金 屬 切 削 原 理 與 刀 具第10章

1、10.1 砂輪的特性與適用范圍 砂輪是由磨料加結(jié)合劑通過(guò)燒結(jié)的方法而制成的多孔物體。如圖10.1所示，砂輪是由磨料、結(jié)合劑和氣孔3部分組成。砂輪的特性包括磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、組織以及形狀和尺寸等。（1）磨料。分為天然磨料和人造磨料兩大類。目前主要采用人造磨料。常用人造磨料可分為氧化物系、碳化物系和超硬磨料系3大類。氧化物系主要成分為Al2O3；碳化物系主要以碳化硅、碳化硼為基體；超硬磨料系中主要有人造金剛石和立方氮化硼。 第十章 砂輪與磨削 第十章 砂輪與磨削（2）粒度。表示磨料顆粒的大小。舊的表示方法是按大小把磨粒分為一般磨粒和微細(xì)磨粒兩大類。一般磨粒用篩分法來(lái)確定粒度號(hào)，單位為“目”

2、。新的方法是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，粗磨粒標(biāo)示為F4F220共26級(jí)。微細(xì)磨粒的磨粒尺寸小于63 m。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，微粉標(biāo)示為F230F1200共11級(jí)。 砂輪磨料的粒度對(duì)磨削表面的粗糙度和磨削效率有很大影響，所以，粗磨時(shí)一般選粗粒度砂輪，精磨時(shí)選細(xì)粒度砂輪。磨軟金屬時(shí)多選用粗的磨粒，磨脆和硬的金屬時(shí)，則選用較細(xì)的磨粒。圖10.1 砂輪的構(gòu)造第十章 砂輪與磨削（3）硬度。是指在磨削力的作用下，磨粒從砂輪表面脫落的難易程度。也反映磨粒與結(jié)合劑的粘固程度。砂輪硬度主要由結(jié)合劑的強(qiáng)度決定，與磨粒本身硬度無(wú)關(guān)。 砂輪硬度對(duì)磨削質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。一般情況下，加工硬度大的金屬應(yīng)選用軟砂輪，加工軟金屬時(shí)

3、應(yīng)選用硬砂輪；粗磨時(shí)選用軟砂輪，精磨時(shí)選用硬砂輪。（4）結(jié)合劑。是把磨粒固結(jié)成磨具的材料稱。它決定了砂輪的硬度、耐沖擊性、耐腐蝕性和耐熱性及砂輪壽命。（5）組織。表示顆粒、結(jié)合劑和氣孔三者體積的比例關(guān)系。也表示砂輪結(jié)構(gòu)的緊密或疏松程度。磨粒在砂輪體積中所占比例越大，砂輪的組織越緊密，氣孔越??；反之，組織越疏松，如圖10.2所示。第十章 砂輪與磨削 砂輪的組織可分為緊密、中等、疏松3大類，組織號(hào)細(xì)分為014，其中03號(hào)屬緊密類；47號(hào)屬中等類；814號(hào)屬疏松類。 緊密類砂輪適用于在重壓力下磨削；中等組織的砂輪適用于一般磨削；疏松類砂輪，適用于粗磨、平面磨、內(nèi)圓磨等磨削接觸面積較大的工件，以及磨削

4、熱敏感性較強(qiáng)的材料、軟金屬和薄壁工件。圖10.2 砂輪的組織第十章 砂輪與磨削（6）形狀和尺寸。砂輪的形狀和尺寸是根據(jù)磨床類型、加工方法及加工要求來(lái)確定的。根據(jù)GB/T 24841994規(guī)定，其主要常用砂輪的形狀、代號(hào)及用途如表10.6所示。 在生產(chǎn)中，為便于對(duì)砂輪進(jìn)行管理和選用，通常將砂輪的形狀、尺寸和特性標(biāo)注在砂輪端面上，其順序?yàn)樾螤睢⒊叽?、磨料、粒度?hào)、硬度、組織號(hào)、結(jié)合劑和允許的最高工作圓周線速度。其中尺寸一般指外徑厚度內(nèi)徑。 第十章 砂輪與磨削第十章 砂輪與磨削10.2磨削加工技術(shù) 10.2.1 磨削運(yùn)動(dòng)及磨削用量 磨削時(shí)一般有3種運(yùn)動(dòng)，外圓磨削、內(nèi)圓磨削和平面磨削，如圖10.3所示

5、。 圖10.3 磨削運(yùn)動(dòng)第十章 砂輪與磨削（1）主運(yùn)動(dòng)。砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，砂輪外圓的線速度即主運(yùn)動(dòng)速度v。 （10-1）（2）徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。砂輪相對(duì)于工件徑向的運(yùn)動(dòng)，其大小用徑向進(jìn)給量fr表示。徑向進(jìn)給量亦稱磨削深度ap。（3）軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工件相對(duì)砂輪軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，軸向進(jìn)給量用fa表示，它指工件每一轉(zhuǎn)或工作臺(tái)每一次行程，工件相對(duì)砂輪的軸向移動(dòng)的距離。（4）圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，工件外圓的線速度，即為圓周進(jìn)給速度vw，單位為m/s。外圓磨削時(shí)： （10-2） 第十章 砂輪與磨削10.2.2 磨粒對(duì)工件的作用 從本質(zhì)上講，磨削也是一種切削。砂輪可看作是具有極多微小刀齒的銑刀，這

6、些刀齒隨機(jī)排列在砂輪表面上，磨削時(shí)，比較鋒利和凸出的磨粒，可以獲得較大的切削厚度，從而切下切屑；不太凸出或磨鈍的磨粒，只是在工件表面上刻劃出很小的溝痕，工件材料則被擠向磨粒兩旁，在溝痕兩邊形成隆起，如圖10.4所示。比較凹下的磨粒，既不切削也不刻劃工件，只是從工件表面滑擦而過(guò)。 砂輪的自行推陳出新、以保持自身鋒銳的性能，稱為“自銳性”。但由于切屑和碎磨粒會(huì)把砂輪堵塞，使它失去切削能力；而且磨粒隨機(jī)脫落的不均勻性，會(huì)使砂輪失去外形精度，所以在磨削一定時(shí)間后，仍需對(duì)砂輪進(jìn)行修整第十章 砂輪與磨削 磨粒要切下切屑，要經(jīng)歷滑擦、刻劃和切削3個(gè)階段。 第1階段，磨粒從工件表面滑擦而過(guò)，只有彈性變形而無(wú)切

7、屑；第2階段，磨粒切入工件表層，刻劃出溝痕并形成隆起；第3階段，切削厚度增大到某一臨界值，切下切屑。砂輪的磨削過(guò)程，實(shí)際上就是滑擦、刻劃和切削3種作用的綜合。在磨屑形成過(guò)程中，因強(qiáng)烈的滑擦、刻劃、擠壓，而產(chǎn)生很高的摩擦速度并產(chǎn)生很高的溫度。又由于切削厚度小，使磨屑尺寸細(xì)小而形狀各異。另外磨削時(shí)除了產(chǎn)生正常的切屑外，還產(chǎn)生金屬微塵等。磨削時(shí)看到的火花，是切屑離開工件后氧化和燃燒所產(chǎn)生的現(xiàn)象。 圖10.4 磨粒切削過(guò)程第十章 砂輪與磨削10.2.3 磨削階段 可將磨削過(guò)程分成如圖10.5所示的3個(gè)階段。（1）初磨階段。在最初幾次進(jìn)給中，實(shí)際磨削深度小于徑向進(jìn)給量。機(jī)床、工件、夾具工藝系統(tǒng)剛性越差，

8、此階段的磨削時(shí)間越長(zhǎng)。（2）穩(wěn)定階段。當(dāng)系統(tǒng)彈性變形達(dá)到一定程度后，繼續(xù)進(jìn)給時(shí)，其實(shí)際磨削深度基本上等于徑向進(jìn)給量。（3）清磨階段。當(dāng)磨削余量即將磨完時(shí)，法向力Fn減小。由于工藝系統(tǒng)的彈性變形逐漸恢復(fù)，使實(shí)際磨削深度大于零。因此，在無(wú)切深情況下應(yīng)增加走刀次數(shù)，使實(shí)際磨削深度逐漸趨于零，直至磨削火花消失，這個(gè)階段叫清磨階段。清磨階段可以提高磨削精度，減小表面粗糙度。第十章 砂輪與磨削 從圖10.5中可知，要提高生產(chǎn)率，應(yīng)縮短初磨階段和穩(wěn)定階段，要提高表面質(zhì)量必須保持適當(dāng)?shù)那迥プ叩洞螖?shù)和清磨時(shí)間。圖10.5 磨削過(guò)程的3個(gè)階段第十章 砂輪與磨削10.2.4 磨削熱與磨削溫度1磨削熱的來(lái)源 磨粒對(duì)工

9、件進(jìn)行滑擦、刻劃和切削過(guò)程中，所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為能量，即形成磨削熱。2影響磨削溫度的主要因素（1）磨削用量。當(dāng)砂輪速度、徑向進(jìn)給量增大時(shí)，磨削熱增加，磨削溫度升高。（2）砂輪特性。當(dāng)砂輪硬度較軟，磨料硬而脆時(shí)可降低磨削溫度；砂輪粒度較粗，組織較疏松時(shí)可降低磨削溫度（3）工件材料性能。當(dāng)工件材料強(qiáng)度高、韌性大、熱導(dǎo)率低時(shí)，磨削溫度高；反之，則磨削溫度低。 為了降低磨削溫度，除正確選擇砂輪和磨削用量外，還可以采取及時(shí)修整砂輪，正確使用磨削液措施等。第十章 砂輪與磨削3磨削熱和磨削溫度對(duì)工件表面的影響（1）工件表面燒傷。工件加工表面表層變質(zhì)的現(xiàn)象叫表面燒傷。實(shí)際上，在磨削各種鋼料時(shí)，燒傷產(chǎn)生

10、于磨粒磨損達(dá)到一定限度時(shí)。 磨削時(shí)，已加工表面硬度也將發(fā)生變化。當(dāng)工件表面溫度顯著地超過(guò)鋼的回火溫度但仍低于相變溫度時(shí)，表面會(huì)變軟。當(dāng)鋼件表面溫度超過(guò)相變溫度723時(shí)，就會(huì)形成奧氏體，隨后被工件深處較冷的基體淬硬而得到馬氏體硬層，這就稱為二次淬火燒傷。 工件表面燒傷的表征是磨削力與砂輪磨損率增加和加工表面質(zhì)量變差。表面燒傷損壞了零件表層組織，影響了零件的質(zhì)量和壽命。此時(shí)砂輪已到必須重新修整的時(shí)候。第十章 砂輪與磨削 減小和防止燒傷的主要措施是：正確選擇砂輪并保持砂輪良好的切削性能；選擇合適的磨削方法；選擇合理的切削用量；采用好的切削液及正確潤(rùn)滑方法等。（2）加工表面的殘余應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可提高

11、零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，而殘余拉應(yīng)力卻使零件表面翹曲，強(qiáng)度降低。當(dāng)超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)使零件產(chǎn)生裂紋。 產(chǎn)生磨削表面殘余應(yīng)力的原因是殘留的塑性變形和熱影響和相變作用。 用軟砂輪進(jìn)行超緩進(jìn)給磨削時(shí)，不存在可以察覺的殘余拉應(yīng)力而僅存在表面壓應(yīng)力。但對(duì)軟鋼或硬鋼進(jìn)行重負(fù)荷磨削時(shí)，則在較深的表面中產(chǎn)生較高的殘余拉應(yīng)力，而且在軟鋼中應(yīng)力分布更深。第十章 砂輪與磨削 引起高的殘余應(yīng)力的因素是：低的工件速度、硬而鈍的砂輪、干磨或用水溶性乳化液磨削，高的切入進(jìn)給率和高的砂輪表面速度。 減小殘余應(yīng)力的措施：降低磨削溫度和工件表面的溫度梯度；控制恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量；適當(dāng)增加清磨次數(shù)。其中最主要的控制方法是：采用切

12、削液。有效的潤(rùn)滑能夠減少工件與砂輪接觸區(qū)的熱輸入，并減小對(duì)加工表面的熱干擾。 裂紋總是與表面燒傷或接近燒傷相聯(lián)系。顯微照片表明：裂紋與工件熱處理時(shí)引起的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。因此，減少磨削裂紋形成的途徑之一是改善磨削前的熱處理規(guī)范，以減小晶界上的淬火變形。此外，在磨削時(shí)使用油劑切削液也能抑制燒傷，并使裂紋出現(xiàn)機(jī)會(huì)減少。 第十章 砂輪與磨削10.2.5 砂輪磨損及修整1砂輪的磨損 砂輪的磨損可分為磨耗磨損和破碎磨損，如圖10.6所示。磨耗磨損（圖中CC部分）的特征為磨粒一層一層被磨掉。它是由磨粒和工件之間的摩擦而引起的。破碎磨損是由磨粒的破碎（圖中BB部分）或者結(jié)合劑的破碎（圖中AA部分）而引起的。破碎磨

13、損的強(qiáng)烈程度取決于磨削力的大小和磨?；蚪Y(jié)合劑的強(qiáng)度。兩種磨損相比，破碎磨損所消耗砂輪的比重較大。對(duì)軟砂輪來(lái)說(shuō)，結(jié)合劑的破碎比磨粒的破碎要多些。但從磨損后的影響來(lái)看，磨耗磨損影響更大些。這是因?yàn)槟ズ哪p直接影響到砂輪磨損表第十章 砂輪與磨削面的大小及磨削力的大小，而這些因素又反過(guò)來(lái)影響破碎磨損、砂輪耐用度以及磨削區(qū)溫度的高低和被磨工件的表面質(zhì)量。此外，磨削下來(lái)的磨屑嵌入砂輪的氣孔中，會(huì)影響容屑空間和排屑，也能使砂輪失去磨削能力。砂輪磨損后若繼續(xù)使用就會(huì)使磨削力增加，磨削效率降低，磨削表面質(zhì)量下降；同時(shí)發(fā)生振動(dòng)和噪聲，應(yīng)及時(shí)修整。 圖10.6 砂輪的磨耗磨損及破碎磨損第十章 砂輪與磨削2砂輪的修整

14、 砂輪磨損后應(yīng)修整，以消除鈍化的磨粒和堵塞層，恢復(fù)砂輪的切削性能及正確形狀。砂輪修整是用修整工具把砂輪工作表面修整成所要求的廓型和銳度。砂輪的修整方法和條件對(duì)砂輪表面形貌和砂輪切削能力有很大影響。 第一類修整工具是本身不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。如單顆、單排與多排金剛石等。這類修整工具中目前用得最多的是前兩種。單顆金剛石筆的修整過(guò)程如圖10.7所示。單顆和單排金剛石修整工具的修整深度ad一般為0.0050.1mm，軸向進(jìn)給量fa為0.050.4 mm。 第二類修整工具是本身作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，有時(shí)還作直線運(yùn)動(dòng)。這就是金剛石修整滾輪。此時(shí)金剛石顆粒是分布在第十章 砂輪與磨削一個(gè)面上而不是在一條線上。滾輪修整時(shí)，滾

15、輪壽命長(zhǎng)，修整時(shí)間短，具有較高的尺寸精度和形狀精度，但成本高圖10.7 用金剛石筆修整砂輪第十章 砂輪與磨削對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和剛度有較嚴(yán)格要求。僅適于大批量生產(chǎn)或成形砂輪修整。金剛石滾輪的修整形式如圖10.8所示。圖10.8 金剛石滾輪的修整方式第十章 砂輪與磨削10.3先進(jìn)磨削方法簡(jiǎn)介 10.3.1 高速磨削 砂輪線速度高于45m/s的磨削稱為高速磨削。經(jīng)濟(jì)的磨削速度是5060m/s。高速磨削的特點(diǎn)如下。（1）在一定的單位時(shí)間磨除量下，當(dāng)砂輪線速度提高時(shí)，磨粒的當(dāng)量切削厚度變薄，這就使得磨粒的負(fù)荷減輕，砂輪耐用度提高；磨削表面粗糙度減??；法向磨削力減小，使得工件精度較高。（2）如果砂輪磨粒切削厚度

16、保持一定，則在線速度提高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)磨除量可以增加，生產(chǎn)率得以提高。 高速磨削時(shí)的注意事項(xiàng)如下。（1）砂輪主軸轉(zhuǎn)速須隨線速度的提高而相應(yīng)地提高，砂輪第十章 砂輪與磨削傳動(dòng)系統(tǒng)功率須足夠，機(jī)床剛性須足夠，并注意減小振動(dòng)（2）砂輪速度必須足夠，保證在高速旋轉(zhuǎn)下不會(huì)破裂；除應(yīng)經(jīng)過(guò)靜平衡試驗(yàn)外，最好采用砂輪動(dòng)平衡裝置；砂輪必須有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)罩。（3）必須具有良好的冷卻條件，有效的排屑裝置。10.3.2 強(qiáng)力磨削 強(qiáng)力磨削又叫深磨、蠕動(dòng)磨削或大切深緩進(jìn)給磨削。它是以較大的切削深度和很低的工作臺(tái)進(jìn)給速度磨削工件，經(jīng)一次或數(shù)次走刀即可磨到所要求的尺寸形狀精度，適于磨削高硬度高韌性材料，如耐熱合金、不銹鋼和高速鋼等的型面和溝槽。第十章 砂輪與磨削10.3.3 超精磨削與鏡面磨削 可獲得表面粗糙度Ra值在0.010.04m范圍內(nèi)的磨削方法稱為超精磨削；Ra值不大于0.01m的磨削方法稱為鏡面磨削。 超精磨削與鏡面磨削中，砂輪以磨粒微刃切削、刻劃工件，經(jīng)仔細(xì)修整后，砂輪表面具有大量等高的微刃，這些微刃在工件表面上切下微細(xì)的切屑，形成表面粗糙度Ra值很小的磨削表面。經(jīng)一定的切削過(guò)程后，磨粒微