金属切削原理与刀具磨削教案课件

1、金属切削原理与刀具磨削一、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。.1 砂 轮第1页/共67页二、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 第2页/共67页磨料天然磨料：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

2、要有人造金刚石和立方氮化硼。第3页/共67页系别名称代号颜 色性 能适 用 范 围氧化物棕刚玉白刚玉铬刚玉AWAPA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CGCBC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DCBN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

3、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磨料第4页/共67页粒度 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。 第5页/共67页类别粒度号适 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#

4、 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Ra0.80.16m精磨, 精密磨, 超精磨,成型磨,刀具刃磨,珩磨微粉W63 W50 W40 W28W20 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Ra0.050.012m表5-1 砂轮特性及用途选择2粒度第6页/共67页结合剂把磨粒固结成磨具的材料瓷（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

5、，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。 第7页/共67页表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

6、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,抛光砂轮第8页/共67页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。第9页/共67页等级超软软中软中中硬硬超硬代号DEFGHJKLMNPQRSTY选择磨位淬硬钢选用LN,磨淬火合金钢选用HK,高表面质量磨削时选用KL,刃磨硬质合金刀具

7、选用HJ表5-1 砂轮特性及用途选择4硬度第10页/共67页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。 第11页/共67页组织号0123

8、4567891011121314磨粒率(%)626058565452504846444240383634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砂轮的组织第12页/共67页 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速度 如：砂轮P3003075WA60L6V35 第13页/共67页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

9、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、代号及用途举例第14页/共67页有效磨粒切削刃 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砂轮表面形貌图第15页/共67页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

10、第16页/共67页磨削特点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0.050.020.010.0050.0020.002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。 第17页/共67页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/Ft1.61.91.92.62.73.2Fa/Ft0.10.2高的切削速度 负前角切削 原因第18页/共67页 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

11、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）。第19页/共67页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/dstr， 一般情况下， r =0.0050.02mm/dstr， 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 =(0.20.8)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。 第20页/共67页4) 圆周进给运动即工件外圆的线速度vw 式

12、中 dw 工件直径（mm）; nw工件转速（r/s）。外圆磨削时 m/s (5.2) 第21页/共67页二、磨削要素1) 磨削时金属切削率每秒钟金属切除量（亦称为切除率 ） 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/smm (5.4) mm3/s (5.3)第22页/共67页2) 砂轮与工件加工表面的接触弧长 影响同时参加磨削的磨粒数目及磨粒负荷 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)第23页/共67页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

13、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)第24页/共67页磨削方式外圆磨削平面磨削内圆磨削径向进给量（即背吃刀量） ap （m）252525砂轮直径 d0 （）400400400工作直径 dw （）200550砂轮等效直径dse (mm)1334001467接触弧长度 lc （m）1.81033.31036103接触时间 （s）45.610-68010-615010-6表5.4 几种磨削方式的等效直径和接触弧长第25页/共67页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

14、砂轮耐用度最大，平面磨削次之，外圆磨削最小。 结论因此第26页/共67页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。 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） 外圆磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.9) 式中为砂轮角速度第27页/共67页 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，

15、将影响砂轮磨损、磨削温度及被加工零件的表面质量。因此第28页/共67页一、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。 第29页/共67页二、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

16、的弹性变形逐渐恢复，使实际磨削深度大于零。 第30页/共67页 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第31页/共67页5.4 磨削力及功率图5.7 磨削的受力情况第32页/共67页 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。 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； 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

17、等磨削条件有关；受力的频率则与砂轮转速有关结论第33页/共67页 磨粒的顶尖角多为90120，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o=-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=0.010.025mm，切削速度v=200600m/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：第34页/共67页图5.8 负前角切削时的金属流动 金

18、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， 第35页/共67页图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o=-50之后为甚，Fn/Ft=15左右。 第36页/共67页 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。 Fy可用以计算进给功率； Fx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

19、粗糙度，砂轮磨粒是三维分布的 第37页/共67页图5.10 磨削力(a)外圆圆磨 (b)切入磨 (c)平面磨 (d)端面磨第38页/共67页工件材料普通钢淬硬钢铸钢1.61.91.92.62.73.20.10.2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 第39页/共67页 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

20、称为比磨削能 第40页/共67页图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/（mms）；修整速比： qd=0.5；砂轮速度：vc =30mm/s；砂轮半锥角=60第41页/共67页 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2030倍 第42页/共67页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

21、率消耗小些 结论第43页/共67页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 精度差第44页/共67页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 第45页/共67页磨削温度的影响因素 图5.13 磨粒与工件 第46页/共67页图5.14磨粒切削刃附近工件表面温度分析 由于切屑形成及刻划引起的温度变化 磨粒与工件摩擦时引起的温度变化 +两者的叠加图5.13中的A点与图5.14的A点相对应。 第47页/共67页 由于磨粒的负前角绝对值很大，在剪切面

22、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。 第48页/共67页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 三个方面第49页/共67页（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

23、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。 第50页/共67页 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。第51页/共67页（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

24、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。第52页/共67页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200500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。第53页/共67页破碎磨损 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

25、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。 第54页/共67页磨削种类外圆磨内圆磨平面磨成型磨耐用度（s）120024006001500600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 第55页/共67页砂轮的的修整 三类修整工具本身不作旋转 ad一般用0.0050.1mm,轴向进给fa可用0.050.4mm。 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 第56页/共67页图5.17 用金刚石笔修整砂轮 第57页/共67页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第58页/共67页 a)滚轮形状与工件形状相同 b)用滚轮作仿形修整 图5.19 成形砂轮的修整第