第七章-磨削与砂轮

第14章

磨削与砂轮

主要内容

一、砂轮的特性及其选择

二、磨削加工类型和磨削运动

三、磨削过程

四、磨削表面质量

五、先进磨削方法磨削是常用的精加工方法精度：IT4～IT6，甚至±1微米表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至Ra0.01硬材料的有效加工手段近年来，还用于粗加工和毛坯去硬皮加工重型磨床：磨削余量6mm以上每小时金属切除量：250～360kg磨面磨孔一、砂轮的特性及其选择常用磨削工具：砂轮、砂布、砂带、油石等砂轮磨料和结合剂烧结而成的多孔体砂轮的五因素：磨料，粒度，结合剂，组织(表示砂轮中磨料、结合剂和气孔间的体积比例)，硬度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；有锋利的边刃砂轮结合剂磨粒磨屑气孔工件常用的磨料系列

成

分

显微硬度(HV)氧化物系

Al2O32000～2300碳化物系

SiCBC2800～4500超硬磨料

CBN8000～9000金刚石8000～10000性能特点：氧化物系磨料，由于其强度高、韧性大、与钢铁不发生反应，主要用于磨削钢类零件。碳化物系磨料，由于其硬度高，但强度低、韧性较差，故不宜磨削钢类零件。而主要适用于磨削铸铁、硬质合金、宝石等硬而脆的材料。但脆性也较大。它的刃口很锋利，易破碎形成新刃口。其导热性能较好，砂轮也不易堵塞，适于磨削硬而脆的材料。其中黑碳化硅主要用于磨削铸铁、黄铜、软青铜及非金属材料等，绿碳化硅主要用于磨削硬质合金。碳化硅不适合磨削钢及耐热台金，因为这时会产生强烈的化学磨损。1．碳化硅磨粒比氧化铝磨粒坚硬，但抗弯强度比氧化铝磨粒差得多；故一般当磨削加工硬表层合金、铸铁和硬质合金等强度较高时的材料，碳化硅磨粒比氧化铝磨粒的磨削效率高。磨削加工钢、包括不锈钢及高强度合金钢，退了火的可锻铸铁等选用氧化铝磨粒砂轮。2．一般说来，氧化铝、碳化硅磨料的硬度增加时，易碎性表现得增加；3．碳化硅类磨粒较锋锐，其尖端圆半径比刚玉类小30%左右，它比刚玉类有较大的忍受热冲击的能力，在磨削温度作用下比较不易产生裂纹。磨削时也比刚玉类磨粒较少产生粘结磨损；4．人造金刚石比天然金刚石略脆一些，颗粒较细，表面较粗糙，宜于作砂轮；5．立方氮化硼是以六方氮化硼为原料，使用金属触媒剂（如镁粉），在高温高压下合成的磨料，硬度仅次于金刚石，抗弯强度约为正规氧化铝的两倍，热稳定性好。立方氮化硼易和水蒸汽反应而生成氨和硼酸，所以不宜用水作磨削液，可用5％～10％以上的重油或100％的纯油。

2.粒度粒度：磨料颗粒的大小，分粗磨料Ｆ４－Ｆ２２０，微粉Ｆ２３０－１２００。数字表示每英寸上的筛眼数，数字越大，表示粒度越细。磨料粒度号和颗粒尺寸3.结合剂结合剂：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。砂轮强度：砂轮在离心力作用下不被破坏的能力，用安全速度表示，一般取30m/s。结合剂的选择种类

主要成分特点应用场合无机类陶瓷V(A)黏土、生长石、滑石、硼玻璃、硅石等

化学稳定性好、耐酸碱、耐高温，但脆性大、易碎裂

磨削厚度大、轴向力小、速度小于35m/s

金属M(J)青铜

强度高、韧性好，但自砺性差

金刚石砂轮

有机类树脂B(S)酚醛、环氧

弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃

磨狭窄的沟槽、切割磨片、热敏材料的磨具

橡胶R(X)人造橡胶

弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃

磨狭窄的沟槽、切割磨片、热敏材料的磨具、导轮、抛光轮。

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。砂轮的硬度等级名称和代号砂轮硬度的选择磨削条件

工件硬度

工件种类

加工接触面

磨削种类

砂轮粒度

高低有色金属、橡胶、树脂

淬火钢

大

小精磨、成形磨

粗磨

细粗砂轮硬度软硬软硬软硬硬软软硬5.

组织磨料、结合剂、气孔三者比例关系。磨料的比例越大，则砂轮越紧密磨粒气孔结合剂组织组织号选用紧密类0、1、2、3重压力磨削、成形磨削、精密磨削

中等类

4、5、6、7一般情况下的磨削

疏松类

8、9、10、11、12

接触面较大的磨削、热敏材料的磨削、薄壁件磨削、软质材料磨削

砂轮组织选择6.形状、尺寸与标注常用砂轮的形状、代号及主要用途标注顺序：形状代号—尺寸—磨料粒度号硬度组织号结合剂—最高工作速度二、磨削运动和磨削过程（1）1.砂轮的形貌磨粒在砂轮的圆周方向、半径方向均随机分布；实际参与磨削的有效切削刃数量随磨削工艺变化而变化磨粒形状不规则，以八面菱形为最多2.磨粒的特点刀尖角为90～120°，负前角；切削刃为空间曲线，前刀面为空间曲面，且形状不规则；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。3.磨削运动磨削方法：外圆磨内圆磨平面磨无心磨磨削运动：1)砂轮的旋转运动Vc即磨削速度，主运动vc↑,Ra↓，但受砂轮的强度限制，常用30－35m/s2)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↑。3)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)B4)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/行程常用磨削用量4.磨削过程(3)滑擦阶段磨粒挤压工件，工件表层产生弹性变形和热应力，不切削刻划阶段产生塑性变形沟痕隆起现象和热应力切削阶段切削厚度、切应力和温度达一定值，材料明显滑移形成切屑。5.磨削厚度的分析1)单个磨粒切削厚度的计算P249Vw-工件转速:

Vw↑，hDmax↑(生产效率高)，但磨粒的负荷增加，砂轮磨损快。

Vc-砂轮转速:

Vc↑，hDmax↓，可使工件表面质量得到改善。B-砂轮宽度:砂轮宽度↑，同时参与磨削的磨粒个数成比例↑，hDmax↓。

fr-径向进给量:

hDmax与fr不成正比，fr提高一倍，hDmax只提高41.4%，所有在刚度允许的情况下，采用fr↑，fa↓，可以提高生产率（深磨法）。

fa-轴向进给量:fa↑，同一时间磨去的金属量成比例↑，hDmax↑。D-砂轮直径;

D↑，hDmax↓，磨粒的负荷降低，工件表面质量改善。Dw-工件直径:

Dw↓，hDmax↑。2)当量磨削厚度磨粒分布和切削的随机性使得很难以“切削厚度”的概念为基础来研究磨削过程CIRP(国际生产技术研究会)提出以当量磨削厚度的概念作为研究磨削过程的基本参数(哈尔滨工业大学袁哲俊教授、天津大学张国雄教授和南京航空航天大学朱剑英教授

)。

★当量磨削厚度(hDeq)的概念

单位宽度的砂轮切除的金属量，沿着砂轮速度方向(vc)铺成一条宽度相同，长度为l的假想金属带，金属带的厚度就是hDeq。单位时间砂轮切除的金属体积Q当量磨削厚度(hDeq)★当量磨削厚度(hDeq)的计算P251Q=1000Vwfrfa

hDeq

=q/vc

q=Q/B★当量磨削厚度(hDeq)的意义hDeq与磨削力，表面粗糙度和金属去除率有着良好的线性关系hDeq不能反应与砂轮有关的参数，与磨削温度没有明显的线性关系6.磨削力与磨削三个阶段1)磨削力的特征产生：工件弹性变形和塑性变形的阻力；磨粒与切屑、磨粒与工件之间的摩擦力。特点：摩擦力所占比例大；径向分力FP大于切向分力Fc(FP=(1.6-3.2)Fc)，Fc大于轴向分力Ff(Ff=(0.1-0.2)Fc)。材料的塑性越小，FP/Fc就越大。2)磨削的三个阶段

由于磨削时径向分力FP很大，在磨削过程中工件在半径方向的变形很大，同时磨削的深度fr很小，在磨削过程中fr会发生变化：三种情况:fr实<fr刻(初磨阶段)fr实≈fr刻(稳定阶段)fr实>0，fr刻＝0(清磨)（这些现象是：）fr实实际磨削深度fr刻刻度盘显示进给量初磨阶段tm1：fr实<fr刻，原因是工艺系统由于磨削力产生让刀。随着进给次数↑，工艺系统弹性变形↑，变形抗力↑，实际磨削深度fr实↑。稳定阶段tm2：fr实≈fr刻，当变形抗力和径向磨削分力Fy相等时，工艺系统的弹性变形量稳定，fr实≈fr刻。清磨阶段tm3：fr实>0，fr刻＝0。机床的径向进给停止，fr刻＝0，仍然有火花，因为工艺系统弹性恢复，实际磨削深度逐渐减小，工件的精度↑，表面粗糙度↓。恒压磨削与恒功率磨削恒压是指控制背向力FP为定值的磨削方法恒功率是指控制Ｆc为定值的磨削方法7.磨削热与磨削温度

划擦阶段、刻划阶段、切削阶段消耗的能量。这些能量绝大部分转化为热量，产生磨削热。★磨削热的传递

由于砂轮的导热性差，和工件接触时间短，磨屑的热容小，磨削液不易进入磨削区，大部分（80％～90％）的热量通过工件传递。磨削热工件砂轮磨屑磨削液★磨削温度的特点传入工件热量多。磨削温度高，磨削区温度达到1000～1400℃；加热速度快，磨粒通过磨削区的时间极短，加热速度达到1×105℃/s。砂轮的磨损与修整1.砂轮的磨损磨损表现为磨耗磨损和破碎磨损。自锐性有限，应及时修整，保证砂轮有合理使用寿命，否则引起振动、Ra值增大、表面烧伤或裂纹等。

砂轮修整除用于磨损砂轮外，还用于以下场合：①砂轮被切屑堵塞；②部分工材粘结在磨粒上；③砂轮廓形失真；④精密磨中的精细修整等。常用修整工具是大颗粒金刚石（金刚石车如何修整）、多粒细碎金刚石笔、金刚石滚轮。多粒金刚石笔修整效率高，砂轮加工精度好，金刚石滚轮修整效率更高，适用与成形砂轮。大粒金刚石笔修整，修整深度ap

修整时应使用充足的切削液。2.砂轮的修整修整砂轮常用的工具a）大颗粒金刚石笔b）多粒碎金刚石笔c）金刚石滚轮三、磨削表面质量(1)1.磨削表面粗糙度

K视磨削条件而异的常数a,b,c,指数，根据日本渡边的研究a=0.25,b=0.5,c=038fr↓Ra↓；vw/v↓Ra↓；fa/B↓Ra↓；磨料越细

Ra↓；砂轮半径↑

Ra↓；磨粒等高性好

Ra↓；磨削振动小

Ra↓。2.磨削表面的烧伤

由磨削热引起的、在加工表层瞬间发生的氧化变色现象。称磨削烧伤在较高的磨削温度影响下，工件表层金属产生一层氧化膜。表面烧伤使表面金属的组织破坏，产生表面裂纹，影响工件寿命。对于钢材，颜色越深，表明磨削温度越高，烧伤深度越深。表面烧伤的产生与防止烧伤类型

产生原因硬度防止措施淬火烧伤温度超过相变温度（720℃），急剧冷却，产生硬度更高的二次淬火马氏体组织提高减少磨削热的产生；加速磨削热传散；选用正确的砂轮；选用合理磨削用量；合适的冷却方式。退火烧伤温度超过相变温度（720℃），冷却缓慢，产生退火组织降低回火