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。