第三章 精密磨削加工

1、 金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等 材料进行超精密切削，而对于黑色金属、 硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是 应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和 超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒 和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工， 以得到高加工精度和低表面粗糙度值。 一、一、精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类 精密和超精精密和超精 密磨料加工密磨料加工 固结磨 料加工 游离磨 料加工 精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具 精密砂 轮磨削 油石研磨精密珩磨 精密超 精加工 砂带磨削砂带研磨 一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类 固结磨料加工固结磨料加工 将磨料或微粉与结合剂粘合 在一

2、起，形成一定的形状并 具有一定强度，再采用烧结、 粘接、涂敷等方法形成 砂轮、砂条、油石、砂 带等磨具。 精密和超精密砂轮磨削精密和超精密砂轮磨削 精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加 工精度1m，Ra0.025m； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50， 得加工精度0.1m， Ra0.0250.008m。 精密和超精密砂带磨削精密和超精密砂带磨削 精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工 精度1m，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精 度0.1m，Ra0.0250.008m。 一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类 游离磨料加工游离磨料加工 磨料或微粉不是

3、固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。 二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具 磨料及其选择磨料及其选择 普通磨料 碳化物系 碳化硼 碳化硅 刚玉系 超硬磨料 金刚石 天然 人造 立方氮化硼 二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具 磨料粒度及其选择磨料粒度及其选择 多选用180240普通 磨料、170/200325/400 超硬磨料的磨粒和各种 粒度的微粉。 结合剂及其选择结合剂及其选择 将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有 一定的强度。 树脂结

4、合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂 组织和浓度及其选择组织和浓度及其选择 普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含 量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削 选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度； 高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细 粒度、低质量浓度。 二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具 硬度及其选择硬度及其选择 普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。 超硬磨具无硬度项指标。 磨具的强度磨具的强度 高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破 碎的能力。 磨具的形状和尺寸及其基体材料磨具的形状和尺寸及其基体材料 根据机床规格和加工情况选择磨具

5、的形 状和尺寸。 基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨 具多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具 采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具 多采用陶瓷。 三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具 涂覆磨具分类涂覆磨具分类 涂 覆 磨 具 工 作 条 件 基 底 材 料 形 状 耐 水 干 磨 复 合 纸 棉 布 化 纤 布 塑 料 膜 盘 状 页 状 卷 状 环 状 带 状 三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具 三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具 涂覆磨料及粒度涂覆磨料及粒度 棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆 刚玉黑色碳化硅、绿色碳化硅、 氧化铁、人造金刚石等。 涂覆磨料的粒度无

6、论磨粒还是 微粉，都用P字粒度号表示。 粘接剂粘接剂 又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。 动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨 和油磨。和油磨。 树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂 等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。 高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。 三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具 涂覆方法涂覆方法 重力落砂法重力落砂法涂覆法涂覆

7、法 静电植砂法静电植砂法 一、精密磨削机理一、精密磨削机理 (1)微刃的微切削作用 (2)微刃的等高切削作用 (3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用 二、精密磨削砂轮选择二、精密磨削砂轮选择 精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃 及其等高性为原则。 磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好，单晶 刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。 砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。 结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛 光作用。 三、精密磨削时砂轮的修整三、精密磨削时砂轮的修整 砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修 整等。 砂轮的修整用量有修整导程、修

8、整深度、修整次 数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为10 15mm/min，修整深度为2.5m/单行程，精修次 数23次，光修次数1次单行程。 四、精密磨床四、精密磨床 精密磨削要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求： 1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度， 以保证工件的几何形状精度要求，主轴轴承一般采用动压和 动静压组合轴承。 2、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能 平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流 阀、工作台导轨压力润滑。 3、减少振动 1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进 行隔振； 2）砂轮要进行动平衡； 3）精密磨床最好安

9、装在防振地基上。 五、磨削用量五、磨削用量 砂轮速度砂轮速度 一般在1530m/s 一般在612m/min 工作速度工作速度 工件纵向进给量工件纵向进给量 一般为50100mm/min或0.060.5mm/r 横向进给量（吃刀量）横向进给量（吃刀量） 一般取0.62.5m/单行程 横向进给次数横向进给次数 一般约23次（单行程） 光磨（无火花磨削）光磨（无火花磨削） 粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用58次 细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025次。 一、超硬磨料砂轮磨削特点一、超硬磨料砂轮磨削特点 1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料， 如硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石

10、材等。立方氮化硼砂 轮磨削时，热稳定性好，化学惰性强，不易与铁素元素产生 亲和作用和化学反应，加工黑色金属时，有较高的耐磨性。 2）磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸 及实现加工自动化。 3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂 纹和组织变化。 4）磨削效率高。 5）综合成本低。 整形整形 对砂轮进行微量切削，使砂 轮达到所要求的几何形状精 度，并使磨料尖端细微破碎， 形成锋利的磨削刃。 修锐修锐 去除磨粒间的结合剂，使磨 粒间有一定的容屑空间，并 使磨刃突出于结合剂之外， 形成切削刃。 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修

11、整 车削法车削法 用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车 削金刚石砂轮达到修整目的。 磨削法磨削法 用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普 通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、 金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用 的修整法。 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 软钢磨削整形法软钢磨削整形法 单滚轮法双滚轮法 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 滚压挤轧法滚压挤轧法 用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮， 与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚，使 结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩 碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依 靠游离

12、磨料挤轧作用进行修锐。 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 喷射法喷射法 碳化硅和刚玉 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 电加工法电加工法 电解修整法电解修整法 利用电化学个腐 蚀作用蚀除金属结合 剂，多用于金属结合 剂砂轮的修锐，非金 属结合剂砂轮无效。 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 电火花修整法电火花修整法 电火花放电加工，适 用于各种金属结合剂 砂轮。若在结合剂中 加入石墨粉，可用于 树脂、陶瓷结合剂砂 轮。既可整形，又可 修锐。 二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整 超声波振动修整法超声波振动修整法 用受激振动的 簧片或超声波 振动头驱动的 幅板作为修整

13、器，并在砂轮 和修整器间放 入游离磨料撞 击砂轮的结合 剂，使超硬磨 粒突出结合剂。 三、超硬磨料砂轮磨床三、超硬磨料砂轮磨床 超精密磨削对磨床的要求： 1）要求磨床的精度较高，砂轮主轴回转精度其径向 跳动应0.01mm，端面圆跳动0.005mm。 2）比普通磨床刚度提高50左右。 3）进给系统精度高、进给速度均匀准确，纵向进给 速度最小可达0.3m/min，横向进给最小可达0.001 0.002mm/单行程。 4）各运动件和主轴回转部分、进给运动导轨部分有 可靠的密封。 5）有比较完善的磨削液处理系统。 6）采取相应的防振、隔振措施。 四、超硬磨料砂轮磨削工艺四、超硬磨料砂轮磨削工艺 磨削用

14、量磨削用量 磨削速度磨削速度 人造金刚石砂轮的磨削速度为1230m/s，立 方氮化硼砂轮的磨削速度为4560m/s. 磨削深度磨削深度 工件速度工件速度 一般为1020m/min 纵向进给纵向进给 速度速度一般在0.451.5m/min 磨削深度为0.0020.01mm 四、超硬磨料砂轮磨削工艺四、超硬磨料砂轮磨削工艺 磨削液磨削液 磨削液的作用磨削液的作用 磨削液的种类磨削液的种类 和组成和组成 降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削 表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。 润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、 防锈性、防腐性、防火性、切削性和极 压性等 油性液：成分是矿物油，如机油、轻质 柴油、煤油

15、，加入脂肪油和添加剂。 水溶性液：成分是水，如乳化液、无机 盐水溶液和化学合成液等。 金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性 液，立方氮化硼砂轮磨削时用油性液。 五、超硬磨料砂轮的平衡五、超硬磨料砂轮的平衡 静平衡静平衡 动平衡动平衡 力矩平衡，用于窄砂轮的平衡，是在一个平面上的平衡。 （1）机外静平衡架上平衡 （2）机上动态平衡 （3）机外动态平衡 力偶平衡，用于宽砂轮和多砂轮轴的平衡，是在一个有一 定长度的体上进行力偶平衡。 一般在动平衡机上进行。 一、超精密磨削和镜面磨削一、超精密磨削和镜面磨削 超精密磨削的加工精度达到或 高于0.1m，表面粗糙度低于 0.025m，是一种亚微米级的 加工方

16、法；对于钢、铁材料和 陶瓷、玻璃等硬脆材料是一种 重要的加工方法。镜面磨削加 工表面粗糙度达到0.02 0.01m，属于精密和超精密 磨削范畴。 超精密磨削的特点： 1）超精密磨床是超精密磨削的关键 2）超精密磨削是一种超微量去除加工 3）超精密磨削是一个高精度、高稳定 性的系统工程 二、超精密磨削机理二、超精密磨削机理 磨削加工过程磨削加工过程 单颗粒磨削 1）磨粒是一颗具有弹性支承（结合 剂）的和大负前角切削刃的弹性体。 2）磨粒切削刃的切入深度是从零开 始逐渐增加，到达最大值再逐渐减 少，最后到零。 3）磨粒磨削时在工件的接触过程中， 开始是弹性区，继而塑性区、切削区、 塑性区，最后是弹

17、性区。 4）超精密磨削时有微切削作用、塑性 流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦 作用。 磨削加工过程磨削加工过程 磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的 表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨 屑，并形成光洁表面的过程。磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表 面的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切 削深度增加），工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性 变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤 裂，即进入切削阶段，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后， 逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。 二、超精密磨削机理二、超精

18、密磨削机理 三、超精密磨床三、超精密磨床 超精密磨床的特点超精密磨床的特点 （1）高精度 尺寸精度：正负0.25正负0.5 圆度：0.250.1m 圆柱度：25000：0.255000：1m 表面粗糙度：0.0060.01m （2）高刚度 刚度值一般应在200N/m以上 （3）高稳定性 （4）微进给装置 使砂轮获得行程为250m，位移精度为0.020.2m，分辨率达 0.010.1m。 （5）计算机数控 三、超精密磨床三、超精密磨床 超精密磨床的结构超精密磨床的结构 超精密磨床在结构上的发展趋势：超精密磨床在结构上的发展趋势： （1）主轴轴承由动压向动静压和 静压发展，由液体 静压向空气静 压

19、发展。 （2）多采用空气静压导轨，也有 采用精密研磨配制 的镶钢滑动导轨。 （3）床身、工作台等逐渐采用稳 定性好的天然或人 造花岗岩。 （4）整个机床采用对称结构、密 封结构、淋浴结构 等热稳定性措施。 三、超精密磨床三、超精密磨床 超精密磨削工艺超精密磨削工艺 砂轮线速度：1860m/min 工件线速度：410m/min 工作台纵向进给速度;50100mm/min 磨削深度：0.51m 磨削横进给次数：24次 无火花磨削次数：35次 磨削用量：25m 砂带磨削方式砂带磨削方式 闭式砂带磨削闭式砂带磨削 开式砂带磨削开式砂带磨削 采用无接头或有接头的环形砂带环形砂带，通过张 紧轮撑紧，由电动

20、机通过接触轮带动砂带 高速回转，工件回转，砂带头架或工作台 纵向及横向进给运动，从而对工件进行磨 削。 采用成卷砂带成卷砂带，由电动机经减速机构通过 卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕 过接触轮并以一定的工作压力与工件被加 工表面接触，工件回转，砂带头架或工作 台纵向及横向进给，从而对工件进行磨削。 砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削切削 区不断出现新砂粒区不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定， 磨削效果好 一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用 闭式砂闭式砂 带磨削带磨削 砂带磨削分类： 按砂带与工件接触形式 分为接触轮式、支承板 （轮）式、自由浮动接 触式和自由接触式。

21、按加工表面类型分为外 圆、内圆、平面、成形 表面等。 开式砂开式砂 带磨削带磨削 一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用 砂带磨削特点砂带磨削特点 1）砂带与工件是柔性接触，磨粒载荷小而均匀，砂带磨削 工件表面质量高，表面粗糙度可达0.050.01m， 又称“弹性”磨削。 2）静电植砂法是磨粒具有方向性，力、热作用小，有较好 的切削性，有效地减小了工件变形和表面烧伤。工件的 尺寸精度可达50.5m，平面度可达1m。又有“冷态” 磨削之称。 3）砂带磨削效率高，无需修整。 4）砂带制作简单方便，无烧结、动平衡等问题，价格也便 宜，砂带磨削设备结构简单。 5）砂带磨削有广阔的工艺

22、性和应用范围、很强的适应性。 一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用 砂带磨削特点砂带磨削特点 砂带研抛加工：开式砂带磨削方式，用细粒度砂粒聚酯 薄膜基底砂带。 1）接触轮外缘材料为橡胶、塑料时，加工时的抛光作用强； 2）接触轮外缘材料为钢铁、铜、胶木时，加工时的研磨作 用强； 3）接触轮外缘材料为半软半硬时，加工时研磨、抛光兼有。 缺点：缺点：砂带磨削不能加工窄退刀槽的阶梯轴、阶梯孔、盲孔、小孔、齿 轮等，对形状和位置精度要求高的也不如精密砂轮磨削。 二、砂带磨削机理二、砂带磨削机理 砂带磨削时，弹性变形区的 面积较大，使磨粒承受的载荷大 大减小，载荷值也较均匀，且有 减振

23、作用。砂带磨削时材料的塑 性变形和摩擦力均较砂轮磨削时 减小，力和热的作用降低，工件 温度降低。砂带粒度均匀、等高 性好，磨粒尖刃向上，有方向性， 且切削刃间隔长，切屑不易堵塞， 有较好的切削性。 砂带磨削兼有磨削、研磨和 抛光的综合作用，是一种复合加 工。 三、精密砂带磨床和砂带头架三、精密砂带磨床和砂带头架 砂带磨削头架砂带磨削头架 闭式磨闭式磨 削头架削头架 组成： 接触轮（或 支撑板）、 主动轮、 张紧轮、 张紧机构、 调偏机构、 电动机、 基座等。 开式磨开式磨 削头架削头架 组成： 卷带轮、 接触轮、 砂带轮、 电动机、 基座等。 砂带振动磨削砂带振动磨削 开式砂带磨削和振动叠加的复合加工。 1)在开式砂带磨削时，振动可弥补工件不能高速运动 时效率下降，使加工效率大大提高。 2）振动地叠加可以形成复杂而又不重复地磨削轨迹， 形成网状纹，有利于降低表面粗糙度，得到很低的 粗糙度值加工表面。 3）可采用干式磨削，加工表面不易出现划痕。 4）对宽砂带，沿接触