《金属切削原理及刀具》课件-第12章

第12章砂轮与磨削第12章砂轮与磨削1目录12.1砂轮的特性与选择112.2磨削运动和磨削要素212.3磨削过程和磨削机理312.4砂轮的磨损及修整412.5磨削表面质量512.6先进磨削技术6目录12.1砂轮的特性与选择112.2磨削运动和磨削2砂轮的构造1—砂轮；2—结合剂；3—颗粒磨料；4—磨屑；5—工件磨削是现代机械制造中最常用的加工方法之一，其应用范围很广。磨削可用来加工一般金属与非金属材料和各种高硬度材料，可磨削外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨、其他复杂的成形表面、各种刀具的前、后面等多种表面。砂轮的构造磨削是现代机械制造中最常用的加工方法之一，312.1砂轮的特性与选择了解砂轮的切削性能，就必须分别研究组成砂轮的各要素，即磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等。

12.1.1磨料刚玉类棕刚玉（代号A）镨钕刚玉（代号GP）白刚玉（代号WA）铬刚玉（代号PA）微晶刚玉（代号MA）单晶刚玉（代号SA）12.1砂轮的特性与选择了解砂轮的切削性能，就42.碳化硅类1）黑色碳化硅（C）黑色碳化硅的纯度为98.5％左右，呈黑色，有光泽，适于磨削铸铁和黄铜等。2）绿色碳化硅（GC）绿色碳化硅的纯度大于99％，呈绿色，有光泽，硬度比黑色碳化硅高，适于磨削硬质合金、宝石和光学玻璃等。它的价格比黑色碳化硅高。3.金刚石类天然金刚石是目前已知物质中最硬的一种材料，其刃口锋利，导热性好，切削性能优良，但价格昂贵，主要用于加工其他磨料难以加工的高硬度材料，以及进行高精度磨削，如精磨硬质合金和光学玻璃等。工业中用的大多是人造金刚石（JR）。4.立方氮化硼立方氮化硼简称为CBN，是近几年来研制成功的磨削高硬度、高韧性难加工钢材的一种新磨料。2.碳化硅类5四类磨料的几项主要性能对比见表12-1。表12-1四类磨料的几项主要性能对比（所有指标都以金刚石为1）磨料种类刚玉类碳化硅类金刚石类立方氮化硼类显微硬度0.2～0.240.28～0.3310.8～0.9导热系数0.0120.0271磨削能力0.1～0.30.25～0.281磨韧性材料3～5，磨脆性材料<1四类磨料的几项主要性能对比见表12-1。磨料种类刚玉类碳6

12.1.2粒度及其选择粒度是指磨粒的大小。粒度有以下两种表示方法：（1）对用筛选法来区分的较大的颗粒（砂轮上用的都是这种），以每英寸长度上筛孔的数目来表示。表12-2颗粒粒度号及其对应的尺寸粒度号通过的网孔公称尺寸不通过的网孔公称尺寸粒度号通过的网孔公称尺寸不通过的网孔公称尺寸8#3150250060#31525010#2500200070#25020012#2000160080#20016014#16001250100#16012016#12501000120#12010020#1000800150#1008024#800630180#806330#630500240#635036#500400280#504046#40031512.1.2粒度及其选择表12-2颗粒粒度号及其7（2）对于用沉淀法或显微测量法来区分的微小颗粒（常称为微粉，作研磨用），就用颗粒的最大尺寸（以微米计）为粒度号。例如，W20表示微粉的颗粒尺寸在20～14之间。微粉粒度号见表12-3。表12-3微粉粒度号粒度号尺寸范围粒度号尺寸范围粒度号尺寸范围W4040～28W1010～7W2.52.5～1.5W2828～20W77～5W1.51.5～1W2020～14W55～3.5W11～0.5W1414～10W3.53.5～2.5W0.50.5～更细（2）对于用沉淀法或显微测量法来区分的微小颗粒（常称为8磨削软而韧的金属时，应选粒度号较小的砂轮，以减少砂轮堵塞现象；磨削硬而脆的金属时，宜选择粒度号大的砂轮。粗磨时，应选粒度号较小的砂轮，以保证较高的生产率；精磨时，应选粒度号较大的砂轮，以提高工件的表面光洁度。砂轮与工件的接触面积较大时，应选较小的粒度号，以免发热过多，使工件表面烧伤。磨削薄壁工件时，为了减少热变形，应选粒度号较小的砂轮。成形磨削时，要求砂轮外形保持的时间长，应选用粒度号较大的砂轮。12345通常，磨毛坯时可选用12#～24#；磨削外圆、内圆和平面时可选用36#～70#；刃磨刀具时可选用46#～100#；螺纹磨削、成形磨削和高光洁度磨削时可选用100#～280#的砂轮。选择砂轮粒度的一般原则如下：磨削软而韧的金属时，应选粒度号较小的砂轮，以减少砂轮堵塞现象912.1.3硬度及其选择砂轮硬度是指结合剂黏结磨粒的牢固程度，也就是指磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落下来的难易程度。表12-4砂轮硬度等级砂轮硬度等级代号砂轮硬度等级代号大级小级大级小级超软超软3CR3中中1Z1超软4CR4中2Z2软软1R1中硬中硬1ZY1软2R2中硬2ZY2软3R3中硬3ZY3中软中软1ZR1硬硬1Y1中软2ZR2硬2Y2超硬CY12.1.3硬度及其选择表12-4砂轮硬度等级砂轮10磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金等）和薄壁零件时，因不易散热，其表面常会烧伤，故要选择较软的砂轮。磨削硬材料时，应选较软的砂轮；磨削软材料时，应选较硬的砂轮，但磨削很软的材料（如有色金属）时，应选较软的砂轮。砂轮与工件接触面积越大，磨粒参加切削的时间越久，磨粒越易磨损，故应选越软的砂轮。成形磨削时，应选较硬的砂轮，以使砂轮轮廓能维持较长的时间。清理铸件、锻件和粗磨时，为了使砂轮不致消耗过快，应选较硬的砂轮。12345砂轮硬度的选择原则如下：磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金等）和薄壁零件时，因不1112.1.4结合剂结合剂是将细小的磨粒黏固成砂轮的结合物质。砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性、耐热性主要决定于结合剂的性能。此外，结合剂对磨削温度、磨削表面光洁度等也有一定的影响。常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂和橡胶结合剂三种。12.1.4结合剂12砂轮中气孔率大，还可以制造疏松的大气孔砂轮，砂轮不易堵塞，磨削效率高。性能稳定，不受空气干湿、气温变化以及贮存时间长短的影响。耐热性和耐腐蚀性好，不怕水、油及普通酸、碱的侵蚀，因此，可以用于干磨，也可使用各种切削液。磨损小，能较好地保持砂轮的几何形状。价格便宜。123451.陶瓷结合剂陶瓷结合剂是一种无机结合剂，代号为A。其具有以下优点：砂轮中气孔率大，还可以制造疏松的大气孔砂轮，砂轮不易堵塞，磨131弹性好，强度高，耐冲击，可以制造很薄的砂轮，可以用于50m/s的高速磨削。2砂轮自锐性好，磨削效率高。3由于砂轮弹性好，磨粒能退让，所以可避免因磨削量大、摩擦发热而使工件表面烧伤。3由于树脂结合剂具有弹性抛光作用，因而工件可获得较高的表面光洁度。2.树脂结合剂树脂结合剂是一种有机结合刑，代号为S。其具有以下优点：1弹性好，强度高，耐冲击，可以制造很薄的砂轮，14优点123橡胶结合剂强度和弹性比树脂结合剂还要好，可以做成更薄的砂轮。磨削时振动小，结合剂还能起些抛光作用，所以磨出的表面光洁度较高。砂轮退让性好，工件表面不易烧伤。3.橡胶结合剂橡胶结合剂是一种有机结合剂，代号为X。优点123橡胶结合剂强度和弹性比树脂结合剂还要好，可以做成更15

12.1.5组织及其选择砂轮的组织是指砂轮的松紧程度，也就是磨粒在砂轮内所占的比例。砂轮的组织分类见表12-5。组织分类紧密中等疏松组织代号0123456789101112磨粒占砂轮体积的百分比62％60％58％56％54％52％50％48％46％44％42％40％38％表12-5砂轮的组织分类12.1.5组织及其选择组织分类紧密中16

12.1.6砂轮的形状和尺寸为了适应在不同类型的磨床上磨削各种不同形状和尺寸的工件需要，砂轮需制成不同的形状和尺寸。我国砂轮早已标准化，几种常用砂轮的形状、代号及其主要用途见表12-6。12.1.6砂轮的形状和尺寸17《金属切削原理及刀具》课件--第12章18砂轮的各种特性以代号标注在砂轮的端面上，其次序是：磨料—粒度—硬度—结合剂—组织代号—形状和尺寸。砂轮的代号标注示例如下：砂轮的各种特性以代号标注在砂轮的端1912.2磨削运动和磨削要素

12.2.1磨削加工类型根据砂轮与工件相对位置的不同，磨削可大致分为内圆磨削、外圆磨削和平面磨削。如图所示给出了主要的磨削加工类型。12.2磨削运动和磨削要素12.2.1磨削加工类型20主要的磨削加工类型主要的磨削加工类型2112.2.2磨削运动磨削时，一般有四个运动。如图所示为外圆磨削与平面磨削时的运动。磨削时的运动12.2.2磨削运动磨削时的运动221.主运动主运动是砂轮的旋转运动。主运动速度是砂轮外圆的线速度，其表达式为（12-1）式中，为砂轮线速度，即磨削速度（m／s）；为砂轮直径（mm）；为砂轮转速（r／s）。1.主运动232.径向进给运动径向进给运动用径向进给量fr来表示，它是工件相对砂轮在工作台每双（单）行程内沿砂轮径向移动的距离，其单位为mm/（d·str）或mm/str。3.轴向进给运动轴向进给运动是工件相对砂轮沿其轴向的进给运动，用轴向进给量fa来表示。一般fa=（0.2～0.8）B，B为砂轮宽度。fa的单位，圆磨时为mm/r，平磨时为mm/（d·str）。4.工件进给运动工件进给运动既可以是工件自身的旋转运动，也可以是工件随工作台的直线往复运动。它可以用工件速度vw来表示。2.径向进给运动24外圆磨削时，工件速度可由下式求得（12-2）式中，为工件速度（m/s）；为工件直径（mm）；为工件转速（r/s）。平面磨削时，工件速度可由下式求得（12-3）式中，L为工作台行程（mm）；为工作台往复频率（s－1）。外圆磨削时，工件速度可由下式求得25

12.2.3磨削要素1.接触长度接触长度是指在磨削过程中，砂轮圆周表面的磨粒同工件之间的干涉长度。接触长度反映了磨削热源的大小，冷却排屑的难易及砂轮是否出现堵塞等问题，是磨削中的重要参数之一。1）平面磨削的接触长度12.2.3磨削要素26（a）（b）砂轮与工件的接触长度（a）（b）272）等效砂轮直径为简化起见，计算外圆或内圆磨削的接触长度问题可以转换为计算平面磨削的接触长度问题，为此提出了等效砂轮直径的概念。等效砂轮直径2）等效砂轮直径等效砂轮直径282.单个磨粒切削厚度为便于分析，可以将砂轮看做一把多齿铣刀，这样，就可以按照铣削中确定切削厚度的原理，来确定磨削中单个磨粒切削厚度。单个磨粒切削厚度的分析2.单个磨粒切削厚度单个磨粒切削厚度的分析29外圆磨削时单个磨粒最大切削厚度为可以定性地分析各因素对磨粒切削厚度的影响。（1）当工件速度vw、轴向进给量fa和径向进给量fr增大时，acgmax增大。（2）当砂轮速度v、砂轮直径d0和砂轮宽度B增大时，acgmax减小。（3）当砂轮每毫米圆周上的磨粒数m增大时，acgmax减小。外圆磨削时单个磨粒最大切削厚度为3012.3磨削过程和磨削机理

12.3.1磨粒的几何特征砂轮表面形貌中磨粒切刃形状可以分为圆锥形或角锥形、球形、球头圆锥形以及平头圆锥形等。一般磨粒切刃都带有一定大小的圆角，其刃口钝圆半径在几微米到几十微米之间，经磨损后刃口将更加圆秃。磨粒常见的形状图12.3磨削过程和磨削机理12.3.1磨粒的几何特31磨粒的主要几何特征如下：（1）顶锥角2θ为80°～145°，大多数为90°～120°，因此，磨削时磨粒基本上都以负前角进行切削。（2）尽管磨粒的切削刃和前刀面很不规则，但几乎所有磨粒的尖端都有圆弧，粒度越大，刃口钝圆半径越小。（3）砂轮如果经过精细修整（以极其缓慢的速度和极小的横向进给量对砂轮进行修整），其磨粒表面可能出现数个微小的切削刃，一般称为微刃，如图所示。磨粒上的微刃磨粒的主要几何特征如下：磨粒上的微刃32

12.3.2磨削切屑的形成磨粒要从工件上切下切屑，要经历滑擦阶段、刻划阶段和切削阶段，如图所示。磨粒切削过程的三个阶段12.3.2磨削切屑的形成磨粒切削过程的三个阶段33

12.3.3磨削力1.磨削力的持征与其他切削过程相似，磨削力也是起源于两个方面：一是砂轮上各个磨粒的切刃挤压切入工件后，工件材料发生弹性和塑性变形时所产生的阻力；二是磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦力。磨粒切削时所产生的作用力可分为切削力和摩擦力两部分。12.3.3磨削力34磨削力的三个分力以外圆纵磨为例，为便于分析问题，通常把磨削力分解为切向、径向和轴向三个分力Ft、Fn和Fa，如图所示。磨削力的三个分力以外圆纵磨为例，为便于分析问题，通352.磨削循环的几个阶段由于径向分力比较大，所以在磨削过程中工艺系统会在工件的直径方向产生弹性变形（俗称为让刀），使得预先确定的径向进给量成为变量。如图所示为径向进给量与磨削时间之间的关系曲线。径向进给量与磨削时间之间的关系曲线2.磨削循环的几个阶段径向进给量与磨削时间之间的关系曲36从图中可以看出，磨削循环分为如下几个阶段：（1）快速趋近阶段（0）。（2）初磨阶段（Ⅰ）。（3）稳定阶段（Ⅱ）。（4）光磨阶段（Ⅲ）。从图中可以看出，磨削循环分为如下几个阶段：373.磨削力和磨削功率的计算磨削过程中，影响磨削力的因素很多，且还难以用解析的方法建立理论公式，用来计算各种不同磨削条件下磨削力的大小。切向分力按下式计算

式中，为磨粒平均间距（mm）；为与工件材料性能有关的系数。3.磨削力和磨削功率的计算384.影响磨削力的因素当砂轮线速度v增大时，单位时间内参加切削的磨粒数随之增大。因此，单个磨粒切削厚度减小，磨削力也随之减小。当工件速度vw和轴向进给量fa增大时，单位时间内磨去的金属量增大，如果其他条件不变，则单个磨粒切削厚度增大，磨削力也随之增大。当径向进给量fr增大时，不仅单个磨粒切削厚度增大，而且使砂轮与工件的磨削接触长度增大，同时参加磨削的磨粒数增多，使磨削力增大。4.影响磨削力的因素39由于砂轮的磨损会使磨削力增大，因而磨削力的大小在一定程度上可以反映砂轮上磨粒的磨损程度。如果磨粒的磨损用磨削时工作台的行程次数（反映了砂轮工作时间的长短）间接地表示，则从实验得出砂轮行程次数与磨削力的关系如图所示。砂轮：WA46V，工件：GCr15，v=30m/s，vw=0.17m/s，fr=0.005mm/（d·str），B=5mm，湿磨砂轮行程次数与磨削力的关系由于砂轮的磨损会使磨削力增大，因而磨削力的大小40

12.3.4磨削热和磨削温度磨削时由于速度很高，同时切除单位体积切屑所需的能量约为普通切削加工的10～20倍，所以磨削温度很高。这样高的磨削温度会导致工件尺寸精度下降及加工表面质量的降低。因此，研究磨削温度并加以控制是提高表面质量和保证加工精度的重要方面。1.磨削温度的含义平时所说的磨削温度是指砂轮与工件接触面的平均温度。但深一步考虑就会发现，磨粒和工件接触面的温度才是真正的磨削点的温度。因此，把磨削温度区分为磨粒磨削点温度θdot和砂轮磨削区温度θA。此外，还有由于磨削热传入工件而引起的工件温升。12.3.4磨削热和磨削温度41影响因素123工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大。径向进给量是通过单个磨粒的切削厚度的变化以及同时工作的磨粒数的变化来影响磨粒磨削点温度的。径向进给量对砂轮磨削区温度的影响最大。2.磨粒磨削点温度和砂轮磨削区温度的影响因素影响因素123工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大42

12.4.1砂轮磨损的机理砂轮磨损包含磨粒的磨耗磨损、磨粒破碎和结合桥（两个磨粒之间用结合剂构成的连接部分）断裂等三种形态，如图所示。砂轮磨损的三种形态1—切屑；2—结合剂；3—磨粒；A—磨耗磨损；B—磨粒破碎；C—结合桥断裂12.4砂轮的磨损及修整12.4.1砂轮磨损的机理砂轮磨损的三种形态12.443砂轮的磨损过程同一般刀具的磨损过程相似，也分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段，如图所示。1.初期磨损阶段（Ⅰ）2.正常磨损阶段（Ⅱ）3.急剧磨损阶段（Ⅲ）砂轮的磨损过程砂轮的磨损过程同一般刀具的磨损过程相似，也分为44

12.4.2砂轮耐用度砂轮耐用度是指砂轮修整后，从开始磨削到不能继续正常磨削，且需要重新修整时为止这一段时间内所磨去的金属量，也可以用砂轮在两次修整之间的实际磨削时间来表示。它是表示砂轮磨削性能的重要指标之一。在实际生产中，常用砂轮两次修整之间磨削的工件数量来表示砂轮耐用度。12.4.2砂轮耐用度45表12-8砂轮耐用度的常用合理数值磨削种类外圆磨削内圆磨削平面磨削成形磨削砂轮耐用度T/s1200～24006001500600表12-8砂轮耐用度的常用合理数值磨削种类外圆磨削内圆磨46除砂轮耐用度外，还可以用磨削比来衡量砂轮的切削性能，其表达式为

式中，为材料切除率（mm3/s）；为每秒砂轮的磨耗体积（mm3/s）。选择砂轮时，应该使磨削比尽可能大，以取得较好的经济效果。除砂轮耐用度外，还可以用磨削比来衡量砂轮的切削性能，其表达式47

12.4.3砂轮的表面形态用电子显微镜或借助于气动、光学和光电的方法，可绘制出表示砂轮表面形态的形貌图，如图所示。砂轮表面形貌图12.4.3砂轮的表面形态砂轮表面形貌图48

12.4.4砂轮的修整砂轮的表面形态不仅与砂轮的粒度、组织等要素有关，还在很大程度上取决于砂轮的修整质量。1.砂轮修整的目的及工具砂轮修整的目的：一是去除已经磨损或被磨削堵塞的砂轮表层。使里层锐利的磨粒显露出来参与切削；二是使砂轮表面有足够数量的切削刃，从而降低磨削表面的粗糙度。修整砂轮使用的工具有：金刚石笔，用高速钢、高碳钢或淬硬合金制造的金属滚压轮，金刚石滚轮等。12.4.4砂轮的修整492.金刚石笔修整金刚石笔修整是最常用的修整方法。一般其修整深度在粗磨时可取5～10；在精磨时可取1～5。修整进给量的表达式为：式中，lg为平均粒距，lg≈25.4／粒度；n为比例系数，粗磨时n≈1/2～1，精磨时n≈1/5～1/2。2.金刚石笔修整式中，lg为平均粒距，lg≈503.金刚石滚轮修整修整用的金刚石滚轮表面层的金刚石颗粒是通过金属烧结法或金属电镀法制造而成的。修整砂轮时，金刚石滚轮单独驱动，相对于砂轮作同向或逆向旋转，同时作切入进给，切入量为0.5～1.5。修整结束后滚轮退出。3.金刚石滚轮修整5112.5磨削表面质量磨削表面质量包括磨削表面的粗糙度和磨削表面的物理力学性能两方面。

12.5.1磨削表面的粗糙度磨削表面的粗糙度是由磨粒磨削后在加工表面上形成残留廓形和工艺系统振动所引起的波纹所决定的。其一般形式为：12.5磨削表面质量磨削表面质量包括磨削表面52

12.5.2磨削表面的物理力学性能1.磨削表面烧伤磨削钢材时，开始钢材表面呈正常的金属光泽，随后逐渐转为黄褐色甚至成为紫黑色，这就是磨削表面的烧伤现象。若工件表面颜色为淡黄色，则其磨削温度约为400～500℃，其烧伤深度较浅；若工件表面颜色为紫色，则其磨削温度约为800～900℃，其烧伤深度较深。12.5.2磨削表面的物理力学性能53影响磨削表面烧伤的因素主要有以下几点：（1）磨削用量。砂轮线速度v及径向进给量fr的影响较大，砂轮线速度v及径向进给量fr较小时，不会出现烧伤，随着砂轮线速度v及径向进给量fr的增大，烧伤逐渐严重。工件速度vw的影响较小，只有当vw极小时，才会出现烧伤。（2）接触长度。砂轮与工件的接触长度大，易堵塞砂轮而不易冷却，容易出现烧伤。磨削表面烧伤的实质是使工件产生了金相组织变化，会破坏工件表层组织，严重时会产生裂纹，严重影响工件的耐磨性和使用寿命。因此，必须避免磨削烧伤。影响磨削表面烧伤的因素主要有以下几点：542.磨削表面的残余应力与磨削裂纹磨削表面的残余应力是由于磨削过程中金属体积发生变化等因素形成的。其中由于磨削温度的不均匀将形成热应力，一般为拉应力；由于金相组织的变化将形成相变应力，可能为拉应力或压应力；由于磨削过程塑性变形的不均衡将形成塑变应力，一般为压应力。磨削表面层残余应力是以上三者的复合。2.磨削表面的残余应力与磨削裂纹55残余压应力可提高零件疲劳强度和使用寿命。残余拉应力将使零件表面翘曲，强度下降，形成疲劳破坏。所以磨削过程应尽量避免形成残余拉应力。磨削过程中，当形成的残余拉应力超过工件材料的强度极限时，工件表面就会出现裂纹。磨削裂纹极浅，呈网状或垂直于磨削方向。有时不在其表层，而存在于其表层之下。有时在研磨或使用过程中，由于去除了其表面极薄金属层后，残余应力失去平衡，因而形成微小裂纹。这些微小裂纹，在交变载荷作用下，会迅速扩展，以造成工件的破坏。残余压应力可提高零件疲劳强度和使用寿5612.6先进磨削技术近20多年来，磨削加工在高精度、高表面质量和高效率的发展方向，取得了很大的进展，不少先进技术已在生产中逐渐趋向实用。下面介绍几种比较成熟的先进磨削技术。

12.6.1低粗糙度磨削技术一般把能获得表面粗糙度低于0.1的磨削称为低粗糙度磨削。12.6先进磨削技术近20多年来，磨削加工在571.低粗糙度表面的形成用很小的修整用量对砂轮作精细修整，使每个磨粒上形成若干微刃，从而使砂轮表面单位面积上的有效切削刃数成倍地增加。微刃要求有较高的等高性。砂轮经精细修整并磨削一段时间后，微刃的切削作用减弱，摩擦抛光作用加强，等高性更为良好。上述因素综合作用的结果，形成了低粗糙度的表面。2.对砂轮特性的主要要求因为碳化物系磨料韧性差，易崩碎，难以形成等高的微刃，无论钢和铸铁的低粗糙度磨削，一般均选用刚玉类磨料。由于低粗糙度磨削是依靠精细修整获得的微刃进行切削的，因而并不要求有很细的粒度，用粒度号60#～80#的砂轮，经精细修整，采用微量切削，能获得低于0.1的表面租糙度。1.低粗糙度表面的形成58

12.6.2缓进给强力磨削

缓进给强力磨削又称为蠕动磨削，这种磨削采用大切深（最大可至30mm）和慢进给（0.0002～0.005m/s），在—次行程中可切除大量材料，是近若干年发展起来的一种高效磨削。其主要特点如下：（1）因为磨削深度大，所以砂轮与工件的接触长度要比普通磨削大几倍甚至十几倍，因而同时参加切除金属的磨粒数大为增加，加之由于往复次数的减少，提高了生产效率。（2）由于工件进给速度极低，使得单个磨粒的切削厚度极薄，从而使得负荷较小，磨粒不易磨损。工件表面粗糙度可达0.4。（3）因为工件与砂轮的接触面积大，为防止磨削烧伤，要选用粒度粗、硬度低、组织疏松的砂轮，而且要使用流量大，压力高的冷却冲洗系统。12.6.2缓进给强力磨削59

12.6.3高速磨削技术一般把砂轮速度大于45～50m/s磨削称为高速磨削。高速磨削具有磨削效率高、砂轮耐用度高、磨削力和表面粗糙度低等优点。但要实施高速磨削，对砂轮的特性、机床主轴、冷却装置等都有—定的要求。12.6.3高速磨削技术60本章结束！谢谢！本章结束！谢谢！61第12章砂轮与磨削第12章砂轮与磨削62目录12.1砂轮的特性与选择112.2磨削运动和磨削要素212.3磨削过程和磨削机理312.4砂轮的磨损及修整412.5磨削表面质量512.6先进磨削技术6目录12.1砂轮的特性与选择112.2磨削运动和磨削63砂轮的构造1—砂轮；2—结合剂；3—颗粒磨料；4—磨屑；5—工件磨削是现代机械制造中最常用的加工方法之一，其应用范围很广。磨削可用来加工一般金属与非金属材料和各种高硬度材料，可磨削外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨、其他复杂的成形表面、各种刀具的前、后面等多种表面。砂轮的构造磨削是现代机械制造中最常用的加工方法之一，6412.1砂轮的特性与选择了解砂轮的切削性能，就必须分别研究组成砂轮的各要素，即磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等。

12.1.1磨料刚玉类棕刚玉（代号A）镨钕刚玉（代号GP）白刚玉（代号WA）铬刚玉（代号PA）微晶刚玉（代号MA）单晶刚玉（代号SA）12.1砂轮的特性与选择了解砂轮的切削性能，就652.碳化硅类1）黑色碳化硅（C）黑色碳化硅的纯度为98.5％左右，呈黑色，有光泽，适于磨削铸铁和黄铜等。2）绿色碳化硅（GC）绿色碳化硅的纯度大于99％，呈绿色，有光泽，硬度比黑色碳化硅高，适于磨削硬质合金、宝石和光学玻璃等。它的价格比黑色碳化硅高。3.金刚石类天然金刚石是目前已知物质中最硬的一种材料，其刃口锋利，导热性好，切削性能优良，但价格昂贵，主要用于加工其他磨料难以加工的高硬度材料，以及进行高精度磨削，如精磨硬质合金和光学玻璃等。工业中用的大多是人造金刚石（JR）。4.立方氮化硼立方氮化硼简称为CBN，是近几年来研制成功的磨削高硬度、高韧性难加工钢材的一种新磨料。2.碳化硅类66四类磨料的几项主要性能对比见表12-1。表12-1四类磨料的几项主要性能对比（所有指标都以金刚石为1）磨料种类刚玉类碳化硅类金刚石类立方氮化硼类显微硬度0.2～0.240.28～0.3310.8～0.9导热系数0.0120.0271磨削能力0.1～0.30.25～0.281磨韧性材料3～5，磨脆性材料<1四类磨料的几项主要性能对比见表12-1。磨料种类刚玉类碳67

12.1.2粒度及其选择粒度是指磨粒的大小。粒度有以下两种表示方法：（1）对用筛选法来区分的较大的颗粒（砂轮上用的都是这种），以每英寸长度上筛孔的数目来表示。表12-2颗粒粒度号及其对应的尺寸粒度号通过的网孔公称尺寸不通过的网孔公称尺寸粒度号通过的网孔公称尺寸不通过的网孔公称尺寸8#3150250060#31525010#2500200070#25020012#2000160080#20016014#16001250100#16012016#12501000120#12010020#1000800150#1008024#800630180#806330#630500240#635036#500400280#504046#40031512.1.2粒度及其选择表12-2颗粒粒度号及其68（2）对于用沉淀法或显微测量法来区分的微小颗粒（常称为微粉，作研磨用），就用颗粒的最大尺寸（以微米计）为粒度号。例如，W20表示微粉的颗粒尺寸在20～14之间。微粉粒度号见表12-3。表12-3微粉粒度号粒度号尺寸范围粒度号尺寸范围粒度号尺寸范围W4040～28W1010～7W2.52.5～1.5W2828～20W77～5W1.51.5～1W2020～14W55～3.5W11～0.5W1414～10W3.53.5～2.5W0.50.5～更细（2）对于用沉淀法或显微测量法来区分的微小颗粒（常称为69磨削软而韧的金属时，应选粒度号较小的砂轮，以减少砂轮堵塞现象；磨削硬而脆的金属时，宜选择粒度号大的砂轮。粗磨时，应选粒度号较小的砂轮，以保证较高的生产率；精磨时，应选粒度号较大的砂轮，以提高工件的表面光洁度。砂轮与工件的接触面积较大时，应选较小的粒度号，以免发热过多，使工件表面烧伤。磨削薄壁工件时，为了减少热变形，应选粒度号较小的砂轮。成形磨削时，要求砂轮外形保持的时间长，应选用粒度号较大的砂轮。12345通常，磨毛坯时可选用12#～24#；磨削外圆、内圆和平面时可选用36#～70#；刃磨刀具时可选用46#～100#；螺纹磨削、成形磨削和高光洁度磨削时可选用100#～280#的砂轮。选择砂轮粒度的一般原则如下：磨削软而韧的金属时，应选粒度号较小的砂轮，以减少砂轮堵塞现象7012.1.3硬度及其选择砂轮硬度是指结合剂黏结磨粒的牢固程度，也就是指磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落下来的难易程度。表12-4砂轮硬度等级砂轮硬度等级代号砂轮硬度等级代号大级小级大级小级超软超软3CR3中中1Z1超软4CR4中2Z2软软1R1中硬中硬1ZY1软2R2中硬2ZY2软3R3中硬3ZY3中软中软1ZR1硬硬1Y1中软2ZR2硬2Y2超硬CY12.1.3硬度及其选择表12-4砂轮硬度等级砂轮71磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金等）和薄壁零件时，因不易散热，其表面常会烧伤，故要选择较软的砂轮。磨削硬材料时，应选较软的砂轮；磨削软材料时，应选较硬的砂轮，但磨削很软的材料（如有色金属）时，应选较软的砂轮。砂轮与工件接触面积越大，磨粒参加切削的时间越久，磨粒越易磨损，故应选越软的砂轮。成形磨削时，应选较硬的砂轮，以使砂轮轮廓能维持较长的时间。清理铸件、锻件和粗磨时，为了使砂轮不致消耗过快，应选较硬的砂轮。12345砂轮硬度的选择原则如下：磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金等）和薄壁零件时，因不7212.1.4结合剂结合剂是将细小的磨粒黏固成砂轮的结合物质。砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性、耐热性主要决定于结合剂的性能。此外，结合剂对磨削温度、磨削表面光洁度等也有一定的影响。常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂和橡胶结合剂三种。12.1.4结合剂73砂轮中气孔率大，还可以制造疏松的大气孔砂轮，砂轮不易堵塞，磨削效率高。性能稳定，不受空气干湿、气温变化以及贮存时间长短的影响。耐热性和耐腐蚀性好，不怕水、油及普通酸、碱的侵蚀，因此，可以用于干磨，也可使用各种切削液。磨损小，能较好地保持砂轮的几何形状。价格便宜。123451.陶瓷结合剂陶瓷结合剂是一种无机结合剂，代号为A。其具有以下优点：砂轮中气孔率大，还可以制造疏松的大气孔砂轮，砂轮不易堵塞，磨741弹性好，强度高，耐冲击，可以制造很薄的砂轮，可以用于50m/s的高速磨削。2砂轮自锐性好，磨削效率高。3由于砂轮弹性好，磨粒能退让，所以可避免因磨削量大、摩擦发热而使工件表面烧伤。3由于树脂结合剂具有弹性抛光作用，因而工件可获得较高的表面光洁度。2.树脂结合剂树脂结合剂是一种有机结合刑，代号为S。其具有以下优点：1弹性好，强度高，耐冲击，可以制造很薄的砂轮，75优点123橡胶结合剂强度和弹性比树脂结合剂还要好，可以做成更薄的砂轮。磨削时振动小，结合剂还能起些抛光作用，所以磨出的表面光洁度较高。砂轮退让性好，工件表面不易烧伤。3.橡胶结合剂橡胶结合剂是一种有机结合剂，代号为X。优点123橡胶结合剂强度和弹性比树脂结合剂还要好，可以做成更76

12.1.5组织及其选择砂轮的组织是指砂轮的松紧程度，也就是磨粒在砂轮内所占的比例。砂轮的组织分类见表12-5。组织分类紧密中等疏松组织代号0123456789101112磨粒占砂轮体积的百分比62％60％58％56％54％52％50％48％46％44％42％40％38％表12-5砂轮的组织分类12.1.5组织及其选择组织分类紧密中77

12.1.6砂轮的形状和尺寸为了适应在不同类型的磨床上磨削各种不同形状和尺寸的工件需要，砂轮需制成不同的形状和尺寸。我国砂轮早已标准化，几种常用砂轮的形状、代号及其主要用途见表12-6。12.1.6砂轮的形状和尺寸78《金属切削原理及刀具》课件--第12章79砂轮的各种特性以代号标注在砂轮的端面上，其次序是：磨料—粒度—硬度—结合剂—组织代号—形状和尺寸。砂轮的代号标注示例如下：砂轮的各种特性以代号标注在砂轮的端8012.2磨削运动和磨削要素

12.2.1磨削加工类型根据砂轮与工件相对位置的不同，磨削可大致分为内圆磨削、外圆磨削和平面磨削。如图所示给出了主要的磨削加工类型。12.2磨削运动和磨削要素12.2.1磨削加工类型81主要的磨削加工类型主要的磨削加工类型8212.2.2磨削运动磨削时，一般有四个运动。如图所示为外圆磨削与平面磨削时的运动。磨削时的运动12.2.2磨削运动磨削时的运动831.主运动主运动是砂轮的旋转运动。主运动速度是砂轮外圆的线速度，其表达式为（12-1）式中，为砂轮线速度，即磨削速度（m／s）；为砂轮直径（mm）；为砂轮转速（r／s）。1.主运动842.径向进给运动径向进给运动用径向进给量fr来表示，它是工件相对砂轮在工作台每双（单）行程内沿砂轮径向移动的距离，其单位为mm/（d·str）或mm/str。3.轴向进给运动轴向进给运动是工件相对砂轮沿其轴向的进给运动，用轴向进给量fa来表示。一般fa=（0.2～0.8）B，B为砂轮宽度。fa的单位，圆磨时为mm/r，平磨时为mm/（d·str）。4.工件进给运动工件进给运动既可以是工件自身的旋转运动，也可以是工件随工作台的直线往复运动。它可以用工件速度vw来表示。2.径向进给运动85外圆磨削时，工件速度可由下式求得（12-2）式中，为工件速度（m/s）；为工件直径（mm）；为工件转速（r/s）。平面磨削时，工件速度可由下式求得（12-3）式中，L为工作台行程（mm）；为工作台往复频率（s－1）。外圆磨削时，工件速度可由下式求得86

12.2.3磨削要素1.接触长度接触长度是指在磨削过程中，砂轮圆周表面的磨粒同工件之间的干涉长度。接触长度反映了磨削热源的大小，冷却排屑的难易及砂轮是否出现堵塞等问题，是磨削中的重要参数之一。1）平面磨削的接触长度12.2.3磨削要素87（a）（b）砂轮与工件的接触长度（a）（b）882）等效砂轮直径为简化起见，计算外圆或内圆磨削的接触长度问题可以转换为计算平面磨削的接触长度问题，为此提出了等效砂轮直径的概念。等效砂轮直径2）等效砂轮直径等效砂轮直径892.单个磨粒切削厚度为便于分析，可以将砂轮看做一把多齿铣刀，这样，就可以按照铣削中确定切削厚度的原理，来确定磨削中单个磨粒切削厚度。单个磨粒切削厚度的分析2.单个磨粒切削厚度单个磨粒切削厚度的分析90外圆磨削时单个磨粒最大切削厚度为可以定性地分析各因素对磨粒切削厚度的影响。（1）当工件速度vw、轴向进给量fa和径向进给量fr增大时，acgmax增大。（2）当砂轮速度v、砂轮直径d0和砂轮宽度B增大时，acgmax减小。（3）当砂轮每毫米圆周上的磨粒数m增大时，acgmax减小。外圆磨削时单个磨粒最大切削厚度为9112.3磨削过程和磨削机理

12.3.1磨粒的几何特征砂轮表面形貌中磨粒切刃形状可以分为圆锥形或角锥形、球形、球头圆锥形以及平头圆锥形等。一般磨粒切刃都带有一定大小的圆角，其刃口钝圆半径在几微米到几十微米之间，经磨损后刃口将更加圆秃。磨粒常见的形状图12.3磨削过程和磨削机理12.3.1磨粒的几何特92磨粒的主要几何特征如下：（1）顶锥角2θ为80°～145°，大多数为90°～120°，因此，磨削时磨粒基本上都以负前角进行切削。（2）尽管磨粒的切削刃和前刀面很不规则，但几乎所有磨粒的尖端都有圆弧，粒度越大，刃口钝圆半径越小。（3）砂轮如果经过精细修整（以极其缓慢的速度和极小的横向进给量对砂轮进行修整），其磨粒表面可能出现数个微小的切削刃，一般称为微刃，如图所示。磨粒上的微刃磨粒的主要几何特征如下：磨粒上的微刃93

12.3.2磨削切屑的形成磨粒要从工件上切下切屑，要经历滑擦阶段、刻划阶段和切削阶段，如图所示。磨粒切削过程的三个阶段12.3.2磨削切屑的形成磨粒切削过程的三个阶段94

12.3.3磨削力1.磨削力的持征与其他切削过程相似，磨削力也是起源于两个方面：一是砂轮上各个磨粒的切刃挤压切入工件后，工件材料发生弹性和塑性变形时所产生的阻力；二是磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦力。磨粒切削时所产生的作用力可分为切削力和摩擦力两部分。12.3.3磨削力95磨削力的三个分力以外圆纵磨为例，为便于分析问题，通常把磨削力分解为切向、径向和轴向三个分力Ft、Fn和Fa，如图所示。磨削力的三个分力以外圆纵磨为例，为便于分析问题，通962.磨削循环的几个阶段由于径向分力比较大，所以在磨削过程中工艺系统会在工件的直径方向产生弹性变形（俗称为让刀），使得预先确定的径向进给量成为变量。如图所示为径向进给量与磨削时间之间的关系曲线。径向进给量与磨削时间之间的关系曲线2.磨削循环的几个阶段径向进给量与磨削时间之间的关系曲97从图中可以看出，磨削循环分为如下几个阶段：（1）快速趋近阶段（0）。（2）初磨阶段（Ⅰ）。（3）稳定阶段（Ⅱ）。（4）光磨阶段（Ⅲ）。从图中可以看出，磨削循环分为如下几个阶段：983.磨削力和磨削功率的计算磨削过程中，影响磨削力的因素很多，且还难以用解析的方法建立理论公式，用来计算各种不同磨削条件下磨削力的大小。切向分力按下式计算

式中，为磨粒平均间距（mm）；为与工件材料性能有关的系数。3.磨削力和磨削功率的计算994.影响磨削力的因素当砂轮线速度v增大时，单位时间内参加切削的磨粒数随之增大。因此，单个磨粒切削厚度减小，磨削力也随之减小。当工件速度vw和轴向进给量fa增大时，单位时间内磨去的金属量增大，如果其他条件不变，则单个磨粒切削厚度增大，磨削力也随之增大。当径向进给量fr增大时，不仅单个磨粒切削厚度增大，而且使砂轮与工件的磨削接触长度增大，同时参加磨削的磨粒数增多，使磨削力增大。4.影响磨削力的因素100由于砂轮的磨损会使磨削力增大，因而磨削力的大小在一定程度上可以反映砂轮上磨粒的磨损程度。如果磨粒的磨损用磨削时工作台的行程次数（反映了砂轮工作时间的长短）间接地表示，则从实验得出砂轮行程次数与磨削力的关系如图所示。砂轮：WA46V，工件：GCr15，v=30m/s，vw=0.17m/s，fr=0.005mm/（d·str），B=5mm，湿磨砂轮行程次数与磨削力的关系由于砂轮的磨损会使磨削力增大，因而磨削力的大小101

12.3.4磨削热和磨削温度磨削时由于速度很高，同时切除单位体积切屑所需的能量约为普通切削加工的10～20倍，所以磨削温度很高。这样高的磨削温度会导致工件尺寸精度下降及加工表面质量的降低。因此，研究磨削温度并加以控制是提高表面质量和保证加工精度的重要方面。1.磨削温度的含义平时所说的磨削温度是指砂轮与工件接触面的平均温度。但深一步考虑就会发现，磨粒和工件接触面的温度才是真正的磨削点的温度。因此，把磨削温度区分为磨粒磨削点温度θdot和砂轮磨削区温度θA。此外，还有由于磨削热传入工件而引起的工件温升。12.3.4磨削热和磨削温度102影响因素123工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大。径向进给量是通过单个磨粒的切削厚度的变化以及同时工作的磨粒数的变化来影响磨粒磨削点温度的。径向进给量对砂轮磨削区温度的影响最大。2.磨粒磨削点温度和砂轮磨削区温度的影响因素影响因素123工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大103

12.4.1砂轮磨损的机理砂轮磨损包含磨粒的磨耗磨损、磨粒破碎和结合桥（两个磨粒之间用结合剂构成的连接部分）断裂等三种形态，如图所示。砂轮磨损的三种形态1—切屑；2—结合剂；3—磨粒；A—磨耗磨损；B—磨粒破碎；C—结合桥断裂12.4砂轮的磨损及修整12.4.1砂轮磨损的机理砂轮磨损的三种形态12.4104砂轮的磨损过程同一般刀具的磨损过程相似，也分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段，如图所示。1.初期磨损阶段（Ⅰ）2.正常磨损阶段（Ⅱ）3.急剧磨损阶段（Ⅲ）砂轮的磨损过程砂轮的磨损过程同一般刀具的磨损过程相似，也分为105

12.4.2砂轮耐用度砂轮耐用度是指砂轮修整后，从开始磨削到不能继续正常磨削，且需要重新修整时为止这一段时间内所磨去的金属量，也可以用砂轮在两次修整之间的实际磨削时间来表示。它是表示砂轮磨削性能的重要指标之一。在实际生产中，常用砂轮两次修整之间磨削的工件数量来表示砂轮耐用度。12.4.2砂轮耐用度106表12-8砂轮耐用度的常用合理数值磨削种类外圆磨削内圆磨削平面磨削成形磨削砂轮耐用度T/s1200～24006001500600表12-8砂轮耐用度的常用合理数值磨削种类外圆磨削内圆磨107除砂轮耐用度外，还可以用磨削比来衡量砂轮的切削性能，其表达式为

式中，为材料切除率（mm3/s）；为每秒砂轮的磨耗体积（mm3/s）。选择砂轮时，应该使磨削比尽可能大，以取得较好的经济效果。除砂轮耐用度外，还可以用磨削比来衡量砂轮的切削性能，其表达式108

12.4.3砂轮的表面形态用电子显微镜或借助于气动、光学和光电的方法，可绘制出表示砂轮表面形态的形貌图，如图所示。砂轮表面形貌图12.4.3砂轮的表面形态砂轮表面形貌图109

12.4.4砂轮的修整砂轮的表面形态不仅与砂轮的粒度、组织等要素有关，还在很大程度上取决于砂轮的修整质量。1.砂轮修整的目的及工具砂轮修整的目的：一是去除已经磨损或被磨削堵塞的砂轮表层。使里层锐利的磨粒显露出来参与切削；二是使砂轮表面有足够数量的切削刃，从而降低磨削表面的粗糙度。修整砂轮使用的工具有：金刚石笔，用高速钢、高碳钢或淬硬合金制造的金属滚压轮，金刚石滚轮等。12.4.4砂轮的修整1102.金刚石笔修整金刚石笔修整是最常用的修整方法。一般其修整深度在粗磨时可取5～10；在精磨时可取1～5。修整进给量的表达式为：式中，lg为平均粒距，lg≈25.4／粒度；n为比例系数，粗磨时n≈1/2～1，精磨时n≈1/5～1/2。2.金刚石笔修整式中，lg为平均粒距，lg≈1113.金刚石滚轮修整修整用的金刚石滚轮表面层的金刚石颗粒是通过金属烧结法或金属电镀法制造而成的。修整砂轮时，金刚石滚轮单独驱动，相对于砂轮作同向或逆向旋转，同时作切入进给，切入量为0.5～1.5。修整结束后滚轮退