第三章_精密磨削加工

•
除上述一般粘结剂外，还有特殊性能的在覆胶层上 再敷一层超涂层粘结剂，如抗静电超涂层粘结剂，可避 免砂带背面与支承物之间产生静电而附着切屑粉尘；抗 堵塞超涂层粘结剂是一种以金属皂为主的树脂、可避免 砂带表面堵塞；抗氧化分解超涂层粘结剂，由高分子材 料和抗氧化分解活性材料所组成，加工中有冷却作用， 可提高砂带耐用度和工件表面质量。 • ④涂覆方法 • 涂覆方法是影响涂覆磨具质量的重要因素之—，不 同品种的涂覆磨具可采用不同的涂覆方法，以满足使用 要求。当前，涂覆磨具的制造方法有重力落砂法、涂敷 法和静电植砂法等如图3.3所示。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 14
图3.3 涂覆磨具涂覆方法示意图 （a）重力落砂法；（b）涂敷法；（c）静电植砂法
中北大学祝锡晶
2013-9-22
15
•
a．重力落砂法 先将粘结剂均匀涂敷在基底上，再靠重力 将砂粒均匀地喷洒在涂层上，经烘干去除浮面砂粒后即成卷 状砂带，裁剪后可制成涂覆磨具产品，整个过程自动进行。 一般的砂纸、砂布均用此法，制造成本较低。 • b．涂敷法 先将砂粒和粘结剂进行充分均匀的混合，然后 利用胶辊将砂粒和粘结剂混合物均匀地涂敷在基底上。粘结 剂和砂粒的混合多用球磨机，而涂敷多用类似印刷机的涂敷 机，可获得质量很好的砂带，—般塑料膜材料的基底砂带都 用这种方法，简单的涂双方法也可用喷头将砂粒和粘结剂的 混合物均匀地喷洒在基底上，多用于小量生产纸质材料基底 的砂带，当然质量上要差一些。精密和超精密加工中所用的 涂覆磨具多用涂覆法制作。 • c静电植砂法 其原理是利用静电作用将砂粒吸附在已涂胶的 基底上，这种方法由于静电作用，使砂粒尖端朝上，因此砂 带切削性强，等高性好，加工质量好而受到广泛采用。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 2
• 4．磨削温度高。磨削产生的切削热多，是80％-90
％传入工件，(10％-15％传入砂轮，1％-10％由磨 屑带走)加上砂轮的导热性很差，大量的磨削热在磨 削区形成瞬时高温，容易造成工件表面烧伤和微裂 纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削 温度。 • 5．砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨粒的破 碎将产生新的较锋利的棱角，同时由于磨粒的脱落 而露出一层新的锋利的磨粒，它们能够使砂轮的切 削能力得到部分的恢复，这种现象叫做砂轮的自锐 作用，也是其他切削刀具所没有的。磨削加工时， 常常通过适当选择砂轮硬度等途径，以充分发挥砂 轮的自锐作用来提高磨削的生产效率。必须指出， 磨粒随机脱落的不均匀性会使砂轮失去外形精度； 破碎的磨粒和切屑会造成砂轮的堵塞。因此，砂轮 磨削一定时间后，需进行修整以恢复其切削能力和 外形精度。 2013-9-22 3 中北大学祝锡晶
第3章 精密磨削加工
• 教学提示：精密磨削加工技术涉及的方法很 多，本章主要介绍精密磨削加工的分类、精 密磨削加工的机理分析、精密磨削加工机床 和应用以及精密研磨和抛光等基本知识。 • 教学要求：通过本章的学习，要求学生在普 通磨削加工的基础上，了解精密磨削加工的 相关知识，重点掌握精密磨削加工的机理， 以及精密磨削加工机床的各组成部件及特点， 同时了解精密研磨与抛光等精密加工技术。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 9
• • •
• •
表3.2 超硬磨具浓度值与磨料含量的关系 ⑤硬度及其选择 普通磨具的硬度是指磨粒在外力作用下，磨粒自表面脱 落的难易程度。磨具硬度低表示磨粒容易脱落。 超硬磨具中，由于超硬磨料耐磨性高，又比较昂贵，硬 度一般较高，在其标志中无硬度项。 ⑥磨具的强度 磨具的强度是指磨具在高速回转时，抵抗因离心力的作 用而自身破碎的能力，对各类磨具都有最高工作线速度的规 定。
2013-9-22
图3.1 超硬磨具结构 图3.2 涂覆磨具结构示意图 1-基底；2-粘结膜；3-粘结剂（底胶）；4-粘结剂（覆胶）；5-磨料
中北大学祝锡晶
11
•① 涂覆磨具分类 根据涂覆磨具的形状、基底材料和工作条件与用途其分类如表3.3所 示。涂覆磨具产品有干磨砂布、干磨砂纸、耐水砂布、耐水砂纸、环状 砂带(有接头、无接头)、卷状砂带等。 表3.3 涂覆磨具分类
# #
a
a
2013-9-22
中北大学祝锡晶
6
• ① 磨料及其选择 • 在精密和超精密磨削中，磨料除使用刚玉系和碳化物 系外，还大量使用超硬磨料。超硬磨料在当前是指金刚石、 立方氮化硼及以它们为主要成分的复合材料。两种材料均 属于立方品系。金刚石又分为天然和人工两大类。天然金 刚石有透明、半透明和不透明，以透明的为最贵重。颜色 上有无色、浅绿、淡黄、褐色等，以褐色硬度最高，无色 次之。人造金刚石分单晶体和聚晶烧结体两种，前者多用 来做磨料磨具，后者多用来做刀具。金刚石是自然界中硬 度最高的物质，有较高的耐磨性而且有很高的弹性量．可 以减小加工时工件的内应力、内部裂隙及其它缺陷。金刚 石有较大的热容量和良好的热导性，线膨胀系数小、熔点 高。但在700℃以上易与铁族金属产生化学作用而形成碳 化物，造成化学磨损，故一般不适宜磨削钢铁材料。立方 氯化硼的硬度略低于金刚石，但耐热性比金刚石高，有良 好的化学稳定性，与碳在2000℃时才起反应，故运用于磨 削钢铁材料。由于它在高温下易与水产生反应，因此一般 多用于干磨。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 16
3．2磨削加工机理
• 精密磨削是指加工精度为l—0.1 m 、表面租糙度值 Ra 达到0.20.025 m ，又称低粗糙度值磨削。它是用微小的多刃刀具削除 细微切屑的一种加工方法。一般是通过氧化铝和胶化硅砂轮 来实现的。 3.2.1 磨削过程及磨削力 • (1)磨削过程 • 砂轮中的磨料磨粒是不规则的菱形多面体，顶锥角在80°145°范围内，但大多数为90°-120°。如图3.4所示。
2013-9-22
中北大学祝锡晶
12
• ③粘结剂 • 粘结剂又称为胶，共作用是将砂粒牢固地粘结在基底上。 粘结剂是影响涂覆磨具的性能和质量的重要因素。根据涂覆 磨具基底材料工作条件和用途等不同，粘结剂又可分为粘结 膜、底胶和覆胶。当基底材料为聚酯、硫化纤维时，为了使 底胶能与基底牢固粘结，要在聚酯 膜、硫化纤维布上预先 涂上一层粘结膜，而对于基底材料为纸、布等则不必预涂粘 结膜。有些涂覆磨具采用底胶和覆胶的双层粘结剂结构，一 般取粘结性能较好的底胶和耐热、耐湿、富有弹性的覆胶， 使涂覆磨具性能更好。大多数涂覆磨具都是单层胶。粘结剂 的种类如下： • a． 动物胶 主要有皮胶、明胶、骨胶等。粘结性能好，价 格便宜，但溶于水易受潮，稳定性受环境影响。用于轻切削 的干磨和油磨。 • b．树脂 主要有醇酸材脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树 脂等，材脂粘结性能好，耐热、耐水或耐湿，有弹性，有些 树脂成本较高，且易溶于有机溶液，用于难磨削材料或复杂 形面的磨削和抛光。 • 2013-9-22 c. 高分子化合物 如聚醋酸乙烯脂等，粘结性能好，耐湿 13 中北大学祝锡晶 有弹性。用于精密磨削，但成本较高。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 8
• ②磨料粒度及其选择 • 粒度的选择应根据加工要求、被加工材料、磨料材料等来 决定。其中影响很大的是被加工工件的表面粗糙度值、被加 工材料和生产率。一般多选用180#-240#的普通磨料、(170／ 200)-（325／400)超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粒。粒度 号越大加工表面粗糙度值越小，但生产率相对也越低。 • ③ 结合剂及其选择 • 结合剂的作用是将磨料粘合在一起，形成一定的形状并有 一定的强度。常用的结合剂有树脂结合剂、陶瓷结合剂和金 属结合剂等。结合剂会影响砂轮的结合强度、自锐性、化学 稳定性、修整方法等。 • ④ 组织和浓度及其选择 • 普通磨具中磨料的含量用组织表示，它反映了磨料、结合剂 和气孔三者之间体积的比例关系。超硬磨具中磨料的含量用 浓度表示，它是指磨料层中每lcm3体积中所含超硬磨料的重 量。浓度越高，其含量越高。浓度值与磨料含量的关系如表 3.2所示。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 10
⑦磨具的形状和尺寸及其基体材料 • 根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。超硬磨具一般 由磨料层、过渡层和基体三个部分组成。超硬磨具结构中，有些厂家 把磨料层直接固定在基体上，取消了过渡层。超硬磨具结构见图3.1。 基体的材料与结合剂有关，金属结合剂磨具大多采用铁或铜合金；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。 • (2)涂覆磨具 • 涂覆磨具是将磨料用粘结剂均匀地涂覆在纸、布或其它复合材料 基底上的磨具，又称涂敷磨具，结构示意图如图3.2所示。常用的涂覆 磨具有砂纸、砂布、砂带、砂条和砂布套等。
中北大学祝锡晶
4
3.1.2 精密磨削加工的分类
• 精密磨削加工是利用细粒压的磨粒或微粉对黑色金属、硬 脆材料等进行加工，得到高加工精度和小表面粗糙度值。它是 用微小的多刃刀具削除细微切屑的一种加工方法。一般多指砂 轮磨削和砂带磨削。精密磨削和超精密磨削加工都是20世纪60 年代发展起来的，近年来已扩大到磨料加工的范围。因此精密 磨削加工按磨料加工大致可分为以下几类，如表3.1所示：
• 6．磨削加工的工艺范围广。磨削不 仅可以加工外圆面、内圆面、平面、 成形面、螺纹、齿形等各种表面， 还常用于各种刀具的刃磨。 • 7．磨削在切削加工中的比重日益增 大。在工业发达国家磨床在机床总 数中的比重已占到30％-40％，且有 不断增长的趋势。磨削在机械制造 业中将得到日益广泛的应用。
2013-9-22
•②磨料及粒度 • 常用的涂覆磨料有棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、黑色碳化硅、绿色碳 化硅、氧化铁、人造金刚石等。 • 涂覆磨料的粒度与普通磨料粒度近似，但无论是磨粒还是微粉一律 用冠以P字的粒度号表示，如涂覆磨料粒度号P240与普通磨料粒度号240 一样，而P320相当于W 50，P1000相当于W20，具体可查有关手册。
2013-9-22 中北大学祝锡晶 1
3．1 概
述
• 3.1.1 概 述 • 磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削 的主要切削工具。磨削的基本特点如下： • 1．磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外， 还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料如淬火钢、硬质合 金、陶瓷和玻璃等。但不适宜加工塑性较大的有色金属工件。 • 2．磨削加工的精度高，表面粗糙度值小。精度可达IT5及 IT5以上；表面粗糙度值 Ra 为1.25-0.01 m ，镜面磨削 Ra 时 为0.04-0.01 m 。 • 3. 磨削的径向磨削力Fy大，且作用在工艺系统刚性较差的方 向上。因此，在加工刚性较差的工件时（如磨削细长轴)， 应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。