金 属 切 削 原 理 与 刀 具第10章

1、10.1 砂轮的特性与适用范围 砂轮是由磨料加结合剂通过烧结的方法而制成的多孔物体。如图10.1所示，砂轮是由磨料、结合剂和气孔3部分组成。砂轮的特性包括磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和尺寸等。（1）磨料。分为天然磨料和人造磨料两大类。目前主要采用人造磨料。常用人造磨料可分为氧化物系、碳化物系和超硬磨料系3大类。氧化物系主要成分为Al2O3；碳化物系主要以碳化硅、碳化硼为基体；超硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼。 第十章 砂轮与磨削 第十章 砂轮与磨削（2）粒度。表示磨料颗粒的大小。旧的表示方法是按大小把磨粒分为一般磨粒和微细磨粒两大类。一般磨粒用筛分法来确定粒度号，单位为“目”

2、。新的方法是按照国家标准规定，粗磨粒标示为F4F220共26级。微细磨粒的磨粒尺寸小于63 m。按照国家标准规定，微粉标示为F230F1200共11级。 砂轮磨料的粒度对磨削表面的粗糙度和磨削效率有很大影响，所以，粗磨时一般选粗粒度砂轮，精磨时选细粒度砂轮。磨软金属时多选用粗的磨粒，磨脆和硬的金属时，则选用较细的磨粒。图10.1 砂轮的构造第十章 砂轮与磨削（3）硬度。是指在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。也反映磨粒与结合剂的粘固程度。砂轮硬度主要由结合剂的强度决定，与磨粒本身硬度无关。 砂轮硬度对磨削质量和生产率有很大影响。一般情况下，加工硬度大的金属应选用软砂轮，加工软金属时

3、应选用硬砂轮；粗磨时选用软砂轮，精磨时选用硬砂轮。（4）结合剂。是把磨粒固结成磨具的材料称。它决定了砂轮的硬度、耐冲击性、耐腐蚀性和耐热性及砂轮寿命。（5）组织。表示颗粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系。也表示砂轮结构的紧密或疏松程度。磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密，气孔越小；反之，组织越疏松，如图10.2所示。第十章 砂轮与磨削 砂轮的组织可分为紧密、中等、疏松3大类，组织号细分为014，其中03号属紧密类；47号属中等类；814号属疏松类。 紧密类砂轮适用于在重压力下磨削；中等组织的砂轮适用于一般磨削；疏松类砂轮，适用于粗磨、平面磨、内圆磨等磨削接触面积较大的工件，以及磨削

4、热敏感性较强的材料、软金属和薄壁工件。图10.2 砂轮的组织第十章 砂轮与磨削（6）形状和尺寸。砂轮的形状和尺寸是根据磨床类型、加工方法及加工要求来确定的。根据GB/T 24841994规定，其主要常用砂轮的形状、代号及用途如表10.6所示。 在生产中，为便于对砂轮进行管理和选用，通常将砂轮的形状、尺寸和特性标注在砂轮端面上，其顺序为形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和允许的最高工作圆周线速度。其中尺寸一般指外径厚度内径。 第十章 砂轮与磨削第十章 砂轮与磨削10.2磨削加工技术 10.2.1 磨削运动及磨削用量 磨削时一般有3种运动，外圆磨削、内圆磨削和平面磨削，如图10.3所示

5、。 图10.3 磨削运动第十章 砂轮与磨削（1）主运动。砂轮的旋转运动是主运动，砂轮外圆的线速度即主运动速度v。 （10-1）（2）径向进给运动。砂轮相对于工件径向的运动，其大小用径向进给量fr表示。径向进给量亦称磨削深度ap。（3）轴向进给运动。工件相对砂轮轴向的进给运动，轴向进给量用fa表示，它指工件每一转或工作台每一次行程，工件相对砂轮的轴向移动的距离。（4）圆周进给运动。工件的旋转运动中，工件外圆的线速度，即为圆周进给速度vw，单位为m/s。外圆磨削时： （10-2） 第十章 砂轮与磨削10.2.2 磨粒对工件的作用 从本质上讲，磨削也是一种切削。砂轮可看作是具有极多微小刀齿的铣刀，这

6、些刀齿随机排列在砂轮表面上，磨削时，比较锋利和凸出的磨粒，可以获得较大的切削厚度，从而切下切屑；不太凸出或磨钝的磨粒，只是在工件表面上刻划出很小的沟痕，工件材料则被挤向磨粒两旁，在沟痕两边形成隆起，如图10.4所示。比较凹下的磨粒，既不切削也不刻划工件，只是从工件表面滑擦而过。 砂轮的自行推陈出新、以保持自身锋锐的性能，称为“自锐性”。但由于切屑和碎磨粒会把砂轮堵塞，使它失去切削能力；而且磨粒随机脱落的不均匀性，会使砂轮失去外形精度，所以在磨削一定时间后，仍需对砂轮进行修整第十章 砂轮与磨削 磨粒要切下切屑，要经历滑擦、刻划和切削3个阶段。 第1阶段，磨粒从工件表面滑擦而过，只有弹性变形而无切

7、屑；第2阶段，磨粒切入工件表层，刻划出沟痕并形成隆起；第3阶段，切削厚度增大到某一临界值，切下切屑。砂轮的磨削过程，实际上就是滑擦、刻划和切削3种作用的综合。在磨屑形成过程中，因强烈的滑擦、刻划、挤压，而产生很高的摩擦速度并产生很高的温度。又由于切削厚度小，使磨屑尺寸细小而形状各异。另外磨削时除了产生正常的切屑外，还产生金属微尘等。磨削时看到的火花，是切屑离开工件后氧化和燃烧所产生的现象。 图10.4 磨粒切削过程第十章 砂轮与磨削10.2.3 磨削阶段 可将磨削过程分成如图10.5所示的3个阶段。（1）初磨阶段。在最初几次进给中，实际磨削深度小于径向进给量。机床、工件、夹具工艺系统刚性越差，

8、此阶段的磨削时间越长。（2）稳定阶段。当系统弹性变形达到一定程度后，继续进给时，其实际磨削深度基本上等于径向进给量。（3）清磨阶段。当磨削余量即将磨完时，法向力Fn减小。由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，使实际磨削深度大于零。因此，在无切深情况下应增加走刀次数，使实际磨削深度逐渐趋于零，直至磨削火花消失，这个阶段叫清磨阶段。清磨阶段可以提高磨削精度，减小表面粗糙度。第十章 砂轮与磨削 从图10.5中可知，要提高生产率，应缩短初磨阶段和稳定阶段，要提高表面质量必须保持适当的清磨走刀次数和清磨时间。图10.5 磨削过程的3个阶段第十章 砂轮与磨削10.2.4 磨削热与磨削温度1磨削热的来源 磨粒对工

9、件进行滑擦、刻划和切削过程中，所消耗的能量绝大部分转化为能量，即形成磨削热。2影响磨削温度的主要因素（1）磨削用量。当砂轮速度、径向进给量增大时，磨削热增加，磨削温度升高。（2）砂轮特性。当砂轮硬度较软，磨料硬而脆时可降低磨削温度；砂轮粒度较粗，组织较疏松时可降低磨削温度（3）工件材料性能。当工件材料强度高、韧性大、热导率低时，磨削温度高；反之，则磨削温度低。 为了降低磨削温度，除正确选择砂轮和磨削用量外，还可以采取及时修整砂轮，正确使用磨削液措施等。第十章 砂轮与磨削3磨削热和磨削温度对工件表面的影响（1）工件表面烧伤。工件加工表面表层变质的现象叫表面烧伤。实际上，在磨削各种钢料时，烧伤产生

10、于磨粒磨损达到一定限度时。 磨削时，已加工表面硬度也将发生变化。当工件表面温度显著地超过钢的回火温度但仍低于相变温度时，表面会变软。当钢件表面温度超过相变温度723时，就会形成奥氏体，随后被工件深处较冷的基体淬硬而得到马氏体硬层，这就称为二次淬火烧伤。 工件表面烧伤的表征是磨削力与砂轮磨损率增加和加工表面质量变差。表面烧伤损坏了零件表层组织，影响了零件的质量和寿命。此时砂轮已到必须重新修整的时候。第十章 砂轮与磨削 减小和防止烧伤的主要措施是：正确选择砂轮并保持砂轮良好的切削性能；选择合适的磨削方法；选择合理的切削用量；采用好的切削液及正确润滑方法等。（2）加工表面的残余应力。残余压应力可提高

11、零件的疲劳强度和耐磨性，而残余拉应力却使零件表面翘曲，强度降低。当超过材料的强度极限时，就会使零件产生裂纹。 产生磨削表面残余应力的原因是残留的塑性变形和热影响和相变作用。 用软砂轮进行超缓进给磨削时，不存在可以察觉的残余拉应力而仅存在表面压应力。但对软钢或硬钢进行重负荷磨削时，则在较深的表面中产生较高的残余拉应力，而且在软钢中应力分布更深。第十章 砂轮与磨削 引起高的残余应力的因素是：低的工件速度、硬而钝的砂轮、干磨或用水溶性乳化液磨削，高的切入进给率和高的砂轮表面速度。 减小残余应力的措施：降低磨削温度和工件表面的温度梯度；控制恰当的进给量；适当增加清磨次数。其中最主要的控制方法是：采用切

12、削液。有效的润滑能够减少工件与砂轮接触区的热输入，并减小对加工表面的热干扰。 裂纹总是与表面烧伤或接近烧伤相联系。显微照片表明：裂纹与工件热处理时引起的内应力有关。因此，减少磨削裂纹形成的途径之一是改善磨削前的热处理规范，以减小晶界上的淬火变形。此外，在磨削时使用油剂切削液也能抑制烧伤，并使裂纹出现机会减少。 第十章 砂轮与磨削10.2.5 砂轮磨损及修整1砂轮的磨损 砂轮的磨损可分为磨耗磨损和破碎磨损，如图10.6所示。磨耗磨损（图中CC部分）的特征为磨粒一层一层被磨掉。它是由磨粒和工件之间的摩擦而引起的。破碎磨损是由磨粒的破碎（图中BB部分）或者结合剂的破碎（图中AA部分）而引起的。破碎磨

13、损的强烈程度取决于磨削力的大小和磨粒或结合剂的强度。两种磨损相比，破碎磨损所消耗砂轮的比重较大。对软砂轮来说，结合剂的破碎比磨粒的破碎要多些。但从磨损后的影响来看，磨耗磨损影响更大些。这是因为磨耗磨损直接影响到砂轮磨损表第十章 砂轮与磨削面的大小及磨削力的大小，而这些因素又反过来影响破碎磨损、砂轮耐用度以及磨削区温度的高低和被磨工件的表面质量。此外，磨削下来的磨屑嵌入砂轮的气孔中，会影响容屑空间和排屑，也能使砂轮失去磨削能力。砂轮磨损后若继续使用就会使磨削力增加，磨削效率降低，磨削表面质量下降；同时发生振动和噪声，应及时修整。 图10.6 砂轮的磨耗磨损及破碎磨损第十章 砂轮与磨削2砂轮的修整

14、 砂轮磨损后应修整，以消除钝化的磨粒和堵塞层，恢复砂轮的切削性能及正确形状。砂轮修整是用修整工具把砂轮工作表面修整成所要求的廓型和锐度。砂轮的修整方法和条件对砂轮表面形貌和砂轮切削能力有很大影响。 第一类修整工具是本身不作旋转运动的。如单颗、单排与多排金刚石等。这类修整工具中目前用得最多的是前两种。单颗金刚石笔的修整过程如图10.7所示。单颗和单排金刚石修整工具的修整深度ad一般为0.0050.1mm，轴向进给量fa为0.050.4 mm。 第二类修整工具是本身作回转运动的，有时还作直线运动。这就是金刚石修整滚轮。此时金刚石颗粒是分布在第十章 砂轮与磨削一个面上而不是在一条线上。滚轮修整时，滚

15、轮寿命长，修整时间短，具有较高的尺寸精度和形状精度，但成本高图10.7 用金刚石笔修整砂轮第十章 砂轮与磨削对机床结构和刚度有较严格要求。仅适于大批量生产或成形砂轮修整。金刚石滚轮的修整形式如图10.8所示。图10.8 金刚石滚轮的修整方式第十章 砂轮与磨削10.3先进磨削方法简介 10.3.1 高速磨削 砂轮线速度高于45m/s的磨削称为高速磨削。经济的磨削速度是5060m/s。高速磨削的特点如下。（1）在一定的单位时间磨除量下，当砂轮线速度提高时，磨粒的当量切削厚度变薄，这就使得磨粒的负荷减轻，砂轮耐用度提高；磨削表面粗糙度减小；法向磨削力减小，使得工件精度较高。（2）如果砂轮磨粒切削厚度

16、保持一定，则在线速度提高时，单位时间内磨除量可以增加，生产率得以提高。 高速磨削时的注意事项如下。（1）砂轮主轴转速须随线速度的提高而相应地提高，砂轮第十章 砂轮与磨削传动系统功率须足够，机床刚性须足够，并注意减小振动（2）砂轮速度必须足够，保证在高速旋转下不会破裂；除应经过静平衡试验外，最好采用砂轮动平衡装置；砂轮必须有适当的防护罩。（3）必须具有良好的冷却条件，有效的排屑装置。10.3.2 强力磨削 强力磨削又叫深磨、蠕动磨削或大切深缓进给磨削。它是以较大的切削深度和很低的工作台进给速度磨削工件，经一次或数次走刀即可磨到所要求的尺寸形状精度，适于磨削高硬度高韧性材料，如耐热合金、不锈钢和高速钢等的型面和沟槽。第十章 砂轮与磨削10.3.3 超精磨削与镜面磨削 可获得表面粗糙度Ra值在0.010.04m范围内的磨削方法称为超精磨削；Ra值不大于0.01m的磨削方法称为镜面磨削。 超精磨削与镜面磨削中，砂轮以磨粒微刃切削、刻划工件，经仔细修整后，砂轮表面具有大量等高的微刃，这些微刃在工件表面上切下微细的切屑，形成表面粗糙度Ra值很小的磨削表面。经一定的切削过程后，磨粒微