第九章磨削与砂轮(讲稿)

第九章磨削与砂轮课时安排：4学时教学课型：理论课□√实验课□习题课□实践课□教学目的：通过本章的学习，要求学生掌握砂轮特性（砂轮组成要素以及砂轮的类型）并能够根据具体生产情况正确选择砂轮，掌握磨削力和温度的影响因素及掌握磨削运动的组成及磨削特性其控制措施，了解先进的磨削方法。教学的重点难点：重点：根据具体的加工工艺和材料会选用砂轮的类型、磨削特性难点：根据具体的加工工艺和材料会选用砂轮的类型教学方式、手段、媒介：讲授为主，采用多媒体辅助教学。主要的内容1、磨削运动2、砂轮3、磨削过程4、磨削质量5、先进磨削方法第九章磨削与砂轮引言：磨削加工是一种历史悠久的加工方法，同时又是一种最有发展前途的加工方法。因为它既能加工普通材料又能加工超硬材料，既能作粗加工又能作精加工及超精加工，可加工外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨和成形面等各种表面。目前磨削加工精度可达IT4～IT7，表面粗糙度为1.25μm～0.01μm，磨削加工对毛坯余量要求很小，磨削尤其适合于加工难以切削的超硬材料(如淬火钢)。磨削的用途非常广泛。此外，磨削加工生产效率高，容易实现生产过程自动化。因此磨削加工在机械制造工业中的地位日显重要。本章主要介绍砂轮特性和形貌图、磨削运动和要素、磨削力和温度的影响因素及其控制，并简介了先进的磨削方法。磨削加工的基本规律，重点分析砂粒的切削厚度及磨削表面质量。§9-1砂轮砂轮是磨削加工中最常用的工具。它是由结合剂将磨料颗粒黏结而成的多孔体。掌握砂轮的特性，合理选择砂轮，是提高磨削质量和磨削效率、控制磨削加工成本的重要措施。一、砂轮的组成要素1、磨料磨料即砂轮中的硬质颗粒。磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。一般天然磨料含杂质多，质地不匀，天然金刚石虽好，但价格昂贵。所以目前主要采用人造磨料。常用人造磨料可分为氧化物系、碳化物系和超硬磨料系三大类。氧化物系主要成分为Al2O3；碳化物系主要以碳化硅、碳化硼为基体，根据其纯度或添加的金属元素不同又可分为不同品种；超硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼。各种常用磨料的名称、代号、性能和用途见下表。2、粒度粒度表示磨料颗粒的大小。粒度有两种表示方法。旧的表示方法是沿用英制单位，按大小把磨粒分为一般磨粒和微细磨粒两大类。一般磨粒(制砂轮用)用筛分法来确定粒度号，粒度号就是磨粒刚好可通过的筛网每英寸(25.4mm)长度的孔眼数。单位为“目”。如40#的磨粒，表示粒度为40目的磨粒。所用的粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小。有时还用45/50表示，意思是所筛选的磨粒能通过45目的筛网，通不过50目的筛网。微细磨粒(又称微粉，供研磨用)的磨粒尺寸小于63μm，其粒度号的表示是在显微镜下测得的该颗粒最大尺寸的微米数前加W，如W10，W7等。数值越大，微粉颗粒尺寸越大。我国在新标准中采用米制单位，磨粒的大小统一以磨粒最大尺寸方向上的尺寸来表示。粒度对磨削生产率和加工表面粗糙度影响很大。一般来说，粗磨用粗粒度，精磨用细粒度。当工件材料软、塑性和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮，采用粗粒度。3、结合剂结合剂的作用是将磨粒黏合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度。结合剂的性能对砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性及耐热性有突出的影响，并对磨削表面质量有一定影响。结合剂有以下4种。(1)陶瓷(V)。耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，是最常用的结合剂。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受侧面弯扭力，宜用于切断砂轮。(2)树脂(B)。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。(3)橡胶(R)。比树脂有更好的弹性和硬度，可制造0.1mm的薄砂轮，用于切断、开槽、无心磨的导轮。(4)金属(M)。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、陶瓷和半导体等材料。4、硬度砂轮的硬度是指在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。也反映磨粒与结合剂的黏固程度。砂轮硬，磨粒较难脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。所以砂轮硬度主要由结合剂的强度决定，与磨粒本身硬度无关。砂轮硬度对磨削质量和生产率有很大影响。选用砂轮时，砂轮硬度选择要得当，若砂轮选得太硬，会使磨钝了的磨粒不能及时脱落，因而产生大量磨削热，造成工件烧伤；若选得太软，会使磨料脱落得太快而不能充分发挥其切削作用。在磨削过程中，当磨粒钝化后能及时从基体上自行脱落，露出新的锋利的磨粒担负切削工作，使磨削过程正常进行。这样，不但砂轮磨耗小，而且切削效率高，加工表面质量好。5、组织砂轮的组织是指磨粒在砂轮中占有体积的百分数(即磨粒率)。它反映了磨粒、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的比例大，气孔小，即组织号小，则砂轮的组织紧密；反之，磨粒的比例小，气孔大，即组织号大，则组织疏松。根据磨粒在砂轮中占有的体积分数(称磨料率)，砂轮的组织可分为紧密、中等、疏松三大类，组织号细分为0～14，其中0～3号属紧密类；4～7号属中等类；8～14号属疏松类。砂轮上未标出组织号时，即为中等组织。紧密类砂轮，气孔率小，使砂轮变硬，容屑空间小，容易被磨屑堵塞，磨削效率较低。但可承受较大的磨削压力，砂轮廓形可保持较久，故适用于在重压力下磨削(如手工磨削以及精磨、成形磨削等)。中等组织的砂轮适用于一般磨削。疏松类砂轮，磨粒占的比例越小，气孔越大，砂轮越不易被切屑堵塞，切削液和空气也易进入磨削区，使磨削区温度降低，工件因发热而引起的变形和烧伤减小，但疏松类砂轮易失去正确廓形，降低成形表面的磨削精度，增大表面粗糙度。故适用于粗磨、平面磨、内圆磨等磨削接触面积较大的工件，以及磨削热敏感性较强的材料、软金属和薄壁工件。二、砂轮的形状、尺寸根据不同的用途，按照磨床类型、磨削方式以及工件的形状和尺寸等，将砂轮制成不同的形状和尺寸，并已标准化常用形状有平形(P)、碗形(BW)、碟形(D)等，砂轮的端面上一般都有标志。在生产中，为便于对砂轮进行管理和选用，通常将砂轮的形状、尺寸和特性标注在砂轮端面上，其顺序为形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和允许的最高工作圆周线速度。其中尺寸一般指外径×厚度×内径。例如，砂轮P300×30×75WA60L6V35，即代表该砂轮是平形，外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm，白刚玉磨料，60号粒度，中软，6号组织，陶瓷结合剂，最高线速度为35mm/s三、砂轮的检查、安装、平衡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1～2mm厚的弹性垫板(由皮革或橡胶制成)，如图为使砂轮平稳地工作，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，放在平衡架轨道的刃口上。如果不平衡，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匀，一般直径大于125mm的砂轮都要进行静平衡．§9-2磨削过程及基本规律从本质上讲，磨削也是一种切削。砂轮表面上的每个磨粒——突出的磨粒尖棱可以认为是微小的切削刃。因此，砂轮可以看作是具有极多微小刀齿的铣刀，这些刀齿随机地排列在砂轮表面上，它们的几何形状和切削角度有着很大差异，各自的工作情况相差甚远。磨削时，比较锋利且比较凸出的磨粒，可以获得较大的切削厚度，从而切下切屑；不太凸出或磨钝的磨粒，只是在工件表面上刻划出很小的沟痕，工件材料则被挤向磨粒两旁，在沟痕两边形成隆起，如图5.4所示。比较凹下的磨粒，既不切削也不刻划工件，只是从工件表面滑擦而过。磨削过程中，磨粒在高速、高压和高温的作用下，将逐渐磨损而变得圆钝。圆钝的磨粒，切削能力下降，作用于磨粒上的力不断增大。当此力超过磨粒强度极限时，磨粒就会破碎，产生新的较锋利的棱角，代替旧的磨粒进行磨削；若此力超过砂轮结合剂的黏结力时，磨粒就会从砂轮表面脱落，露出一层新鲜锋利的磨粒，继续进行磨削。砂轮的这种自行推陈出新、以保持自身锋锐的性能，称为“自锐性”。砂轮本身虽有自锐性，但是，由于切屑和碎磨粒会把砂轮堵塞，使它失去切削能力；而且磨粒随机脱落的不均匀性，还会使砂轮失去外形精度，所以，为了恢复砂轮的切削能力和外形精度，在磨削一定时间后，仍需对砂轮进行修整。一、磨削特点磨削加工有如下特点：1、精度高、表面粗糙度小。磨削时，砂轮表面有很多的切削刃，并且刃口圆弧半径rβ较小，例如粒度为40#的白刚玉磨粒，rβ≈0.006mm～0.012mm。而一般车刀和铣刀的rβ≈0.012mm～0.032mm。磨粒上较锋利的切削刃，能够切下一层很薄的金属，切削厚度可以小到数微米，这是精密加工必须具备的条件之一。一般切削刀具的刃口圆弧半径虽也可磨得很小，但不耐用，不能或难以进行经济的稳定的精密加工。磨削所用的磨床，比一般切削加工机床精度高，刚性及稳定性较好，并且具有小切削深度的微量进给机构，可以进行微量切削，从而保证了精密加工的实现。磨削可以达到高的精度和小的粗糙度。一般磨削精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra为0.2μm～0.8μm，当采用小粗糙度磨削时，粗糙度Ra为0.008μm～0.1μm。2、砂轮有自锐作用。磨削过程中，砂轮的自锐作用是其他切削刀具所没有的。一般刀具的切削刃，如果磨钝或损坏，则切削不能继续进行，必须换刀或重磨。而砂轮由于本身的自锐性，使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削，在实际生产中，有时就利用这一原理，进行强力连续磨削，以提高磨削加工的生产效率。3、磨削温度高。磨削时的切削速度为一般切削加工的10～20倍。在这样高的切削速度下，加上磨粒多为负前角切削，挤压和摩擦较严重，消耗功率大，产生的切削热多。又因为砂轮本身的传热性很差，大量的磨削热在短时间内传散不出去，在磨削区将形成瞬时高温，有时高达800℃～1000℃。4、径向分力Fn较大。二、磨削运动生产中常用的外圆、内圆和平面磨削，一般具有四个运动。1．主运动砂轮旋转运动为主运动。砂轮旋转外圆的线速度即主运动速度υc。v=πdn/1000(m/s)d0——砂轮直径(mm)；n——砂轮转速(r/s)。2．进给运动磨削的进给运动一般有圆周进给、径向进给及轴向进给三种。(1)圆周(直线)进给运动工件的旋转运动或工作台的往复直线运动。外圆磨削υW=πdWn／1000(m／min)平面磨削υW=2ln／1000(m／min)(2)径向进给运动砂轮切入工件的运动，砂轮相对于工件径向的运动，其大小用径向进给量fr表示。指工作台每单行程或双行程切人工件的深度(单位为mm／单行程或mm／双行程)。(3)轴向进给运动工件相对于砂轮的轴向运动，其大小用轴向进给量用fa表示，指工件每转一转或工作台每一次行程，工件相对于砂轮的轴向移动距离(单位为mm／r或mm／单行程)。一般情况下fa=(0.2～0.8)B，B为砂轮宽度，单位为mm；fa的单位圆磨为mm/r，平磨为mm/st三、磨削过程1.磨屑的形成过程磨削时，工件表面被砂轮滑擦、刻划以及将砂轮表面比较锋利且凸出的磨粒切削形成磨屑，其切削过程大致可分为三个阶段。在第一阶段，磨粒从工件表面滑擦而过，只有弹性变形而无切屑。第二阶段，磨粒切入工件表层，刻划出沟痕并形成隆起。第三阶段，切削厚度增大到某一临界值，切下切屑。此时一个完整的切削过程才告完成。从上述分析可知，砂轮的磨削过程，实际上就是滑擦、刻划和切削三种作用的综合。在磨屑的形成过程中，因为强烈的滑擦、刻划、挤压，而产生很高的摩擦速度并产生很高的温度。又由于切削厚度小，使磨屑尺寸细小而形状各异。有带状切屑、节状切屑和一些熔化后烧尽了的切屑灰烬。另外，由于各磨粒的工作情况不同，所以磨削时除了产生正常的切屑外，还产生金属微尘等。磨削时看到的火花，是切屑离开工件后氧化和燃烧所产生的现象。2.磨削阶段在磨削过程中，由于法向力与切向力的比值Fn/Ft(见图5.10)较大，机床、工件和夹具系统