发布时间：2024-04-30 来源：网络
注意事项 ①砂轮主轴转速必须随线速度的提高而相应提高，砂轮传动系统功率必须足够，机床刚性必须足够，并注意减小振动； ②砂轮速度必须足够，保证在高速旋转下不会破裂；除应经过静平衡试验外，最好采用砂轮动平衡装置；砂轮必须有适当的防护罩； ③必须具有良好的冷却条件，有效的排屑装置，并注意防止切削液飞溅。 5.7.2 强力磨削 又叫大切深缓进给磨削 以较大的切削深度（可达30mm或更多一些）和很低的工作台进给速度（3～300mm/min）磨削工件，经一次或数次走刀即可磨到所要求的尺寸形状精度. 适于磨削高硬度高韧性的材料如耐热合金、不锈钢、高速钢等的型面和沟槽。 5.7.3砂带磨削 机械效率为96% 在机床中处于领先地位 适用 特点 用于粗磨钢锭、钢板、磨削难加工材料和难加工型面，特别是磨削大尺寸薄板、长径比大的外圆和内孔（直径25mm以上）、薄壁件和复杂型面更为优越。 组成 砂带、接触轮、张紧轮、支承轮或工作台 图5.20 砂带磨削 （ 本章主要内容是砂轮的组织特性、参数及其选择，磨削运动与磨削力，磨削温度及选择，以及砂轮的磨损及修整。 1）砂轮的特性包括磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和尺寸等。它们对磨削的加工质量、生产效率和经济性影响很大。 2）磨削是一种由滑擦、刻划和切削三阶段连续形成的切削，具有精度高、表面粗糙度小、砂轮有自锐作用、径向分力较大以及磨削温度高等特点。 3）砂轮的磨损可分为磨耗磨损和破碎磨损。 磨损后须修整。 小结 * * 二、磨削阶段 1）初磨阶段 2）稳定阶段 3）清磨阶段 由于机床、工件、夹具工艺系统的弹性变形，实际磨削深度小于径向进给量 当系统弹性变形达到一定程度后，继续进给时，其实际磨削深度基本上等于径向进给量。 由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，使实际磨削深度大于零。 要提高生产率，应缩短初磨阶段和稳定阶段。要提高表面质量必须保持适当的清磨进给次数和清磨时间。 结论 图5.6 磨削过程的三个阶段 5.4 磨削力及功率 图5.7 磨削的受力情况 5.4.1 磨粒的受力情况 # 磨粒切削时，作用在磨粒上的力可以分解成两个分力即法向力Fn和切向力Ft。并为结合剂桥上的结合力所平衡，如图5.7所示。 ① 磨粒所承受的合力FR与结合剂桥上抗力FR’的合力不一定在同一平面内；因此，有可能产生力矩M，使磨粒脱落； ② 磨粒本身受到剪力也可能崩裂。。 磨粒所受的应力决定于受力的强弱，它与切削截面积、工件材料性质等磨削条件有关；受力的频率则与砂轮转速有关 结论 5.4.2 磨粒的负前角磨削对磨削力的影响 磨粒的顶尖角多为90°～120°，其前刀面实际上是一个空间曲面。磨粒实际上多数在粒端负前角下切削工件。该前角多数为γo=-70°～-89°之间。 用负前角硬质合金刀具模拟磨粒，对含少许锰、铬、镍的低碳钢，在ap=0.01～0.025mm，切削速度v=200～600m/min时，金属流动情况示意如图5.8所示。 由于磨粒具有负前角，刃端具有γβ值，而切削厚度又很薄，故磨粒对工件的切削条件很差。实际上是滑擦、刻划、产生指向工件表层的很大的塑性变形区。到一定温度后，才形成切屑沿前刀面流出 结论 模拟试验： 图5.8 负前角切削时的金属流动 金属流分为两路 一路进入刀具下面 一路沿前刀面上升而成为切屑 1.一直到-75°的前角，刀具仍可切出切屑来。 2.在-85°前角时，刀具就仅仅擦过和刻划工件， 图5.9 负前角与切削力的关系 前角为负值时，法向力Fn均大于切向力Ft,尤以γo=-50°之后为甚，Fn/Ft=1～5左右。 5.4.3 砂轮上的磨削力 也可以磨削力分解成x方向和y方向的分力Fx,Fy。 ①Fy可用以计算进给功率； ②Fx则是设计机床床身和箱体的重要数据。 可以把磨削力分解为径向力Fn和切向力Ft 以前研究磨削过程时，常常假设所有的磨粒都处于同一圆周面上，磨粒间距离都相等，而且工件是绝对平滑的 实际上，工件有着一定的粗糙度，砂轮磨粒是三维分布的 图5.10 磨削力 (a)外圆圆磨 (b)切入磨 (c)平面磨 (d)端面磨 工件材料 普通钢 淬硬钢 铸钢 1.6～1.9 1.9～2.6 2.7～3.2 0.1～0.2 表5.5 磨削分力的比值 说明 材料硬度高时，比值大些 表中Fa为轴向切削分力 5.4.4 磨削力对磨削过程的影响 成形磨削时的磨削力Fn、Ft与磨削用量ap、vf的关系 ap增加时，Fn及Ft均增加； vf增加时，Fn及Ft均有所减小 工件速度vw与平均接触压力p 和比磨削能uc 的关系 磨削力与磨削时间tc 的关系 磨削力随着磨削时间tc的延长而不断增大 磨下单位体积金属时所消耗的能量称为比磨削能 图5.11 成形磨削时的磨削力与磨削用量的关系 砂轮：WA80K10V，工件：中碳钢；单位宽度磨除率：Z?=4mm/（mm·s）；修整速比： qd=0.5；砂轮速度：vc =30mm/s；砂轮半锥角α=60° 图5.12 vw与p及uc的关系 砂轮粒度：30，磨削深度：ap=0.025mm 精密磨削时的比磨削能可能为车削时的“比切削能” 的20～30倍 5.4.5 磨削功率消耗 功率消耗很大 主运动所消耗的功率为Pm （国际为Pc） kW (5.10) 式中Ft——砂轮的切向力（N）； vs——砂轮线速度（m/s）。 砂轮硬度较高时，功率消耗大些； 同一种工件材料的硬度较高时，功率消耗小些 结论 5.5 磨削温度 磨削表面的热损伤 表现为 热裂纹 热变形 残余应力 精度差 5.5.1 磨削热的来源 磨削时消耗能量 滑擦能 刻划能 切屑形成能 剪切能 (75% 左右) 摩擦能 (25%左右) 接近于工件金属的熔化能 有45%～55%传入工件 有75%左右传入工件 有69%左右传入工件 5.5.2 磨削温度的影响因素 图5.13 磨粒与工件 图5.14磨粒切削刃附近工件表面温度分析 Ⅰ―由于切屑形成及刻划引起的温度变化 Ⅱ―磨粒与 工件摩擦时引起的温度变化 Ⅰ+Ⅱ―两者的叠加 图5.13中的A点与图5.14的A点相对应。 由于磨粒的负前角绝对值很大，在剪切面AB附近的金属只有在很高的温度下，当材料具有很大的塑性，即在高温粘性—塑性（Viscous-Plastic）变形状态下才能朝前刀面上流出而成为切屑。 上两图对应分析得出结论 因此 单颗磨粒的切削温度常常达到了金属的熔点。试验研究指出：对于每一种金属材料，其磨屑形成的温度是一个常数(碳钢是1500℃，钛合金是1650℃)在如此高温下的磨屑，当飞出磨削区后，就往往在空气中强烈燃烧或氧化而迸发火花。 5.5.3 磨削温度对工件表面的影响 表现在 工件表面烧伤 加工表面的残余应力 表面粗糙度 三个方面 （一）工件表面烧伤 由于磨削时产生高温，使工件加工表面的金属组织发生相变，其硬度和塑性等发生变化，这种表层变质的现象 烧伤的表面呈黄褐色或黑色，它是工件表面在高温下形成的氧化膜， 回火烧伤 二次淬火烧伤 表面会变软，随后被工件深处较冷的基体淬硬而得到马氏体硬层 砂轮上磨损面积超过总工作面积的4%时，就会出现烧伤。 工件表面烧伤的表征是磨削力增加、砂轮磨损率增加和加工表面质量变差。表面烧伤损坏了零件表层组织，影响零件的质量和寿命。 减小和防止烧伤的主要措施是：减小磨削过程中热量的产生和加速热量的散发；正确选择砂轮，以及保持砂轮良好的切削性能；选择合理切削用量；采用好的切削液及正确的润滑方法。 （二）加工表面的残余应力 残余拉应力 残余压应力 可提高零件的疲劳强度和耐磨性 使零件表面翘曲，强度降低,甚至会产生裂纹 低的工件速度、硬而钝的砂轮、干磨或用水溶性乳化液磨削，高的切入进给率和高的砂轮表面速度。 导致因素 最主要的控制方法是： 采用切削液。 5.6 砂轮的磨损与砂轮的修整 砂轮上有多层磨粒，常用砂轮可能为200～500层左右；磨粒的空间分布参差不齐，在磨削时，磨粒经受着变化的机械负荷和热负荷，其切削刃不断受到磨损和碎裂，当磨粒磨钝至有可能产生工件烧伤或表面质量变差等现象时，砂轮就要重新修整。 破碎磨损 5.6.1砂轮的磨损 磨耗磨损 磨粒一层一层被磨掉 磨粒的破碎或者结合剂的破碎 消耗砂轮的重量较大 对砂轮影响较大 砂轮磨损后会使磨削效率降低，磨削表面质量下降；同时发生振动和噪声，应及时修整。 磨削种类 外圆磨 内圆磨 平面磨 成型磨 耐用度（s） 1200～2400 600 1500 600 表5.6 砂轮常用合理耐用度值 精磨时，耐用度可用磨削出的工件数目来表示 砂轮耐用度 砂轮相邻两次修整间的加工时间，用秒来表示 5.6.2 砂轮的的修整 三类修整工具 本身不作旋转 ad一般用0.005～0.1mm,轴向进给fa可用0.05～0.4mm。 钢的或硬质合金的挤压轮 砂轮与挤压轮没有相对速度 本身作回转运动或直线运动 对机床结构和刚度有较严格要求 图5.17 用金刚石笔修整砂轮 a)三个调节量子力学 b)四个调节量 图5.18 金刚石滚轮的修整方式 a)滚轮形状与工件形状相同 b)用滚轮作仿形修整 图5.19 成形砂轮的修整 5.7 先进磨削方法简介 目的 提高效率 高速磨削 强力磨削 砂带磨削 常用 5.7.1 高速磨削 高速磨削 砂轮线.单位时间磨除量可以增加 1.磨粒的当量切削厚度变薄 ①磨粒的负荷减轻，砂轮耐用度提请； ②磨削表面粗糙度减小； ③法向磨削力减小，工件精度可较高。 一、砂轮:由磨料加结合剂用烧结的方法而制成的多孔物体。 1.磨料:起切削作用， 2.结合剂:把磨料结合起来，使之具有一定的形状、硬度和强度。 3.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。 ５.1 砂 轮 二、砂轮的基本参数 磨料的种类、磨料颗粒大小、结合剂的种类、砂轮硬度及组成 三、砂轮的特性 磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和尺寸等 5.1.1 磨料 ⒈天然磨料： 一般含杂质多，质地不匀；天然金刚石虽好，但价格昂贵。 2.人造磨料： 目前主要采用人造磨料。 氧化物系:主要成分为Al2O3 碳化物系:以碳化硅、碳化硼为基体，添加的金属元素 超硬磨料系:主要有人造金刚石和立方氮化硼。 系别 名称 代号 颜 色 性 能 适 用 范 围 氧化物 棕刚玉 白刚玉 铬刚玉 A WA PA 棕褐色 白色 玫瑰红色 硬度较低,韧性较好 较A硬度高,磨粒锋利,韧性差 韧性比WA好 磨削碳素钢,合金刚,可锻铸铁与青铜 磨削淬硬的高碳钢,合金钢,高速钢,磨削薄壁零件,成形零件 碳化物 黑碳化硅 绿碳化硅 碳化硼 C GC BC 黑色带光泽 绿色带光泽 比刚玉类硬度高,导热性好,但韧性差 较C硬度高, 导热性好,韧性较差 磨削铸铁,黄铜,耐火材料及其它非金属材料 磨削硬质合金,宝石,光学玻璃 研磨硬质合金 超硬磨料 人造金刚石 立方氮化硅 D CBN 白,淡绿,黑色 棕黑色 硬度最高,耐热性较 硬度仅次于D韧性较D好 研磨硬质合金, 光学玻璃,宝石,陶瓷等高硬度材料 磨削高性能高速钢,不锈钢,耐热钢及其它难加工材料 表5-1砂轮特性及用途选择1—磨料 5.1.2 粒度 表示磨料颗粒的大小 1．一般磨粒 2．微细磨粒 粒度号---磨粒刚好可通过的筛网每英寸长度上（25.4mm）上的孔眼数。单位称为“目”。 粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小 粒度号---在显微镜下测得的该颗粒最大尺寸的微米数。 粒度号越大，微粉颗粒尺寸越大。 类别 粒度号 适 用 范 围 磨粒 8# 10# 12# 14# 16# 20# 22# 24# 30# 36# 40# 46# 54# 60# 70# 80# 90# 100# 120# 150# 180# 220# 240# 荒磨 一般磨削,加工表面粗糙度可达Ra0.8m 半精磨,精磨和成型磨削,加工表面粗糙度可达Ra0.8~0.16μm 精磨, 精密磨, 超精磨,成型磨,刀具刃磨,珩磨 微粉 W63 W50 W40 W28 W20 W14 W10 W7 W5 W3.5 W2.5 W1.5 W1.0 W0.5 精磨, 精密磨, 超精磨,珩磨,螺纹磨 超精密磨,镜面磨,精研,加工表面粗糙度可达Ra0.05~0.012μm 表5-1 砂轮特性及用途选择2—粒度 5.1.3 结合剂 把磨粒固结成磨具的材料 ⒈瓷（A） 2.树脂（S） 4.青铜（Q） 3.橡胶（X） 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。 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。 比树脂有更好的弹性和硬度，可制造0.1mm的薄砂轮，使用于切断、开槽、无心磨的导轮。 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。 表5-1 砂轮特性及用途选择3—结合剂 名称 代号 特 性 适 用 范 围 陶瓷 V 耐热,耐油和耐酸,碱的侵蚀,强度较高,较脆 除薄片砂轮外,能制成各种砂轮 树脂 B 强度高,富有弹性,具有一定抛光作用,耐热性差,不耐酸碱 荒磨砂轮,磨窄槽,切断用砂轮,高速砂轮,镜面磨砂轮 橡胶 R 强度高,弹性更好,抛光作用好,耐热性差,不耐油和酸,易睹塞 磨削轴承沟道砂轮,无心磨导轮,切割薄片砂轮,抛光砂轮 5.1.4 砂轮的硬度 磨粒与结合剂的粘固程度 在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。 砂轮硬，磨粒较难脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。 砂轮组织较疏松，工件材料较硬，砂轮与工件磨削接触面较大，砂轮气孔率较低时，需选用较软的砂轮。 半精磨与粗磨相比，树脂与陶瓷相比，选用的砂轮硬度低些。 等级 超软 软 中软 中 中硬 硬 超硬 代号 D E F G H J K L M N P Q R S T Y 选择 磨位淬硬钢选用L~N,磨淬火合金钢选用H~K,高表面质量磨削时选用K~L,刃磨硬质合金刀具选用H~J 表5-1 砂轮特性及用途选择4—硬度 5.1.5 砂轮的组织 砂轮结构的紧密或疏松程度 用颗粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系来表示 磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密，气孔越小；反之，组织疏松 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。 紧密类 中等 疏松类 一般组织，一般磨削 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，降低成型表面的磨削精度，增大表面粗糙度。 组织号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 磨粒率(%) 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 分类 紧密类 中等 疏松类 用途 成型磨削, 精密磨削 磨削淬火钢, 刀具刃磨 磨削韧性大而硬度不高材料 磨削热敏性大的材料 表5-1 砂轮特性及用途选择5—砂轮的组织 5.1.6 砂轮的形状、尺寸及用途 为便于对砂轮管理和选用，通常将砂轮的形状、尺寸和特性标注在砂轮端面上 外径×厚度×内径 其顺序为： 形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许的最高工作圆周线 砂轮种类 形状代号 断面形状 主要用途 平形砂轮 P 磨外圆、内圆，无心磨，刃磨刀具等 双斜边砂轮 OSX 磨齿轮及螺纹 双面凹砂轮 PSA 磨外圆，刃磨刀具，无心磨 切断砂轮 (薄片砂轮) PB 切断及切槽 筒形砂轮 N 端磨平面 杯形砂轮 B 磨平面、内圆，刃磨刀具 碗形砂轮 BW 刃磨刀具，磨导轨 碟形砂轮 D 磨齿轮，刃磨铣刀、拉刀、铰刀 表5-2 常用砂轮的形状、代号及用途举例 有效磨粒切削刃 无效磨粒切削刃 有效磨粒切削刃只为静态切削刃总数的5%～12%； 一个磨粒可能有几个有效切削刃与工件接触，有60%的有效切削刃分布在不同磨粒上面。 5.2 砂轮表面形貌图 图5.3砂轮表面形貌图 5.3 磨削过程 磨削也是一种切削 砂轮可以看作是具有极多微小刀齿的铣刀 砂轮本身虽有自锐性 图5.4磨粒切削过程 5.3.1 磨削特点 1．精度高、表面粗糙度小 2．砂轮有自锐作用 机床名称 立式铣床 车床 平面磨床 外圆磨床 精密外圆磨床 内圆磨床 刻度值 0.05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.002 表5.3 不同机床控制切深机构的刻度值（mm） 使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削。 3．径向分力 较大 4．磨削温度高 磨削时的切削力同车削一样，也可以分解为三个互相垂直的分力 工件材料 普通钢 淬硬钢 铸钢 Fn/Ft 1.6～1.9 1.9～2.6 2.7～3.2 Fa/Ft 0.1～0.2 高的切削速度 负前角切削 原因 5.3.2 磨削运动和磨削要素 一、磨削运动 1) 主运动 砂轮的旋转运动是主运动，砂轮外圆的线速度即主运动速度 m/s (5.1) 式中 d0 ——砂轮直径（mm）； n0——砂轮转速（r/s）。 3) 轴向进给运动 2) 径向进给运动 用径向进给量?r表示。(亦称磨削深度ap) ?r指工作台每双（单）行程内工件相对于砂轮径向移动的距离，单位为mm/d·str， 一般情况下， ?r =0.005～0.02mm/d·str， 用轴向进给量?a表示。(亦称磨削深度ap) 指工件每一转或工作台每一次行程，工件相对砂轮的轴向移动的距离。 一般情况下?a =(0.2～0.8)B，B为砂轮宽度，单位为mm； ?a的单位，圆磨为mm/r，平磨为mm/str。 4) 圆周进给运动 即工件外圆的线速度vw 式中 dw ——工件直径（mm）; nw——工件转速（r/s）。 外圆磨削时 m/s (5.2) 二、磨削要素 1) 磨削时金属切削率 ①每秒钟金属切除量（亦称为切除率 ） ②每秒钟内砂轮每1mm宽度所切除的金属量。则称为单位砂轮宽度切除率，以ZQ表示 mm3/s·mm (5.4) mm3/s (5.3) 2) 砂轮与工件加工表面的接触弧长 ① 影响同时参加磨削的磨粒数目及磨粒负荷 ② 影响磨屑的容纳和排除及冷却条件的改善 由推导可知平面磨削时的接触弧的长度为 mm (5.5) 3) 砂轮等效直径 接触弧长相等时外圆（或内圆）砂轮直径换算成假想的平面磨削时的砂轮直径。 意义：如果砂轮等效直径相同，则外圆（内圆）磨削和平面磨削时的接触弧长相等 外圆磨削时的砂轮等效直径为 (5.6) 内圆磨削时的砂轮等效直径为 (5.7) 磨削方式 外圆磨削Ⅰ 平面磨削Ⅱ 内圆磨削Ⅲ 径向进给量（即背吃刀量） ap （μm） 25 25 25 砂轮直径 d0 （㎜） 400 400 400 工作直径 dw （㎜） 200 ∞ 550 砂轮等效直径dse (mm) 133 400 1467 接触弧长度 lc （μm） 1.8×103 3.3×103 6×103 接触时间 （s） 45.6×10-6 80×10-6 150×10-6 表5.4 几种磨削方式的等效直径和接触弧长 接触弧长以内圆磨削为最大，平面磨削次之，外圆磨削最小。 内圆磨削的砂轮耐用度最大，平面磨削次之，外圆磨削最小。 结论 因此 4) 单个磨粒的磨削厚度 意义：磨削厚度大小对磨削力、磨削温度、磨削表面质量和砂轮的磨损产生很大影响。 ① 端面磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.8) 式中m为砂轮每mm圆周长度上的磨粒数（mm-1） ② 外圆磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.9) 式中ω为砂轮角速度 工件速度vw，轴向进给量fa和径向进给量fr增加时，hDgmax将增加；砂轮速度vc、砂轮直径d0和砂轮宽度B增大时， hDgmax将减小；砂轮磨粒越细，m就越大， hDgmax减小。 结论 单个磨粒的切削厚度加大时，作用在磨粒上的切削力也增大，将影响砂轮磨损、磨削温度及被加工零件的表面质量。 因此 5.3.3 磨削过程 一、磨屑的形成过程 磨削时，工件表面被砂轮滑擦、刻划以及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环节(如图5.4)。 结论：砂轮的磨削过程，实际上就是切削、刻划和滑擦三种作用的综合。 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，还有金属微尘等。 * *
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