大，约是普通磨削的1001000倍，譬如平磨时极限切深可以达到2030mm。 6.3.3 砂带磨削 砂带磨削是根据工件形状以相应的接触方式使运动着的砂带与工件接触而进行磨削的一种工艺方法。砂带主要是由基体、结合剂和磨料三部分组成。制造砂带一般采用静电植砂。磨粒分布均匀，锋刃向外，切削性能好，几乎所有磨粒都可以参加切削，磨削效率大大高于砂轮磨削。 磨削外圆时，砂带围绕在具有一定弹性的压轮和张紧轮上

26、,由压轮驱动回转作连续切削运动,工件由顶尖支承并由机床带动旋转，工件或磨头作纵向进给运动。当工件接触砂带或通过压轮下的磨削区时，即被砂带磨去表面的一层材料。砂带磨削的切削速度一般为2030米秒，磨削压力为2030兆帕。 无心外圆砂带磨削原理与砂轮无心磨削相同。砂带磨孔主要用于磨削特殊零件上的大型孔。平面砂带磨削时，砂带回转为主运动，传送带带动工件作进给运动。砂带磨削的优点是:砂带与工件的接触面积大(宽砂带能磨削5米宽的平面)，故磨削效率高，而比能耗低；磨削时的散热性较好，磨削表面不易烧伤，表面冷硬程度和残余应力也比砂轮磨削小；所用设备较简单而适应性较广，尤其适于磨削特大、特宽工件的表面，如钢板

27、、钢带、大尺寸管件的外圆或内壁等。但砂带磨钝后不能修整，需要时常更换，消耗较大。IT5IT3, Ra值值0.10.008 m6.4 光整加工光整加工6.4.1 研磨研磨一、研磨加工方法一、研磨加工方法二、研磨原理二、研磨原理研磨剂：研磨剂：1.磨料：机械切削作用（氧化铝、碳化硅、金刚石磨料：机械切削作用（氧化铝、碳化硅、金刚石 W14W5 ）2.研磨液：冷却、润滑作用（煤油、汽油、机油）研磨液：冷却、润滑作用（煤油、汽油、机油）3.辅助填料：使金属表面产生极薄、较软的化合物薄膜（硬脂酸、油酸）辅助填料：使金属表面产生极薄、较软的化合物薄膜（硬脂酸、油酸）研具：研具：1.比工件材料软比工件材料软2.涂敷、镶嵌磨料涂敷、镶嵌磨料3.用铸铁、软钢、紫铜、塑料或硬木制造（铸铁常用）用铸铁、软钢、紫铜、塑料或硬木制造（铸铁常用）三、研磨的特点及应用三、研磨的特点及应用1. 可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度可提高尺寸精度、形状精度，不能提高位置精度2. 可提高零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳强度和使用寿命可提高零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳强度和使用寿命