教学单元8 磨削与砂轮

教学单元8磨削与砂轮8.1任务引入8.2相关知识8.3任务实施8.1任务引入如图5-1所示的阶梯轴和图7-1所示的车床主轴箱，请仔细分析零件的表面粗糙度要求，零件的哪些表面需要磨削，砂轮的结构类型和参数该如何选择?返回8.2相关知识磨削加工是用磨料磨具(如砂轮、砂带、油石、研磨剂等)为工具在磨床上进行切削的一种加工方法，常用于精加工和超精加工，也可用于荒加工和粗加工等。磨削加工生产效率高，应用范围很广，可加工外圆、内圆、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨和成形面，还可刃磨刀具和切断等。不仅能加工一般材料，如钢、铸铁等，还可加工一般刀具难以加工的材料，如淬火钢、硬质合金钢、陶瓷、玻璃及石材等。其加工精度可达IT6~IT4，表面粗糙度可达Ra0.8~0.02μm8.2.1磨削方法磨削过程就是砂轮表面上的磨粒对工件表面的切削、划沟和滑擦的综合作用过程。砂轮表面上的磨粒在高速、高温与高压下，逐渐磨损而钝化。下一页返回8.2相关知识钝化磨粒的切削能力急剧下降，如果继续磨削，作用在磨粒上的切削力将不断增大。当此力超过磨粒的极限强度时，磨粒就会破碎，形成新的锋利棱角进行磨削。当此力超过砂轮结合剂的钻结强度时，钝化磨粒就会自行脱落，使砂轮表面露出一层新鲜锋利的磨粒，从而使磨削加工能够继续进行。一、外圆磨削外圆磨削可以在普通外圆磨床或万能外圆磨床上进行，也可在无心磨床上进行，通常作为半精车后的精加工。外圆磨削的方法一般有四种:纵磨法、横磨法、深磨法和无心外圆磨法。上一页下一页返回8.2相关知识1.纵磨法磨削时，工件做圆周进给运动，同时随工作台做纵向进给运动，使砂轮能磨出全部表面。每一纵向行程或往复行程结束后，砂轮做一次横向进给，把磨削余量逐渐磨去(图8-1)采用纵磨法，砂轮全宽上各处磨粒的工作情况是不同的。处于纵向进给方向前部的磨粒，担负主要的切削工作;而后部的磨粒，主要起磨光作用。由于没有充分发挥后面部分磨粒的切削能力，所以磨削效率较低。但由于后面部分磨粒的磨光作用，工件上残留面积大大减少，表面粗糙度较小。为了保证工件两端的加工精度，砂轮应越出工件磨削面1/3~1/2的砂轮宽度。上一页下一页返回8.2相关知识另外，纵磨时磨削深度小，磨削力小，散热条件好，磨削温度低，而且精磨到最后可作几次无横向进给的光磨，能逐步消除由于机床、工件、夹具弹性变形而产生的误差，所以磨削精度较高。纵磨法是常见的一种磨削方法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，一般都采用这种方法。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(图8-2)上一页下一页返回8.2相关知识采用横磨法，砂轮全宽上各处磨粒的切削能力都能充分发挥，磨削效率较高。但因工件相对砂轮无纵向运动，相当于成形磨削，当砂轮因修整不好、磨损不均、外形不正确时，砂轮的形状误差直接影响到工件的形状精度。另外，因砂轮与工件的接触宽度大，因而磨削力大、磨削温度高。所以，工件刚性一定要好，而且要勤修整砂轮和供给充分的切削液。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这种磨削法的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。上一页下一页返回8.2相关知识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(图8-(3a))或锥形(图8-(3b))。修整砂轮时，最大直径的外圆要修整得很精细，因为它起精磨作用;其他阶梯修整得粗糙些，第一台阶深度应大于第二台阶。这样，相当于把整个余量分配给粗磨、半精磨与精磨。深磨法的生产率约比纵磨法高一倍，能达到IT6级公差等级，表面粗糙度的Ra值在0.4~0.8μm。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无心外圆磨的加工原理如图8-4所示。工件放在磨削砂轮和导轮之间，下方有一托板。上一页下一页返回8.2相关知识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。为了使工件定位稳定，并与导轮有足够的摩擦力矩，必须把导轮与工件接触部位修整成直线。因此，导轮圆周表面为双曲线回转面。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成批、大量生产。二、内圆磨削内圆磨削除了在普通内圆磨床(图8-5)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(图8-6);上一页下一页返回8.2相关知识对重量大、形状不对称的零件，可采用行星式内圆磨削(图8-7)，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。如果砂轮线速度一样的话，内圆磨的砂轮转速要比外圆磨的提高10-20倍，即砂轮上每一磨粒在单位时间内参加切削的次数要多10-20倍，所以砂轮很容易变钝。另外，由于磨屑排除比较困难，磨屑常聚积在孔中容易堵塞砂轮。所以内圆磨削砂轮需要经常修整和更换，同时也降低了生产率。上一页下一页返回8.2相关知识(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。(2)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。综上所述，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。上一页下一页返回8.2相关知识三、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(图8-8)。磨削后平面的表面粗糙度的Ra值在0.2~0.8μm，尺寸可达IT5~IT6，对基面的平行度可达0.005~0.01mm/500mm图8-8(a)是周边磨削，其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。上一页下一页返回8.2相关知识图8-8(b)是端面磨削，其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。8.2.2磨削用量生产中常用的有外圆、内圆和平面磨削，现以外圆磨削(图8-9)为例进行分析:1.主运动砂轮旋转运动是主运动。砂轮旋转的线速度为磨削速度认(单位为m/s)。一般vc为25~35m/s上一页下一页返回8.2相关知识2.进给运动磨削时的进给运动一般有圆周进给、轴向进给及径向进给三种。(1)圆周进给运动即工件的旋转运动。用进给速度vw表示(单位为m/min)。粗磨时vw为20~30mm/min;精磨时为20~60mm/min(2)轴向进给运动即工件相对于砂轮的轴向运动。用进给量fa表示。fa指工件每转一转，工件相对于砂轮的轴向移动量(单位为mm/r)。粗磨时fa为(0.3~0.7)B;精磨时为(0.3~0.4)B(B为砂轮宽度，单位为mm)(3)径向进给运动即砂轮切入工件的运动。用进给量fr表示。fr指工作台每单行程或双行程，砂轮切入工件的深度(磨削深度)(单位为mm/单行程或mm/双行程)。上一页下一页返回8.2相关知识粗磨时fr为0.015~0.05mm/单行程或0.015~0.05mm/双行程:精磨时(0.005~0.01mm/单行程或0.005~0.01mm/双行程。8.2.3砂轮结构与选择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钻结而成的多孔体。磨料起切削作用，结合剂把磨料结合起来，经压坯、干燥、焙烧，使之具有一定的形状和硬度。结合剂并末填满磨料之间的全部空间，因而有气孔存在，如图8-10所示。上一页下一页返回8.2相关知识一、砂轮的组成要素磨料、结合剂、气孔构成了砂轮的组成三要素。砂轮的特性由磨料的种类、磨料颗粒的大小、结合剂的种类、砂轮的硬度和砂轮的组织这五个基本参数所决定。1.磨料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，目前主要使用人造磨料。常用的磨料有氧化物系、碳化物系、超硬磨料系。各种磨料的特性及适用范围见表8-1上一页下一页返回8.2相关知识2.粒度粒度是指磨料颗粒的大小。粒度有两种表示方法。旧的表示方法是沿用英制单位，按大小把粒度分为磨粒(颗粒尺寸大于40μm)和微粉(颗粒尺寸小于40μm)两大类。磨粒(制砂轮用)用筛选法分类，它的粒度号以筛网上每英寸长度内的孔眼数来表示。例如60#粒度的磨粒，说明能通过每英寸60个孔眼的筛网，而每英寸70个孔眼的筛网就不能通过。粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小。微粉(供研磨用)用显微测量法分类，其粒度号是在微粉实际尺寸前加W来表示。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。上一页下一页返回8.2相关知识磨料粒度对磨削生产率和表面粗糙度有很大的影响。一般来说，粗磨用粗磨粒，以保证较高的生产率;精磨用细磨粒，以减低磨削表面粗糙度值。加工软材料和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮和产生烧伤(磨削时工件表面出现各种带色斑点的现象称为烧伤)，采用粗磨粒;磨削硬材料，则应选用细磨粒。微粉用于精细磨削和光整加工。磨料的粒度号和适用范围见表8-23.结合剂结合剂是将磨粒钻结成各种形状及尺寸砂轮的材料。它的性能决定了砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性、耐热性和砂轮寿命等。此外，结合剂对磨削温度和磨削表面质量也有一定的影响。常用的结合剂的名称、代号、性能及适用范围见表8-3上一页下一页返回8.2相关知识4.硬度砂轮的硬度是指在磨削力作用下，磨粒从砂轮表面上脱落的难易程度。如磨粒容易脱落，表明砂轮硬度低，称之为软;反之则表明砂轮硬度高，称为硬。当硬度选择合适时，砂轮具有自锐性，即磨削中磨钝的磨粒能自动脱落，而使新磨粒露出表面，从而保持砂轮的正常切削能力。砂轮的硬度与磨粒的硬度是两个不同的概念，砂轮的软硬主要由结合剂的钻结强度决定，与磨粒本身的硬度无关。相同硬度的磨粒,可以制成不同硬度的砂轮。砂轮硬度对磨削质量、生产率和砂轮损耗都有很大影响。砂轮硬度的选择主要根据工件材料的性质和具体的磨削条件来考虑。上一页下一页返回8.2相关知识一般来说，磨削硬材料，应选用软砂轮;磨削软材料，应选用硬砂轮。粗磨选软砂轮;精磨选硬砂轮。磨削非铁金属时，应选用较软砂轮，以免切屑堵塞砂轮。在精磨和成形磨削时，应选用较硬砂轮。砂轮的硬度等级名称及代号见表8-45.组织砂轮的组织表示磨粒、结合剂和气孔三者的体积比例关系，也表示砂轮结构的紧密或疏松程度。磨粒在砂轮体积中所占比例越小，砂轮的组织就越疏松，气孔越多;反之，组织越紧密。气孔可以容纳切屑，使砂轮不易堵塞，还可把切削液带入磨削区，降低磨削温度。但过于疏松会影响砂轮强度，不易保持砂轮的轮廓形状，增大磨削表面粗糙度。上一页下一页返回8.2相关知识粗磨、磨削塑料材料、软金属及大面积磨削时，应选用组织疏松的砂轮;精磨、成形磨削时，应选用组织紧密的砂轮。根据磨粒在砂轮中占有的体积百分数(称磨粒率)，砂轮组织分为紧密、中等、疏松三大类，细分为0~14号，其中0~