【金属切削原理】第12章：磨削详解

《金属切削原理》第十二章：磨削加工详解
磨削用于加工坚硬材料及精加工、半精加工
内圆磨削
外圆磨削
平面磨削普通平面磨削
圆台平面磨削
超精磨削加工
第一节砂轮的特性及选择
砂轮由磨料、结合剂、气孔组成
特性由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织决定
一、磨料
分为天然磨料和人造磨料
人造磨料氧化物系刚玉系（Al2O3）
碳化物系碳化硅系碳化硼系
超硬材料系人造金刚石系立方氮化硼系
二、粒度
表示磨粒颗粒尺寸的大小
＞63µm号数为通过筛网的孔数／英寸（25.4mm）机械筛分一般磨粒
＜63µm号数为最大尺寸微米数（W）显微镜分析法微细磨粒
精磨细粒降低粗糙度
粗磨粗粒提高生产率
高速时、接触面积大时粗粒防烧伤
软韧金属粗粒防糊塞
硬脆金属细粒提高生产率
国标用磨粒最大尺寸方向上的尺寸来表示
三、结合剂
作用：将磨料结合在一起，使砂轮具有必要的强度和形状
1、陶瓷结合剂（A）常用
由黏土等陶瓷材料配成
特点：粘结强度高、耐热、耐酸、耐水、气孔率大、成本低、生产率高、脆、不能承受侧向弯扭力
2、树脂结合剂（S）切断、开槽
酚醛树脂、环氧树脂
特点：强度高、弹性好、耐热性差、易自砺、气孔率小、易糊塞、磨损快、易失廓形、与碱性物质易反应、不易长期存放
3、橡胶结合剂（X）薄砂轮、切断、开槽、无心磨导轮
人造橡胶
特点：弹性好、强度好、气孔小、耐热性差、生产率低
4、金属结合剂（Q）磨硬质合金、玻璃、宝石、半导体材料
青铜结合剂（制作金刚石砂轮）
特点：强度高、自砺性差、形面成型性好、有一定韧性
四、硬度
在磨削力作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度
分为超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬
工件材料硬砂轮软些防烧伤
工件材料软砂轮硬些充分发挥磨粒作用
接触面积大软砂轮
精度、成形磨削硬砂轮保持廓形
粒度号大软砂轮防糊塞
有色金属、橡胶、树脂软砂轮防糊塞
五、组织
磨粒、气孔、结合剂体积的比例关系
分为：紧密（0～3）、中等（4～7）、疏松（8～14）（磨粒占砂轮体积％↘）
气孔、孔穴开式（与大气连通）占大部分，影响较大
闭式（与大气不连通）尺寸小、影响小
开式空洞型
蜂窝型前两种构成砂轮内部主要的冷却通道
管道型5～50µm
六、砂轮的型号标注
形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许最高圆周线速度
P300x30x75WA60L6V35
外径300，厚30，内径75
第二节磨削运动
一、磨削运动
1、主运动
砂轮外圆线速度 m/s
2、径向进给运动
进给量fr 工件相对砂轮径向移动的距离
间歇进给 mm/st 单行程
mm/dst 双行程
连续进给 mm/s
3、轴向进给运动
进给量fa 工件相对砂轮轴向的进给运动
圆磨 mm/r
平磨 mm/行程
4、工件速度vw
线速度 m/s
二、磨削金属切除率
ZQ＝Q/B＝1000·vw·fr·fa/B mm^3/(s·mm)
ZQ：单位砂轮宽度切除率
Q：每秒金属切除量用以表示生产率
B：砂轮宽度
三、砂轮与工件加工表面接触弧长
lc＝sqrt(fr·d0)
影响参加磨削磨粒数目及磨粒负荷，容屑，冷却条件
四、砂轮等效直径
将外圆（内圆）砂轮直径换算成接触弧长相等的假想平面磨削的砂轮直径
结论：对砂轮耐用度影响内圆＞平面＞外圆
第三节磨削的过程
一、单个磨粒的磨削过程
磨粒的模型锐利120°圆锥
钝化半球
实际磨粒：大的负前角，大的切削刃钝圆半径
滑擦、耕犁、切削
滑擦：（不切削，不刻划）产生高温，引起烧伤裂纹
耕犁：（划出痕迹）磨粒钝或切削厚度小于临界厚度，工件材料挤向两侧隆起切削：切削厚度大于临界厚度，形成切屑
v↑→隆起↓（线性）塑性变形速度＜磨削速度
二、磨削的特点
1、精度高、表面粗糙度小
高速、小切深、机床刚性
2、径向分力Fn较大
多磨粒切削
3、磨削温度高
磨粒角度差、挤压和摩擦、砂轮导热差
4、砂轮的自砺作用
三、磨削的阶段
1、初磨阶段
实际磨深小于径向进给量
2、稳定阶段
实际磨深等于径向进给量
3、清磨阶段
实际磨深趋向于0
提高生产率缩短1、2
提高质量保证3
第四节磨削力及磨削功率
一、磨削力的特征
分解成三个分力
Ft切向力 Fn法向力 Fa轴向力
特征：
1、单位切削力k很大
磨粒几何形状的随机性和参数的不合理性
7000～20000kgf/mm^2 其他切削方式k＜700kgf/mm^2
2、Fn值最大
Fn/Ft 通常2.0～2.5
工件塑性↓、硬度↑→Fn/Ft↑
切深小，砂轮严重磨损 Fn/Ft 可达5～10
3、磨削力随磨削阶段变化
初磨、稳定、光磨
二、磨削力及磨削功率
摩擦耗能占相当大的比例（70～80％）
切向力（N）：Ft＝9.81·(CF·(vw·fr·B/v)+µ·Fn)
径向力（N）：Fn＝9.81·CF·(vw·fr·B/v)·tan(α)·(π/2) vw：工件速度
v：砂轮速度
fr：径向进给量
B：磨削宽度
CF：切除单位体积切屑所需的能 kgf/mm^2
µ：工件－砂轮摩擦系数
α：假设粒度为圆锥时的锥顶半角
磨削功率
P＝Ft·v/1000 Kw
理论公式精度不高，常用实验测定（顶尖上安装应变片）
第五节磨削温度
耕犁、滑擦和形成切屑的能量全部转化成热，大部分传入工件
一、磨削温度
砂轮磨削区温度θA：砂轮与工件接触区的平均温度
影响：烧伤、裂纹的产生
磨粒磨削点温度θdot：磨粒切削刃与切屑接触部分的温度温度最高处，是磨削热的主要来源
影响：表面质量、磨粒磨损、切屑熔着
工件温升：
影响：工件尺寸、形状精度受影响
二、影响磨削温度的因素
切削液为降温的主要途径
1、工件速度对磨粒磨削点温度的影响大于砂轮速度
vw↑→acgmax↑→F↑→θdot↑大
v↑→acgmax↓→θdot↑小
→摩擦热↑↗
acgmax：单个磨粒最大切削厚度 mm
假设：磨粒前后对齐，均匀分不在砂轮表面
平面磨：acgmax=(2·vw·fa/(v·m·B))sqrt(fr/dt)
外圆磨：acgmax=(2·vw·fa/(v·m·B))sqrt((fr/dt)+(fr/dw))
dt：砂轮直径
m：每毫米周长磨粒数
用于定性分析
2、径向进给量Fr
fr↑→acgmax↑→θdot↑
fr↑→接触区↑→同时参加切削磨粒数↑→θA↑
3、其他因素
fa↑→θdot↑、θA↑
工件材料硬度↑、强度、↑韧性↑→θdot↑、θA↑
θA↑→工件温升↑
vw↑→被磨削点与砂轮接触时间↓→工件温升↗
三、磨削温度的测量（热电偶）
第六节砂轮的磨损及表面形貌
一、砂轮的磨损
类型磨耗磨损磨粒磨损
破碎磨损磨粒或结合剂破碎（取决于磨削力与磨粒、结合剂强度）
破碎磨损消耗砂轮多
磨耗磨损通过磨削力影响破碎磨损
阶段初期磨损磨粒破碎磨损（个别磨粒受力大，磨粒内部应力与裂纹）二期磨损磨耗磨损
三期磨损结合剂破碎磨损
二、砂轮的耐用度T
砂轮相邻两次修整期间的加工时间 s
各因素通过平均切削厚度来影响T
经验公式：T=6.67·(dw^0.6)·km·kt/(10000·(vw·fa·fr)^2)
dw：工件直径
kt：砂轮直径修正系数
km：工件材料修正系数
粗磨时间常用单位时间内磨除金属体积与砂轮磨耗体积之比来选择砂轮
三、砂轮的修整
作用去除钝化磨粒或糊塞住的磨粒，使新磨粒露出来
增加有效切削刃，提高加工表面质量
工具单颗金刚石、单排金刚石、碳化硅修整轮、电镀人造金刚石滚轮、硬质合金挤压轮等使用单颗金刚石：
导程小于等于磨粒平均直径，每颗磨粒都能修整
深度小于等于磨粒平均直径，提高砂轮寿命
四、表面形貌
单位面积上磨粒数目越多→acgmax↓→磨粒受力↓→磨粒寿命↑→T↑
磨粒高度分布越均匀→粗糙度↓
磨粒间距均匀性越好→粗糙度↓
第七节磨削表面质量与磨削精度
一、表面粗糙度
比普通切削小小于 Ra2～4µm
vw↓、v↑、R工↑、R砂↑、细粒度→粗糙度↓
细粒度→m↑→粗糙度↓
B↑→acgmax↓→粗糙度↓
磨粒等高性好→粗糙度↓
二、机械性能
1、金相组织变化
烧伤：C↑、合金元素↑→导热性↓→易烧伤
高温合金↑→磨削功率↑→θA↑→易烧伤
影响：破坏工件表层组织，产生裂纹，影响耐磨性和寿命
2、残余应力
原因：相变引起金相组织体积变化
温度引起热胀冷缩和塑性变形的综合结果
光磨10次残余应力减少2～3倍
光磨15次残余应力减少4～5倍
fa↓、fr↓→拉应力↓
3、磨削裂纹
磨削速度垂直方向上的裂纹（局部高温急冷造成热应力）
三、磨削精度
1、磨床与工件的弹性变形
2、磨床与工件的热变形
3、砂轮磨损导致形状尺寸变化3、磨床与工件振动
研磨加工是应用较广的一种光整加工。

加工后精度可达IT5级，表面粗糙度可达Ra0.1~0.006μm。

既可加工金属材料，也可以加工非金属材料。

研磨加工时，在研具和工件表面间存在分散的细粒度砂粒（磨料和研磨剂）在两者之间施加一定的压力，并使其产生复杂的相对运动，这样经过砂粒的磨削和研磨剂的化学、物理作用，在工件表面上去掉极薄的一层，获得很高的精度和较小的表面粗糙度。

研磨的方法按研磨剂的使用条件分以下三类：
1．干研磨研磨时只需在研具表面涂以少量的润滑附加剂。

如图8-12a所示。

砂粒在研磨过程中基本固定在研具上，它的磨削作用以滑动磨削为主。

这种方法生产率不高，但可达到很高的加工精度和较小的表面粗糙度值(Ra0.02～0.01μm)。

2．湿研磨在研磨过程中将研磨剂涂在研具上，用分散的砂粒进行研磨。

研磨剂中除砂粒外还有煤油、机油、油酸、硬脂酸等物质。

在研磨过程中，部分砂粒存在于研具与工件之间，如图8-12b所示。

此时砂粒以滚动磨削为主，生产率高，表面粗糙度Ra0.04～
0.02μm，一般作粗加工用，但加工表面一般无光泽。

3．软磨粒研
磨
在研磨过程
中，用氧化铬作
磨料的研磨剂涂在研具的工作表面，由于磨料比研具和工件软，因此研磨过程中磨料悬浮于工件与研具之间，主要利用研磨剂与工件表面的化学作用，产生很软的一层氧化膜，凸点处的薄膜很容易被磨料磨去。

此种方法能得到极细的表面粗糙度(Ra0.02～0.01μm)。

刮研平面用于未淬火的工件，它可使两个平面之间达到紧密接触，能获得较高的形状和位置精度，加工精度可达IT7级以上，表面粗糙度值Ra0.8～0.1μm。

刮研后的平面能形成具有润滑油膜的滑动面，因此能减少相对运动表面间的磨损和增强零件接合面间的接触刚度。

刮研表面质量是用单位面积上接触点的数目来评定的，粗刮为1～2点/cm2，半精刮为2～3
点/cm2，精刮为3～4点/cm2。

刮研劳动强度大，生产率低；但刮研所需设备简单，生产准备时间短，刮研力小，发热
小，变形小，加工精度和表面质量高。

此法常用于单件小批生产及维修工作中。