機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件 第二章-12-12

2.9

磨削寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。《警世賢文》磨削是用磨具對(duì)工件進(jìn)行加工的方法，常用的磨具有砂輪、砂帶、油石等，其中砂輪應(yīng)用最廣。磨削常用于半精加工和精加工，加工精度達(dá)IT5～I(xiàn)T6，加工表面粗糙度可小至Ra0.8～0.01μm。當(dāng)采用鏡面磨削時(shí)，可達(dá)Ra0.04～0.01μm。砂輪、砂帶、油石磨削適用于加工較硬的金屬材料及非金屬材料，如淬硬鋼、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷等。磨削的加工余量可以很小，磨削速度(35m/s以上)和磨削溫度很高。近年來，由于采用新型砂輪和新的磨削工藝，磨削加工的應(yīng)用日益廣泛，不僅用于精加工，也可直接將毛坯磨削到加工精度。磨削方式主要有外圓磨削、內(nèi)圓磨削和平面磨削。磨削加工中砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，砂輪與工件之間的相對(duì)直線移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。外圓磨削內(nèi)圓磨削平面磨削砂輪是由一定比例磨料和結(jié)合劑經(jīng)壓制和燒結(jié)而成。其特性取決于磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織等因素。2.9.1

砂輪的特性與選擇一、磨料磨料是砂輪的主要組成部分。具備鋒利的尖角;

高硬度、高耐熱性;一定的韌性。常用磨料的特點(diǎn)及應(yīng)用類別磨料名稱代號(hào)主要成分顏色力學(xué)性能應(yīng)用范圍白剛玉GB(WA)Al2O3>99%白色韌性大硬度大磨削淬火鋼、高速鋼、高碳鋼等棕剛玉GZ(A)Al2O395%TiO32%~3%棕褐色磨削碳鋼、合金鋼、可鍛鑄鐵等碳化硅類黑色碳化硅TH(C)SiC>95%黑色磨削鑄鐵、黃銅、耐火材料及非金屬材料綠色碳化硅TL(GC)SiC>99%綠色磨削硬質(zhì)合金、寶石、陶瓷、玻璃等高硬磨料立方氮化硼CBN立方氮化硼黑色高硬度高強(qiáng)度磨削各種高溫合金、高鉬鋼、高釩鋼、高鈷鋼、不銹鋼等人造金剛石MBDRVD碳結(jié)晶體乳白色磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、寶石、陶瓷等硬質(zhì)材料粒度是指磨料顆粒尺寸的大小。粒度分為粗磨粒和微粉兩類。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2481.1-1998(替換GB2477-1983)。顆粒尺寸大于63μm的磨粒,稱為粗磨粒，用篩分法分級(jí)。粗磨粒標(biāo)示為F4～F220共26級(jí)。顆粒尺寸小于63μm的磨料，稱為微粉，用沉降法進(jìn)行分級(jí)。微粉標(biāo)示為F230～F1200共11級(jí)。標(biāo)示號(hào)數(shù)字越大，顆粒尺寸越小。二、粒度砂輪磨料的粒度對(duì)磨削表面的粗糙度和磨削效率有很大影響。粗粒度砂輪磨削深度大，故磨削效率高，但表面粗糙度值大。細(xì)粒度砂輪加工效率低而被加工工件表面粗糙度值較小。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，磨脆硬的金屬時(shí)，則選用較細(xì)的磨粒。粒度和適用范圍粒度號(hào)適用范圍F4~F14荒磨、重負(fù)荷磨鋼錠、磨皮革、磨地板、噴砂除銹等F16~F30粗磨鋼錠、打毛刺、切斷鋼坯、粗磨平面、磨大理石及耐火材料F36~F60平磨、外圓磨、無心磨、內(nèi)圓磨、工具磨等粗磨工序F70~F100平磨、外圓磨、無心磨、內(nèi)圓磨、工具磨等半精磨工序，工具刃磨、齒輪磨削F120~F220刀具刃磨、精磨、粗研磨、粗珩磨、螺紋磨等F230~F360精磨、珩磨、精磨螺紋、儀器儀表零件及齒輪精磨等F400~F1200超精密加工、鏡面磨削、精細(xì)研磨、拋光等砂輪的硬度是指砂輪工作時(shí)，磨粒在外力作用下自砂輪上脫落的難易程度。砂輪硬表示磨粒難脫落，砂輪軟表示磨粒易脫落。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)，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。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了砂輪的硬度共為7個(gè)等級(jí)，硬度等級(jí)用英文字母標(biāo)記，“A”到“Y”表示由軟至硬。砂輪硬度等級(jí)等級(jí)極軟很軟軟中級(jí)硬很硬極硬代號(hào)ABCDEFGHJKLMNPQRSTY三、硬度結(jié)合劑是把磨粒粘結(jié)在一起組成磨具的材料。名稱代號(hào)(舊)性能適用范圍陶瓷V（A）強(qiáng)度高，耐熱，耐腐蝕性好，氣孔率大，易保持輪廓，彈性差。適用于通用砂輪、成形磨削。樹脂B（S）強(qiáng)度較V高，彈性好，耐熱性差，氣孔率小，易磨損。適用于高速磨削，

可制成薄片砂輪，適用于切口開槽。橡膠R（X）強(qiáng)度與彈性均高于V、B，但耐熱性差，氣孔率小。多用于切斷、開槽、拋光用砂輪。

金屬（J）強(qiáng)度最高，導(dǎo)熱性好，但自銳性差。多用于金剛石砂輪及電解磨削用砂輪。常用結(jié)合劑的性能及適用范圍四、結(jié)合劑砂輪的組織是指組成砂輪的磨料、結(jié)合劑、空隙三部分體積的比例關(guān)系。通常以磨粒所占砂輪的體積百分比來分級(jí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有三種組織狀態(tài)（緊密、中等、疏松），共15級(jí)（0～14）。組織號(hào)越小，磨粒所占的比例越大，砂輪越致密。砂輪疏松則不易堵塞，并可把磨削液或空氣帶入磨削區(qū)，降低磨削溫度。但過分疏松則磨粒含量小，容易磨鈍和失去正確的廓形。故粗磨時(shí)應(yīng)采用疏松砂輪，精磨時(shí)應(yīng)采用組織較緊密的砂輪。砂輪組織分級(jí)

級(jí)別緊密中等疏松組織號(hào)01234567891011121314磨粒占砂輪體積百分比（%）626058565452504846444240383634五、組織磨具通常都具有標(biāo)識(shí)，以砂輪為例，標(biāo)識(shí):P400x100x127A60L(ZR2)5B35P表示平形砂輪(中空?qǐng)A柱形)，外徑400，厚度100，內(nèi)徑127，棕剛玉磨料，60號(hào)粒度，中軟硬度，5號(hào)組織(中等)，樹脂結(jié)合劑，允許的最高磨削線速度為35m/s等。砂輪的標(biāo)識(shí)可查閱相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。六、砂輪標(biāo)識(shí)2.9磨削概述2.9.1砂輪的特性與選擇磨料粒度硬度結(jié)合劑組織標(biāo)識(shí)磨削時(shí)，加工對(duì)象不同，其所需運(yùn)動(dòng)也不同。以外圓磨削為例，包括四個(gè)運(yùn)動(dòng)。2.9.2

磨削運(yùn)動(dòng)及磨削過程1）磨削運(yùn)動(dòng)（1）主運(yùn)動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。磨削速度v是指砂輪外圓的線速度。普通磨削速度為30～35m/s，當(dāng)v＞45m/s時(shí)，稱為高速磨削。（2）徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（3）軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（4）工件運(yùn)動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，以工件轉(zhuǎn)（移）動(dòng)線速度vw表示。工件相對(duì)于砂輪的軸向運(yùn)動(dòng)。以軸向進(jìn)給量fa表示。砂輪徑向切入工件的運(yùn)動(dòng)。在工件每轉(zhuǎn)或工作臺(tái)每行程內(nèi)工件相對(duì)砂輪徑向位移的距離稱為徑向進(jìn)給量fr。磨削是用分布在砂輪表面上的磨粒通過砂輪和被磨工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削。每個(gè)磨粒可以當(dāng)作一把微小的刀具，因此可以把砂輪看作是一個(gè)刀齒數(shù)極多的圓盤銑刀。由于磨粒在砂輪表面上所分布的高度是極不規(guī)則的，并且每個(gè)磨粒的幾何形狀又有很大差異，所以每個(gè)磨粒的切削層形狀又各不相同，磨粒的切削過程與銑刀的切削過程不同。2）磨削過程①滑擦階段

（1）磨屑的形成過程砂輪表面的磨粒在切入工件時(shí)，其作用大致可分為三個(gè)階段：滑擦、刻劃、切削。磨粒開始與工件接觸，切削厚度由零逐漸增大。由于切削厚度較小，而磨粒切削刃的鈍圓半徑及負(fù)前角又很大，磨粒沿工件表面滑行并發(fā)生強(qiáng)烈的擠壓摩擦，使工件表面材料產(chǎn)生彈性變形，工件表層產(chǎn)生熱應(yīng)力。②刻劃階段（耕犁階段）隨著切削厚度的增大，磨粒與工件表面的摩擦和擠壓作用加劇，磨粒開始切入工件，使工件材料因受擠壓而向兩側(cè)隆起，在工件表面形成溝紋或劃痕。此時(shí)除磨粒與工件間相互摩擦外，還有材料內(nèi)部的摩擦，工件表層不僅有熱應(yīng)力，而且有由于彈塑性變形所產(chǎn)生的變形應(yīng)力。此階段將影響工件表面粗糙度及表面燒傷、裂紋等缺陷。當(dāng)切削厚度繼續(xù)增大到一定值時(shí)，磨削溫度不斷升高，擠壓力大于工件材料的強(qiáng)度，使被切材料明顯地沿剪切面滑移而形成切屑，并沿磨粒前刀面流出。工件表面也產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形應(yīng)力。③切削階段由于砂輪表面磨粒高低分布不均，每個(gè)磨粒的切削厚度也不相同，故有些磨粒切削工件形成切屑，有些磨粒僅在工件表面上劃刻、滑擦，從而產(chǎn)生很高溫度。在強(qiáng)烈的擠壓和高溫作用下，磨屑的形狀極為復(fù)雜，常見的磨屑形態(tài)有帶狀屑、節(jié)狀屑和灰燼。①磨粒的前角為負(fù)前角。磨粒的大小、形狀和方位是隨機(jī)的，形成的工作角度也是隨機(jī)的。磨粒的基面是通過磨粒上的選定點(diǎn)包含砂輪軸線的平面，故其前角為一個(gè)絕對(duì)值很大的負(fù)前角，且每一點(diǎn)都不相同。②磨粒切削刃相對(duì)于很小的切削厚度(0.1～10μm)，切削刃鈍圓半徑(一般為10～35μm)很大，因此磨削時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和擠壓作用。

（2）磨削特點(diǎn)③磨削過程的金屬去除是多個(gè)磨粒與工件作用的綜合結(jié)果。磨粒在砂輪表面分布參差不齊，大小不一，形狀各異，高低不同，有些僅起滑擦(拋光)作用，另一些起滑擦和刻劃作用，還有一些完成從滑擦、刻劃到切除切屑的全部功能。此外，在磨削過程中砂輪與工件之間還會(huì)摻入碎裂和脫落的磨粒細(xì)末，產(chǎn)生一定的拋光和研磨作用。所以，磨削過程是一種復(fù)雜的切削、刻劃、拋光和研磨的綜合加工過程。④每個(gè)磨粒的切削厚度都非常小，綜合作用可以得到高的加工精度和小的表面粗糙度。⑤砂輪具有自銳性。在切削加工中，如果刀具磨鈍或損壞，則切削不能再繼續(xù)進(jìn)行而必須重磨刀具。然而磨削時(shí)磨粒的破裂可形成新的銳利的刀刃，磨鈍的磨粒在磨削力的作用下可自行脫落而露出鋒利的新磨粒，使磨削過程繼續(xù)進(jìn)行。砂輪的這種性質(zhì)稱為自銳性(自礪性)。磨削之所以能加工高硬度的工件，在工件和磨粒硬度十分相近的情況下也能進(jìn)行磨削，就是因?yàn)樯拜喚哂凶凿J作用。它使磨粒總能以銳利的刀刃對(duì)工件連續(xù)地進(jìn)行切削。非洲食人蟻a）磨耗磨損。指由于磨粒與工件之間的摩擦、粘結(jié)和擴(kuò)散而在磨粒與工件的接觸處發(fā)生的磨粒磨損，通常在磨粒上形成一個(gè)包含磨削速度的小平面(A)平面。在磨損過程中，磨粒逐漸變鈍，小平面不斷擴(kuò)大。當(dāng)小平面過大且變鈍的磨粒過多時(shí)，應(yīng)通過砂輪修整去除變鈍的顆粒。（3）砂輪的磨損與修整①砂輪的磨損與刀具相同，砂輪在磨削一段時(shí)間后也會(huì)發(fā)生磨損，其磨損形態(tài)有以下三種：磨耗磨損、磨粒破碎、磨粒脫落。b）磨粒破碎。磨削過程中，若作用在磨粒上的應(yīng)力超過磨粒本身的強(qiáng)度時(shí)，磨粒上的一部分就會(huì)以微小碎片的形式從砂輪上脫落沿B面破碎。磨粒破碎能局部地恢復(fù)己磨鈍磨粒的磨削性能。c）磨粒脫落。也叫結(jié)合橋斷裂，磨削過程中，如果磨粒受到的磨削力大于結(jié)合劑所能提供的結(jié)合力，磨粒就會(huì)從砂輪上整體脫落（C面）。磨粒脫落能去除已磨鈍的磨粒，保持砂輪的磨削能力。②砂輪的修整砂輪磨鈍后需要進(jìn)行修整。當(dāng)砂輪的形狀精度被破壞、砂輪表面磨鈍的磨粒太多、磨鈍磨粒的小平面過大砂輪表面已經(jīng)被堵塞，就應(yīng)修整砂輪。修整的目的有三個(gè)：一、去除已經(jīng)磨損或被磨屑堵塞的砂輪表層，使里層銳利的磨粒顯露出來參與切削；二、使砂輪表面形成更多的切削刃，在一個(gè)磨粒上切出很多個(gè)高低相近的微刃，從而減小工件表面的粗糙度值；三、把砂輪已經(jīng)損壞的形狀進(jìn)行修復(fù)。為了達(dá)到上述修整砂輪的目的，尤其是目的之二，除了要根據(jù)具體情況選擇合適的修整工具外，還要確定適當(dāng)?shù)男拚昧?。修整砂輪常用的工具有單粒金剛石筆、多粒細(xì)碎金剛石筆、金剛石滾輪等。應(yīng)用最廣的是用單粒金剛石筆以車削法修整砂輪，其運(yùn)動(dòng)情況類似于在車床上切削螺紋。砂輪上單個(gè)磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同時(shí)對(duì)被磨金屬層進(jìn)行擠壓、刻劃和滑擦，加之磨粒的工作角度又很不合理，因此總的磨削力很大。2.9.3

磨削力為了便于測(cè)量和計(jì)算，將總磨削力分解為三個(gè)相互垂直的分力軸向磨削力Fx徑向磨削力Fy切向磨削力Fz與切削力相比，磨削力有以下特征：徑向磨削力Fy最大。這是因?yàn)槟チ４蠖家载?fù)前角工作，當(dāng)磨粒磨鈍后，形成包含切削速度的小平面，增大了與工件的實(shí)際接觸面積，從而使Fy增大。通常Fy=(1.6～3.2)Fz。軸向磨削力Fx很小，一般可以忽略。在初磨階段，磨削力由小至大變化較大；進(jìn)入穩(wěn)定磨削階段，工藝系統(tǒng)的彈性變形達(dá)到一定程度，此時(shí)磨削力較為穩(wěn)定；光磨階段實(shí)際磨削深度趨近于零，此時(shí)磨削力漸小。磨削力隨不同的磨削階段而變化磨削過程中磨粒的切削厚度很小，摩擦力很大，磨削速度很高，故切除單位體積的材料所消耗的功率為車、銑等其他切削方法的10倍以上。磨削消耗的能量基本都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?.9.4

磨削溫度由于產(chǎn)生的熱量很多，而磨粒經(jīng)過磨削區(qū)的時(shí)間極短，傳給工件的熱量不多，砂輪的導(dǎo)熱性又不好，所切下的切屑數(shù)量很少，在這期間內(nèi)產(chǎn)生的熱