第七章 磨削基础

重压力磨削、成形磨削、 精密磨削
中等类 4、5、6、7 一般情况下的磨削
疏松类
8、9、10、11、 12
接触面较大的磨削、热敏 材料的磨削、薄壁件磨削、 软质材料磨削
6. 形状与尺寸
平形、薄片、筒形、碗形、碟形等。 同一形状有多种规格的尺寸。
§7-2 磨削运动和磨削要素
• 磨削运动 • 磨削要素
fr fr名 fr实<fr名
fr实≈fr名
fr实>0 fr名＝0
粗磨阶段tm1
稳定阶段tm2
光磨阶段tm3
粗磨阶段tm1：fr实<fr名，原因是工艺系统由于磨削力 产生让刀。随着进给次数↑，工艺系统弹性变形↑，变
形抗力↑，实际磨削深度fr实↑。
稳定阶段tm2：fr实≈fr名，当变形抗力和径向磨削分力Fy 相等时，工艺系统的弹性变形量稳定，fr实≈fr名。
钝化的基本形态
砂轮磨损 砂轮堵塞 砂轮失真
1. 砂轮磨损
磨粒的磨耗磨损、磨粒的破 碎磨损、磨粒的脱落磨损。
2. 砂轮的堵塞
边界层切屑与工作磨粒之 间的化学反应
磨粒机械的聚集在工作磨 粒的相邻空间
原有的切屑与被堵塞磨粒 形成的切屑之间发生压焊
3. 砂轮的失真
砂轮失去精度，砂轮仍有切削能力，但也 应列为钝化
§7-4 磨削表面质量
磨削表面粗糙度 磨削表面烧伤 磨削残余应力 磨削裂纹
一. 磨削表面粗糙度
Ra
k
f
a r
vw v
b
fa B
c
K 视磨削条件而异的常数
a,b,c, 指数，根据日本渡边的研究a=0.25, b=0.5, c=038
磨削表面粗糙度公式的讨论
fr↓Ra↓； vw/v↓ Ra↓； fa/B↓ Ra↓； 磨料越细 Ra↓； 砂轮半径↑ Ra↓； 磨粒等高性好 Ra↓； 磨削振动小 Ra↓。
金属切削原理与刀具 Principle of Metal Cutting
and Cutting Tools
第七章
磨削基础
磨削是常用的精加工方法
精度：5－7级，甚至±1微米 表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至
Rz0.01 硬材料的有效加工手段
§7-1 砂轮的特性与选择
常用磨削工具：砂轮、砂布、砂带、 油石等
特点：摩擦力所占比例大；径向 分轴向力分Fy大力F于x。切向分力Fz，Fz大于
材料的塑性越小，Fy/Fz就越大。
2. 磨削的三个阶段
由于磨削时径向分力Fy很大，在磨 削过程中工件在半径方向的变形很 大，同时磨削的深度fr很小，在磨削 过程中fr会发生变化：fr实<fr名；fr实 ≈fr名；fr实>0，fr名＝0三种情况。fr实 实际磨削深度；fr名名义径向进给量
3. 结合剂
结合剂：将磨料粘结成各种形状和尺 寸的砂轮，直接影响砂轮的强度、耐 热性和耐用度。
砂轮强度：砂轮在离心力作用下不被 破坏的能力，用安全速度表示，一般 取30m/s 。
结合剂的选择
种类
主要成分
特点
应用场合
无 机
陶 瓷
黏土、生长石、 化学稳定性好、耐酸碱、磨削厚度大、轴向
滑石、硼玻璃、 耐高温，但脆性大、易 力小、速度小于
Aceq不能反应与砂轮有关的参数，与磨削温度没有 明显的线性关系
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§7-3 磨削原理
砂轮的几何特性 切屑的形成过程 磨削力与磨削过程 磨削热与磨削温度
一. 砂轮的几何特性
1. 砂轮的几何特征
磨粒在砂轮的圆周方向、半 径方向均随机分布；
实际参与磨削的有效切削刃 数量随磨削工艺变化
磨粒形状不规则，以八面菱 形为最多
fa-轴向进给量: fa↑，同一时间磨去的金属 量成比例↑，acgmax↑。
do-砂轮直径; do↑，acgmax↓，磨粒的负荷降 低，工件表面质量改善。
dw-工件直径: dw↓，acgmax↑。
3. 当量磨削厚度
磨粒分布和切削的随机性使得很难以“切 削厚度”的概念为基础来研究磨削过程
CIRP提出以当量磨削厚度的概念作为研究 磨削过程的基本参数
砂轮硬度的选择
磨 工件 削 硬度
工件种类
条 件
高低
有色金属、 橡胶、树脂
淬火 钢
加工接 触面
大小
磨削种类
精磨、 粗 成形磨 磨
砂轮 粒度
细粗
砂
轮 硬
软硬
软
度
硬 软 硬 硬 软 软硬
5. 组织
磨料、结合剂、气孔三者比例关系。 磨料的比例越大，则砂轮越紧密。
砂轮组织选择
组织
组织号
选用
紧密类
0、1、2、3
砂轮磨损三阶段
砂轮磨损三阶段：初期磨损阶段， 突出的磨粒迅速破碎；正常磨损阶 段，砂轮的磨耗磨损；剧烈磨损阶 段，粘结剂破碎
二. 表示砂轮磨损的参数
磨粒棱面百分比GA 砂轮径向磨损量 磨削比G 磨削分力比Fy/Fz
1. 磨粒棱面百分比GA
磨粒棱面百分比GA：磨粒磨损棱面占总工 作面积的百分比
二. 磨削表面的烧伤
在较高的磨削温度影响下，工件表层 金属产生一层氧化膜。表面烧伤使表 面金属的组织破坏，产生表面裂纹， 影响工件寿命。
对于钢材，颜色越深，表明磨削温度 越高，烧伤深度越深。
表面烧伤的产生与防止
烧伤 类型
淬火 烧伤
退火 烧伤
回火 烧伤
产生原因
硬度
温度超过相变温度（720℃）， 急剧冷却，产生硬度更高的 提高 二次淬火马氏体组织
1. 切屑形成过程的三个阶段
划擦阶段磨 粒挤压工件， 产生弹性变 形
刻划阶段磨粒前方 和两侧金属产生塑 性变形而隆起，
切削阶段磨粒前方金属 层的厚度达到临界值， 金属滑移成为切屑。
2. 磨屑的形状
三. 磨削力与磨削过程的三个阶 段
1. 磨削力的特征
产生：工件弹性变形和塑性变形 的阻力；磨粒与切屑、磨粒与工 件之间的摩擦力
当量磨削厚度的概念
单位宽度的砂轮切除的金属量，沿着砂轮 速度方向铺成一条宽度相同，长度为l的假 想金属带，金属带的厚度就是aceq。
单位时间砂轮切除的金属体积Zw
Z
Z
v aw aceq
vw aw ap
aceq
vw v
ap
当量磨削厚度的意义
aceq与磨削力，表面粗糙度和金属去除率有着良好 的线性关系
G
Zw
Z
G↑。
磨耗比 1 Z G Zw
4. 磨削分力比Fy/Fz
磨削分力比Fy/Fz：砂轮正常磨损时， Fy/Fz基本保持不变，砂轮磨钝时，Fy迅速 增大，而Fz基本保持不变，Fy/Fz迅速增大。 测量Fy和Fz的大小，当Fy/Fz达到一定数值 时，砂轮就应该修整了。
三. 砂轮的修整
砂轮耐用度：砂轮相邻两次修整间的磨削 时间，单位min
粗磨fr＝0.01~0.07mm/行程 精磨fr＝0.005~0.02mm/行程
二. 磨削要素
单个磨粒的切削厚度acgmax 当量磨削厚度aceq
1. 单个磨粒切削厚度的计算
2. 单个磨粒切削厚度公式
acg max
2
Vw l V
fr
1 do
1 dw
l-相邻两磨料的圆周距离: l↓（砂轮组织 密），acgmax↓
磨损棱面越多，GA越高。钝化型砂轮的硬 度高，磨粒不易脱落，GA高，自砺性较差； 脱落型砂轮的硬度低，磨粒容易脱落，GA 低，自砺性过分
2. 砂轮径向磨损量NB
砂轮径向磨损量NB：砂轮每转的 径向磨损量
3. 磨削比G
磨削比G：单位时间 切除金属体积与砂轮 磨耗体积之比。
G越大，经济效益越 好。Vw/V↓，G↑；fr↑，
硅石等
碎裂
35m/s
类 金 青铜
强度高、韧性好，但自 金刚石砂轮
属
砺性差
树 酚醛、环氧
脂 有
机
人造橡胶
类橡
胶
弹性好，但化学稳定性 磨狭窄的沟槽、切
差，不耐酸碱，温度不 割磨片、热敏材料
能超过200℃
的磨具
弹性好，但化学稳定性 磨狭窄的沟槽、切
差，不耐酸碱，温度不 割磨片、热敏材料
能超过200℃
的磨具、导轮、抛
砂轮磨料和结合剂烧结而成的多孔体 砂轮的六因素：磨料，粒度，结合剂，
组织，硬度，尺寸
1. 磨料
磨料具备的条件
硬度高、红硬性好； 有一定的强度和韧性； 有锋利的边刃
常用的磨料
系列 氧化物系 碳化物系
超硬磨料
成分
Al2O3 SiC BC
CBN 金刚石
显微硬度(HV) 2000～2300 2800～4500 8000～9000 8000～10000
微裂纹特点：深度极浅；呈网状或 垂直于磨削方向；存在于表层或表 层之下；在交变载荷下，裂纹会迅 速扩展。
避免微裂纹的措施：减小径向进给 量；选用较软的砂轮；及时修正砂 轮；减小工件与砂轮的接触面；有 效的冷却。
§7-5 砂轮的钝化
钝化的基本形态和机理 砂轮磨损的参数 砂轮耐用度 砂轮的修整
一.钝化的基本形态和机理
磨屑 磨削液
磨削热
由于砂轮的导热性差，和工件接触时间短， 磨屑的热容小，磨削液不易进入磨削区， 大部分（ 80％～90％ ）的热量通过工件 传递。
2. 磨削温度的特点
传入工件热量多。 磨削温度高，磨削区温度达到1000～
1400℃ ； 加热速度快，磨粒通过磨削区的时间极
短，加热速度达到1×105 ℃/s
2. 磨粒的特点
刀 尖 角 为 90 ～ 120° ， 负前角；
切削刃为空间曲线， 前刀面为空间曲面， 且形状不规则；
磨粒的切削刃有几个 到几十个微米的圆角；
经过修整，磨粒上会 出现微刃。
二. 切屑的形成过程
磨削的切削厚度很薄，为0.005-0.05mm 过程分为滑擦，刻划，切削三个阶段
光磨阶段tm3：fr实>0，fr名＝0。机床的径向进给停止， fr名＝0，仍然有火花，因为工艺系统弹性恢复，实际 磨削深度逐渐减小，工件的精度↑，表面粗糙度↓。
四. 磨削热与磨削温度
划擦阶段、 刻划阶段、切削阶段消 耗的能量。这些能量绝大部分转化 为热量，产生磨削热
1. 磨削热的传递
砂轮 工件
一. 磨削运动
磨削方法：
外圆磨 内圆磨 平面磨 无心磨
外圆磨示意图
1. 砂轮的旋转运动V
即磨削速度，主运动 v↑, Ra↓，但受砂轮的强度限制，
常用30－35m/s
v do no m / s
1000
2. 工件旋转运动Vw
又称圆周进给运动，即工件速度 vw↑，生产率↑，工件磨削烧伤↓；但
光轮。
4. 硬度
硬度：结合剂对磨料的粘结力。粘结力越 大，磨料越不易脱落，砂轮的硬度越高。
砂轮自砺性：砂轮上磨粒钝化后，磨削力 增大，表层的磨粒自行脱落，里层有锋利 边刃的磨料露出，代替磨钝的磨粒参加磨 削。
砂轮自砺性与砂轮硬度有关:硬度高，磨粒 不易脱落，自砺性差；硬度低，磨粒易脱 落，自砺性好。
的相变为压应力，比容减小的相变为 拉应力） 塑性变形产生的塑变应力——压应力。
磨削残余应力的分布
拉应力
干磨淬火钢 快冷磨淬火钢 理想条件磨削
压应力
距表面 深度
降低磨削残余应力的措施
降低磨削温度及工件表面温 度梯度
选用合理磨削用量 适当增加光磨次数
四. 磨削裂纹
产生原因：工件表面残余拉应力超 过材料的极限强度。
温度超过相变温度（720℃），
冷却缓慢，产生退火组织
降低
温度未超过相变温度 （720℃），但超过马氏体的 转变温度（300℃），产生回 火组织
降低
防止措施
减少磨削热的产 生； 加速磨削热传散； 选用正确的砂轮； 选用合理磨削用 量； 合适的冷却方式。
三. 磨削残余应力的产生
温度不均匀产生的热应力——拉应力 组织变化产生的相变应力（比容增大
2. 粒度
粒度：磨料颗粒的大小， 分12、14、16、20、24、30、36、46、60、70、
80、100、120、150、180、240、280共17级。 数字表示每英寸上的筛眼数，数字越大，表示粒
度越细。 比280号还细的磨料粒度用W表示，如W2.5表示微
粉的尺寸在1.5～2.5微米。
vw过大，振动↑，工件Ra↑。
vw
dw nw 1000
m /
s
3. 轴向进给运动fa
工件转动一圈，工件和砂轮在砂轮轴 线方向的相对移动。
根据砂轮宽度B选择。
粗磨fa＝(0.3~0.85)B 精磨fa＝(0.2~0.3)B
4. 径向进给运动fr
工作台两个行程之间砂轮在半径方向上 的相对位移。
V荷w增-工加件，转砂速轮: 磨Vw损↑，快a。cgmax↑，但磨粒的负
质V-量砂得轮到转改速善: V。w↑，acgmax↓，可使工件表面
B-砂轮宽度: 砂轮宽度↑，同时参与磨削 的磨粒个数成比例↑，acgmax↓ 。
fr-径向进给量: acgmax与fr成正比，fr提高一 倍，acgmax只提高41.4%，所有在刚度允许 的情况下，采用fr↑，fa↓，可以提高生产 率（深磨法）。