第2章精密磨削加工

杨红涛2008年8月Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技术2/26/20242.1概述

2.2精密磨削加工机理

2.3精密磨削加工的机床及应用

2.4超精密磨削简介

第2章精密磨削加工2/26/2024第2.1节精密磨削概述

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。2/26/2024一、精密和超精密加工分类第2.1节精密磨削概述2/26/2024一、精密和超精密加工分类固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，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砂轮磨削：砂轮的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40～W50，得加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。第2.1节精密磨削概述2/26/2024一、精密和超精密加工分类游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，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。第2.1节精密磨削概述2/26/2024二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择第2.1节精密磨削概述2/26/2024二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料粒度及其选择多选用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。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。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂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。第2.1节精密磨削概述2/26/2024二、精密和超精密砂轮磨料磨具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根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。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。第2.1节精密磨削概述2/26/2024三、精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具分类第2.1节精密磨削概述2/26/2024三、精密和超精密涂覆磨具第2.1节精密磨削概述2/26/2024三、精密和超精密涂覆磨具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。涂覆磨料的粒度无论磨粒还是微粉，都用P字粒度号表示。粘接剂又称胶，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。用于轻切削的干磨和油磨。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。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。第2.1节精密磨削概述2/26/2024三、精密和超精密涂覆磨具涂覆方法重力落砂法涂覆法静电植砂法第2.1节精密磨削概述2/26/2024第2.2节精密磨削加工机理2.2.1磨削过程及磨削力（1）磨削过程2/26/2024微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用弹性变形的作用（2）精密磨削机理2/26/2024A—砂轮架每行程均有进给期间B—无火花磨削期间1--砂轮架移动量2—工作半径的减少量2/26/2024（3）磨削力2/26/2024①磨削力的主要特征

②影响摩削力的因素2/26/2024（4）单个磨粒的切削厚度2/26/20242.2.2磨削温度与磨削液（1）磨削温度的基本概念砂轮磨削区温度磨粒磨削点温度2.2.2.1磨削温度（2）影响磨削温度的主要因素2/26/20242.2.2.2磨削液（1）磨削液的作用机理冷却.润滑和清洗作用此外，根据不同要求，还有渗透性.防锈性，防腐性.消泡性.防火性等等2/26/2024（2）磨削液的添加剂油性添加剂挤压添加剂表面活性剂（3）磨削液的分类与使用非水溶性磨削液：磨削油水溶性磨削液：水溶液和乳化液离子型磨削液2/26/20242/26/20242.3.1、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。第2.3节精密磨削加工的机床及应用2/26/20242.3.2、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2.5μm/单行程，精修次数2～3次，光修次数1次单行程。第2.3节精密磨削加工的机床及应用2/26/20242.3.3、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）精密磨床最好安装在防振地基上。第2.3节精密磨削加工的机床及应用2/26/20242.3.4、磨削用量砂轮速度一般在15～30m/s一般在6～12m/min工作速度工件纵向进给量一般为50～100mm/min或0.06～0.5mm/r横向进给量（吃刀量）一般取0.6～2.5μm/单行程横向进给次数一般约2～3次（单行程）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用5～8次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用10～25次。第2.3节精密磨削加工的机床及应用2/26/2024一、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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024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2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整车削法用单点、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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整软钢磨削整形法单滚轮法双滚轮法2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整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，依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整喷射法碳化硅和刚玉2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整电加工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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024二、超硬磨料砂轮修整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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024三、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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024四、超硬磨料砂轮磨削工艺磨削用量磨削速度人造金刚石砂轮的磨削速度为12～30m/s，立方氮化硼砂轮的磨削速度为45～60m/s.磨削深度工件速度一般为10～20m/min纵向进给速度一般在0.45～1.5m/min磨削深度为0.002～0.01mm2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024四、超硬磨料砂轮磨削工艺磨削液磨削液的作用磨削液的种类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，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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024五、超硬磨料砂轮的平衡静平衡动平衡

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。2.3.5超硬磨料砂轮磨削2/26/2024第2.4节超精密磨削加工简介2.4.1、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0.1μm，表面粗糙度低于0.025μm，是一种亚微米级的加工方法；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0.02～0.01μm，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2/26/20242.4.2、超精密磨削机理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。第2.4节超精密磨削加工简介2/26/2024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。2.4.2、超精密磨削机理第2.4节超精密磨削加工简介2/26/20242.4.3、超精密磨床超精密磨床的特点（1）高精度尺寸精度：正负0.25～正负0.5

圆度：0.25～0.1μm

圆柱度：25000：0.25～5000：1μm

表面粗糙度：0.006～0.01μm（2）高刚度刚度值一般应在200N/μm以上（3）高稳定性（4）微进给装置使砂轮获得行程为2～50μm，位移精度为0.02～0.2μm，分辨率达0.01～0.1μm。（5）计算机数控第2.4节超精密磨削加工简介2/26/20242.4.3、超精密磨床超精密磨床的结构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。第2.4节超精密磨削加工简介2/26/20242.4.3、超精密磨床超精密磨削工艺砂轮线速度：1860m/min

工件线速度：4～10m/min

工作台纵向进给速度;50～100mm/min

磨削深度：0.5～1μm

磨削横进给次数：2～4次无火花磨削次数：3～5次磨削用量：2～5μm第2.4节超精密磨削加工简介2/26/2024砂带磨削方式闭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，通过张紧轮撑紧，由电动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，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2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024闭式砂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。按加工表面类型分为外圆、内圆、平面、成形表面等。2/26/2024开式砂带磨削2/26/2024一、砂带磨削方式、特点和应用砂带磨削特点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0.05～0.01μm，

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5～0.5μm，平面度可达1μm。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性和应用范围、很强的适应性。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024一、砂带磨削方式、特点和应用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：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。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024二、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。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024三、精密砂带磨床和砂带头架砂带磨削头架闭式磨削头架组成：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。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024开式磨削头架组成：卷带轮、接触轮、砂带轮、电动机、基座等。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024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，沿接触轮轴向振动可使砂带不跑偏和磨损均匀。2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024三、精密砂带磨床和砂带头架接触轮2.4.4精密和超精密砂带磨削2/26/2024