第十讲 磨削与数控刀具简介

磨削主要用于零件的内外圆柱面、内外圆锥面、平面 及成形表面(如花键、螺纹、齿轮等)的精加工，以获 得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。几种常见的 磨削加工形式如图10—2所示。
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第二节 砂轮特性及选择
砂轮是由磨料加结合剂经压坯、干燥和焙烧方法制成的。
砂轮的特性由下列五个参数来确定：磨料、粒度、结合 剂、硬度及组织。
砂轮中气孔可以容纳切屑，不易堵塞，并把切削液带入磨 削区，使磨削温度降低，避免烧伤和产生裂纹，减少工件 的热变形。但气孔太多，磨粒含量少，容易磨钝和失去正 确廓形。一般常用7～9级组织的砂轮。在精密磨削及成形 磨削时应采用较紧密的砂轮；而在平面磨削、内圆磨削及 磨削热敏性强的材料时应选用较疏松的砂轮。
一、磨料
常用磨料有刚玉类、碳化硅类及高硬磨料类。其性能 及适用范围见表10—1。
二、粒度
粒度分为磨粒及微粉二类。磨粒用筛选法分级，如粒度 60#的磨粒，表示其大小正好能通过1英寸长度孔眼数为 60的筛网。微粉系按实际尺寸分级，如W20是指其实际 尺寸为20μm。常用磨粒粒度及尺寸见表10—2。
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(2)刻划阶段： 工件材料开始产生塑性变形，就表示磨削过程进入刻划阶 段。此时磨粒切入金属表面，由于金属的塑性变形，磨粒 的前方及两侧出现表面隆起现象，在工件表面刻划成沟纹。 这一阶段磨粒与工件间挤压摩擦加剧，磨削热显著增加。 (3)切削阶段： 切入深度继续增大，温度达到或超过工件材料的临界温 度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑
第十讲
磨削和数控刀具简介
主讲：童桂英
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第一部分 磨削
第一节 概 述
在磨床上用砂轮对工件表面进行切削加工的方法称为 磨削加工，它是零件精密加工的主要方法之一。
磨削特点
磨削的实质是一种多刀多刃的超高速铣削过程
磨削用的砂轮是由许多细小而又极硬的磨粒用结合
剂粘接而成的。将砂轮表面放大，可以看到砂轮表
面上杂乱地布满很多尖棱形多角的颗粒．这些锋利
在正常磨削条件下，Fy／Fz约为2.0～2.5，在磨削深度 很小和砂轮严重磨损时， Fy／Fz可能加大到5～10。 由于Fy对砂轮轴、工件的变形与振动有关，直接影响加 工精度和表面质量，故该力是十分重要的。
(3)磨削力随不同的磨削阶段而变化。
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磨削力及磨削功率的计算公式如下：
磨削力Fz、Fy为 Fz=9.81[CF(Vw·fr·B/v)+μ·Fy Fy =9.81·CF(π/2)(Vw·fr·B/v)·tgα
v——砂轮线速度(m／s)。
3、影响磨削力的因素 1）砂轮速度v：v增大，单位时间内参加切削的磨粒数增 大，每个磨粒的切削厚度减小，磨削力随之减小。
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2）工件速度vw和轴向进给力fa增大时，单位时间内磨去的 金属质量增大，如果其他条件不变，则每个磨粒的切削厚 度增大，磨削力增大。
3）径向进给力fr增大时，不仅每个磨粒的切削厚度将增 大，而且使砂轮与工件的磨削接触弧长增大，同时参加磨 削的磨粒数增多，因而使磨削力增大。
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第七节 磨削精度和表面质量
大多数情况下磨削是最终加工工序，因此直接决定工件 的质量。磨削力造成磨削工艺系统的变形和振动，磨削 热引起工艺系统的热变形ห้องสมุดไป่ตู้两者都影响磨削精度。
磨削表面质量包括表面粗糙度、波纹度、表层材料的残余 应力和热损伤(金相组织变化、烧伤、裂纹)。
一、表面粗糙度：
影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂轮 表面状态(也称砂轮地形图)、切削液、工件材质和机床条 件等。
磨粒的粒度直接影响磨削的表面质量和生产率。一般， 粗磨时磨削余量较大要求较高的磨削效率，为避免过 度发热而引起工件表面烧伤；或者在磨削软而粘的工 件材料时，为了避免砂轮堵塞应选用粒度粗的砂轮。 精磨时，为了能获得表面粗糙度值很小及高的廓形精 度的加工表面，宜选用粒度细的砂轮。
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三、结合剂 结合剂起粘合作用，常用的结合剂的性能及适用范围 见表10—3。
五、磨削表面裂纹
磨削过程中，当形成的残余拉应力超过工件材料的强度 极限时，工件表面就会出现裂纹。
磨削裂纹极浅，呈网状或垂直于磨削方向。有时不在表层， 而存在于表层之下。有时在研磨或使用过程中，由于去除 了表面极薄金属层后，残余应力失去平衡，形成微细裂纹。 这些微小裂纹，在交变载荷作用下，会迅速扩展，并造成 工件的破坏。
四、磨削烧伤：
磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用，使表面金 属显微硬度明显增加，但也会因磨削热的影响，使强化了 的金属发生弱化。例如砂轮钝化或切削液不充分，在磨削 表面的一定深度内就会出现回火软化区，使表面质量下降， 同时在表面出现明显的褐色或黑色斑痕，称为磨削烧伤 30
根据表面颜色，可以推断磨削温度及烧伤程度。如淡黄色 约为400℃～500℃，烧伤深度较浅；紫色为800℃～ 900℃，烧伤层较深。
五、组织
砂轮组织表明磨粒、结合剂与气孔在体积之间的比例关 系。
根据磨粒在砂轮总体积中所占的比例，将砂轮组织分为 紧密、中等、疏松三大级(图10--2)，细分为0～4小级 (表10--5)。组织号越小，磨粒所占比例越大，表明组织 越紧密，气孔越少。反之，组织号越大，表明组织越疏 松，气孔越多。
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二、磨屑形成过程
磨屑形成过程可分为滑擦、刻划和切削三个阶段
(1)滑擦阶段：
磨粒切刃开始与工件接触， 由于磨粒有很大的负前角 和较大的刃口圆弧半径， 切削厚度非常小，只是在 工件表面上滑擦而过，工 件仅产生弹性变形。磨粒 继续前进时，随着挤入深 度增大而与工件间的压力 逐步增大，表面金属由弹 性变形逐步过渡到塑性变 形。
的小磨粒就像铣刀的刀刃一样，在砂轮的高速旋转
下，切入工件表面。如图10—1所示.
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磨削时需使用大量的切削液
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磨削能加工一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬硬 钢、硬质合金、工程陶瓷等，也易于实现自动化
磨削精度高,粗糙度数值小
磨削属于精加工方法，加工精度可达IT5～IT6，加工表 面粗糙度值一般为Ra0.8～0.2μm，镜面磨削时可达 Ra0.04～0.01 μm。
二、表面波纹度：产生表面波纹度的主要原因是工艺
系统的振动。
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三、磨削表面的残余应力：
是由于磨削过程中金属容积发生变化等因素形成的。其中 由于磨削温度的不均匀将形成热应力，一般为拉应力；由 于金属组织的变化将形成相变应力，可能为拉应力或压应 力；由于磨削过程塑性变形的不均衡形成塑变应力，一般 为压应力。磨削表面层残余应力是以上三者的复合。残余 压应力可提高零件疲劳强度和使用寿命。残余拉应力将使 零件表面翘曲，强度下降，形成疲劳破坏。所以磨削过程 应尽量避免形成残余拉应力。
根据条件不同，磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存 在，也可以部分存在 。
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典型磨屑有带状、挤裂状、 球状及灰烬等(图10— 7)．
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第五节 磨削力及磨削功率
尽管单个磨粒切除的材料很少，但一个砂轮表层有大量 磨粒同时工作，而且磨粒的工作角度很不合理，因此总 的磨削力相当大。总磨削力可分解为三个分力： Rz——主磨削力(切向磨削力)； Fy——切深力(径向磨削力)； Fx——进给力(轴向磨削力)。 几种不同类型磨削加工的三向分力如图10—8所示。
在特定的磨削条件下，都有一个最佳磨削力区间，采用该 区间的磨削力加工可获得较高的金属切除率、较小的表面 粗糙度和较长的砂轮寿命，因此发展了在磨削过程中使磨 削力按预定数值保持恒定的控制力磨削技术。
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第六节 磨削热和磨削温度
在磨削过程中，一方面由于砂轮的高速旋转，砂轮与工 件间产生剧烈的外摩擦，另一方面由于磨粒挤压工件表 层，使其发生弹性和塑性变形，在工件材料内部发生剧 烈的内摩擦。内、外摩擦的结果产生了大量的磨削热。 由于砂轮本身传热性很差，磨削区瞬时所产生的大量热 量，短时间来不及传出，所以瞬时形成很高的温度，一 般可达800 ℃～ 1000 ℃ ，甚至可使微粒金属熔化。因 此，工件表面容易产生烧伤现象，淬硬钢在磨削时更易 发生退火，使表面硬度降低。
磨削时使用切削液，不仅可以降低磨削温度，而且可以 冲走细碎的切屑和碎裂或脱落的磨粒，减少砂轮与工件 表面的摩擦，避免工件表面被拉毛，提高工件表面质量 和砂轮耐用度。
磨削钢件时广泛采用的切削液是苏打水或乳化液。磨削 铝件时，建议在煤油中加入少量矿物油作为切削液。磨 削铸铁和青铜时，一般不加切削液，而用吸尘器清除尘 屑。
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第八节 砂轮磨损与耐用度
一、砂轮磨损的形态及恶化形式 砂轮磨损有三种基本形态：磨耗磨损、破碎磨损及脱落磨损 (图10—9)。 (1)磨耗磨损： 磨耗磨损表现为砂轮磨粒上形成磨 损小棱面A，在磨削过程中，由于 工件硬质点的机械摩擦，高温氧化 及扩散等作用均会使磨粒切刃产生 耗损钝化。
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(2)破碎磨损：
式中 Fz 、Fy——分别为切向和径向磨削力(N)； Vw——工件速度(m／s)； v——砂轮速度(m／s)；
fr——径向进给量(mm)； B——磨削宽度(mm)；
α——假设磨粒为圆锥形时的锥顶半角；
μ——工件和砂轮间摩擦系数；
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CF——切除单位体积的切屑所需的能(kgf／mm2)。 2、磨削功率Pm为 Pm = Fz·v/1000kW 式中，Fz——切向磨削力(N)；
六、砂轮形状
常用砂轮的形状、代号及用途见表10--6。
在砂轮的端面上一般都印有标志，例如：
G60YIA6P300X 30X 75，即代表该砂轮的磨料是刚玉， 60#粒度，硬度为硬1，陶瓷结合剂，6号组织，平型砂轮， 外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm。
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七、砂轮的检查、安装、平衡和修整
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第三节 磨削过程机理
一、磨粒切刃的形状 磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的，磨粒 是一个多面体，其每个棱角都可看作是一个切削刃，顶 尖角大致为90°～120°，尖端是半径为几微米至几十微 米的圆弧。经精细修整的磨具其磨粒表面会形成一些微 小的切削刃，称为微刃。磨粒在磨削时有较大的负前角 (见10-5），其平均值为-60°左右
磨粒在磨削过程中，经受反复多次急热急冷，在磨粒表面形 成极大的热应力，最后磨粒沿某面B出现局部破碎。
(3)脱落磨损：
磨削过程中，随磨削温度的上升，结合剂强度相应下降。 当磨削力增大超过结合剂强度时，即沿结合剂(c面)破碎， 整个磨粒从砂轮上脱落，即成脱落磨损。
砂轮磨损的结果，导致磨削性能的恶化，其主要形式 有钝化型、脱落型(外形失真)及堵塞型三种。
由于砂轮在高速旋转下工作，安装前必须经过外观检查， 不允许有裂纹
安装砂轮时，要求将砂轮不松不紧地套在轴上,在砂轮和 法兰盘之间垫上1～2 mm厚的弹性垫板(由皮革或橡胶制 成)，如图10—3所示。
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使砂轮平稳地工作，砂轮必须进行静平衡，如图10—4所 示。砂轮平衡的过程是：将砂轮装在心轴上，放在平衡架 轨道的刀口上。如果不半衡，较重的部分总是转到下面。， 这时可移动法兰盘端面环槽内的平衡铁进行平衡，然后再 进行下一次平衡。这样反复进行，直到砂轮圆周的在任意 位置都能在刃口上静止不动，这就说明砂轮各部分重量均 勺 一般直径大于125 mm的砂轮都要进行静平衡．
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1、磨削力的主要特征如下：
(1)单位磨削力很大。由于磨粒几何形状的随机性和 参数不合理，磨削时的单位磨削力p值很大，根据不同 的磨削用量，p值约在7000～20000kgf／mm2之间， 而其他切削加工的单位切削力p值均在700kgf／mm2 以(下2)。三向分力中切深力Fy值最大，原因同上。
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四、硬度 砂轮的硬度是指磨粒在外力作用下自砂轮表面上脱落的 难易程度。砂轮硬，即表示磨粒难以脱落；砂轮软，表 示磨粒容易脱落。砂轮硬度等级见表10—4。
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应适当选用砂轮的硬度。一般，软材料选用较硬砂轮，硬 材料选用较软砂轮；粗磨采用较软砂轮，精磨采用较硬砂 轮。此外，工件材料太软，或工件与砂轮接触面积大时， 应选用较软砂轮。
对于导热性差的材料在磨削高温的作用下，容易在工件
内部与表层之间产生很大的温度差，致使工件表层产生
磨削应力和应变。有时能使工件表面产生很细的裂纹，
降低表面质量。
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另外，在高温下变软的工件材料，极易堵塞砂轮，不仅影 响砂轮的耐用度，也影响工件表面质量。
为了减少磨削时的高温对加工质量的影响，在磨削过程 中，应采用大量的切削液，以降低磨削温度。