教学单元8-磨削与砂轮

金属切削加工与刀具教学单元8：磨削与砂轮本章主要内容磨床（了解）磨削方法（掌握）砂轮的组成要素（掌握）砂轮的磨损与修整（熟悉）磨削运动（掌握）磨削特点（掌握）先进磨削方法简介（了解）珩磨、研磨（熟悉）超精加工与滚压（了解）8.1磨削加工任务引入选择砂轮的结构类型和参数？一、磨削概况以磨料为主制造而成的切削工具称为磨具。磨削就是用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法加工外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨、成形面以及刃磨各种刀具等能加工一般的金属材料和非金属材料，还能加工各种高硬、超硬材料（如淬火钢、硬质合金等）磨削加工的加工精度可达IT6～IT4，表面粗糙度可达Ra0.8～Ra0.025，广泛应用于半精加工和精加工二、磨床磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床外圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形外表面的磨床内圆磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圆柱形和圆锥形内表面的磨床座标磨床：具有精密座标定位装置的内圆磨床无心磨床：工件采用无心夹持，一般支承在导轮和托架之间，由导轮驱动工件旋转，主要用于磨削圆柱形表面的磨床平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床砂带磨床：用快速运动的砂带进行磨削的磨床珩磨机：用于珩磨工件各种表面的磨床研磨机：用于研磨工件平面或圆柱形内，外表面的磨床导轨磨床：主要用于磨削机床导轨面的磨床工具磨床：用于磨削工具的磨床多用磨床：能用随动装置及附件磨削多种工件的磨床专用磨床：从事对某类零件进行磨削的专用机床，如：花键轴磨床、曲轴磨床、凸轮磨床、齿轮磨床、螺纹磨床三、磨削运动

主运动

砂轮的旋转运动主运动速度即磨削速度Vc是砂轮外圆的线速度

径向进给运动砂轮切入工件的运动

径向进给量fr

即工作台每双（单）行程，砂轮切入工件的深度轴向进给运动轴向进结量fa即工件相对砂轮沿轴向的进给运动

工件圆周（或直线）进给运动工件进给速度Vw即工件圆周线速度或工作台移动速度外圆磨削时平面磨削时——L：工作台行程，mm；dw：工件直径，mm

nw：工件转速，r／s；ntab：工作台往复频率，s-1

常用磨削用量

vc:

25~50m/s（氧化铝或碳化硅砂轮）；80~150m/s（CBN或人造金刚石砂轮）

vw:

粗磨20~30mm/min；精磨20~60mm/min

fa:

粗磨（0.3~0.7）Bmm/r；精磨（0.3~0.4）Bmm/r(B为砂轮宽度，单位mm)

fr:

粗磨0.015~0.05mm/单行程或0.015~0.05mm/双行程；精磨0.005~0.01mm/单行程或0.005~0.01mm/双行程四、磨削方法1.外圆磨削在普通外圆磨床、万能外圆磨床或无心磨床上进行，通常作为半精车后的精加工纵磨法工件作圆周进给运动，同时随工作台作纵向进给运动。每一纵向行程或往复行程结束后，砂轮作一次横向进给，把磨削余量逐渐磨去。适用于单件、小批生产以及精磨横磨法（切入磨法）工件无纵向进给运动。采用一个比需要磨削的表面还要宽一些（或一样宽）的砂轮以很慢的送给速度向工件横向进给，直到磨掉全部加工余量。主要用于磨削长度较短的外圆表面以及两边都有台阶的轴径深磨法特点是全部磨削余量在一次纵向走刀中磨去。磨削时工件圆周进给速度和纵向送给速度都很慢，砂轮前端修整成阶梯形或锥形。只适于大批、大量生产，磨削允许砂轮越出被加工面两端较大距离的工件无心外圆磨削法工件放在磨削砂轮和导轮之间，下方有一托板。磨削砂轮旋转起切削作用，工件与导轮之间的摩擦力较大，从而使工件以接近于导轮的线速度回转。多用于细长光轴、轴销和小套等零件的大批、大量生产

2.内圆磨削在普通内圆磨床或万能外圆磨床上进行外；对大型薄壁零件，还可采用无心内圆磨削；对重量大、形状不对称的零件，可采用行星式内圆磨削，此时工件外圆应先经过精加工内圆磨削由于砂轮轴刚性差，一般都采用纵磨法。只有孔径较大，磨削长度较短的特殊情况下，内圆磨削才采用横磨法3.平面磨削零件上各种位置的平面，磨削后平面的Ra值在0.2～0.8之间，尺寸精度可达IT5～IT6，对基面的平行度可达0.005～0.01mm／500mm周边磨削特点是砂轮与工件接触面小，磨削力小，排屑和冷却条件好，工件的热变形小，工件的加工精度高，但生产率较低。端面磨削特点是砂轮与工件接触面大，主轴轴向受力，刚性较好，生产率较高，但磨削力大，排屑和冷却条件较差，工件的热变形较大，工件的加工精度较低

小结磨削工艺范围磨床磨削运动磨削用量磨削方法一、砂轮的特性要素1.磨料氧化物系：刚玉类：棕刚玉（A）白刚玉（WA）、铬刚玉（PA）碳化物系：黑碳化硅（C）绿碳化硅（GA）立方氮化硼：立方氮化硼（CBN）人造金刚石：人造金刚石（MBD等）砂轮的构造1-砂轮2-结合剂3-磨粒4-磨屑5-气孔6-工件8.2砂轮

2.粒度筛选法：区分较大的磨粒。粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小沉积法：区分微细磨粒3.结合剂把磨粒固结成磨具的材料成为结合剂4.硬度磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度称为硬度5.组织组织表示砂轮中磨料、结合剂和气孔间的体积比例砂轮组成要素、代号、性能和适用范围粗加工精加工硬材料软材料粒度粗磨粒细磨粒细磨粒粗磨粒硬度软砂轮硬砂轮软砂轮硬砂轮组织疏松紧密中等疏松砂轮基本参数的选择

常用砂轮的形状、代号及主要用途二、砂轮的形状、尺寸和标志代号名称端面形状形状尺寸标记主要用途1平行砂轮1—D×T×H磨外圆、内孔、平面及刃磨刀具2筒形砂轮2—D×T—W端磨平面4双斜边砂轮4—D×T/U×H磨齿轮及螺纹6杯形砂轮6—D×T×H-W，E端磨平面，刃磨刀具后刀面

常用砂轮的形状、代号及主要用途（续）代号名称端面形状形状尺寸标记主要用途11碗形砂轮11—D/J×T×H—W，E，K端磨平面，刃磨刀具后刀面12a碟形一号砂轮12a—D/J×T/U×H—W，E，K刃磨刀具前刀面41薄片砂轮41—D×T×H切断及磨槽三、3G砂轮20世纪80年代，美国3M公司和Norton公司——SG砂轮SG与GC混合的砂轮CVSG砂轮：SG与CBN混合的砂轮21世纪初，Norton——第二代SG砂轮（TG砂轮）四、人造金刚石砂轮与立方氮化硼砂轮1.人造金刚石砂轮2.立方氮化硼砂轮金刚石砂轮的构造1-磨料层2-过渡层3-基体8.3磨削过程一、砂轮的形貌砂轮上磨粒的形状a）外形b）典型磨粒断面二、磨削过程分析1）砂轮开始接触工件时：由于工艺系统弹性变形，实际背吃刀量比磨床刻度盘显示的径向进给量小2）初磨阶段：工艺系统弹性变形达到一定程度，继续径向进给，实际背吃刀量基本等于径向进给量3）稳定阶段：磨去主要加工余量后，可以减少径向进给量或完全不进给再磨一段时间。实际背吃刀量大于径向进给量4）清磨（光磨）阶段：为了提高磨削精度和表面质量磨粒的切削过程：磨削时磨粒的切削层和工件表面的微观形状1-某次磨削所得的表面2-后一次磨削所得表面3-某磨粒所切削的材料断面积

工件表面粗糙度由砂轮的形貌和磨削用量决定磨削优点：精度高，表面粗糙度小磨削缺点：切除单位体积切屑所消耗的功率大；磨削表面变形、烧伤、应力比较大三、磨削力Ff

=0.1~0.2FcFp=1.6~3.2Fc四、磨削阶段初磨阶段（Ⅰ）稳定阶段（Ⅱ）清磨阶段（Ⅲ）

——开始磨削时采用较大径向进给量以提高生产率；最后阶段采用无径向进给磨削以提高工件质量五、恒压力磨削与恒功率磨削1.恒压力磨削2.恒功率磨削

六、磨削温度磨削区域的平均温度，约400~1000℃影响因素——磨削速度、进给量等七、砂轮的安装与平衡砂轮内孔与砂轮轴或法兰盘外圆之间，一般配合间隙为0.1~0.8mm，高速砂轮间隙要小些。用法兰盘装夹砂轮时，两个法兰盘直径应相等，其外径应不小于砂轮外径的1/3。在法兰盘与砂轮端面间应用厚纸板或耐油橡皮等做衬垫，螺母的拧紧力不能过大，否则砂轮会破裂。紧固螺纹的旋向，应与砂轮的旋向相反。一般直径大于125mm的砂轮都要进行平衡，使砂轮的重心与其旋转轴线重合。一般情况下，只需作静平衡，但在高速磨削(速度大于50m/s)和高精度磨削时，必须进行动平衡。八、砂轮的磨损与修整磨粒的磨损；磨粒的破碎；砂轮表面阻塞；砂轮轮廓失真

发现砂轮失去磨削能力时：修整砂轮！磨粒的磨损、破碎和脱落修整砂轮常用的工具a）大颗粒金刚石笔b）多粒碎金刚石笔c）金刚石滚轮九、磨削加工特点磨削的切削速度高，导致磨削温度高能获得高的加工精度和小的表面粗糙度值磨削的背向磨削力大砂轮有自锐作用能加工高硬度材料小结砂轮的基本参数砂轮形状、尺寸和标示磨削过程分析磨削力磨削阶段磨削温度砂轮磨损与修整磨削加工特点8.4磨削表面质量一、表面粗糙度1.影响因素2.磨削振动磨削时磨粒的切削层和工件表面的微观形状1-某次磨削所得的表面2-后一次磨削所得表面3-某磨粒所切削的材料断面积二、表面烧伤a）磨削温度与烧伤颜色b）烧伤颜色与表面变形层深度

烧伤的程度：轻重其颜色依次分为“浅黄-黄-褐-紫-青”深色者为严重烧伤，肉眼可分辨，浅色者为轻度烧伤，须经酸洗后才能显现磨削淬硬钢时表面烧伤层硬度变化避免烧伤措施：合理选用砂轮合理选用磨削量充分冷却改进磨床结构，精确控制砂轮的切入量三、表面残余应力

表面残余应力的原因：（1）金属组织相变引起的体积变化磨削时，磨削温度使表层组织，体积膨胀，于是里层产生残余拉应力，表层产生残余压应力（2）不均匀的热胀冷缩磨削时，表层与里层呢个温度相差较多（3）残留的塑性变形磨粒切削、刻划磨削表面后，在磨削速度方向，使工件表面上存在着残余拉应力；在垂直于磨削速度方向，由于磨粒挤压金属所引起的变形受两侧材料的约束，工件表面上存在着残余压应力因磨削表面塑性变形二产生的残余应力比较有效的措施：采用立方氮化硼砂轮、减小砂轮切入量，采用切削液，增加清磨次数等一、高速磨削由于相对运动vc+vw增大，磨粒切入工件时的弹性、塑性所引起的隆起减少，使表面粗糙度值减小，如图所示

磨削速度与隆起的关系a)沟痕形状b)磨削速度的影响

8.5先进磨削方法高速磨削特点：

生产率高：生产率比普通磨削高30％—100％砂轮使用寿命可提高：由于每颗磨粒上所承受的切削负荷减小，则其磨削时间可相对延长可提高精度和减小磨削表面的粗糙度改善磨削表面质量：工件转速较高，使砂轮与工件的接触时间缩短，传至工件的磨削热减少，可减少或避免产生烧伤和裂纹的现象二、深切缓进给磨削（蠕动磨削）深切缓进给磨削实例a）燃气轮机叶片b）三爪自定心卡盘的卡爪1.特点

磨削弧面大，切削磨粒多，生产率比普遍磨削高3～5倍不需要无数次撞入工件端部锐边，较长时间保持砂轮的轮廓清晰度磨削力很大，磨削温度很高，共建表面易烧伤，磨床容易振动2.必须采取的措施

要采用顺磨要选用超软的、粒度号小、组织号大的或大气孔砂轮对磨床要求功率大三、超精密磨削与镜面磨削必须采取的措施：要采用高精度磨床超精密磨削使用棕刚玉、白刚玉或微晶刚玉磨料，粒度F60~F80陶瓷结合剂，硬度F、L的砂轮砂轮要用金刚石笔精细修整对前道工序工件的尺寸、形状、位置精度和表面粗糙度都有较高要求——表面粗糙度在Ra0.05～0.01μm的表面磨削方法四、砂带磨削砂带磨削的几种形式a)磨外圆b)磨平面c)无心磨d)自由磨削e)砂带成形磨削1-工件2-砂带3-张紧轮4、5、6-导轮7-成形导向板

砂带结构1—工件2—底胶3—复胶4—磨粒

砂带磨削特点：磨粒颗颗锋利且磨削面积大，故生产率高、适用面广（磨木材、皮革、石料、陶瓷等）砂带有弹性，不易造成磨削烧伤和变形，加工质量好能贴住成形表面磨削，可磨削复杂型面砂带磨床结构简单，消耗功率小，但占地面积较大，噪音大。不能磨削小孔、深孔，不通孔、齿轮等砂带要经常更换，砂带消耗量大8.6光整加工

一、珩磨1.加工原理珩磨加工的工具主要采用珩磨头。珩磨加工时有三种运动，即油石的径向进给、珩磨头旋转和上、下往复运动2.特点加工精度高，但不能纠正上道工序的位置公差表面质量好，表面粗糙度可达Ra0.2～0.04，甚至0.02；且不烧伤表面效率高应用范围广不适合加工断续表面及韧性高的金属材料二、研磨1.研磨原理

研磨是通过研具在一定压力下与加工面作复杂的相对运动而完成的。研具和工件之间的磨粒与研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用和物理、化学作用，使磨粒能从工件表面上切去极薄的一层材料，从而得到极高的尺寸精度和极细的表面粗糙度2.研磨方法

手工研磨

机器研磨