磨削

第五章磨削第一部分金属切削原理及刀具主要内容•5-1磨具特性及其选择•5-2磨削过程•5-3磨削力及功率•5-4磨削温度•5-5磨削表面质量•5-6砂轮磨损与耐用度5-1磨具特性及其选择•磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具以给定的背吃刀量（或称切削深度），对工件进行加工的方法。根据工件被加工表面的形状和砂轮与工件之间的相对运动，磨削分为外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和无心磨削等几种主要加工类型。此外，还有对凸轮、螺纹、齿轮等零件进行磨削加工的专用磨床。一、普通磨具（砂轮）砂轮：是一种用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成，具有很多气孔，利用磨粒切削的工具。砂轮的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等。（一）磨料分天然磨料和人造磨料天然磨料：金刚石、天然刚玉、金刚砂等，价格昂贵。•人造磨料：–刚玉类（氧化铝AL2O2）：棕刚玉（A）、白刚玉（WA）。–炭化硅类（SiC）：黑炭化硅（C）、绿炭化硅（GC）。–高硬磨料类：人造金刚石（DMD）、氮化硼（CBN）。•刚玉类宜用语磨削各种钢料，如不锈刚、高强度合金钢、退了火的可锻铸铁和硬青铜；探花硅类适用于磨削铸铁、黄铜、软青铜铝、硬表层合金和硬质合金。•高硬磨料类具有高硬度、高强度、适用于磨削高速钢、硬质合金、宝石等。•（二）、粒度•粒度表示磨料尺寸大小。•粒度上尺寸大于40微米的磨料用机械筛分法来决定粒度号，粒度号越大，颗粒尺寸越细，分有8#~280#不同规格。•粒度上尺寸大于40微米的磨料用显微镜分析法来测量，其粒度号既该颗粒最大尺寸的微米数，分W40~W0.5不同规格。•粒度直接影响磨削表面质量和生产率。一般情况下，粗磨、磨软料或磨削面积大时宜选用粗粒度，精磨时宜选用细粒度。•（三）、结合剂•结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，是砂轮磨具具有必要的形状和强度。•1.陶瓷结合剂(代号A)：由粘土、长石、滑石、硼玻璃、硅石等陶瓷材料配制而成。化学稳定性好，耐水，耐酸，耐热，成本低，但较脆。所以除切断砂轮外，大多采用陶瓷砂轮。•2.树脂结合剂(代号S):主要成分是酚醛树脂，也有用环氧树脂的。树脂结合剂的砂轮（树脂砂轮）强度高、弹性好，多用于高速磨削、切断、开槽等工序。树脂砂轮耐热性差。•3.橡胶结合剂(代号X)：多采用人造橡胶。橡胶砂轮比树脂砂轮更有弹性，可使砂轮有很好的抛光作用。橡胶砂轮多用于无心磨床的导轮，也用作切断、开槽和抛光砂轮，但不适合用作粗加工砂轮。•4.金属结合剂(代号J)：常见的是青铜结合剂(代号Q)，主要用于制作金刚石砂轮。青铜结合剂金刚石砂轮的特点是型面的成型性好，强度高，有一定韧性。但金属结合剂制成的砂轮自砺性差。•（4）、硬度•砂轮的硬度反映磨料与结合剂的粘接强度。砂轮硬，磨料不易脱落；砂轮软，磨料容易脱落。磨削时，若砂轮太硬，则磨钝了的磨料不能及时脱落，会使磨削温度升高而造成工件烧伤；若砂轮太软，则磨料脱落过快而不能充分发挥磨料的磨削效能。•一般情况下，工件材料硬度较高时应选用较软的砂轮，工件材料硬度较低时应选用较硬的砂轮，但若工件材料太软，则材料易使砂轮堵塞，故也要选用软些的砂轮，这样可使堵塞处较易脱落；磨削薄壁件及导热性差的工件时，选用较软的砂轮；砂轮与工件的磨削接触面大时，砂轮硬度应选软些，使磨料容易脱落，以防止砂轮堵塞；砂轮粒度号大时，选用较软的砂轮，以防止砂轮堵塞；精磨与成形磨时，应选用硬些的砂轮，以利于保持砂轮的廓形。•（5）、组织•砂轮组织表示磨料、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨料在砂轮总体积中所占比例越大，则气孔越小（少），砂轮组织越紧密；反之亦然。•砂轮组织级别分为紧密、中等、疏松三大类。紧密组织砂轮适用于重压下的磨削；中等组织砂轮适用于一般磨削；疏松组织砂轮不易堵塞，适用于平面磨、内圆磨等磨削接触面大的磨削，以及磨削热敏性强的材料或薄壁工件。•在砂轮的端面上一般都印有标志，用以表示砂轮的特性。例如：1-3003075-A60L5V-35m/s,1表示该砂轮为平面砂轮，其余则分别表示：外径为300mm,厚度为30mm,内径为75mm,磨料为棕刚玉(A),粒度号为60,硬度为中软2（L），组织号为5，结合剂为陶瓷(V),最高圆周速度为35m/s。砂轮名称简图代号尺寸表示法主要用途平形砂轮PPD×H×d用于磨外圆、内圆、平面和无心磨等双面凹砂轮PSAPSAD×H×d—2—d1×t1×t2用于磨外圆、无心磨和刃磨刀具双斜边砂轮PSXPSXD×H×d用于磨削齿轮和螺纹•（6）、形状及用途常用砂轮形状及用途常用砂轮形状及用途砂轮名称简图代号尺寸表示法主要用途筒形砂轮NND×H×d用于立轴端磨平面碟形砂轮DDD×H×d用于刃磨刀具前面碗形砂轮BWBWD×H×d用于导轨磨及刃磨刀具常用砂轮形状及用途•砂轮的标志方法•超硬磨具：以硬度、强度和其他物理机械性能都优于普通磨料的金刚石（含人造金刚石）或立方氮化硼以及它们为主要成分的复合材料制成。•超硬磨具可加工普通砂轮难于加工的高硬材料；加工中自身磨损少，在合理使用条件下，可获得良好的经济效果；磨具形状、尺寸变化缓慢，耐用度高，磨削效率高，功率损耗少；磨削温度低，可减少和避免工件裂纹和烧伤等缺陷。二、超硬磨具超硬磨具•浓度：是指超硬磨具磨料层中每1cm2体积中含超硬磨料的重量。•超硬磨具的主要特性之一。浓度值越高，其含量也越高。•浓度值是直接影响磨削效率和加工成本的重要因素，选择时应综合考虑磨具的粒度、结合剂、磨削方式磨具形状及生产率诸项要求。•就不同磨削方式而言，工作面较宽的磨具和需要保持形状精度的成形、端面以及沟槽磨削应选用高浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中浓度；高精度、低粗糙度磨削，选用细粒度、低浓度；抛光选用细粒度和更低浓度（有时低于25%）•涂覆磨具是指砂纸、砂布、砂带等磨具的统称，是以不同磨料用胶类均匀地粘结在纸、布或其他复合材料基体上的磨具。•特点：制造周期短，价廉；设备简单，使用方便，容易掌握，操作安全。三、涂覆磨具5-2磨削过程•一、磨削运动–主运动：砂轮的旋转运动，以砂轮的线速度Vs（m/s）表示–进给运动：在内、外圆磨削时•工件旋转进给运动，以工件的线速度Vw（mm/min）表示•砂轮径向进给运动，即砂轮切入工件的运动，以ap（mm/str）（单行程）或（mm/dstr）（双行程）表示•工件相对砂轮的轴向进给运动，以fa（mm/r）表示–在平面磨削时•工件纵向进给运动，即工作台的往复运动以Vw（mm/min）表示•砂轮径向进给运动，以ap（mm）表示•砂轮相对于工件的轴向进给运动，以fa（mm/str）或（mm/dstr）表示二、磨粒切除切屑的几何图形•磨削过程的实质•磨削也是一种切削加工。砂轮表面上分布着为数甚多的磨粒，每个磨粒相当于多刃铣刀的一个刀齿，因此磨削过程可以看作是众多刀齿铣刀的一种超高速铣削。•砂轮表面磨粒形状各异，排列很不规则，其间距和高低随机分布。据测量，刚修正后的刚玉砂轮，平均为－65°～－80°，磨削一段时间后增大到－85°。•由此可见，磨削时是负前角切削，且负前角远远大于一般刀具切削的负前角。负前角切削是磨削加工的一大特点。单个磨粒的切削厚度•磨粒切除切屑的几何图形看成近似三角形三、磨屑的形成过程•（1）滑擦阶段（弹性变形阶段）•——切削厚度由零逐渐增大，只产生弹性变形，不产生切屑•（2）刻划阶段（塑性变形阶段）•——切削刃开始切入，产生塑性流动，推向前方和两侧，刻划出沟痕，两侧隆起•（3）切削阶段（磨屑形成阶段）•——金属层受挤压，沿剪切面滑移，形成切屑流出•（1）砂轮表面突起高度较大和较为锋利的磨粒，切入工件较深且有切屑产生，起切削作用（图a）。•（2）突起高度较小和较钝的磨粒，只能在工件表面刻画细微的沟痕，工件材料被挤向两旁而隆起，此时无明显切屑产生，仅起刻划作用（图b）。•（3）比较凹下和已经钝化的磨粒，既不切削也不刻划，只能从工件表面滑擦而过，起摩擦抛光作用。•磨削过程的实质是切削、刻划和摩擦抛光的综合作用过程，由此可获得较小的表面粗糙度值。粗磨时以切削作用为主，精磨时切削作用和摩擦抛光作用同时并存。磨屑形态•塑性材料——带状切屑•脆性材料——挤裂切屑•高温——球状或灰烬形态四、磨削中各参数的关系•砂轮等效直径（砂轮当量直径）：在外圆（或内圆）磨削时，换算成假想的平面磨削时砂轮的直径。•从砂轮等效直径公式可以看出，在同等径向进给量和相同的砂轮直径下，三种磨削方式的磨削接触弧长很不相同，内圆磨削平面磨削外圆磨削5-3磨削力及功率•一、砂轮上的磨削力•外圆纵磨时，磨削力F可分为相互垂直的三个分力：主磨削力（沿砂轮切向的切向磨削力）、背向力（沿砂轮径向的径向磨削力）和进给力（沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力），•磨削力有以下主要特征：•（1）单位磨削力值K很大•由于磨料几何形状的随机性和几何参数的不合理，单位磨削力值K可达70KN/mm以上，远远高于其他切削加工的单位切削力。•（2）三项磨削分力中背向力最大•在正常的磨削条件下，的比值约为2.0～2.5。•（3）磨削力随不同的磨削阶段而变化•由于较大，使工艺系统产生弹性变形，在开始几次进给中，实际径向进给量远小于名义进给量。随着进给次数的增加，实际进给量逐渐加大，直至达到名义进给量，这个阶段称为粗磨阶段。之后磨削进入稳定阶段，实际进给量与名义进给量相等。当余量即将磨完时，进行光磨（无进给磨削），靠工艺系统的弹性变形恢复，磨削至尺寸要求。•（4）磨削力的构成•在磨削力的构成中，材料剪切所占的比重较小，而摩擦所占的比重较大，可达70%～80%。二、影响磨削力的因素•①砂轮速度vs——增大，磨粒数量增大，切削厚度减小，磨削力减小•②工件速度vw和轴向进给量——增大，磨去金属量增大，磨削力增大•③径向进给量fr——增大，切削厚度增大，磨削力增大•④砂轮——磨损，磨削力增大三、磨削功率•磨削时，砂轮速度很高，所以功率消耗很大。主运动所消耗的功率Pm为：•式中Pm为主运动所消耗的功率；Ft为主磨削力（N）；Vs为砂轮线速度（m/s）。)(81.936.175KWvFPstm•四、磨削用量•（1）砂轮线速度砂轮线速度一般比车削速度大10～15倍左右，但太高时，可能会产生振动或工件表面烧伤。一般=30～35m/s；高速磨削时，可用=45～100m/s或更高些。•（2）工件速度V粗磨时，时常取V=15～85m/min；精磨时为15～50m/min。外圆磨时，速比q=V/V=60～150；内圆磨时，q=40～80。V太低时工件易烧伤；V太高时磨床可能产生振动。•（3）磨削深度a粗磨时，可取a=0.01～0.07mm；精磨时，可取a=0.0025～0.02mm；镜面磨削时，可取a=0.0005～0.0015mm。•（4）砂轮轴向进给量砂轮轴向进给量是指工件每转一转或每一往复时砂轮的轴向位移量（mm），设砂轮宽度为b（mm），则：粗磨时，取=（0.3～0.85）b；精磨时，取=（0.1～0.3）b。•每分钟金属磨除量Z为：•设砂轮磨削宽度为b（mm），则砂轮单位宽度上的金属磨除量为：min)/(10003mmafvZpawmin)/(10003mmmmbafvbZZpaw5-4磨削温度五、磨削热和磨削温度•磨削温度的基本概念•砂轮磨削区温度θA——1000°C左右•磨粒磨削点温度θdot——几百度•一、来源–磨粒磨削点温度：指磨粒切削刃与切屑接触部分的温度，是磨削中温度最高的部位，其值可达1000℃左右，是研究磨削刃的热损伤、砂轮的磨损、破碎和粘附等现象的重要因素。–砂轮磨削区的温度：是砂轮与工件接触区的平均温度，一般约有500～800℃，它与磨削烧伤和磨削裂纹的产生有密切关系。–工件平均温度：指磨削热传入工件而引起的工件温升，它影响工件的形状和尺寸精度。在精密磨削时，为获得高的尺寸精度，要尽可能降低工件的平均温度并防止局部温度不均。•二、影响磨削温度的主要因素有磨削用量、工件材料和砂轮特性等。•（1）磨削用量对磨削温度的影响•①随着径向进给量的增大，单颗磨料的