金属切削与应用磨削

5.1.4 砂轮的硬度 磨粒与结合剂的粘固程度
在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。 砂轮硬，磨粒较难脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。
砂轮组织较疏松，工件材料较硬，砂轮与工件磨削接触面较大 ，砂轮气孔率较低时，需选用较软的砂轮。 半精磨与粗磨相比，树脂与陶瓷相比，选用的砂轮硬度低些。
表5-1 砂轮特性及用途选择4—硬度
超硬磨料系:主要有人造金 刚石和立方氮化硼。
表5-1砂轮特性及用途选择1—磨料
系 别
名称
代号
颜色
性能
适用范围
氧 棕刚玉 A 化 白刚玉 WA 物 铬刚玉 PA
棕褐色 白色
玫瑰红色
硬度较低,韧性 磨削碳素钢,合金刚,
较好
可锻铸铁与青铜
较A硬度高,磨 磨削淬硬的高碳钢,合
粒锋利,韧性差 金 钢 ,高 速 钢 ,磨 削 薄
表5-1 砂轮特性及用途选择5—砂轮的组织
组织号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
磨粒率 (%)
62
60
58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
Байду номын сангаас
34
分类
紧密类
中等
疏松类
用途
成型磨削, 精密 磨削
磨削淬火钢, 刀具 磨削韧性大而硬度不
刃磨
高材料
磨削热 敏性大 的材料
意义：如果砂轮等效直径相同，则外圆（内圆） 磨削和平面磨削时的接触弧长相等
外圆磨削时的砂轮等效直径为
dse dw d0 /(dw d0 )
内圆磨削时的砂轮等效直径为
dse dw d0 /(dw d0 )
(5.6) (5.7)
表5.4 几种磨削方式的等效直径和接触弧长
磨削方式
径向进给量（即背吃刀量） ap
图13-1 外圆磨削运动
1—砂轮
图13-2 砂轮的构造 2—结合剂 3—磨粒 4—磨屑 5—气孔 6—工件
图13-3 人造金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的构造
1 —磨料层
2—基体
图13-3 (a) 烧结类人造金刚石成型磨轮
图13-3 (b) 电镀类人造金刚石成型磨轮
图13-3 (c) 树脂结合剂的人造金刚石抛光盘和砂轮实物照片
二、砂轮的基本参数
磨料的种类、磨料颗粒大小、结合剂的种类、 砂轮硬度及组成
三、砂轮的特性
磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和 尺寸等
5.1.1 磨料
⒈天然磨料：
一般含杂质多，质地不匀；天 然金刚石虽好，但价格昂贵。
2.人造磨料：
目前主要采用人 造磨料。
氧化物系:主要成分为Al2O3
碳化物系:以碳化硅、碳化硼为基 体，添加的金属元素
c）金刚石滚轮
2—金刚石
3—被修整砂轮
图13-9 砂带磨削的几种形式 a）磨外圆 b）磨平面 c）无心磨 d）自由磨削 e）成形磨削 1—工件 2—砂带 3—张紧轮 4—接触轮 5—承载轮 6—导轮 7—成形导向板
５.1 砂 轮
一、砂轮:由磨料加结合剂用烧结的方法 而制成的多孔物体。
1.磨料:起切削作用， 2.结合剂:把磨料结合起来，使之具有一定 的形状、硬度和强度。 3.气孔:结合剂没有填满磨料之间的全部空 间，因而有气孔存在。
a)外形
图13-4 砂轮上的磨粒形状 b）典型磨粒断面
图13-5 磨削过程中磨粒的切削、刻划和抛光作用
a)切削作用
b）刻划作用
c）抛光作用
图13-6 磨削力
a)计算图
图13-7 理想平均磨削厚度 b）ABCD局部放大图
a）大颗粒金刚石笔 1—轮体
图13-8 修整砂轮用的工具
b）多粒细碎金刚石笔
平形砂轮
P
双斜边砂轮 OSX
双面凹砂轮 PSA
切断砂轮
(薄片砂轮)
PB
筒形砂轮
N
杯形砂轮
B
碗形砂轮
BW
碟形砂轮
D
断面形状
主要用途 磨外圆、内圆，无心磨，
刃磨刀具等 磨齿轮及螺纹
磨外圆，刃磨刀具，无 心磨
切断及切槽
端磨平面
磨平面、内圆，刃磨刀 具
刃磨刀具，磨导轨
磨齿轮，刃磨铣刀、拉 刀、铰刀
5.2 砂轮表面形貌图
特性
适用范围
陶瓷
V
耐热,耐油和耐酸,碱的侵蚀, 强度较高,较脆
除薄片砂轮外,能制成各种砂轮
树脂 橡胶
B
强度高,富有弹性,具有一定 抛光作用,耐热性差,不耐酸 碱
荒磨砂轮,磨窄槽,切断用砂轮, 高速砂轮,镜面磨砂轮
R 强好睹度,塞耐高热,弹 性性 差更,不好耐,抛油光和作酸用,易磨 切削割轴薄承片沟砂道轮砂,抛轮光,无砂心轮磨导轮,
结论：砂轮的磨削过程，实际上就是切削、刻划 和滑擦三种作用的综合。
韧性比WA好 壁零件,成形零件
黑碳化 碳硅 化 绿碳化 物硅
碳化硼
比刚玉类硬度 磨削铸铁,黄铜,耐火
C
高,导热性好,但 材料及其它非金属材
黑色带光泽 韧性差
料
GC BC
绿色带光泽 较C硬度高, 导 磨削硬质合 金 ,宝石, 热性好,韧性较 光学玻璃
差
研磨硬质合金
研磨硬质合金, 光学
超 硬 磨 料
人造金 刚石
等级 超软
软
中软 中 中硬
硬
超硬
代号 D E F G H J K L M N P Q R S T Y
选择
磨位淬硬钢选用L~N,磨淬火合金钢选用H~K,高表面质量磨削时选用 K~L,刃磨硬质合金刀具选用H~J
5.1.5 砂轮的组织 砂轮结构的紧密或疏松程度
用颗粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系来表示
结论
接触弧长以内圆磨削为最大，平面磨削次之，外圆 磨削最小。
因此
内圆磨削的砂轮耐用度最大，平面磨削次之，外圆 磨削最小。
4) 单个磨粒的磨削厚度
意义：磨削厚度大小对磨削力、磨削温度、磨削表面 质量和砂轮的磨损产生很大影响。
① 端面磨削时每个磨粒的最大切削厚度为
hDgmax (2 w fa / c m B) fr / d0
3) 轴向进给运动 用轴向进给量ƒa表示。(亦称磨削深度f)
指工件每一转或工作台每一次行程，工件相对砂轮的 轴向移动的距离。
一般情况下ƒa =(0.2～0.8)B，B为砂轮宽度，单位为 mm； ƒa的单位，圆磨为mm/r，平磨为mm/str。
4) 圆周进给运动 即工件外圆的线速度vw
外圆磨削时
vw d w nw /1000 m/s
5.3.1 磨削特点
1．精度高、表面粗糙度小
表5.3 不同机床控制切深机构的刻度值（mm）
机床名称 立式铣床 车床
平面磨床
外圆磨床
精密外圆磨 床
内圆磨 床
刻度值 0.05 0.02 0.01
0.005
0.002 0.002
2．砂轮有自锐作用
使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削。
3．径向分力 较大
粉 W2.5 W1.5 W1.0 W0.5
达Ra0.05~0.012μm
5.1.3 结合剂
把磨粒固结成磨具的材料
⒈瓷（A） 2.树脂（S） 3.橡胶（X）
耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，最 常用 。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受 侧面弯扭力，有宜用于切断砂轮。
强度高、弹性好，很适用于切断、开槽等高速磨 削。但其耐热性、耐蚀性差、气孔率小，易糊塞、 磨损快、易失去廓形。
磨削时的切削力同车削一样，也可以分解为三个互 相垂直的分力
工件材料
Fn/Ft Fa/Ft
普通钢 1.6～1.9
淬硬钢 1.9～2.6 0.1～0.2
铸钢 2.7～3.2
4．磨削温度高
原 高的切削速度 因 负前角切削
5.3.2 磨削运动和磨削要素
一、磨削运动
1) 主运动
d0
砂轮的旋转运动是主运动，砂轮外圆的线速度即主运动速度
比树脂有更好的弹性和硬度，可制造0.1mm的 薄砂轮，使用于切断、开槽、无心磨的导轮。
4.青铜（Q）
抗张力强度高，型面保持性好，有一定韧性，但 自锐性差，主要用于制造金刚石砂轮，粗、精磨 硬质合金，以及磨削与切断光学玻璃、宝石、陶 瓷、半导体等材料。
表5-1 砂轮特性及用途选择3—结合剂
名称 代号
式中 dw ——工件直径（mm）; nw——工件转速（r/s）。
(5.2)
二、磨削要素
1) 磨削时金属切削率
①每秒钟金属切除量（亦称为切除率 ）
Q 1000 vw fr fa mm3/s
(5.3)
②每秒钟内砂轮每1mm宽度所切除的金属量。则称为 单位砂轮宽度切除率，以ZQ表示
ZQ
Q B
1000vw B
100#
一般磨削,加工表面粗糙度可达Ra0.8m 半精磨,精磨和成型磨削,加工表面粗糙度 可达Ra0.8~0.16μm
120# 150# 180# 220# 240# 精磨, 精密磨, 超精磨,成型磨,刀具刃磨,珩
磨
W63 W50 W40 W28
精磨, 精密磨, 超精磨,珩磨,螺纹磨
微 W20 W14 W10 W7 W5 W3.5 超精密磨,镜面磨,精研,加工表面粗糙度可
（μm）
砂轮直径 d0 （㎜）
工作直径 dw （㎜）
砂轮等效直径dse
(mm)
接触弧长度 lc
（μm）
外圆磨削 平面磨削 内圆磨削
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
25
25
25
400
400
400
200
∞
550
133
400
1467
1.8×103 3.3×103
6×103
接触时间 tc lc / vs（s）
45.6×10-6 80×10-6 150×10-6
立方氮 化硅
D CBN
白,淡绿,黑 色
棕黑色
硬度最高,耐热 玻璃,宝石,陶瓷等高
性较
硬度材料
硬 度 仅 次 于 D 磨削高性能高速钢,不
韧性较D好
锈钢,耐热钢及其它难
加工材料
5.1.2 粒度
表示磨料颗粒的大小
1．一般磨粒
粒度号---磨粒刚好可通过的筛网每 英寸长度上（25.4mm）上的孔眼 数。单位称为“目”。
vc d 0 n0 / 1000 m/s
式中 d0 ——砂轮直径（mm）； n0——砂轮转速（r/s）。
(5.1)
2) 径向进给运动 用径向进给量ƒr表示。(亦称磨削深度ap)
ƒr指工作台每双（单）行程内工件相对于砂轮径 向移动的距离，单位为mm/d·str， 一般情况下， ƒr =0.005～0.02mm/d·str，
粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小
2．微细磨粒
粒度号---在显微镜下测得的该颗粒 最大尺寸的微米数。
粒度号越大，微粉颗粒尺寸越大。
表5-1 砂轮特性及用途选择2—粒度
类 别
粒度号
适用范围
8# 10# 12# 14# 16# 20# 22# 荒磨
24#
磨 粒
30# 36# 40# 46# 54# 60# 70# 80# 90#
5.1.6 砂轮的形状、尺寸及用途
为便于对砂轮管理和选用，通常将砂轮的形状、尺寸 和特性标注在砂轮端面上
其顺序为： 形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许的最高 工作圆周线速度
外径×厚度×内径
如：砂轮P300×30×75WA60L6V35
表5-2 常用砂轮的形状、代号及用途举例
砂轮种类 形状代号
(5.8)
式中m为砂轮每mm圆周长度上的磨粒数（mm-1）
② 外圆磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 hDg max (2 w fa / c B) fr / d0 fc / dw 式中ω为砂轮角速度
(5.9)
结论
因此
工件速度vw，轴向进给量fa和径向进给量fr增加时， hDgmax将增加；砂轮速度vc、砂轮直径d0和砂轮宽度B增
大时， hDgmax将减小；砂轮磨粒越细，m就越大， hDgmax减小。
单个磨粒的切削厚度加大时，作用在磨粒上的切削力 也增大，将影响砂轮磨损、磨削温度及被加工零件的表面 质量。
5.3.3 磨削过程
一、磨屑的形成过程
磨削时，工件表面被砂轮滑擦、刻划以及砂轮表面比较 锋利且凸出的磨粒切削形成磨屑，其切削过程大致可分为三 个环节(如图5.4)。
磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密 ，气孔越小；反之，组织疏松
紧密类 中等
紧密类砂轮，气孔率小，使砂轮变硬，容屑空间小， 容易被磨屑堵塞，磨削效率较低。但可承受较大的磨 削压力，砂轮廓形可保持较久。
一般组织，一般磨削
疏松类
磨粒占的比例越小，气孔越大，砂轮越不易被切屑堵塞 ，切削液和空气也易进入磨削区，使磨削区温度降低， 工件因发热而引起的变形和烧伤减小，但疏松类砂轮易 失去正确廓形，降低成型表面的磨削精度，增大表面粗 糙度。
图5.3砂轮表面形貌图
有效磨粒切削刃
无效磨粒切削刃
有效磨粒切削刃 只为静态切削刃总 数的5%～12%；
一个磨粒可能有 几个有效切削刃与 工件接触，有60% 的有效切削刃分布 在不同磨粒上面。
5.3 磨削过程
图5.4磨粒切削过程
磨削也是一种切削 砂轮可以看作是具有 极多微小刀齿的铣刀 砂轮本身虽有自锐性
fr
fa
mm3/s·mm (5.4)
2) 砂轮与工件加工表面的接触弧长
① 影响同时参加磨削的磨粒数目及磨粒负荷
② 影响磨屑的容纳和排除及冷却条件的改善
由推导可知平面磨削时的接触弧的长度为
lc fr d0 mm
(5.5)
3) 砂轮等效直径 接触弧长相等时外圆（或内圆）砂轮直径换算
成假想的平面磨削时的砂轮直径。