《金工实习》第9章磨削加工

第9章磨削加工9.1磨削加工概述磨削就是利用高速旋转的磨具（砂轮、砂带、磨头等）从工件表面切削下细微切屑的加工方法。1.1磨削加工的特点在机械制造业中，磨削加工是对工件进行精密加工的主要方法之一。磨削加工具有以下特点：1）切削速度高磨削加工时，砂轮以1000~3000m/min的高速旋转，由于切削速度很高，产生大量的切削热，工件加工表面温度可达1000℃以上。为防止工件材料在高温下发生性能改变，在磨削时应使用大量的冷却液，降低切削温度，保证加工表面质量。2）多刃、微刃切削磨削用的砂轮是由许多细小的硬度很高的磨粒用结合剂粘结而成，砂轮表面每平方厘米的磨粒数量为60~1400颗，每个磨粒的尖角相当于一个切削刀刃，形成多刃、微刃切削。3）加工精度高，表面质量好由于磨粒体积微小，其切削厚度可以小到几微米，所以磨削加工的精度较高，可达IT6~IT5级，表面质量较好，表面粗糙度Ra值可达0.2～0.8µm。高精度磨削时Ra值可达0.008～0.1µm。4）磨粒硬度高砂轮的磨粒材料通常采用Al2O3、SiC、人造金刚石等硬度极高的材料，因此磨削不仅可以加工碳钢、铸铁和有色金属等常用金属材料，而且可以加工其它切削方法不能加工的各种硬材料，如淬硬钢、硬质合金、超硬材料、宝石、玻璃等。5）磨削不宜加工较软的有色金属一些有色金属由于硬度低而塑性很好，砂轮进行磨削时，磨削会粘在磨粒上而不脱落，很快将磨粒空隙堵塞，使磨削无法进行。1.2磨削加工的范围磨削的加工范围很广，用于粗加工时，主要用于材料的切断、倒角、清除工件的毛刺、铸件上的浇、冒口和飞边等工作，如图9-1所示。用于精加工时，可磨削零件的内外圆柱面、内外圆锥面和平面，还可加工螺纹、齿轮、叶片等成形表面。图9-1磨削加工范围9.2砂轮简介磨外圆磨内圆磨平面磨花键磨螺纹磨齿轮砂轮是磨削加工中最常用的磨具，由许多极硬的磨粒材料经过结合剂粘结而成的多孔体，如图9-2所示。磨料、结合剂和孔隙构成砂轮结构的三要素。磨料起切削作用，结合剂使砂轮具有一定的形状、硬度和强度，孔隙在磨削中起散热和容纳磨屑的作用。图9-2砂轮的结构2.1砂轮的特性砂轮特性包括磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等。1、磨料磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削工作。磨料在磨削过程中承受着强烈的挤压力及高温的作用，所以必须具有很高的硬度，强度、耐热性和相当的韧性。常用的磨料的种类、代号及应用如表9-1所示。表9-1常用的磨料种类、代号、性能及应用磨料名称代号性能应用棕刚玉A硬度较高，韧性较好磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁等白刚玉WA磨削淬硬钢、高速钢等黑色碳化硅C硬度高，韧性差、导热性较好磨削铸铁、黄铜、铝合金等绿色碳化硅GC磨削硬质合金、玻璃、陶瓷等立方氮化硼SD硬度很高磨削高温合金、不锈钢等人造金刚石CBN磨削硬质合金、宝石等2、粒度粒度是指磨料颗粒的大小，即粗细程度。粒度用筛选法分类，以1平方英寸的筛子上的孔眼数来表示，粒度号越大，磨粒越细。直径很小的磨粒称为微粉，微粉用显微测量法测量到的实际尺寸来表示。粒度号标准依照国家标准GB2481.1.1-1998和GB2481.1.2-1998分37个粒度号，F4～F220为粗磨粒，F230~F1200为微粉。为提高磨削加工效率和加工表面质量，应根据实际情况选择合适的粒度号砂轮。在磨削较软材料或粗磨时，应选用粒度号小的粗砂轮，精磨或磨削较硬材料时应选用粒度号大的细砂轮。3、结合剂结合剂将磨粒粘结在一起，并使砂轮具有一定的形状。砂轮的强度、耐热性、耐冲击性及耐腐蚀性等性能都取决于结合剂的性能。常用的结合剂有陶瓷结合剂（代号为V）、树脂结合剂（代号为B）和橡胶结合剂（代号为R）。陶瓷结合剂由于耐热、耐水、耐油、耐酸碱腐蚀，且强度大，应用范围最广。4、硬度砂轮硬度不是指磨料的硬度，而是指结合剂对磨粒粘接的牢固程度。磨粒易脱落，则砂轮的硬度低，不易脱落则砂轮的硬度高。在磨削时，应根据工件材料的特性和加工要求来选择砂轮的硬度。一般情况下磨削较硬材料应选择软砂轮，可使磨钝的磨粒及时脱落，及时露出具有尖锐棱角的新磨粒，有利于切削顺利进行，同时防止磨削温度过高“烧伤”工件。磨削较软材料则采用硬砂轮。精密磨削应采用软砂轮。砂轮硬度代号以英文字母表示，字母顺序越大，砂轮硬度越高。5、组织砂轮的组织表示磨粒、结合剂和气孔三者之间的比例。砂轮的组织号以磨粒所占砂轮体积的百分比来确定。组织号分15级，以阿拉伯数字0～14表示，组织号越大，磨粒所占砂轮体积的百分比越小，砂轮组织越松。一般磨削加工使用中等组织的砂轮，精密磨削应采用紧密组织砂轮，磨削较软的材料应选用疏松组织的砂轮。6、形状与尺寸为了磨削各种形状和尺寸的工件，砂轮可制成各种形状和尺寸。表9-2为常用砂轮的形状、代号。表9-2常用砂轮的形状、代号砂轮名称代号简图主要用途平形砂轮1用于磨外圆、内圆、平面、螺纹及无心磨等双斜边形砂轮4用于磨削齿轮和螺纹薄片砂轮41主要用于切断和开槽等筒形砂轮2用于立轴端面磨杯形砂轮6用于磨平面、内圆及刃磨刀具碗形砂轮11用于导轨磨及刃磨刀具碟形砂轮12a用于磨铣刀、铰刀、拉刀等，大尺寸的用于磨齿轮端面2.2砂轮标记和选用1、砂轮标记通常在砂轮的非工作表面标示砂轮的特性代号，按GB/T2485-1994规定，砂轮标志的顺序为：形状代号、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许的磨削速度。2、砂轮的选用选用砂轮时，应综合考虑工件的形状、材料性质及磨床条件等各种冈素，具体可根据表9-3的推荐加以选择。表9-3砂轮的选用磨削条件粒度硬度组织结合剂磨削条件粒度硬度组织结合剂粗细软硬松紧VBR粗细软硬松紧VBR外圆磨削●●磨削软金属●●●内圆磨削●●磨韧性、延展性大的材料●●●平面磨削●●磨硬脆材料●●无心磨削●●磨削薄壁工件●●●●粗磨、打磨毛刺●●干磨●●精密磨削●●●●●湿磨●●高精密磨削●●●●●成形磨削●●●●超精密磨削●●●●●磨热敏性●●镜面磨削●●●●材料刀具刃磨●●高速磨削●●钢材切断●●●2.3砂轮的安装和修整1、砂轮的检查砂轮安装前必须先进行外观检查和裂纹检查，以防止高速旋转时砂轮破裂导致安全事故。检查裂纹时，可用木槌轻轻敲击砂轮，声音清脆的为没有裂纹的砂轮。2、砂轮的平衡由于砂轮在制造和安装中的多种原因，砂轮的重心与其旋转中心往往不重合，这样会造成砂轮在高速旋转时产生振动，轻则影响加工质量，严重时会导致砂轮破裂和机床损坏。所以砂轮在安装在法兰盘上后必须对砂轮进行静平衡。如图9-3所示，砂轮装在法兰盘上后，将法兰盘套在心轴上，再放在平衡架导轨上。如果不平衡，砂轮较重的部分总是会转到下面，移动法兰盘端面环形槽内的平衡块位置，调整砂轮的重心进行平衡，反复进行，直到砂轮在导轨上任意位置都能静止不动，此时砂轮达到静平衡。安装新砂轮时，砂轮要进行两次静平衡。第一次静平衡后，装上磨床用金刚石笔对砂轮外形进行修整，然后卸下砂轮再进行一次静平衡才能安装使用。图9-3砂轮的平衡3、安装砂轮通常采用法兰盘安装砂轮，两侧的法兰盘直径必须相等，其尺寸一般为砂轮直径的一半。砂轮和法兰之间应垫上0.5～3mm厚的皮革或耐油橡胶弹性垫片，砂轮内孔与法兰盘之间要有适当间隙，以免磨削时主轴受热膨胀而将砂轮胀裂，如图9-4所示。4、修整砂轮工作一段时问后，磨粒会逐渐变钝，磨屑将砂轮表面空隙堵塞，砂轮几何形状也会发生改变，造成磨削质量和生产率都下降。这时需要对砂轮进行修整。修整砂轮通常用金刚石笔进行，利用高硬度的金刚石将砂轮表层的磨料及磨屑清除掉，修出新的磨粒刃口，恢复砂轮的切削能力，并校正砂轮的外形。图9-4砂轮的安装9.3常用磨削机床简介9.3.1磨削机床型号简介磨床有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、齿轮磨床、导轨磨床、无心磨床、工具磨床等多种类型。磨床的编号按照《金属切削机床型号编制方法》（GB/T15375-1994）的规定表示。常用磨床编号如表9-4所示。表9-4常用磨床编号类组系主参数代号名称代号名称代号名称折算系数名称M磨床1外圆磨床4万能外圆磨床1/10最大磨削直径2内圆磨床1内圆磨床基型1/10最大磨削孔径7平面磨床1卧轴矩台平面磨床1/10工作台面宽度例如实习中所用磨床型号为M1432,表示该型机床为万能外圆磨床，最大磨削直径320mm。3.2万能外圆磨床简介3.2.1万能外圆磨床的结构万能外圆磨床可以加工工件的外圆柱面、外圆锥面、内圆柱面、内圆锥面、台阶面和端面。1、外圆磨床主要由以下几部分组成，如图9-5所示。图9-5外圆磨床(1)床身：用来支承机床各部件。内部装有液压传动系统，上部装有工作台和砂轮架等部件；(2)工作台：工作台有两层，下层工作台可沿床身导轨作纵向直线往复运动，上层工作台可相对下层工作台在水平面偏转一定的角度（±8°），以便磨削小锥度的圆锥面。(3)头架：头架安装在上层工作台上，头架内装有主轴，主轴前端可安装卡盘、顶尖、拨盘等附件，用于装夹工件。主轴由单独的电动机经变速机构带动旋转，实现工件的圆周进给运动。(4)砂轮架：砂轮安装在砂轮架主轴上，由单独的电动机通过皮带传动带动砂轮高速旋转，实现切削主运动。砂轮架安装在床身的横向导轨上，可沿导轨作横向进给，还可水平旋转±30°，用来磨削较大锥度的圆锥面。(5)内圆磨头：安装在砂轮架上，其主轴前端可安装内圆砂轮，由单独电机带动旋转，用于磨削内圆表面。内圆磨头可绕其支架旋转，使用时放下，不使用时向上翻起。(6)尾架：安装在上层工作台，用于支承工件。3.2.2万能外圆磨床的磨削加工1、磨削运动磨削加工时，一般有一个主运动和四个进给运动，这四个运动的参数组成磨削用量，如图9-6所示。应根据工件材料的特性、加工要求等因素来选择磨削用量，见表9-5所示。图9-6磨削运动1）主运动砂轮的旋转运动为主运动，砂轮外圆相对于工件表面的瞬时速度称为磨削速度（Vc），即砂轮外圆处的线速度，表达式为：（m/s）d为砂轮的外径(mm)；n为砂轮的转速(r／min)；2）圆周进给运动圆周进给速度指工件绕本身轴线作低速旋转的速度（Vw），即工件外圆处的线速度，由头架提供，其表达式为：（m/s）dw为工件的外径(mm)；nw为工件的转速(r／min)；3）纵向进给运动工作台提供的工件直线运动为纵向进给运动，纵向进给速度（f纵）称为纵向进给量，单位为mm/r。4）横向进给运动砂轮架的横向运动为横向进给运动，横向进给速度（f横）称为横向进给量，单位为mm，即切削深度。表9-5磨削用量的选择（B=砂轮宽度）磨削用量粗磨精磨选择磨削用量原则纵向进给速度（f纵）（0.4~0.8）B（0.2~0.4）B磨细长件时，取大f横；精磨时，f纵取小些；反之取大些。横向进给量（f横）0.01~0.060.0025~0.01磨细长件、硬件、韧性料及精磨时，f横取小些；反之取大些。圆周进给速度0.3~0.50.08~0.3磨细长件、大直径件、硬件、重件、端磨、韧性材料时，用大f横；精磨时，Vw取小些；反之取大些。磨削速度≤352、磨削外圆操作1）工件的装夹磨削加工精度高，因此，工件装夹是否正确、稳固，直接影响工件的加工精度和表面粗糙度。在某些情况下，装夹不正确还会造成事故。通常采用以下四种装夹方法，如图9-7所示。(a)用前、后顶尖装夹：用前、后顶尖顶住工件两端的中心孔，中心孔应加入润滑脂，工件由头架拨盘、拨杆和鸡心夹头（卡箍）带动旋转。此方法安装方便、定位精度高，主要用于安装实心轴类工件。(b)用心轴装夹：磨削套筒类零件时，以内孔为定位基准，将零件套在心轴上，心轴再装夹在磨床的前、后顶尖上。(c)用三爪卡盘或四爪卡盘装夹：对于端面上不能打中心孔的短工件，可用三爪卡盘或四爪卡盘装夹。四爪卡盘特别适于夹持表面不规则工件，但校正定位较费时。(d)用卡盘和顶尖装夹：当工件较长，一端能打中心孔，一端不能打中心孔时，可一端用卡盘，一端用顶尖装夹工件。图9-7工件装夹方法2）调整机床根据工件材料的特性、加工要求等因素来选择合适的磨削用量，调整头架主轴转速，调整工作台直线运动速度和行程长度，调整砂轮架进给量。3）磨削外圆