第七章 磨削加工

第七章磨削加工
基本要求及重点：
1、了解磨削特点和各种磨削方法与磨削运动。

2、明确砂轮的特性及其选择原则。

3、理解砂轮磨损及耐用度、磨削力及功率、磨削温度及烧伤等概念。

4、了解磨削过程，知道磨削表面缺陷产生的原因及解决办法。

5、了解高效率和高精度及小粗糙度磨削的方法。

§7-1 磨削概述及其原理
一、概述
磨削加工是用硬质磨粒作为切削工具对工件进行微细切削加工过程的统称。

它是一种精密加工方法。

1、磨削加工的优点及其应用
与其他切削加工方法相比，磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法。

它是为适应传统金属材料的精加工及其淬硬表面加工的需要而发展起来的。

随着磨料磨具和高效磨削工艺（如高速磨削、强力磨削、重负荷磨削、砂带磨削等）的发展，以及磨床结构性能的不断改进，磨削加工效率和经济性在显著提高，磨削的应用已从精加工逐步扩大到粗加工领域。

同时，在当今的钛合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢及高温结构陶瓷等难加工材料以及硬脆材料的加工中，磨削是一种非常有效的加工方法。

3、磨削加工机床分类
磨床是用磨料或磨具（砂轮、砂带、油石或研磨料）作为工具对工件表面进行加工的机床。

为了适应磨削加工表面、结构形状和尺寸大小不同的各种工件的需要，满足不同生产批量的要求，需要的磨床种类很多。

按加工工件表面不同，分为如下几类：
(1) 外圆磨床包括万能外圆磨床、外圆磨床及无心外圆磨床等。

(2) 内圆磨床包括内圆磨床，无心内圆磨床及行星式内圆磨床等。

(3) 平面磨床包括卧轴矩台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床
及立轴圆台平面磨床等。

(4) 工具磨床 包括万能工具磨床（能刃磨各种常用刀具）、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等。

(5) 曲线磨床
(6) 专用磨床 包括曲轴磨床、凸轮轴磨床，花键轴磨床、轧辊磨床、轴承套圈滚道磨床等。

(7) 坐标磨床
(8) 锯磨机
(9) 精磨机床 包括研磨机、珩磨机、抛光机、超精加工机床及砂轮机等。

二、磨削原理
1、砂轮构造
磨削时所用的砂轮是由磨粒、结合剂
和气孔组成的，见图7-1。

2、磨削过程
磨削是由磨床、砂轮、工件，夹具
等形成的一种切削加工工艺系统。

而磨
削过程是由处于砂轮和工件接触区域的
许多磨粒在挤压作用下不断同时地切入
工件，使金属层产生变形的过程。

因此，磨削过程的本质是磨粒的切削过程。

磨粒的切削过程如图
7-2所示。

磨粒
切削材料的过程经历了弹性变形、塑性变
形及切屑形成三个阶段。

在EP 段中，由
于切削深度极小，磨粒刃尖圆弧形成的实
际负前角很大，磨粒仅在工件表面上滑擦
而过，所引起的变形完全弹性恢复，在工
件表面不残留任何沟痕，称为弹性滑擦阶
段。

在PC 段中，随着磨粒挤入工件深度的增大，磨粒与工件表面间的压力逐步增加，工件表面由弹性变形逐步过渡到塑性变形。

这时挤压摩擦剧烈，热应力急剧增加，磨粒在工件表面上挤压刻划出沟痕，沟痕
图7-2 磨粒的切削过程
的两侧由于金属塑性滑移而隆起，称为耕犁（刻划）阶段。

当挤入深度继续增加到某一定值(C点处)时，被推挤的金属明显地滑移并形成切屑而从前刀面流出，形成切削阶段。

因此，磨粒切削金属时，经历了滑擦、耕犁和切削的过程，从而使工件表面形成了变形应力和热应力，导致工件加工表面硬化。

3、磨削加工的特点
与车削、铣削等通常的切削加工相比，磨削加工具有如下特点：
⑴砂轮表面上磨刃形状及分布处于随机状态
砂轮表面上每颗磨粒的形状很不规则，在磨削加工过程中参加切削工作的磨粒的形状是不确定的，且它在砂轮表面上的分布是随机的。

同时，由于磨粒在砂轮外圆周面上并不是等高地分布在同一外圆周上，因而砂轮表面同时参加切削的有效磨粒数也是不确定的。

⑵砂轮上磨刃前角为负值，形成负前角切削
砂轮磨削时的磨刃参数包括：磨刃的切削角和前角，磨刃顶尖角，刃口钝圆半径以及参加工作的有效磨粒数，它们都影响着砂轮的锋锐程度和切削能力。

统计结果说明，磨刃上的前角为负值，且其绝对值远大于一般切削刀具所用的负前角。

⑶切屑尺寸很小，单位磨削力很大
一般来说，砂轮磨削时，磨粒的切削厚度只有数 m，由于尺寸效应的原因，这样微小的切削厚度会使单位切削力非常大，比能很高，对加工表面层的影响也比较大。

⑷磨削速度和磨削温度很高，容易产生磨削烧伤
砂轮磨削时，一般的磨削速度为v s＝2000 m/min～3000 m/min，它约为切削加工的10倍。

同时，由于磨粒与工件的接触时间很短，在短时间内要切去切屑，将使磨粒和工件间产生强烈的摩擦，并产生剧烈的塑性变形，从而产生大量的磨削热，使磨削区形成高温。

对淬硬钢而言，若磨削温度超过淬火相变温度，将导致工件表面层组织产生回火或二次淬火，从而发生金相组织的变化——磨削烧伤。

⑸砂轮有自锐作用
在切削加工中，如果刀具磨损了，切削就无法正常地进行下，刀具必须重新磨砺。

磨削的情况则不同，因为砂轮上的磨刃是由硬质磨粒的尖端形成的，在磨削力和热冲击的作用下，磨钝的磨粒发生局部磨粒微破碎而形成新的锋刃，或发生磨粒脱落而露出新的磨粒锋刃。

这种重新获得锋锐刀刃的作用称为自锐作用。

§7-2 砂轮的性质和使用选择
一、砂轮的性质及其使用场合
砂轮的性质取决于其磨料、结合剂、粒度、硬度和组织结构等。

1、磨料（作用、基本要求、种类、特性、使用场合）
磨料在砂轮中呈颗粒状，它直接担任切削工作，因此它必须具有很高的硬度与耐热性，以及有一定的韧性和锋利的几何形状。

目前用于制造砂轮的人造磨料有以下几种。

(1) 人造刚玉其成分是氧化铝(Al2O3)，有高的硬度和相当的韧性，能承受高温达2050℃，在磨削中磨粒容易碎裂，自动露出锋利的刃口。

棕刚玉——适于磨抗张强度较高的金属，如碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等。

白刚玉——白刚玉在磨削中产生的磨削力和磨削热都较小，适于磨削淬火钢、合金钢、高速钢、高碳钢以及薄壁零件等。

(2) 碳化硅它的主要成分是碳和硅的混合物(SiC)，这种磨料的强度、颗粒锋利和切削性能都较刚玉类磨料为好。

黑碳化硅——适于磨削铸铁、黄铜、铅、锌及橡胶、皮革、塑料、木材、矿石等。

绿碳化硅——含碳化硅不少于97％，质量较高，适于磨削硬质合金，光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。

(3) 碳化硼它的主要成分是B4C3，热压碳化硼为灰黑色有光泽的陶瓷材料，硬度为HRA94，仅次于金刚石。

它是一种极硬的脆性材料，用来加工硬质合金，有时可代替金刚石来切割宝石。

(4) 立方氮化硼(简称CBN) 是以立方氮化硼为原料，以镁粉作触媒剂，在高温高压下使之合成的一种新型磨料，硬度仅次于金刚石，它是目前磨削硬质合金的最好磨料。

2、粘结（结合）剂
粘结（结合）剂是把许多细小的磨粒粘结在一起而组成砂轮的材料。

砂轮能否耐腐蚀、能否承受冲击和抗潮湿以及经受高速旋转而不致裂开等，主要取决于粘结剂的成分和性质。

常用粘结剂的性质和用途见表7-2。

3、粒度
粒度就是指磨料的颗粒尺寸( m)。

对于用筛选法获得的磨粒来说，粒度号是指用1英寸长度有多少孔的筛网来命名的。

而用w××表示的微粉，磨料是用显微镜分析法来测量的。

砂轮粒度选择的原则如下：
(1) 粗磨加工选粒度小(颗粒粗)的砂轮，可提高磨削生产率。

一般选粒度号12#～36#。

(2) 精磨加工选粒度大(颗粒细)的砂轮，可减小已加工表面粗糙度。

一般选46#～100#，精磨选120#～280#，超精磨用W28～W5。

(3) 磨软而韧的金属用颗粒较粗的砂轮，这是因为用粗粒砂轮可减少同时参加磨削的磨粒数，避免砂轮过早堵塞，并且磨削时发热也小，工件表面不易烧伤。

(4) 磨硬而脆的金属用颗粒较细的砂轮，此时增加了参加磨削的磨粒数，可提高生产率。

4、硬度
砂轮硬度并不是指磨粒本身的硬度，而是指砂轮工作表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。

即磨粒容易脱落的，砂轮硬度为软；反之，为硬。

同一种磨料可做出不同硬度的砂轮，它主要取决于粘结剂的成分。

砂轮硬度从“超软”到“超硬”可分成7级，其个再分小级，硬度等级见表7-4。

一般磨硬材料（如淬硬钢、硬质合金等)时，砂粒磨钝快，希望及早脱落，所以应选用软砂轮。

磨软材料时，应该用硬砂轮。

但磨特别软的材料（如紫铜等）时，应用软砂轮，以免切屑堵塞砂轮表面。

5、组织结构
砂轮的组织是指磨粒、粘结剂、气孔三者在砂轮内分布的紧密或疏松的程度，如图7-3所示。

磨粒占砂轮体积百分比较高而气孔较少时，属紧密级(图7-3a)；磨粒体积百分率较低而气孔较多时，属疏松级(图7-3c)；介于两者之间属中等级(图7-3b)。

在磨削过程中，砂轮的气孔可以容纳切屑，还可以将冷却液或空气带入磨削区，以降低温度，减少工件热变形与避免烧伤、裂纹。

疏松组织的砂轮，由于单位面积内磨粒少也就容易磨钝，增加砂轮消耗。

又由于砂轮组织一般较软，加工表面粗糙度较大，故适用于粗磨、平面磨、内圆磨等磨削接触面较大的工序，以及磨削热敏感性较强的材料、软金属和薄壁工件。

二、砂轮的使用和选择
正确选用砂轮对磨削加工起着重要的作用。

砂轮选用正确与否，应从工件磨削后所得的形状、尺寸、光洁度和表面质量等状态来衡量，选用砂轮集中在砂轮的形状、类型、硬度以及磨钝后修整等几个问题。

1、砂轮的形状、用途及选择
为了选用方便，砂轮截面形状和尺寸均已标准化了。

一般砂轮形状中以P型使用最广泛，可用于外圆磨、内圆磨、无心磨、刃磨刀具等。

选用砂轮时，其外径在可能情况下尽量选大些，可使砂轮圆周速度提高，以增加工件表面光洁度和生产率。

砂轮宽度应根据机床的刚度、功率大小来决定。

机床刚性
好、功率大、可使用宽砂轮。

2、砂轮的变钝和修整
砂轮在磨削过程中变钝的原因在于：①高温、高压下砂轮磨粒棱角变钝；②气孔被切屑堵塞。

砂轮的修整工具和修整条件对砂轮修整质量有显著影响。

不仅影响到砂轮的地貌及磨刀的锐利程度，而且影响到砂轮的磨损、磨削力、磨削温度及被磨零件的表面完整性。

(1) 修整器
在磨削过程中砂轮作为刀具进行切削加工，而在修整过程中砂轮却成为了被切削的对象。

修整砂轮的工具按修整器的几何形状和修整过程中的运动形式可分为两种：
◆静止型修整器
这类修整工只在修整砂轮时不作问转运动，而只有垂直于砂轮表面的切入运动和平行于修整轮廓的进给运动，包括：单颗粒金刚石、多颗粒片状金刚石和金刚石笔。

◆运动型修整器
这类修整器在修整过程中，本身与砂轮做相对旋转或复合运动，包括：金刚石滚轮、滚压钢片修整器等。

(2) 普通磨料磨具的修整方法（修整工具、修整方式、基本运动）
普通磨料磨具的修整方法常用的有：车削法、滚压法和磨削法等。

◆车削法
车削法是仿效车削的方法(右图)来修整砂轮
的。

修整砂轮时的切削速度等于砂轮速度。

修整
工具(金刚石)以一定的吃刀深度切入砂轮，并沿砂
轮轴向以一定的轴向速度移动。

修整工具有：大颗粒天然金刚石、天然金刚
石片状修整器和金刚石笔。

天然金刚石片状修整器是采用较小颗粒的天图7-4 车削法修整示意图
然金刚石整齐排列，用粉末冶金烧结法固定于
基体中，
其使用性能与大颗粒五然金刚石相近。

由于该修整器采用小颗粒天然金刚石，价格低，
国内货源也较多。

因而在生产中得到了越来越
广泛的应用。

在安装该修整器时，应使金刚石
外露的工作面与砂轮相切。

金刚石笔是由颗粒较小的颗粒金刚石或金
刚石粉用结合力很强的合金结合起来特制的金
届刀杆玉制成的。

根据金刚石的分布情况，金
刚石笔有三种类型；
层状金刚石笔－金刚石颗粒呈层状分布；
链状金刚石笔－金刚石颗粒呈链式分布；
粉状金刚石笔－金刚石颗粒呈不规则分
布。

滚压法 可分为切入滚压法和轴向滚
压法两种。

切入滚压法修整砂轮时，砂轮的轴心线与
修整工具的轴心线相互平行。

修整时，作为修
整工具的金属圆盘(滚轮)以—定的压力与砂轮
接触。

由砂轮带动修整轮以相同的线速度旋转：
在旋转过程中，由于修整工具压碎砂轮表面的
颗粒和结合剂，从而去除砂轮表面层而实现修
整的目的。

采用这种方法修理后，砂轮表面的
磨粒比较锋利，但由于磨粒和结合剂的碎屑不容易排除，容易堵塞砂轮表面，影响砂轮的磨削能力。

轴向滚压法修整时，修整轮的轴线与砂轮的轴线平行，也可与砂轮轴线倾斜某——个角度。

在修整过程中，修整轮以一定压力与砂轮接触，由砂轮带动修整轮以相同的线速度旋转外。

修整轮还以轴向速度平行于砂轮轴线作往复运动，从而去除砂轮的表面层。

采用这种方法修整后砂轮表面的磨粒锋锐，而且能克服磨粒和结合剂堵塞砂轮表面的现象。

图7-5 金刚石片状修整器及安装 图7-6 金刚石笔 图7-7 滚压法修整示意图
◆ 磨削法
磨削法修整是用金刚石滚轮或磨粒圆盘仿
效磨削过程来修整砂轮的，也可分为切入磨削
法和轴向磨削法两种。

用切入磨削法修整砂轮
时，修整轮具有独立的旋转运动，并以一定的
切入深度切入砂轮；轴向磨削法修整时，修整
轮还以轴向速度相对于砂轮轴线作往复运动。

修整过程中，修整轮上的磨粒将砂轮表面上的
磨粒的尖刃磨去，因此，修整后砂轮表面的磨
粒比较平整，适合精密磨削。

磨削法常用的修整工具可用金刚石、磨
料、硬质合金和淬火钢等材料制成。

§7-3 磨床的基本运动及其特点
一、机床的基本运动
1、成形运动
✓ 砂轮的旋转运动－外圆磨削主运动，机械变速传动；
✓ 内圆磨头的旋转运动－内圆磨削主运动，机械变速传动；
✓ 工件的旋转运动－圆周进给运动，机械变速传动；
✓ 工作台的直线往复运动－纵向进给运动，由液压驱动。

2、非成形运动
✓ 砂轮架的横向间歇切入运动，由液压驱动；
✓ 砂轮架的横向快速进退运动，由液压驱动；
✓ 尾架套筒的伸缩运动，由液压驱动。

二、磨削用量
1、切削速度v t
切削速度——磨削时砂轮与工件之间的相对速度。

通常是指砂轮的圆周速度。

普通磨削时，切削速度一般为30m/s ～40m/s ；在现代高速磨削中，最高可达200m/s 。

图7-8 磨削法修整示意图
2、圆周进给v w
内、外圆磨削时的圆周进给由工件的旋转n w而产生，其圆周速度v w就是圆周进给量。

一般粗磨时，v w＝20～85m/min，精磨时v w＝15～50m/min。

3、纵向进给f a
内、外圆磨削和平面磨削时，纵向进给是指工件沿其轴线或长度方向所作的往复运动。

内、外圆磨削时，其进给量是以工件每转一转在轴向的位移来表示的。

一般粗磨时f a＝（0.3～0.8）B(mm/r)，精磨时f a＝（0.2～0.3）B(mm/r)。

平面磨削时，其进给量等于工作台的进给速度v w。

4、横向进给量f r
横向进给——纵向进给行程之末、砂轮向工件加工表面法向切入的位移。

它是周期进给，移动距离就是横向进给量，即磨削深度t。

一般粗磨时，f r（或t）＝0.01～0.04（mm/往复行程），精磨时f r（或t）＝0.005～
0.015（mm/往复行程）。

三、各种磨削方式的特点及机床类型
1、外圆磨削的工作方式和主要类型
⑴工作方式（机床运动、特点、应用场合）
外圆磨削主要用于磨削IT6～IT7级精度的圆柱或圆锥形的内、外表面，所获得的加工表面粗糙度为R a1.25～0.08 m。

纵磨法砂轮旋转是主运动，工件除了旋转（圆周进给运动n w）外，还和工作台一起纵向往复运动（纵向进给运动f a），工件每往复一次（或每单行程），砂轮向工件作横向进给运动f r，磨削余量在多次往复行程中磨去。

在磨削的最后阶段，要作几次无横向进给的光磨行程，以消除由于径向磨削力的作用在机床加工系统中产生的弹性变形，直到磨削火花消失为止。

纵向进给磨削外圆时，因磨削深度小、磨削力小、散热条件好，磨削精度较高，表面粗糙度较小；但由于工作行程次数多，生产率较低；它适于在单件小批生产中磨削较长的外圆表面。

切入磨法砂轮旋转是主运动，工件作圆周进给运动n w，砂轮相对工件作连续或断续的横向进给运动，直到磨去全部余量。

切入磨削的生产效率高，但加工精度低，表面粗糙度较大。

这是因为切入磨削时工件与砂轮接触面积大，磨削力大、发热量多、
磨削温度高、工件易发生变形和烧伤。

它适于在大批大量生产中加工刚性较好的工件外圆表面。

如将砂轮修整成一定形状，还可以磨削成形表面。

⑵主要类型（主要部件及其特点、工艺范围）
1）万能外圆磨床
主要用于磨削圆柱形或圆锥形的外圆和内孔，也能磨削阶梯轴的轴肩和端平面。

这种机床使用的万能性较大，但磨削效率不高，而且自动化程度较低，所以适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产的车间。

结构特点：
机床上的工件头架、砂轮架、砂轮溜板以及工作台均可转动，且配有内圆磨具。

⏹机床工作台转动⇒磨削长圆锥面；
⏹工件头架转动⇒磨削大锥度圆锥面、工件端面或锥孔（结合内圆磨具）；
⏹砂轮架或砂轮溜板转动⇒磨削大锥度短圆锥面。

万能外圆磨床外形
2）普通外圆磨床
机床上的工件头架、砂轮架以及砂轮溜板不能转动，且无内圆磨具。

仅能磨削外圆柱面和小锥度圆锥面。

活动部件较少，刚度有所提高，生产率较高且磨削质量易于保证。

3) 端面外圆磨床这类磨床的砂轮主轴轴线相对于头、尾架顶尖中心连线倾斜
—定角度，用切入磨
件的外圆和台阶端
面，生产率较高，常
用于大量生产中磨
削带有台阶的轴类
和盘类零件。

4) 半自动宽砂轮外圆磨床这类机床加工时，工作台不作纵向往复运动(可纵向调整位置)，砂轮架作连续的横向切入进给。

为了提高加工表面光洁度，工作台或砂轮主轴可作短距离的纵向往复抖动。

切入磨时，由于机床采用大功率电动机驱动宽度很大的砂轮，在砂轮连续地作横向进给时，就可磨出整个加工表面，所以生产率较高。

这种磨床常配置自动测量仪控制磨削尺寸，按半自动循环方式进行磨削，生产率更加提高。

这类机床主要适用于成批、大量生产中磨削刚度较好的工件，如汽车驱动轴和机床主轴等。

5) 无心外圆磨床磨削时工件放在砂轮与导轮之间的托板上，不用顶尖定心和支承，而由工件的被磨表面作定位面，故称为无心磨削。

磨削时，工件4放在磨削砂轮1与导轮3之间，由托板2支承进行磨削。

导轮是用摩擦系数较大的橡胶粘结剂制成的磨粒较粗的刚玉砂轮，工件由导轮的摩擦力带动作圆周进给，其转速很低（20~80mm/min）。

磨削砂轮的线速度很高，此线速度就是磨削工件的切削速度。

无心磨削时砂轮和工件的轴线总是水平放置的，而导轮的轴线通常要在垂直平面内倾斜一个角度，其目的是使工件获得一定的轴向进给速度。

为了避免磨削棱圆形工件，通常工件的中心必须高于导轮和砂轮中心连线0.15d～0.25d（d为工件直径），使工件与砂轮、导轮的接触点不在同一直线上，可使工件在多次转动中逐渐磨圆。

加工方法有贯穿法（光轴，导轮为双曲线回转面）和切入法（阶梯轴）两种。

无心外圆磨床外形
无心外圆磨床适用于磨削细长轴、无中心孔短轴、销类和套类工件，特别是磨削刚性很差的细长轴、细长管时，有导轮抵住工件，作用于工件上的径向磨削分力不会使工件弯曲变形，从而能保证较高的磨削精度和生产率。

但是，磨削时定位基准是被磨削表面本身，而不是象中心孔那样有统一的定位基准。

因此，其适用范围也受到一些限制，例如磨削带孔工件外圆，不能保证外圆－内孔的同心度，也不宜磨削带花键的或不连续的外圆表面等。

2、内圆磨削的工作方式和主要类型
⑴工作方式（机床运动、特点、应用场合）
主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表Array面（通孔、盲孔和阶梯孔）的磨床。

与外圆
磨削相似，其磨削方法有：纵磨法、切入
磨法和端面磨法。

⑵主要类型
有普通内圆磨床、行星式内圆磨床和
无心内圆磨床。

1）普通内圆磨床
此类磨床应用最为普遍，常用来磨
削形状有规则且便于旋转的工件。

普通内圆磨床的自动化程度低，磨
削尺寸通常靠人工测量来进行控制，因此只用于单件和小批量生产。

普通内圆磨床外形
2）行星式内圆磨床
行星式内圆磨床上，工件固定
不转动，砂轮除作自身的高速旋转
外，还绕着工件的孔中心作公转，
以实现圆周进给，并作横向切入运
动，所以称“行星式”。

机床的运动如下图所示。

图中n
为砂轮的自转运动。

f 公砂轮沿工件孔的公转运动；f 轴是砂轮的轴向往复运动；f 径是砂轮径向切入运动。

由于工件不转动，所以这类磨床适于磨削大型工件或形状不对称、不适于旋转的工件，例如高速大型柴油机连杆的孔等。

由于行星式内圆磨床砂轮架的运动种数较多，因此，该部件的层次较多、结构复杂且刚性较差。

所以，目前这类机床应用不广泛。

3）无心内圆磨床
在无心内圆磨床上加工的工件通常是那些不宜用卡盘夹紧的薄壁、而其内、外圆同心度要求又较高的工件。

这时，工件以外圆为定位面，支持在两个支承块上，工件端面由磁力吸住，进行磨削内孔。

这种机床常用于磨削类似轴承环类型的零件，所以习惯上也称“轴承磨床”。

由于所磨削零件的特点是精度高及批量大，所以，这种磨床具有较高的精度、自动化程度及生产率。

它适用于大批大量生产中。

行星式内圆磨床工作原理图。