第十二章 切削原理

3、当量磨削厚度
工件单位时间被切除的体积=单位时间砂轮的切除体积
vs ag ce b vwa pb ag ce vw ap vs
表示
vw \ vs \ a p 三者之间的关系
增大， a g
ce ce
vw \ a p
vs
增大
增大， a g
减小
二、磨粒切除切屑与工件的接触状态
一颗磨粒磨削经历了滑擦（弹性变形）、 耕犁（塑性变形）及切削（形成切屑，沿磨 粒前面流出）的过程，使工件表面形成热应 力与变形应力。磨粒在切削表面上的滑擦、 耕犁和切削与磨粒的状况和被加工材料性质 有关。 上述的三个过程与砂轮速度有关，砂轮速 度愈高，弹塑性区就愈小。弹塑性区还与每 颗磨粒的实际磨削量有关。
烧伤色：取决于磨削温度和变质层深度
回火烧伤：工件表面温度超过钢的回火温度但低于相变温 度，表层变软 二次淬火烧伤：工件表面温度超过钢的相变温度，冷却液 急冷转变为马氏体组织，表层硬度提高，内部出现回火组 织，硬度逐渐下降，再逐渐升高，直至原组织硬度
淬火马氏体 回火组织
1、尽可能提高砂轮的锋利度，以大幅度降低磨削比能，减少 磨削热的产生
Grinding temperature measurement
Grinding grain thermocouple
Wheel
Vs
Insulated layer Vw
Workpiece
virtual instrument
二、磨削烧伤
磨削过程中产生大量的热，使被磨削表层金属在高温下发 生相变，这种表层变质现象称为表面烧伤。
磨料选用范围
二、粒度
• 粒度是指磨粒颗粒的大小，通常分为磨粒 （颗粒尺寸>40μm)和微粉（颗粒尺寸 <=40μm）两类。
较大磨粒：能通过的最小筛网每英寸长度的 孔数。粒度号越大，颗粒越细。 微粉：实测的实际最大尺寸。 粒度号越小，颗粒越细。
选择原则：
提高生产率，选择粗粒度
降低表面粗糙度，选择细粒度 工件材料软、塑性大或磨削接触面积大，选择 粗粒度
Kistler9272 Table Forces and temperature PC
5019B charge amplifier
A/D
Grinding force measurement
三、磨削功率
比磨削能：磨下单位体积金属时所消耗的能量 u
磨削功率
c
Pm Ft s v
Ft：砂轮切向力 vs：砂轮线速度
4、砂轮磨损减小
三、高效深切磨削（HEDG High Efficiency Deep Grinding) 特征：砂轮高速度（80~200m/s) 工件快进给（0.5~10m/min）
大切深 （0.1~30mm）
高效深切磨削的机理
高效深切磨削砂轮
单层高温钎焊超硬磨料砂轮 磨料+结合剂（钎料）+基体（金属基）
磨削加工的特点： ①具有很高的加工精度 ②具有很高的磨削速度 ③具有很高的磨削温度，产生的热量比切削高得多， 而且80%传入工件，工件热损伤远大于切削加工 ④磨粒切削刃的尺寸、形状和几何参数是随机的 ⑤具有很小的切削余量 ⑥能磨削硬度很高的材料 ⑦砂轮钝化须修整，砂轮磨削前须平衡
第二节 砂轮的特性和选择
四、砂轮的硬度
• 硬度是指砂轮工作表 面的磨粒在磨削力的 作用下脱落的难易程 度。它反映磨粒与结 合剂的粘固强度。磨 粒不易脱落，称砂轮 硬度高；反之，称砂 轮硬度低。从低到高 分为超软、软、中软、 中、中硬、硬、超硬 7个等级。
选用原则
（1）工件硬度：工件材料越硬，应选较软的砂轮
工件材料越软，应选较硬的砂轮
工 件材料很软，应选较软的砂轮
（2）磨削接触面：接触面积大，应选较软的砂轮
（3）加工种类：精磨和成型磨削，应选较硬的砂轮
（4）砂轮特性：气孔率低、粒度细，应选较软的砂轮
五、砂轮的组织
是指砂轮中磨粒、结合剂和气孔三者间的体积比例关系。
按磨粒在砂轮中所占体积的不同，砂轮的组织分为紧密、
中等和疏松三大类。
第Βιβλιοθήκη Baidu二章 磨削
• 第一节 概述
– 磨削加工与切削加工比较 – 机床特点：刚性、精度 – 工具特点及其准备：刀具－修磨、砂轮－修整， 耐用度概念 – 机理：切削－三个变形区特点，磨削：滑擦－ 耕犁－切削，力、温度 – 工艺特点：切削用量，加工效率 – 经济性
•
磨削一般常用于半精加工和精加工，加工精度 可达IT5－IT6，加工粗糙度可小至Ra1.25－ 0.01μm，镜面磨削时可达Ra0.04－0.01μm。 • 磨削常用于淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料等 坚硬材料。 • 磨削的加工余量可以很小，在毛坯预加工工序 如模锻、模冲压、精密铸造的精确度日益提高的 情况下，磨削是直接提高工件精度的一个重要的 加工方法。
一、磨削几何参数
1、砂轮与工件的接触长度
lc d s a p
2、未变形切屑厚度
a
2 gc max
Kvw vs
ap
K 6 / N eff rg d s
rg:磨粒切削刃宽高比 Neff：单位面积有效磨粒数
vs、ds 、Neff增加，未变形最大切屑厚度减小
vw 增大、vs减小，未变形最大切屑厚度增大
六、砂轮的形状、用途及选择 A 60 S V 6 P 300 × 30 ×75 磨料 粒度 硬度 结合剂 组织 形状 外径 厚度 内径
加工表面粗糙度 砂轮选择 金属磨除率
①磨削钢时，选用刚玉类砂轮；磨削硬铸铁、硬质合金和 非铁金属时，选用碳化硅砂轮。 ②磨削软材料时，选用硬砂轮；磨削硬材料时，选用软砂 轮。
（3）单位时间内通过磨削区的磨粒数增加，磨粒的负荷减轻， 砂轮磨损减少，提高砂轮寿命。 （4）改善表面质量和加工精度。
高速磨削的应用条件： （1）超硬磨料砂轮 （2）机床主轴刚性足够
（3）砂轮强度足够，砂轮动平衡和防护
（4）良好的冷却条件 限制因素： 磨削能增加 磨削热损伤
磨削弧区换热效果差，传入工件的热流比例大
四、砂带磨削
磨削热特点
磨削时滑擦、刻划和切削所消耗的能量，绝大部分转化 为热能
磨削线速度很高，切除单位体积金属比磨削能高（约为 车削的10~20倍） 磨粒与工件接触点温度高（达1000C以上），作用时间 短 大部分磨削热传入工件，磨削区温度急剧升高105/s，造 成磨削表面热损伤 磨削温度：磨粒与工件接触点温度 工件表层温度 磨削区温度
• 被磨削工件和磨具在相对运动关系上的不同组合，可以 产生各种的不同磨削方式。 内圆磨削、外圆磨削、平面磨削（普通、圆台） • 由于各种各样的机械产品越来越多地采用成形表面，成 形磨削和仿形磨削得到了越来越广泛的应用。 • 齿轮磨削方法主要是成形磨削和展成磨削。 • 磨削时，由于所采用的“刀具”（磨具）与一般金属切 削所采用的刀具不同，且切削速度很高，因而磨削机理 和切削机理就有很大的不同。
③磨削软而韧的材料时，选用粗磨粒；磨削硬而脆的材料 时，选用细磨粒。 ④磨削表面不平度要求高时，选用细磨粒；金属磨除率要 求大时，选用粗磨粒。
⑤要求加工表面质量好时，选用树脂、橡胶结合剂的砂轮； 要求最大金属磨除率时，选用陶瓷结合剂砂轮。
第三节 砂轮表面形貌图
磨粒突出高度
有效切削刃
无效切削刃
第四节 磨削过程
Ⅰ：滑擦
Ⅱ：刻划
Ⅲ：切削
第五节 磨削力及功率
一、磨粒切刃的形状及受力
磨粒切刃具有极大的负前角，在-70~-88之间，有一定 的刃端半径r
二、磨削力及其影响因素
切向磨削力Ft、法向磨削力Fn、轴向磨削力Ff
Fn Ft Ff
Wheel
Workpiece
Thermocouple Amplifier
一、高速和超高速磨削技术 提高砂轮速度 砂轮速度vs﹥45m/s 提高磨削去除率和磨削质量
人造金刚石和立方氮化硼砂轮应用
砂轮速度vs≈150~250m/s 实验室达到400m/s
高速磨削优越性 （1）大幅度提高磨削效率 200m/s 金属切除率80 m/s提高150%
（2）磨料的未变形切屑厚度减小，磨削力下降。
四、磨削用量及单位时间金属磨除量
砂轮线速度vs(m/s)
工件速度vw(m/min)
磨削深度ap(mm)
砂轮轴向进给量fa(mm)
单位时间金属磨除量Z
Z 1000vw fa ap (mm / min)
3
第六节 磨削温度及工件表层状态 烧伤 磨削热损伤 热裂纹 残余应力 一、磨削热和磨削温度 80%~90%传入工件 磨削热 10%~15%传入砂轮 1%~10%磨屑带走
o超硬磨料砂轮 o砂轮在线修整 o钎焊砂轮
2、尽可能强化弧区换热效果，以最大限度地疏导已经产生的 积聚在弧区的磨削热 o磨削液的加注方法 o开槽砂轮
三、磨削表面层的残余应力
1、相变引起金属组织体积变化
里层产生残余拉应力、表层产生残余压应力
2、不均匀的热胀冷缩
里层产生残余压应力、表层产生残余拉应力
3、残留的塑性变形
表层产生残余压应力
第七节 磨粒的磨损与砂轮的磨耗
1、磨粒的磨耗磨损
2、磨粒的破碎磨损
3、磨粒的脱落磨损
4、砂轮表面堵塞
第八节 砂轮的修整
砂轮修整是用修整工具把砂轮工作表面修整成所要求的型 廓和锐度
整形：一定精度要求的几何形状
修整
修锐：去除磨粒间的结合剂
金刚石笔修整
金刚石滚轮修整
金刚石滚轮
高效磨削加工技术
工件材料硬、成型磨削，选择细粒度
三、结合剂 • 结合剂是将磨料粘结在一起，使砂轮具有 必要的形状和强度的材料。常用结合剂的 种类有陶瓷、树脂、橡胶及金属等 陶瓷结合剂（V）：粘结强度高、耐热、耐 腐蚀性好，不能较大的冲击 树脂结合剂（B）：强度高、弹性好、耐腐 蚀性较差 橡胶结合剂（R）：弹性更好、耐腐蚀性差 金属结合剂（M）：超硬磨料砂轮 结合强度好、型面保持性好、自锐性差
磨料
粒度
砂轮的（固态）特性 结合剂 组织 形状尺寸 修整 磨损 砂轮的（瞬态）特性 粘着 堵塞
一、磨料
刚玉系、碳化硅、碳化硼、金刚石、立方氮化硼 （CBN） 刚玉类（Al2O3)：抗弯强度相对好
碳化硅（SiC）：磨粒硬度相对高
磨削各种钢：选择刚玉类（Al2O3)磨料 磨削铸铁、黄铜、硬质合金等：选择碳化硅磨料
磨削液的加注方法
研究了单层超硬磨料高温真空钎焊新工艺，获得了制作高锋利 度和高结合强度的单层钎焊超硬磨料砂轮的实用化制备技术。
Sun Fanghong, et al, Proceedings of the 6th international conference on progress of machining technology, 2002:161-165
二、缓进给磨削
增大磨削深度 降低进给速度
砂轮与工件接触面积增大 高的速度比q(vs/vw) 提高磨削去除率
磨削深度ap=1~30mm 工件低速进给fa=5~300mm/min
缓进给磨削机理 1、砂轮和接触弧长度大及接触时间长 普通磨削：接触弧长：几毫米
缓进给磨削：接触弧长：几厘米
消耗磨削能是普通磨削8倍 单颗磨粒的切除时间是普通磨削7倍 2、磨削力增大 3、磨削温度下降
磨 料
棕刚玉
白刚玉
铬刚玉
单晶刚玉
黑碳化硅
绿碳化硅
人造金刚石
特点：硬度最高、热传导系数大
适用于加工陶瓷、硬质合金、光学玻璃、有色金属等材料 不适用于钢料，金刚石与铁高温下易石墨化
立方氮化硼 CBN
立方氮化硼硬度仅次于金刚石，由于立方氮化硼在 加工黑色金属时硬度高、韧性大、耐磨性好、使用寿 命长等特点，广泛应用于机械加工工业。