磨削技术理论与应用

1、磨削技术理论与应用原所先东北大学先进制造与自动化技术研究所1 绪论绪论1.1 磨粒加工基本概念（1）磨粒加工（）磨粒加工（Abrasive Process） ：磨粒加工是以硬质矿物质（磨料）颗粒作为切削工具进行材料去除的加工过程的统称。（2）磨粒加工工具：）磨粒加工工具： 固结磨具（砂轮、砂瓦、油石） 涂覆磨具（砂带、砂布、砂纸、砂页轮） 游离磨料（3）磨粒加工工艺方法）磨粒加工工艺方法砂轮、砂瓦、砂轮、砂瓦、磨削（磨削（Grinding）砂带、砂页轮砂带、砂页轮油石油石 珩磨（珩磨（Honing）、）、 超精加工（超精加工（Super Machining）砂布、砂纸砂布、砂纸 抛光（抛光（P

2、olishing）游离磨料游离磨料 研磨（研磨（Lapping） 抛光（抛光（Polishing） 喷射加工（喷射加工（Jet Machining） 光饰加工（光饰加工（Finishing） （4）磨粒加工的特点1）磨料，尤其是金刚石和立方氮化硼（CBN）具有非常高的硬度，可以加工各种高硬度材料。尤其是光学玻璃、陶瓷、半导体材料等硬脆材料在高科技产业广泛应用的今天，磨粒加工成为非常重要的加工手段。2）因磨粒和切屑尺寸细小，参加切削的磨粒众多，磨粒加工可容易地获得高精度和低表面粗糙度表面，是精密加工主要手段。特别是应用极微细磨粒可以获得纳米级切刃半径，可实现极薄微细切削和获得无缺陷表面，使它又是

3、超精密加工主要手段，在现代航空航天、精密机械和仪器、电子信息、尖端武器、小型和微型机械等高科技领域获得重要应用。3）随着超硬磨料、数控磨削、新磨削液和修整技术、多传感器智能控制、高速/超高速磨削、高效率磨削等先进技术的广泛应用，磨粒加工成为一种集高精度和高效率于一体的、半永久性工具的、过程稳定的、粗精加工集成的加工方法，在高质量稳定性大批量生产，如汽车、工具、机床等行业获得广泛应用，其短工艺流程推动了加工工艺变革，使其在机械制造领域具有更加重要的地位。4）磨粒加工工艺适应性极强。它方法众多，应用范围广，可对金属、陶瓷、玻璃、石材、耐火材料、混凝土、骨骼、复合材料等各种材料进行加工；可对平面、圆

4、柱表面、球面、渐开线齿面、螺旋表面、自由曲面等各种表面实现荒、粗、精和超精加工各种精度加工。磨粒加工机床是种类最多，目前已超过3000种，被广泛应用于机械制造、轻工、建筑、耐火材料等多种行业。（5）磨粒加工在机械制造中的地位 工业发达国家的磨床在金属切削机床总数中已占25%以上。 我国1998年的磨床拥有量也占到机床总拥有量的13%左右。 1997年欧洲机床展览会期间的调查表明，25%的被调查企业认为磨削是他们应用的最主要加工技术，磨床的占有比例高达42%。（6）磨粒加工技术的研究特点1）切刃几何参数的随机性、时变性2）切削过程的断续性、瞬时性、复杂性3）切削过程影响参数的多样性4）观察研究的

5、困难性5）磨削研究以实验研究为主6）磨削机理仍远未成为精确和完善的理论7）是区别于切削的独立学科分支 1.2 磨粒加工技术理论主要研究内容磨粒加工技术理论主要研究内容 材料切除过程的实现与描述 伴随材料切除过程的物理和化学现象 磨粒加工过程影响参数及控制 磨粒加工工具研究 磨粒加工装备研究 先进磨粒加工技术及其工程应用 磨 料 磨削液 被磨材料 空 气砂轮特性及修整磨削力及力比材料可磨削加工性磨削液及注液法机床特性及调整 磨削工艺参数磨 削 过 程磨削热及温度 比磨除率磨削表面质量 磨削振动1.3 1.3 磨削方式磨削方式砂轮 工件(a) 卧轴往复平磨(b) 卧轴切入平磨砂轮 工件 砂轮 工件

6、(c) 立轴转台平磨砂轮工件(d) 外圆往复磨削砂轮 工件(e) 外圆切入磨削砂轮工件(f) 内圆往复磨削(g) 外圆切入磨削砂轮 工件砂轮工件导轮工件砂轮轮导(h) 无心纵磨砂轮工件导轮工件砂轮砂轮工件工件砂轮导轮(j) 无心切入磨1.4 1.4 磨削加工的发展历史磨削加工的发展历史（1）史前时期，磨砺石器；（2）青铜器时期和铁器时期，用于磨砺刀剑，磨刀石；（3）古埃及时期，首先使用原始砂轮；（4）中世纪至工业革命时期，早期磨床的概念出现于达.芬奇的绘画中，由水力驱动表面固定磨料的木制带幅轮子；（5）19世纪初期，为了手工磨削宝石，印度出现了人工制造的砂轮；（6）1820年代美国诺顿公司生产

7、陶瓷结合剂砂轮（7）1850年美国和法国出现了橡胶结合剂砂轮；（8）1880年树脂胶结合剂砂轮由印度传入西方；（9）1923年，树脂结合剂砂轮出现；（10）1930年，树脂结合剂天然金刚石砂轮；（11）1940年，陶瓷、金属结合剂金刚石砂轮；（12）1955年，合成人造金刚石（13）1957年，人工合成立方氮化硼机械制造技术发展大事年表年代制造工艺与设备管理技术发明人1642 机械计算机 帕斯卡（法国） 1752 穿孔卡控制的织机 布乔恩（英国） 1.5 磨粒加工技术理论研究队伍和组织磨粒加工技术理论研究队伍和组织东北大学(郑焕文)华中科技(陈日曜,诸兴华)西北工大(华定安,)湖南大学(付杰才

8、,李力均)南京航空(张幼桢)广西大学(曹硕生)郑州三磨所(严文浩)上海纺织大学(徐载熊)天津大学(于思远,林彬)1.6 本课程使用教材本课程使用教材磨削技术的理论与应用磨削技术的理论与应用Grinding Technology Theory and Application of Machining with Abrasives 著者 S. 马尔金 (S.Malkin) 译者 蔡光起 巩亚东 宋贵亮2 砂轮的组成及特性砂轮的组成及特性2.1 概述（1）普通砂轮的标记1）砂轮的磨料种类；2）磨粒的尺寸；3）砂轮的结合剂种类；4）砂轮的硬度；5）砂轮的组织；6）砂轮的形状；（2）砂轮的特性砂轮特性的

9、表示方法为：磨料代号粒度号硬度等级组织号结合剂代号砂轮最高使用速度1）磨料：常用的磨料有氧化物系、碳化物系和高硬磨料系三类。 普通磨料普通磨料 普通砂轮磨料都是基于氧化铝（普通砂轮磨料都是基于氧化铝（Al2O3）和碳化硅）和碳化硅（SiC）的人造材料。它们各有不同品种以适应）的人造材料。它们各有不同品种以适应不同的用途。硬度高的磨料通常更脆些。碳化硅不同的用途。硬度高的磨料通常更脆些。碳化硅磨料的硬度和脆性比氧化铝的要高。较硬和较脆磨料的硬度和脆性比氧化铝的要高。较硬和较脆的磨料通常用于精密磨削，粗粒度韧性磨料则更的磨料通常用于精密磨削，粗粒度韧性磨料则更适合于粗磨削。适合于粗磨削。几种常用磨

10、料的特性及适用范围几种常用磨料的特性及适用范围序序列列磨料名称磨料名称代号代号显微硬度显微硬度特性特性适用范围适用范围氧氧化化物物系系棕刚玉棕刚玉A A2200220022802280棕褐色，硬度高，棕褐色，硬度高，韧性大，价格便韧性大，价格便宜宜磨削碳钢和合金钢磨削碳钢和合金钢白刚玉白刚玉WAWA2200220023002300白色，硬度较棕白色，硬度较棕刚玉高，韧性较刚玉高，韧性较棕刚玉低棕刚玉低磨削淬火钢、高速钢、磨削淬火钢、高速钢、高碳钢等高碳钢等铬刚玉铬刚玉PAPA2000200022002200玫瑰红和紫红色，玫瑰红和紫红色，韧性比白刚玉高韧性比白刚玉高磨削淬火钢、高速钢、磨削淬火

11、钢、高速钢、高碳钢、轴承钢高碳钢、轴承钢锆刚玉锆刚玉ZAZA19651965黑褐色，强度和黑褐色，强度和耐磨性高耐磨性高磨削耐热合金、钛合磨削耐热合金、钛合金、奥氏体不锈钢金、奥氏体不锈钢单晶刚玉单晶刚玉SASA2200220024002400浅黄色，硬度和浅黄色，硬度和韧性比白刚玉高韧性比白刚玉高磨削不锈钢、高钒高磨削不锈钢、高钒高速钢等速钢等微晶刚玉微晶刚玉MAMA2000200023002300颜色和棕刚玉相颜色和棕刚玉相似，强度高，韧似，强度高，韧性和自锐性好性和自锐性好磨削不锈钢、轴承钢、磨削不锈钢、轴承钢、特种球墨铸铁特种球墨铸铁序序列列磨料名称磨料名称代号代号显微硬度显微硬度特性

12、特性适用范围适用范围碳化碳化物系物系黑碳化硅黑碳化硅C C2820282033203320黑色，有光泽，黑色，有光泽，硬度比钢玉高，硬度比钢玉高，性脆而锋利，导性脆而锋利，导电和导热性好电和导热性好磨削铸铁、黄铜、铝、磨削铸铁、黄铜、铝、耐火材料及非金属材耐火材料及非金属材料料绿碳化硅绿碳化硅GCGC3280328034803480绿色，硬度和脆绿色，硬度和脆性比黑碳化硅高，性比黑碳化硅高，导电和导热性好导电和导热性好磨削硬质合金、宝石、磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玉石、玻璃、陶瓷、玉石、玻璃、非铁金属、石材等非铁金属、石材等碳化硼碳化硼BCBC4400440054005400灰黑色，硬度比灰黑

13、色，硬度比黑、绿碳化硅高，黑、绿碳化硅高，耐磨性好耐磨性好主要研磨和抛光硬千主要研磨和抛光硬千周合金、拉丝模、宝周合金、拉丝模、宝石和玉石等石和玉石等立方立方碳化硅碳化硅SCSC2000200023002300浅绿色，立方晶浅绿色，立方晶体结构，强度比体结构，强度比黑碳化硅高，磨黑碳化硅高，磨削能力强削能力强磨削韧而黏的材料，磨削韧而黏的材料，如不锈钢等；磨削轴如不锈钢等；磨削轴承沟道或用于轴承超承沟道或用于轴承超精加工精加工几种常用磨料的特性及适用范围几种常用磨料的特性及适用范围超硬磨料超硬磨料 人造金刚石人造金刚石的较弱的品种主要制成树脂结的较弱的品种主要制成树脂结合剂砂轮磨削硬质合金。这

14、时，金刚石磨合剂砂轮磨削硬质合金。这时，金刚石磨粒经常要镀覆占磨粒重量粒经常要镀覆占磨粒重量55%的镍，以使的镍，以使磨粒和树脂结合剂结合的更牢固，并在空磨粒和树脂结合剂结合的更牢固，并在空气中提供保护。气中提供保护。 立方氮化硼立方氮化硼（Cubic Boron Nitride简称为简称为CBN），是以六方氮化硼为原料，经高温），是以六方氮化硼为原料，经高温高压获得的人工合成材料，其硬度仅次于高压获得的人工合成材料，其硬度仅次于金刚石，和金刚石并称为超硬材料。金刚石，和金刚石并称为超硬材料。 序序列列磨料名称磨料名称代号代号显微硬度显微硬度特性特性适用范围适用范围高高硬硬磨磨料料系系人造人造

15、金刚石金刚石D D1000010000无色透明或淡黄无色透明或淡黄色、黄绿色、黑色、黄绿色、黑色，硬度高，耐色，硬度高，耐磨性好，比天然磨性好，比天然金刚石脆金刚石脆磨硬脆材料、硬质合磨硬脆材料、硬质合金、宝石、光学玻璃、金、宝石、光学玻璃、半导体、切割石材等半导体、切割石材等以及制作各种钻头以及制作各种钻头（地质、石油钻头等）（地质、石油钻头等）立方立方氮化硼氮化硼CBNCBN8000800090009000黑色或淡白色，黑色或淡白色，立方晶体，硬度立方晶体，硬度仅次于金刚砂，仅次于金刚砂，耐热性高，发热耐热性高，发热量小量小磨削各种高温合金、磨削各种高温合金、高钼、高钒、高钴钢，高钼、高钒

16、、高钴钢，不锈钢，镍基合金钢不锈钢，镍基合金钢等，聚晶立方氮化硼等，聚晶立方氮化硼可制造车刀可制造车刀几种常用磨料的特性及适用范围几种常用磨料的特性及适用范围 2）粒度）粒度 粒度指磨料颗粒的大小，较大的粒度指磨料颗粒的大小，较大的磨粒用它能通过的筛网号表示。例如，磨粒用它能通过的筛网号表示。例如，60号粒度表示磨粒能通过每英寸长度上有号粒度表示磨粒能通过每英寸长度上有60个孔眼的筛网。直径小于个孔眼的筛网。直径小于40微米的磨料颗微米的磨料颗粒称为微粉，粒度以其粒径大小（微米）粒称为微粉，粒度以其粒径大小（微米）表示，一般为表示，一般为W63W3.5。mmm 常用砂轮粒度及应用范围粒度号使用

17、范围1216粗磨、荒磨、打磨毛刺2036磨钢锭、切断钢坯磨陶瓷和耐火材料4060内圆、外圆、平面磨削，无心磨、工具磨6080内圆、外圆、平面磨削，无心磨、工具磨100240 半精磨、精磨、珩磨、成形磨、工具刃磨240W20 精磨、超精磨、珩磨、螺纹磨等W20W10精磨、精细磨、超精磨、镜面磨等W10更细精细磨、超精磨、镜面磨、制作研磨膏等3）结合剂 结合剂的作用是将磨粒黏合在一起，使砂轮具有一定的形状合强度。常用的结合剂有：（a）陶瓷结合剂（代号V），是由黏土、长石、滑石、硼玻璃和硅石等材料配制烧结而成，化学性质稳定、耐水、耐酸、耐热、成本低。除切断砂轮外，大多数砂轮均采用陶瓷结合剂。其线速度

18、一般小于35m/s。（b）树脂结合剂（代号B）其成分主要为酚醛树脂或环氧树脂。它强度高、弹性好，多用于高速磨削、切断和开槽等加工。缺点是耐热性差，当达到200300时结合力下降。但因其强度下降时磨粒易于脱落而自锐，故在对磨削烧伤和裂纹敏感的加工时也有采用。（c）橡胶结合剂（代号R）多数采用人造橡胶，橡胶结合剂比树脂结合剂弹性更好，使砂轮具有良好的抛光作用。多用于制造无心磨床的导轮和切断、开槽及抛光砂轮。（d）金属结合剂（代号M）常用青铜结合剂，也用铸铁。主要用于制作金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮。其特点是形面成型性好，强度高，有一定韧性。缺点是自锐性差。结合剂种类及使用范围结合剂种类及使用范围种类

19、种类代号代号使用范围使用范围陶瓷结合剂陶瓷结合剂V用于除切断砂轮外的大多数用于除切断砂轮外的大多数砂轮，使用速度砂轮，使用速度35m/s以下以下树脂结合剂树脂结合剂B弹性好，用于高速磨削、切弹性好，用于高速磨削、切断、开槽等工序、耐热性差，断、开槽等工序、耐热性差，年限限制年限限制橡胶结合剂橡胶结合剂R弹性好，用于切断、抛光、弹性好，用于切断、抛光、开槽等工序开槽等工序金属结合剂金属结合剂M主要用于制造超硬磨料砂轮，主要用于制造超硬磨料砂轮，材料主要是青铜，也有铸铁、材料主要是青铜，也有铸铁、镍等镍等 4）砂轮硬度是指磨粒从砂轮表面）砂轮硬度是指磨粒从砂轮表面脱落的难易程度，砂轮硬，磨粒不脱落

20、的难易程度，砂轮硬，磨粒不易脱落，砂轮软，磨粒容易脱落。易脱落，砂轮软，磨粒容易脱落。因此，为了避免烧伤，应选硬度低因此，为了避免烧伤，应选硬度低的砂轮；精磨和成形磨时，为了保的砂轮；精磨和成形磨时，为了保持砂轮的形状精度，应选择硬一些持砂轮的形状精度，应选择硬一些的砂轮。的砂轮。砂轮硬度等级名称及代号超软软1软2软3中软1 中软2中1D、E、FGHJKLM中2中硬1中硬2中硬3硬1硬2超硬NPQRSTY5）砂轮组织 砂轮组织表示磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，砂轮组织越紧密，气孔越小。紧密组织适于重磨削，中等组织适于一般磨削，疏松组织砂轮不易堵塞，适于平

21、面磨削、内圆磨削等磨削接触面积大的工序以及磨削热敏性强的材料或薄工件。砂轮组织代号对应表类别紧密中等疏松组织号0123456789 10 11 12磨粒占砂轮体积（）62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38气孔磨粒结合剂（4）超硬磨料砂轮的标记磨料种类磨料粒度硬度浓度结合剂种类磨料深度1）磨料种类：a：人造金刚石（D）B：立方氮化硼（B）2）磨料粒度：8、10、12、14、16、20、24、30、36、46、54、60、70、80、90、100、120、150、180、220、240、280、320、400、500、600 3）砂轮硬度： A、B、C、DX、

22、Y、Z（由软至硬） 4）浓度：表示磨料层中磨料体积占总体积之比。当体积比为25时浓度为100。 5）结合剂种类： 树脂（B） 陶瓷（V） 金属（M） 6）磨料层深度：以mm表示。3 磨削几何学与动力学3.1 引言 与车削、铣削等加工方法相比，磨削时参与加工的磨粒多，每个磨粒几何形状各异，每个磨粒相对于工件的位置和方向是随机的。 因此，研究磨削几何学不可能象研究切削几何学那样有着固定的角度，只能采用平均的方法或统计的方法。 3.2 砂轮工件的几何接触长度 平面、外圆和内圆磨削的几何特征如图所示。对于平面磨削，直径为 的砂轮以速度 旋转，并以速度 相对工件移动，砂轮对工件的切深为a 。外圆磨削和内

23、圆磨削的情况与此类似，只是相对工件的运动速度是由工件的转动而不是移动形成的。sdsvwv 平面磨削的砂轮切深等于机床的向下进给量，而内外圆磨削的砂轮切深则等于工件转一转径向进给速度 实现的径向进给量（ ）。内外圆磨削的磨削深度一般为220m，平面磨削磨削深度一般为1050m。通常砂轮速度为30m/s，在一些特殊场合也可达更高，对难加工材料则可能使用较低的砂轮速度。 工件进给速度要低于砂轮速度。在我国，砂轮速度与工件速度的比值通常为60100。在国外，平面磨削中的比值通常在100200的范围内，而内外圆磨削则在50100的范围内。fvwfwvvda 砂轮切入工件会产生一个接触作用区域，这一接触区

24、域的弧长用 表示。如不计砂轮和工件的运动和变形，各种磨削形式的接触弧长可以统一表示为： 对于平面磨削有：cl2scdABlsda21cos1 因为 ，而且对小角度近似可得到： 因此可得 由于未计运动和变形，因此参数 通常被称为静态接触长度。实际上是将接触弧长用弦长AB表示 。 sda 221cos221scdaABlcl 在外圆磨削和内圆磨削中，如果同样象平面磨削那样将内外圆磨削的接触长度近似为弦长AB。这时有： 由外圆磨削几何学得到： 对于内圆磨削，则有scdAEABl)(wsddaAE1wsddaAE1 所以平面磨削、外圆磨削和内圆磨削可以用同一种简单统一的形式表达： 其中 称为“砂轮当量

25、直径”，被定义为： 分母中的加号用于外圆磨削，减号用于内圆磨削，而对于平面磨削因 ，因此有 。 21ecdaledwssedddd1wdsedd 外圆磨削中砂轮当量直径总是小于 。对于内圆磨削，当量直径总是大于 。一般由于磨削条件的不同，磨削接触长度将在0.1mm10mm的范围内变化。sdsd 3.3 磨粒切削路径 为分析切削几何，把砂轮的作用比拟为铣刀，而把切刃看作是铣刀刀齿。在该理想化砂轮上，切刃沿砂轮圆周方向以间隔L均匀排列。这时平面磨削（相当于卧轴平面铣削）的情况如图所示。 外圆磨削中如下图所示。 磨削区中当砂轮速度和工件进给速度方向相反时，称这种磨削方式为逆磨（up-Grinding

26、）；两方向若相同则称为顺磨（down-grinding）。 设逆磨时切刃在F点与工件开始接触，经过曲线路径到达A点；顺磨时切刃则从A点到F点。相对于工件而言的切削路径FBCA是砂轮圆周速度和工件进给速度的切向速度合成的一条摆线。前一个切刃的切削路径沿工件表面平移的距离AA等于转过相邻切刃间隔时间内的工件平移量s，可用工件进给速度乘以两次连续切削间隔时间（ ）的乘积表示，即： svLswvLvs 对于平面磨削，相对于原点在B点的固定于工件上的X-Y坐标系，当砂轮转过 角时，在原点的切刃沿摆线轨迹在水平方向的运动为（式中“”号用于逆磨，“”号用于顺磨）： 而在垂直方向为： 2sin2swssvvd

27、dxcos12sdy 由于 很小，上式可以简化为： 消掉 以后可得磨粒切削路径方程为： 即用抛物线方程近似代替摆线方程。21sswdvvx42sdy )1(22swsvvdxy 对外圆和内圆磨削也可导出和平面磨削相似的切削路径方程，其摆线路径可以用抛物线方程近似： 对外圆磨削: Dxy2swwsswswsvvddvvvvdD2112 对内圆磨削： 式中有两个符号的地方，上面的符号用于逆磨，下面的符号用于顺磨。对于平面磨削，用 代入即可。 swwsswswsvvddvvvvdD2112wd 由切削路径方程可以求出平面磨削切削路径FBA的长度。因为在各种情况下的长度可认为等于转过相邻磨粒时间内的进

28、给量s的一半，切削路径总长度可表为： 其中20sdllkk2122dddyddxdlk 最后可得： 因为 为小角度，其二次量与一次量比较可以忽略不计，另外与弧长AB对应的 可以近似等于弦长，所以有： 216213svvdvvlswsswk2/sd2121sadvvlsswk 或写成 由于Vw与Vs相比很小，在总切削路径长度中 占的比例很小并可忽略不计，这时得到： 一般情况下，可以认为切削路径长度就等于接触长度。21slvvlcswk2s21eckadll 3.4 磨粒最大切削深度（未变形切削厚度） 一个切刃的最大切削深度（未变形切屑厚度）用 表示。对于一个切刃均匀等距地分布在外圆周表面的理想砂

29、轮而言， 的表达式可以由其抛物线形切削路径求出。但这一分析过程非常复杂，并且其物理含义也不明确。 为方便计，可将各种磨削的切削路径用一段圆弧来近似。这意味着工件进行间断地运动，在一个切刃进行切削时工件是静止不动的，而在下一个切刃开始切入之前则突然移动一个距离OO。对于平面磨削，该最大未变形切屑厚度 对应于AC的长度，所以有： mhmhmhssssssmdasdsdsdsdsAOdAOCOh21cosOAB)cos12AO cos2AO OOOAAOO22/12/12222/122中，有：在（到：组成一个直角，因此得和由于，故等于等于砂轮半径，中，在222/122/122/122/12/12/1222/12/122212141812AO sweeswmsweemsesssssmsssssvvdLdavvLhvLvsdsdashdddsdasdsdadashd