磨削技术理论与应用

几种常用磨料的特性及适用范围
序列 磨料名称 代号 显微硬度 特性 无色透明或淡黄 色、黄绿色、黑 色，硬度高，耐 磨性好，比天然 金刚石脆 黑色或淡白色， 立方晶体，硬度 仅次于金刚砂， 耐热性高，发热 量小 适用范围
人造 金刚石 高 硬 磨 料 系 立方 氮化硼
D
10000
磨硬脆材料、硬质合 金、宝石、光学玻璃、 半导体、切割石材等 以及制作各种钻头 （地质、石油钻头等）
（b）树脂结合剂（代号B）其成分主要为酚醛树脂 或环氧树脂。它强度高、弹性好，多用于高速磨 削、切断和开槽等加工。缺点是耐热性差，当达 到200～300℃时结合力下降。但因其强度下降时 磨粒易于脱落而自锐，故在对磨削烧伤和裂纹敏 感的加工时也有采用。 （c）橡胶结合剂（代号R）多数采用人造橡胶，橡 胶结合剂比树脂结合剂弹性更好，使砂轮具有良 好的抛光作用。多用于制造无心磨床的导轮和切 断、开槽及抛光砂轮。
砂轮组织代号对应表
类别 组织号 0 紧密 1 2 3 4 中等 5 6 7 8 疏松 9 10 11 12
磨粒占砂 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 轮体积 （％）
（6）1820年代美国诺顿公司生产陶瓷结合剂砂轮 （7）1850年美国和法国出现了橡胶结合剂砂轮； （8）1880年树脂胶结合剂砂轮由印度传入西方； （9）1923年，树脂结合剂砂轮出现； （10）1930年，树脂结合剂天然金刚石砂轮； （11）1940年，陶瓷、金属结合剂金刚石砂轮； （12）1955年，合成人造金刚石 （13）1957年，人工合成立方氮化硼
BC
Biblioteka Baidu立方 碳化硅
SC
超硬磨料 人造金刚石的较弱的品种主要制成树脂结 合剂砂轮磨削硬质合金。这时，金刚石磨 粒经常要镀覆占磨粒重量55%的镍，以使 磨粒和树脂结合剂结合的更牢固，并在空 气中提供保护。 立方氮化硼（Cubic Boron Nitride简称为 CBN），是以六方氮化硼为原料，经高温 高压获得的人工合成材料，其硬度仅次于 金刚石，和金刚石并称为超硬材料。
4）磨粒加工工艺适应性极强。它方法众多， 应用范围广，可对金属、陶瓷、玻璃、石 材、耐火材料、混凝土、骨骼、复合材料 等各种材料进行加工；可对平面、圆柱表 面、球面、渐开线齿面、螺旋表面、自由 曲面等各种表面实现荒、粗、精和超精加 工各种精度加工。磨粒加工机床是种类最 多，目前已超过3000种，被广泛应用于机 械制造、轻工、建筑、耐火材料等多种行 业。
常用砂轮粒度及应用范围
粒度号 12～16＃ 20～36＃ 40～60＃ 60～80＃ 使用范围 粗磨、荒磨、打磨毛刺 磨钢锭、切断钢坯磨陶瓷和耐火材料 内圆、外圆、平面磨削，无心磨、工具磨 内圆、外圆、平面磨削，无心磨、工具磨
100～240＃ 半精磨、精磨、珩磨、成形磨、工具刃磨 240＃～W20 精磨、超精磨、珩磨、螺纹磨等 W20～W10 精磨、精细磨、超精磨、镜面磨等
弹性好，用于高速磨削、切 断、开槽等工序、耐热性差， 年限限制 弹性好，用于切断、抛光、 开槽等工序 主要用于制造超硬磨料砂轮， 材料主要是青铜，也有铸铁、 镍等
4）砂轮硬度是指磨粒从砂轮表面 脱落的难易程度，砂轮硬，磨粒不 易脱落，砂轮软，磨粒容易脱落。 因此，为了避免烧伤，应选硬度低 的砂轮；精磨和成形磨时，为了保 持砂轮的形状精度，应选择硬一些 的砂轮。
• （4）磨粒加工的特点 1）磨料，尤其是金刚石和立方氮化硼（CBN） 具有非常高的硬度，可以加工各种高硬度 材料。尤其是光学玻璃、陶瓷、半导体材 料等硬脆材料在高科技产业广泛应用的今 天，磨粒加工成为非常重要的加工手段。
2）因磨粒和切屑尺寸细小，参加切削的磨粒 众多，磨粒加工可容易地获得高精度和低 表面粗糙度表面，是精密加工主要手段。 特别是应用极微细磨粒可以获得纳米级切 刃半径，可实现极薄微细切削和获得无缺 陷表面，使它又是超精密加工主要手段， 在现代航空航天、精密机械和仪器、电子 信息、尖端武器、小型和微型机械等高科 技领域获得重要应用。
3）随着超硬磨料、数控磨削、新磨削液和修 整技术、多传感器智能控制、高速/超高速 磨削、高效率磨削等先进技术的广泛应用， 磨粒加工成为一种集高精度和高效率于一 体的、半永久性工具的、过程稳定的、粗 精加工集成的加工方法，在高质量稳定性 大批量生产，如汽车、工具、机床等行业 获得广泛应用，其短工艺流程推动了加工 工艺变革，使其在机械制造领域具有更加 重要的地位。
(g) 外圆切入磨削

(h) 无心纵磨
导轮
工件
工件
工件
工件
砂轮
砂轮
导轮 砂轮
砂轮
(j) 无心切入磨
1.4
磨削加工的发展历史
（1）史前时期，磨砺石器； （2）青铜器时期和铁器时期，用于磨砺刀剑，磨刀 石； （3）古埃及时期，首先使用原始砂轮； （4）中世纪至工业革命时期，早期磨床的概念出现 于达.芬奇的绘画中，由水力驱动表面固定磨料的 木制带幅轮子； （5）19世纪初期，为了手工磨削宝石，印度出现 了人工制造的砂轮；
磨削技术理论与应用
原所先 东北大学 先进制造与自动化技术研究所
1 绪论
1.1 磨粒加工基本概念 （1）磨粒加工（Abrasive Process） ：磨粒加工 是以硬质矿物质（磨料）颗粒作为切削工具进行 材料去除的加工过程的统称。
（2）磨粒加工工具： 固结磨具（砂轮、砂瓦、油石） 涂覆磨具（砂带、砂布、砂纸、砂页轮） 游离磨料
机械制造技术发展大事年表
年代 1642 1752 制造工艺与设备 机械计算机 穿孔卡控制的织机 管理技术 发明人 帕斯卡（法国） 布乔恩（英国）
1.5 磨粒加工技术理论研究队伍和组织
东北大学(郑焕文) 华中科技(陈日曜,诸兴华) 西北工大(华定安,) 湖南大学(付杰才,李力均) 南京航空(张幼桢) 广西大学(曹硕生) 郑州三磨所(严文浩) 上海纺织大学(徐载熊) 天津大学(于思远,林彬)
砂轮硬度等级名称及代号
超软 软1 软2 软3 中软1 中软2 中1
D、E、F
中2
G
H
J
K
硬1
L
硬2
M
超硬
中硬1 中硬2 中硬3
N
P
Q
R
S
T
Y
5）砂轮组织 砂轮组织表示磨粒、结合剂、 气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总 体积中所占比例越大，砂轮组织越紧密， 气孔越小。紧密组织适于重磨削，中等组 织适于一般磨削，疏松组织砂轮不易堵塞， 适于平面磨削、内圆磨削等磨削接触面积 大的工序以及磨削热敏性强的材料或薄工 件。
W10～更细 精细磨、超精磨、镜面磨、制作研磨膏等
3）结合剂 结合剂的作用是将磨粒黏合在一 起，使砂轮具有一定的形状合强度。常用 的结合剂有： （a）陶瓷结合剂（代号V），是由黏土、长 石、滑石、硼玻璃和硅石等材料配制烧结 而成，化学性质稳定、耐水、耐酸、耐热、 成本低。除切断砂轮外，大多数砂轮均采 用陶瓷结合剂。其线速度一般小于35m/s。
（5）磨粒加工在机械制造中的地位 工业发达国家的磨床在金属切削机床总数中已占 25%以上。
我国1998年的磨床拥有量也占到机床总拥有量的 13%左右。 1997年欧洲机床展览会期间的调查表明，25%的 被调查企业认为磨削是他们应用的最主要加工技 术，磨床的占有比例高达42%。
（6）磨粒加工技术的研究特点 1）切刃几何参数的随机性、时变性 2）切削过程的断续性、瞬时性、复杂性 3）切削过程影响参数的多样性 4）观察研究的困难性 5）磨削研究以实验研究为主 6）磨削机理仍远未成为精确和完善的理论 7）是区别于切削的独立学科分支
单晶刚玉
微晶刚玉
SA
MA
几种常用磨料的特性及适用范围
序列 磨料名称 代号 显微硬度 特性 黑色，有光泽， 硬度比钢玉高， 性脆而锋利，导 电和导热性好 适用范围 磨削铸铁、黄铜、铝、 耐火材料及非金属材 料
黑碳化硅
C
2820～ 3320
3280～ 3480 4400～ 5400 2000～ 2300
的磨料通常用于精密磨削，粗粒度韧性磨料则更
适合于粗磨削。
几种常用磨料的特性及适用范围
序列 磨料名称 代号 显微硬度
棕刚玉 A 2200～ 2280 2200～ 2300 2000～ 2200 ～1965 2200～ 2400 2000～ 2300
特性
适用范围
棕褐色，硬度高， 磨削碳钢和合金钢 韧性大，价格便 宜
磨削力及力比 磨削热及温度 比磨除率 磨削表面质量 磨削振动
1.3
磨削方式
砂轮 砂轮
工件
工件
(a) 卧轴往复平磨
(b) 卧轴切入平磨
工件
砂轮
工件
砂轮
(c) 立轴转台平磨
(d) 外圆往复磨削
工件 砂轮 砂轮 工件
(e) 外圆切入磨削
(f) 内圆往复磨削
砂轮
工件
导轮
工件 砂轮
工件 导 轮 砂轮
（2）砂轮的特性 砂轮特性的表示方法为： 磨料代号－粒度号－硬度等级－组织号－结 合剂代号－砂轮最高使用速度 1）磨料：常用的磨料有氧化物系、碳化物系 和高硬磨料系三类。
普通磨料
普通砂轮磨料都是基于氧化铝（Al2O3）和碳化硅 （SiC）的人造材料。它们各有不同品种以适应 不同的用途。硬度高的磨料通常更脆些。碳化硅 磨料的硬度和脆性比氧化铝的要高。较硬和较脆
白刚玉 氧 化 物 系
WA
白色，硬度较棕 刚玉高，韧性较 棕刚玉低
磨削淬火钢、高速钢、 高碳钢等
铬刚玉 锆刚玉
PA ZA
玫瑰红和紫红色， 磨削淬火钢、高速钢、 高碳钢、轴承钢 韧性比白刚玉高 黑褐色，强度和 耐磨性高 浅黄色，硬度和 韧性比白刚玉高 颜色和棕刚玉相 似，强度高，韧 性和自锐性好 磨削耐热合金、钛合 金、奥氏体不锈钢 磨削不锈钢、高钒高 速钢等 磨削不锈钢、轴承钢、 特种球墨铸铁
• 1.2 磨粒加工技术理论主要研究内容
• • • • • • 材料切除过程的实现与描述 伴随材料切除过程的物理和化学现象 磨粒加工过程影响参数及控制 磨粒加工工具研究 磨粒加工装备研究 先进磨粒加工技术及其工程应用
磨 料
空 气
磨削液
被磨材料
砂轮特性及修整 材料可磨削加工性 磨削液及注液法 机床特性及调整 磨削工艺参数 磨 削 过 程
绿碳化硅
碳化 物系 碳化硼
GC
绿色，硬度和脆 磨削硬质合金、宝石、 性比黑碳化硅高， 陶瓷、玉石、玻璃、 导电和导热性好 非铁金属、石材等 灰黑色，硬度比 主要研磨和抛光硬千 黑、绿碳化硅高， 周合金、拉丝模、宝 耐磨性好 石和玉石等 浅绿色，立方晶 体结构，强度比 黑碳化硅高，磨 削能力强 磨削韧而黏的材料， 如不锈钢等；磨削轴 承沟道或用于轴承超 精加工
（d）金属结合剂（代号M）常用青铜结合剂， 也用铸铁。主要用于制作金刚石砂轮和立 方氮化硼砂轮。其特点是形面成型性好， 强度高，有一定韧性。缺点是自锐性差。
结合剂种类及使用范围
种类 代号 使用范围
陶瓷结合剂 树脂结合剂
橡胶结合剂 金属结合剂
V B
R M
用于除切断砂轮外的大多数 砂轮，使用速度35m/s以下
（3）磨粒加工工艺方法 砂轮、砂瓦、——磨削（Grinding） 砂带、砂页轮 油石 ——珩磨（Honing）、 超精加工（Super Machining）
砂布、砂纸 ——抛光（Polishing） 游离磨料 ——研磨（Lapping） 抛光（Polishing） 喷射加工（Jet Machining） 光饰加工（Finishing）
CBN
8000～ 9000
磨削各种高温合金、 高钼、高钒、高钴钢， 不锈钢，镍基合金钢 等，聚晶立方氮化硼 可制造车刀
m
2）粒度 粒度指磨料颗粒的大小，较大的 磨粒用它能通过的筛网号表示。例如，60 号粒度表示磨粒能通过每英寸长度上有60 个孔眼的筛网。直径小于40微米的磨料颗 粒称为微粉，粒度以其粒径大小（微米） 表示，一般为W63～W3.5。
1.6 本课程使用教材 《磨削技术的理论与应用》 Grinding Technology Theory and Application of Machining with Abrasives 著者 S. 马尔金 (S.Malkin) 译者 蔡光起 巩亚东 宋贵亮
2 砂轮的组成及特性
2.1 概述 （1）普通砂轮的标记 1）砂轮的磨料种类； 2）磨粒的尺寸； 3）砂轮的结合剂种类； 4）砂轮的硬度； 5）砂轮的组织； 6）砂轮的形状；