第三章精密切与超精密磨料加工

第三章精密与超精密磨料加工金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。精密和超精密磨料加工可分为固结磨料和游离磨料两大类，如图所示。【固结磨料加工：将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。游离磨料加工：磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。固结磨具：用磨料(磨削材料)与结合剂制成的具有一定形状和一定磨削能力的工具.涂覆磨具：是将磨料用粘接剂均匀地涂敷在纸、布、化纤或其他复合材料等基底上的磨具。】磨削是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。砂轮的高速转动是主运动，进给运动由工件和砂轮的直线运动来完成，磨削时需要使用大量的切削液。【磨削的类型：平面磨削：零件上各种位置的平面，如互相平行的平面、互相垂直的平面和倾斜成一定角度的平面（机床导轨面、V形面等），都可用磨削进行加工。磨削后平面的表面粗糙度的Ra值在0.2～0.8之间，尺寸可达IT5～IT6，对基面的平行度可达0.005～0．01mm／500mm。周边磨削特点是砂轮与工件接触面小，磨削力小，排屑和冷却条件好，工件的热变形小，而且砂轮磨损均匀，所以工件的加工精度高。但是砂轮主轴悬臂工作，限制了磨削用量的选择，生产率较低。端面磨削特点是砂轮与工件接触面大，主轴轴向受力，刚性较好，所以允许采用较大的磨削用量，生产率较高。但是端面磨削磨削力大，发热量大，排屑和冷却条件较差，工件的热变形较大，而且砂轮磨损不均匀，所以工件的加工精度较低。外圆磨削：主要在外圆磨床上进行，用以磨削轴类工件的外圆柱、外圆锥和轴肩端面，通常作为半精车后的精加工。1、纵磨法磨削时，工件作圆周进给运动，同时随工作台作纵向进给运动，使砂轮能磨出全部表面。每一纵向行程或往复行程结束后，砂轮作一次横向进给，把磨削余量逐渐磨去。可以磨削很长的表面，磨削质量好。特别在单件、小批生产以及精磨时，一般都采用纵磨法。2、横磨法（切入磨法）采用横磨法，工件无纵向进给运动。采用一个比需要磨削的表面还要宽一些（或与磨削表面一样宽）的砂轮以很慢的送给速度向工件横向进给，直到磨掉全部加工余量。横磨法主要用于磨削长度较短的外圆表面以及两边都有台阶的轴径。3、深磨法特点是全部磨削余量（直径上一般为0.2～0.6mm）在一次纵走刀中磨去。磨削时工件圆周进给速度和纵向送给速度都很慢，砂轮前端修整成阶梯形或锥形。深磨法的生产率约比纵磨法高一倍，能达到IT6级，表面粗糙度的Ra值在0.4～0.8之间。但修整砂轮较复杂，只适于大批、大量生产，磨削允许砂轮越出被加工面两端较大距离的工件。4、无心外圆磨削法工件放在磨削砂轮和导轮之间，下方有一托板。磨削砂轮（也称为工作砂轮）旋转起切削作用，导轮是磨粒极细的橡胶结合剂砂轮。工件与导轮之间的摩擦力较大，从而使工件以接近于导轮的线速度回转。无心外圆磨削在无心外圆磨床上进行。无心外圆磨床生产率很高，但调整复杂；不能校正套类零件孔与外圆的同轴度误差；不能磨削具有较长轴向沟槽的零件，以防外圆产生较大的圆度误差。因此，无心外圆磨削多用于细长光轴、轴销和小套等零件的大批、大量生产。内圆磨削:内圆磨削除了在普通内圆磨床或万能外圆磨床上进行外，对大型薄壁零件，还可采用无心内圆磨削；对重量大、形状不对称的零件，可采用行星式内圆磨削，此时工件外圆应先经过精加工。内圆磨削由于砂轮轴刚性差，一般都采用纵磨法。只有孔径较大，磨削长度较短的特殊情况下，内圆磨削才采用横磨法。与磨外圆磨削相比，内圆磨削有以下一些特点：(1)磨内圆时，受工件孔径的限制，只能采用较小直径的砂轮。内圆磨削砂轮需要经常修整和更换，同时也降低了生产率。(2)砂轮线速度低，工件表面就磨不光，而且限制了进给量，使磨削生产率降低。(3)内圆磨削时砂轮轴细而长，刚性很差，容易振动。因此只能采用很小的切入量，既降低了生产率，也使磨出孔的质量不高。(4)内圆磨削砂轮与工件接触面积大，发热多，而切削液又很难直接浇注到磨削区域，故磨削温度高。（5）内圆磨削的条件比外圆磨削差，所以磨削用量要选得小些，另外应该选用较软的、粒度号小的、组织较疏松的砂轮，并注意改进操作方法。无心磨削:一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。磨削时，工件不用顶尖定心和支承，而是放在砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交1°～6°时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，这称为贯穿磨削。贯穿磨削只能用于磨削外圆柱面。采用切入式无心磨削时，须把导轮轴线与砂轮轴线调整成互相平行，使工件支承在托板上不作轴向移动，砂轮相对导轮连续作横向进给。切入式无心磨削可加工成形面。无心磨削也可用于内圆磨削，加工时工件外圆支承在滚轮或支承块上定心，并用偏心电磁吸力环带动工件旋转，砂轮伸入孔内进行磨削，此时外圆作为定位基准，可保证内圆与外圆同心。无心内圆磨削常用于在轴承环专用磨床上磨削轴承环内沟道。】砂轮是由磨料加结合剂用烧结的方法而制成的多孔物体。其中磨料承担切削任务，具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和韧性，并有较锋利的棱角；结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度；气孔:结合剂没有填满磨料之间的全部空间，因而有气孔存在。【砂轮种类繁多。按所用磨料可分为普通磨料（刚玉和碳化硅等）砂轮和天然磨料和超硬磨料（金刚石和立方氮化硼砂轮等）砂轮；按形状可分为平形砂轮、斜边砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮等；按结合剂可分为陶瓷砂轮、树脂砂轮、橡胶砂轮、金属砂轮等。砂轮的特性参数主要有磨料、粘度、硬度、结合剂、形状、尺寸等。】【磨削的特点：1）砂轮是由磨料和结合剂结合而成的特殊多刃磨具，砂轮表面每平方厘米上约有60～1400颗磨料，每颗磨粒相当于一个刀齿。不但可磨削铜等软材料，还可加工淬火钢、硬质合金等硬材料以及超硬材料。2）砂轮线速度一般35m/s左右，磨削时除了对工件表面有切削作用外，还有强烈的挤压和摩擦作用，在磨削区瞬时温度高达1000℃以上。3）砂轮经修正，可形成极细微的刃口以切除工件表面极薄的金属层。4）磨削加工能获得极高的加工精度和极细的表面粗糙度，磨削通常可达到Ra1.25～0.16µm，镜面磨削粗糙度Ra0.01µm光滑表面。5）砂轮在磨削时，部分磨钝的磨粒在一定条件下能自动脱落或崩碎，从而使砂轮保持良好的磨削性能。】第一节精密磨削精密磨削是指加工精度为1～0.1µm、表面粗糙度达到Ra0.2～0.01µm的磨削方法，表面粗糙度达到0.01µm以下，表面光泽如镜的磨削方法，称为镜面磨削。一、精密磨削机理⑴微刃的微切削作用在精密磨削中，通过较小的修整导程和修整深度来精细地修整砂轮，使磨粒具有较好的微刃性（即磨粒产生微细的破碎，而且形成细而多的切削刃）。这种砂轮磨削时，同时参加切削的刃口增多，深度减小，微刃的微切削作用形成了小粗糙度值的表面。⑵微刃的等高切削作用微刃是由砂轮的精细修整形成的，分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多，等高性好（即细而多的切削刃具有平坦的表面），使得加工表面的残留高度极小，因而形成了小的表面粗糙度值。⑶微刃的滑挤、摩擦、抛光作用砂轮修整后出现的微刃切削开始比较锐利，切削作用强，随着磨削时间的增加微刃逐渐钝化，同时等高性得到改善。这时切削作用减弱，滑擦、挤压、抛光作用增强。磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度值。在同样的磨削压力下，单个微刃受的比压小，刻划深度小。二、磨削用量三、精密磨削砂轮影响砂轮性能的因素主要是砂轮的磨料、砂轮的粒度和砂轮的结合剂。1、砂轮磨料【砂轮磨料:有天然磨料、人造磨料两种。天然磨料由于价格昂贵、含杂质多、性质不均匀，因此，主要用人造磨料做砂轮。生产中使用的磨料有氧化物（刚玉类）系、碳化物系和超硬磨料。氧化物系（刚玉类）磨料：比碳化物系磨料强度、韧性好，但硬度差。因此，用于磨削各种钢类工件；碳化物系磨料：用于磨削铸铁类、黄铜、软青铜、铝及硬质合金等硬脆工件。金刚石是最硬的磨料，适于加工硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬质材料。但不宜加工铁族金属，因为它与Fe在高温下化学稳定性差，易磨损。立方氮化硼（CBN）硬度仅次于金刚石，但抗热冲击性、抗弯强度比金刚石好得多，可用于磨削高硬度高强度钢等材料。立方氮化硼易与水反应，生成氨和硼酸，故在磨削时不易用含水的磨削液】精密磨削所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则。磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好，因为刚玉磨料韧性较高，能保持微刃性和等高性。在刚玉磨料中，单晶刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。而碳化硅磨料韧性差，颗粒呈针片状，修整时难以形成等高性好的微刃，磨削时，微刃易产生细微碎裂，不易保持微刃性和等高性，主要应用于有色金属加工。2、砂轮粒度【粒度：粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类。对于颗粒尺寸大于40μm的磨料，称为磨粒。用筛选法分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度内的孔眼数来表示。如60#的磨粒表示其大小刚好能通过每英寸长度上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40μm的磨料，称为微粉。用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号，其W后的数值代表微粉最大尺寸。如W20表示微粉的磨粒的直径在20～14um。磨粒粒度号越大越细，微粉粒度号越小越细。加工表面粗糙度值越大→选用越粗的磨料；加工表面粗糙度值越小→选用越细的磨料；砂轮速度高或与工件接触面大时用粗磨料；磨软材料用粗磨料，磨硬材料用细磨料】砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。粗粒度砂轮经过精细修整形成微刃，以微切削作用为主；细粒度砂轮经过精细修整形成半钝态微刃，与工件表面的摩擦抛光作用比较显著，可得到质量更高的加工表面和砂轮耐用度。3、砂轮结合剂将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。有树脂结合剂（强度高、弹性好，很适用于切断、开槽等高速磨削。但其耐热性、耐蚀性差、气孔率小，易糊塞、磨损快、易失去廓形。用于磨窄槽,切断用砂轮,高速砂轮,镜面磨砂轮）、陶瓷结合剂（耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，最常用。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受侧面弯扭力，有宜用于切断砂轮。除薄片砂轮外,能制成各种砂轮）和金属结合剂（抗张力强度高，型面保持性好，有一定韧性，但自锐性差，主要用于制造金刚石砂轮，粗、精磨硬质合金，以及磨削与切断光学玻璃、宝石、陶瓷、半导体等材料。）三种，以树脂类应用广泛。对粗粒度砂轮，可用陶瓷结合剂。金属类、陶瓷类结合剂是目前超精密加工领域中研究的重要方面。四、精密磨削中的砂轮修整砂轮使用一段时间后会出现磨损，使磨削温度升高，磨削力增大，甚至引起振动，产生噪音，加工质量恶化等。为此，对砂轮应及时进行修整。砂轮耐用度：砂轮相邻两次修整间的磨削时间，用T表示。对于精加工，也可用相邻两次修整间磨削加工工件数作为砂轮耐用度。砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等。砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为10～15mm/min，修整深度为2.5μm/单行程；修整导程（纵向进给）和修整深度越小，工件表面粗糙度值越低。但修整导程过小，容易烧伤工件，产生螺旋形等缺陷。修整深度一般为0.05mm即可恢复砂轮的切削性能。精修次数2～3次，光修次数1次单行程。光修为无修整深度修整，一般为1次单行程，主要是为了去除砂轮表面个别突出微刃，使砂轮表面更加平整。五、超精密磨削超精密磨削是指加工精度在0.1µm以下，表面粗糙度在Ra0.025µm以下的砂轮磨削方法。这时磨粒去除切屑极薄，磨粒将承受很高的应力，其切削刃表面受到高温高压作用。对于普通材料的磨粒，在这种高剪