第七章-磨削與砂輪

第14章

磨削與砂輪

主要內(nèi)容

一、砂輪的特性及其選擇

二、磨削加工類型和磨削運(yùn)動(dòng)

三、磨削過(guò)程

四、磨削表面質(zhì)量

五、先進(jìn)磨削方法磨削是常用的精加工方法精度：IT4～I(xiàn)T6，甚至±1微米表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至Ra0.01硬材料的有效加工手段近年來(lái)，還用于粗加工和毛坯去硬皮加工重型磨床：磨削余量6mm以上每小時(shí)金屬切除量：250～360kg磨面磨孔一、砂輪的特性及其選擇常用磨削工具：砂輪、砂布、砂帶、油石等砂輪磨料和結(jié)合劑燒結(jié)而成的多孔體砂輪的五因素：磨料，粒度，結(jié)合劑，組織(表示砂輪中磨料、結(jié)合劑和氣孔間的體積比例)，硬度1.磨料磨料具備的條件硬度高、紅硬性好；有一定的強(qiáng)度和韌性；有鋒利的邊刃砂輪結(jié)合劑磨粒磨屑?xì)饪坠ぜＳ玫哪チ舷盗?/p>

成

分

顯微硬度(HV)氧化物系

Al2O32000～2300碳化物系

SiCBC2800～4500超硬磨料

CBN8000～9000金剛石8000～10000性能特點(diǎn)：氧化物系磨料，由于其強(qiáng)度高、韌性大、與鋼鐵不發(fā)生反應(yīng)，主要用于磨削鋼類零件。碳化物系磨料，由于其硬度高，但強(qiáng)度低、韌性較差，故不宜磨削鋼類零件。而主要適用于磨削鑄鐵、硬質(zhì)合金、寶石等硬而脆的材料。但脆性也較大。它的刃口很鋒利，易破碎形成新刃口。其導(dǎo)熱性能較好，砂輪也不易堵塞，適于磨削硬而脆的材料。其中黑碳化硅主要用于磨削鑄鐵、黃銅、軟青銅及非金屬材料等，綠碳化硅主要用于磨削硬質(zhì)合金。碳化硅不適合磨削鋼及耐熱臺(tái)金，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)磨損。1．碳化硅磨粒比氧化鋁磨粒堅(jiān)硬，但抗彎強(qiáng)度比氧化鋁磨粒差得多；故一般當(dāng)磨削加工硬表層合金、鑄鐵和硬質(zhì)合金等強(qiáng)度較高時(shí)的材料，碳化硅磨粒比氧化鋁磨粒的磨削效率高。磨削加工鋼、包括不銹鋼及高強(qiáng)度合金鋼，退了火的可鍛鑄鐵等選用氧化鋁磨粒砂輪。2．一般說(shuō)來(lái)，氧化鋁、碳化硅磨料的硬度增加時(shí)，易碎性表現(xiàn)得增加；3．碳化硅類磨粒較鋒銳，其尖端圓半徑比剛玉類小30%左右，它比剛玉類有較大的忍受熱沖擊的能力，在磨削溫度作用下比較不易產(chǎn)生裂紋。磨削時(shí)也比剛玉類磨粒較少產(chǎn)生粘結(jié)磨損；4．人造金剛石比天然金剛石略脆一些，顆粒較細(xì)，表面較粗糙，宜于作砂輪；5．立方氮化硼是以六方氮化硼為原料，使用金屬觸媒劑（如鎂粉），在高溫高壓下合成的磨料，硬度僅次于金剛石，抗彎強(qiáng)度約為正規(guī)氧化鋁的兩倍，熱穩(wěn)定性好。立方氮化硼易和水蒸汽反應(yīng)而生成氨和硼酸，所以不宜用水作磨削液，可用5％～10％以上的重油或100％的純油。

2.粒度粒度：磨料顆粒的大小，分粗磨料Ｆ４－Ｆ２２０，微粉Ｆ２３０－１２００。數(shù)字表示每英寸上的篩眼數(shù)，數(shù)字越大，表示粒度越細(xì)。磨料粒度號(hào)和顆粒尺寸3.結(jié)合劑結(jié)合劑：將磨料粘結(jié)成各種形狀和尺寸的砂輪，直接影響砂輪的強(qiáng)度、耐熱性和耐用度。砂輪強(qiáng)度：砂輪在離心力作用下不被破壞的能力，用安全速度表示，一般取30m/s。結(jié)合劑的選擇種類

主要成分特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)機(jī)類陶瓷V(A)黏土、生長(zhǎng)石、滑石、硼玻璃、硅石等

化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐高溫，但脆性大、易碎裂

磨削厚度大、軸向力小、速度小于35m/s

金屬M(fèi)(J)青銅

強(qiáng)度高、韌性好，但自礪性差

金剛石砂輪

有機(jī)類樹脂B(S)酚醛、環(huán)氧

彈性好，但化學(xué)穩(wěn)定性差，不耐酸堿，溫度不能超過(guò)200℃

磨狹窄的溝槽、切割磨片、熱敏材料的磨具

橡膠R(X)人造橡膠

彈性好，但化學(xué)穩(wěn)定性差，不耐酸堿，溫度不能超過(guò)200℃

磨狹窄的溝槽、切割磨片、熱敏材料的磨具、導(dǎo)輪、拋光輪。

4.硬度硬度：結(jié)合劑對(duì)磨料的粘結(jié)力。粘結(jié)力越大，磨料越不易脫落，砂輪的硬度越高。砂輪自礪性：砂輪上磨粒鈍化后，磨削力增大，表層的磨粒自行脫落，里層有鋒利邊刃的磨料露出，代替磨鈍的磨粒參加磨削。砂輪自礪性與砂輪硬度有關(guān):硬度高，磨粒不易脫落，自礪性差；硬度低，磨粒易脫落，自礪性好。砂輪的硬度等級(jí)名稱和代號(hào)砂輪硬度的選擇磨削條件

工件硬度

工件種類

加工接觸面

磨削種類

砂輪粒度

高低有色金屬、橡膠、樹脂

淬火鋼

大

小精磨、成形磨

粗磨

細(xì)粗砂輪硬度軟硬軟硬軟硬硬軟軟硬5.

組織磨料、結(jié)合劑、氣孔三者比例關(guān)系。磨料的比例越大，則砂輪越緊密磨粒氣孔結(jié)合劑組織組織號(hào)選用緊密類0、1、2、3重壓力磨削、成形磨削、精密磨削

中等類

4、5、6、7一般情況下的磨削

疏松類

8、9、10、11、12

接觸面較大的磨削、熱敏材料的磨削、薄壁件磨削、軟質(zhì)材料磨削

砂輪組織選擇6.形狀、尺寸與標(biāo)注常用砂輪的形狀、代號(hào)及主要用途標(biāo)注順序：形狀代號(hào)—尺寸—磨料粒度號(hào)硬度組織號(hào)結(jié)合劑—最高工作速度二、磨削運(yùn)動(dòng)和磨削過(guò)程（1）1.砂輪的形貌磨粒在砂輪的圓周方向、半徑方向均隨機(jī)分布；實(shí)際參與磨削的有效切削刃數(shù)量隨磨削工藝變化而變化磨粒形狀不規(guī)則，以八面菱形為最多2.磨粒的特點(diǎn)刀尖角為90～120°，負(fù)前角；切削刃為空間曲線，前刀面為空間曲面，且形狀不規(guī)則；磨粒的切削刃有幾個(gè)到幾十個(gè)微米的圓角；經(jīng)過(guò)修整，磨粒上會(huì)出現(xiàn)微刃。3.磨削運(yùn)動(dòng)磨削方法：外圓磨內(nèi)圓磨平面磨無(wú)心磨磨削運(yùn)動(dòng)：1)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Vc即磨削速度，主運(yùn)動(dòng)vc↑,Ra↓，但受砂輪的強(qiáng)度限制，常用30－35m/s2)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Vw又稱圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即工件速度vw↑，生產(chǎn)率↑，工件磨削燒傷↓；但vw過(guò)大，振動(dòng)↑，工件Ra↑。3)軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)fa工件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，工件和砂輪在砂輪軸線方向的相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)砂輪寬度B選擇。粗磨fa＝(0.3~0.85)B精磨fa＝(0.2~0.3)B4)徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)fr工作臺(tái)兩個(gè)行程之間砂輪在半徑方向上的相對(duì)位移。粗磨fr＝0.01~0.07mm/行程精磨fr＝0.005~0.02mm/行程常用磨削用量4.磨削過(guò)程(3)滑擦階段磨粒擠壓工件，工件表層產(chǎn)生彈性變形和熱應(yīng)力，不切削刻劃階段產(chǎn)生塑性變形溝痕隆起現(xiàn)象和熱應(yīng)力切削階段切削厚度、切應(yīng)力和溫度達(dá)一定值，材料明顯滑移形成切屑。5.磨削厚度的分析1)單個(gè)磨粒切削厚度的計(jì)算P249Vw-工件轉(zhuǎn)速:

Vw↑，hDmax↑(生產(chǎn)效率高)，但磨粒的負(fù)荷增加，砂輪磨損快。

Vc-砂輪轉(zhuǎn)速:

Vc↑，hDmax↓，可使工件表面質(zhì)量得到改善。B-砂輪寬度:砂輪寬度↑，同時(shí)參與磨削的磨粒個(gè)數(shù)成比例↑，hDmax↓。

fr-徑向進(jìn)給量:

hDmax與fr不成正比，fr提高一倍，hDmax只提高41.4%，所有在剛度允許的情況下，采用fr↑，fa↓，可以提高生產(chǎn)率（深磨法）。

fa-軸向進(jìn)給量:fa↑，同一時(shí)間磨去的金屬量成比例↑，hDmax↑。D-砂輪直徑;

D↑，hDmax↓，磨粒的負(fù)荷降低，工件表面質(zhì)量改善。Dw-工件直徑:

Dw↓，hDmax↑。2)當(dāng)量磨削厚度磨粒分布和切削的隨機(jī)性使得很難以“切削厚度”的概念為基礎(chǔ)來(lái)研究磨削過(guò)程CIRP(國(guó)際生產(chǎn)技術(shù)研究會(huì))提出以當(dāng)量磨削厚度的概念作為研究磨削過(guò)程的基本參數(shù)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)袁哲俊教授、天津大學(xué)張國(guó)雄教授和南京航空航天大學(xué)朱劍英教授

)。

★當(dāng)量磨削厚度(hDeq)的概念

單位寬度的砂輪切除的金屬量，沿著砂輪速度方向(vc)鋪成一條寬度相同，長(zhǎng)度為l的假想金屬帶，金屬帶的厚度就是hDeq。單位時(shí)間砂輪切除的金屬體積Q當(dāng)量磨削厚度(hDeq)★當(dāng)量磨削厚度(hDeq)的計(jì)算P251Q=1000Vwfrfa

hDeq

=q/vc

q=Q/B★當(dāng)量磨削厚度(hDeq)的意義hDeq與磨削力，表面粗糙度和金屬去除率有著良好的線性關(guān)系hDeq不能反應(yīng)與砂輪有關(guān)的參數(shù)，與磨削溫度沒有明顯的線性關(guān)系6.磨削力與磨削三個(gè)階段1)磨削力的特征產(chǎn)生：工件彈性變形和塑性變形的阻力；磨粒與切屑、磨粒與工件之間的摩擦力。特點(diǎn)：摩擦力所占比例大；徑向分力FP大于切向分力Fc(FP=(1.6-3.2)Fc)，F(xiàn)c大于軸向分力Ff(Ff=(0.1-0.2)Fc)。材料的塑性越小，F(xiàn)P/Fc就越大。2)磨削的三個(gè)階段

由于磨削時(shí)徑向分力FP很大，在磨削過(guò)程中工件在半徑方向的變形很大，同時(shí)磨削的深度f(wàn)r很小，在磨削過(guò)程中fr會(huì)發(fā)生變化：三種情況:fr實(shí)<fr刻(初磨階段)fr實(shí)≈fr刻(穩(wěn)定階段)fr實(shí)>0，fr刻＝0(清磨)（這些現(xiàn)象是：）fr實(shí)實(shí)際磨削深度f(wàn)r刻刻度盤顯示進(jìn)給量初磨階段tm1：fr實(shí)<fr刻，原因是工藝系統(tǒng)由于磨削力產(chǎn)生讓刀。隨著進(jìn)給次數(shù)↑，工藝系統(tǒng)彈性變形↑，變形抗力↑，實(shí)際磨削深度f(wàn)r實(shí)↑。穩(wěn)定階段tm2：fr實(shí)≈fr刻，當(dāng)變形抗力和徑向磨削分力Fy相等時(shí)，工藝系統(tǒng)的彈性變形量穩(wěn)定，fr實(shí)≈fr刻。清磨階段tm3：fr實(shí)>0，fr刻＝0。機(jī)床的徑向進(jìn)給停止，fr刻＝0，仍然有火花，因?yàn)楣に囅到y(tǒng)彈性恢復(fù)，實(shí)際磨削深度逐漸減小，工件的精度↑，表面粗糙度↓。恒壓磨削與恒功率磨削恒壓是指控制背向力FP為定值的磨削方法恒功率是指控制Ｆc為定值的磨削方法7.磨削熱與磨削溫度

劃擦階段、刻劃階段、切削階段消耗的能量。這些能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量，產(chǎn)生磨削熱?！锬ハ鳠岬膫鬟f

由于砂輪的導(dǎo)熱性差，和工件接觸時(shí)間短，磨屑的熱容小，磨削液不易進(jìn)入磨削區(qū)，大部分（80％～90％）的熱量通過(guò)工件傳遞。磨削熱工件砂輪磨屑磨削液★磨削溫度的特點(diǎn)傳入工件熱量多。磨削溫度高，磨削區(qū)溫度達(dá)到1000～1400℃；加熱速度快，磨粒通過(guò)磨削區(qū)的時(shí)間極短，加熱速度達(dá)到1×105℃/s。砂輪的磨損與修整1.砂輪的磨損磨損表現(xiàn)為磨耗磨損和破碎磨損。自銳性有限，應(yīng)及時(shí)修整，保證砂輪有合理使用壽命，否則引起振動(dòng)、Ra值增大、表面燒傷或裂紋等。

砂輪修整除用于磨損砂輪外，還用于以下場(chǎng)合：①砂輪被切屑堵塞；②部分工材粘結(jié)在磨粒上；③砂輪廓形失真；④精密磨中的精細(xì)修整等。常用修整工具是大顆粒金剛石（金剛石車如何修整）、多粒細(xì)碎金剛石筆、金剛石滾輪。多粒金剛石筆修整效率高，砂輪加工精度好，金剛石滾輪修整效率更高，適用與成形砂輪。大粒金剛石筆修整，修整深度ap

修整時(shí)應(yīng)使用充足的切削液。2.砂輪的修整修整砂輪常用的工具a）大顆粒金剛石筆b）多粒碎金剛石筆c）金剛石滾輪三、磨削表面質(zhì)量(1)1.磨削表面粗糙度

K視磨削條件而異的常數(shù)a,b,c,指數(shù)，根據(jù)日本渡邊的研究a=0.25,b=0.5,c=038fr↓Ra↓；vw/v↓Ra↓；fa/B↓Ra↓；磨料越細(xì)

Ra↓；砂輪半徑↑

Ra↓；磨粒等高性好

Ra↓；磨削振動(dòng)小

Ra↓。2.磨削表面的燒傷

由磨削熱引起的、在加工表層瞬間發(fā)生的氧化變色現(xiàn)象。稱磨削燒傷在較高的磨削溫度影響下，工件表層金屬產(chǎn)生一層氧化膜。表面燒傷使表面金屬的組織破壞，產(chǎn)生表面裂紋，影響工件壽命。對(duì)于鋼材，顏色越深，表明磨削溫度越高，燒傷深度越深。表面燒傷的產(chǎn)生與防止燒傷類型

產(chǎn)生原因硬度防止措施淬火燒傷溫度超過(guò)相變溫度（720℃），急劇冷卻，產(chǎn)生硬度更高的二次淬火馬氏體組織提高減少磨削熱的產(chǎn)生；加速磨削熱傳散；選用正確的砂輪；選用合理磨削用量；合適的冷卻方式。退火燒傷溫度超過(guò)相變溫度（720℃），冷卻緩慢，產(chǎn)生退火組織降低回火