11章磨削与砂轮哈工大版金属切削原理与刀具课件

第11章磨削与砂轮11.概述•磨削质量：一般用于半精加工、精加工。精度：IT4～IT6，甚至±1微米表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至Ra0.01近年来，还用于粗加工和毛坯去硬皮加工重型磨床：磨削余量6mm以上每小时金属切除量：250～360kg•加工材料：除有色金（塑性）金属外的黑色金属，特别是硬材料的有效加工手段•磨削表面：•应用：机床总数的30%--40%磨平面磨孔磨轴磨螺纹花键齿轮11.1砂轮的特性及其选择磨削砂轮的三要要素与五因素砂轮：由坚硬矿物质制成的磨料经过结合剂粘合起来，并经压坯、干燥、焙烧及车整而成的磨削工具。因此，砂轮由磨料、结合剂及气孔三要素组成。砂轮的性能由磨料、粒度、结合度、结合剂和组织这五个因素组成。这些称为砂轮的五因素。1.磨料磨料是制造砂轮的主要原料，磨料具备的条件–硬度高、红硬性好；–有一定的强度和韧性；–有锋利的边刃砂轮结合剂磨粒磨屑气孔工件常用的磨料系列成分应用氧化物系Al2O3钢件碳化物系SiCBC铸铁、硬质合金、宝石超硬磨料CBN硬而韧的钢材金刚石钢铁外所有材料磨料种类代号主要特点主要应用范围棕刚玉A棕褐色，抗破碎能力强，抗氧化、抗腐蚀，韧性强适于磨削抗张强度大的金属材料，如普通碳素钢等白刚玉WA洁白的刚玉晶体，有微刃结构，硬度比棕刚玉高，但脆性大，韧性低，切削能力强主要用于淬火钢、合金钢的细磨精磨，及磨螺纹及齿轮铬刚玉PA玫瑰红色，硬度与白刚玉接近，但韧性高，加工效率高，且加工表面精度、粗糙度高适用于精密刃具、量具、仪表零件。微晶刚玉MA灰色，呈微刃破碎状态，有较好自锐性，韧性强度较高，适于重负荷磨削，可以磨不锈钢、碳素钢、轴承钢等，也用于精密磨削单晶刚玉SA单晶体，浅玫瑰色或白色，硬度韧性都比白刚玉高，抗破碎能力切削能力强，但造价很高，有污染。适于加工韧性大硬度高的难磨材料，如工具钢、合金钢及高钒钢等锆刚玉ZA灰白色，韧性大、强度高，耐磨性好适于高速重负荷磨削，特别适宜加工钛合金及耐热合金镨钕刚玉NA磨削性能优于白刚玉适于加工不锈钢、高速钢等耐热合金黑刚玉BA黑色，自锐性好，磨削发热少，加工表面粗糙度好用于抛光因含铁高，不适宜做陶瓷磨具黑碳化硅C兰黑色，硬度高，脆性大，韧性低适宜抗拉强度低的金属材料及非金属合金如铸铁黄铜绿碳化硅GC绿色透明，纯度高、硬度高，脆性大适宜加工硬而脆的的材料如硬质合金、玻璃等立方碳化硅SC黄绿色，等轴晶系，硬度高，颗粒完整性好，切削能力强微型轴承精密研磨及精密轴承钢和不锈钢。碳化硼BC黑色，高温易氧化分解，不易做磨具，单独使用研磨或抛光硬材料金刚石D硬度高，磨削能力强，导热性好，磨削力，磨削热少，，但易发生化学磨损，耐热性差根据不同牌号（主要有RVD、MBD、SCD、SMD、DMD）加工不同材料立方氮化硼CBN硬度，韧性略低于金刚石，但热稳定性好，化学惰性高，导热性能好，磨削效率高对各种材料都有十分优良的磨削效果磨料选择磨料硬度：必须选则比工件硬度高，且热硬度要好；⑵.磨料韧性：主要影响磨具磨削时自锐性；⑶.抗压强度：影响使用过程中的切削性能；⑷.线膨胀系数：磨料与结合剂线膨胀系数一定要一致，否则将引起砂轮裂纹；⑸.化学成份：直接影响磨料强度、韧性、磨削性能及色泽。如碳化硅磨料其碳化硅含量越高，其磨削性能越好，而棕刚玉中氧化铝含量不应超过97%，这样切削力增加，韧性降低。白刚玉中βAl2O3含量高，切削力差。如碳化硅磨具磨钢材时易与钢发生强烈的化学反应，所以磨削钢材时不易采用碳化硅磨具；⑹.磨粒形状：直接影响有效磨削粒数；⑺.导热性：影响整个磨具导热性；⑻.亲水性：影响磨具成形能力。2.粒度•粒度：磨料颗粒的大小•GB/2481.1.2-2006规定•F粒度号磨料用于固结磨具、研磨抛光用的颗粒大于63μm粗磨料粒度，用F+粒度号表示；用筛分法区别，以能通过的筛网上1英寸（25.4mm）长度上的筛孔数表示。粒度号越大，则磨粒越细。•用于涂附用的，颗粒小于63μm磨料粒度，磨料粒度号是用水选法生产：称为微粉•分粗磨料Ｆ４－Ｆ２２０，微粉Ｆ２３０－１２００。磨具粒度选择与工件性质及磨削条件的关系表粒度选择趋向细←磨具粒度→粗大←粒度号→小工件性质高←工件硬脆→低小←工件材料塑性→大大←工件导热性→小磨削条件小←接触面积→大精加工←加工方式→粗加工小←加工效率→大小←砂轮速度→大3.结合剂•结合剂：将磨料粘结成各种形状和尺寸的砂轮材料•直接影响砂轮的强度、耐热性和耐用度。•砂轮强度：砂轮在离心力作用下不被破坏的能力，用安全速度表示，一般取30m/s。结合剂的选择种类主要成分特点应用场合无机类陶瓷V(A)黏土、生长石、滑石、硼玻璃、硅石等化学稳定性好、耐酸碱、耐高温，但脆性大、易碎裂适宜各类磨削，速度小于35m/s金属M(J)青铜强度高、韧性好，但自砺性差金刚石砂轮有机类树脂B(S)酚醛、环氧弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃磨狭窄的沟槽、切割磨片、高速磨具橡胶R(X)人造橡胶弹性好，但化学稳定性差，不耐酸碱，温度不能超过200℃磨狭窄的沟槽、切割磨片、无心磨导轮。金刚石砂轮•金刚石砂轮一般由基体、非金刚石层、金刚石层组成•金刚石层内每1㎝3体积内金刚石含量称为浓度。•100%浓度是指金刚石层内每1㎝3体积内金刚石含量为4.39克拉（1克拉=0.2克）。•50%浓度是指金刚石层内每1㎝3体积内金刚石含量为2.2克拉。11.1.4.硬度•硬度：指砂轮工作时在磨削力作用下磨粒脱落的难易程度。取决于结合剂的结合能力及所占比例，与磨料硬度无关。•砂轮自砺性：砂轮上磨粒钝化后，磨削力增大，表层的磨粒自行脱落，里层有锋利边刃的磨料露出，代替磨钝的磨粒参加磨削。•砂轮自砺（锐）性与砂轮硬度有关:硬度高，磨粒不易脱落，自砺性差；硬度低，磨粒易脱落，自砺性好。砂轮硬度的选择磨削条件工件硬度工件种类加工接触面磨削种类砂轮粒度高低有色金属、橡胶、树脂淬火钢大小精磨、成形磨粗磨细粗砂轮硬度软特别难磨材料，选用超硬砂轮。硬有色金属韧性大，砂轮孔隙易被磨屑堵塞，一般不宜磨削。软软硬硬为了较好的保持砂轮的形状精度软软硬5.组织•磨料、结合剂、气孔三者比例关系。磨料的比例越大，则砂轮越紧密磨粒气孔结合剂•砂轮组织选择组织号01234567891011121314磨粒率(%)626058565452504846444240383634分类紧密类中等疏松类用途成型磨削,精密磨削磨削淬火钢,刀具刃磨磨削韧性大而硬度不高材料磨削热敏性大的材料（六）砂轮的标志方法按GB2484—84规定，标志顺序如下：磨具形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高线速度。砂轮标志方法示例如下：41400×40×60A60L5B35形状代号薄片外经D＝400mm厚度H＝40mm内径d＝60mm磨料（棕刚玉）60号粒度硬度中软25号组织树脂结合剂最高工作线速度（m/s）11.2磨削加工与磨削运动磨削方法：–外圆磨–内圆磨–平面磨–无心磨磨削运动：1)主运动，砂轮的旋转运动Vc•即磨削速度，•vc↑,Ra↓，但受砂轮的强度限制，常用30－35m/s()smndπvssc/1000=2)工件旋转运动Vw•又称圆周进给运动，即工件速度•vw↑，生产率↑，工件磨削烧伤↓；但vw过大，振动↑，工件Ra↑。smndv3)轴向进给运动fa•工件转动一圈，工件和砂轮在砂轮轴线方向的相对移动。•根据砂轮宽度B选择。–粗磨fa＝(0.3~0.85)B–精磨fa＝(0.2~0.3)B4)径向进给运动fr•工作台两个行程之间砂轮在半径方向上的相对位移。•粗磨fr＝0.01~0.07mm/str•精磨fr＝0.005~0.02mm/str常用磨削用量11.3磨削过程1．速度高、精度高机床名称立式铣床车床平面磨床外圆磨床精密外圆磨床内圆磨床刻度值0.050.020.010.0050.0020.002不同机床控制切深机构的刻度值（mm）2511.3.1磨削特点一般30—50m/s,是车铣的10—20倍2.冷硬程度与能量消耗大温度高磨粒不规则多边形，前角很大的负值，后角很小，塑性变形大，冷硬严重，能量消耗大，是一般加工的10—30倍，温度高，瞬时可达1000°，引起烧伤和裂纹。3.单颗磨粒切削厚度小，单位磨削力大4.径向分力较大5.砂轮有自锐作用使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削。6.磨粒分布随机磨削过程复杂工件材料普通钢淬硬钢铸钢Fp/Fc1.6～1.81.9～2.62.7～3.2一、砂轮的形貌砂轮上磨粒的形状a）外形b）典型磨粒断面11.3.2磨削过程4.磨削过程滑擦阶段磨粒挤压工件，工件表层产生弹性变形和热应力，不切削耕犁（刻划）阶段产生塑性变形沟痕隆起现象和热应力切削阶段切削厚度、切应力和温度达一定值，材料明显滑移形成切屑。5.磨削厚度的分析1)圆周磨削单个磨粒切削厚度的计算端面磨削时每个磨粒的最大切削厚度为•Vc-砂轮转速:Vc↑，Vw↓，hDmax↓，可使工件表面质量得到改善。•砂轮直径D↑，砂轮宽度↑，m越大，fa↓，fr↓可使工件表面质量得到改善。11.4磨削概念•磨粒磨削点温度磨粒切削刃与切屑接触点的温度，1000°-1400°•磨削区域温度砂轮与工件接触区的平均温度•工件平均温升磨削热传人工件而引起的温升，影响工件精度11.4.2砂轮使用寿命、磨削比及磨耗比•砂轮使用寿命T砂轮两次相邻修整间的纯磨削时间，也可用可磨削工件件数表达。寿命验算经验公式11.8•磨削比及磨耗比磨削比:单位时间内磨除金属体积与砂轮损耗体积之比G=QW/QS磨耗比:GS=1/G磨削的三个阶段由于磨削时径向分力FP很大，在磨削过程中工件在半径方向的变形很大，同时磨削的深度fr很小，在磨削过程中fr会发生变化：三种情况:fr实fr刻(初磨阶段)fr实≈fr刻(稳定阶段)fr实0，fr刻＝0(清磨)fr实实际磨削深度fr刻刻度盘显示进给量•初磨阶段tm1：fr实fr刻，原因是工艺系统由于磨削力产生让刀。随着进给次数↑，工艺系统弹性变形↑，变形抗力↑，实际磨削深度fr实↑。•稳定阶段tm2：fr实≈fr刻，当变形抗力和径向磨削分力Fy相等时，工艺系统的弹性变形量稳定，fr实≈fr刻。•清磨阶段tm3：fr实0，fr刻＝0。机床的径向进给停止，fr刻＝0，仍然有火花，因为工艺系统弹性恢复，实际磨削深度逐渐减小，工件的精度↑，表面粗糙度↓。砂轮的磨损与修整一砂轮的磨损磨损表现为磨耗磨损和破碎磨损。自锐性有限，应及时修整，保证砂轮有合理使用寿命，否则引起振动、Ra值增大、表面烧伤或裂纹等。砂轮修整除用于磨损砂轮外，还用于以下场合：•①砂轮被切屑堵塞；•②部分工材粘结在磨粒上；•③砂轮廓形失真；•④精密磨中的精细修整等。•常用修整工具是大颗粒金刚石、多粒细碎金刚石笔、金刚石滚轮。多粒金刚石笔修整效率高，砂轮加工精度好，金刚石滚轮修整效率更高，适用与成形砂轮。•大粒金刚石笔修整，修整深度ap•修整时应使用充足的切削液。二砂轮的修整磨削表面质量1.磨削表面粗糙度•K视磨削条件而异的常数•a,b,c,指数，根据日本渡边的研究a=0.25,b=0.5,c=038cabwaraBfvvfkR•fr↓Ra↓；•vw/v↓Ra↓；•fa/B↓Ra↓；•磨料越细Ra↓；•砂轮半径↑Ra↓；•磨粒等高性好Ra↓；•磨削振动小Ra↓。2.磨削表面的烧伤•由磨削热引起的、在加工表层瞬间发生的氧化变色现象。称磨削烧伤•在较高的磨削温度影响下，工件表层金属产生一层氧化膜。表面烧伤使表面金属的组织破坏，产生表面裂纹，影响工件寿命。•对于钢材，颜色越深，表明磨削温度越高，烧伤深度越深。表面烧伤的产生与防止烧伤类型产生原因硬度防止措施淬火烧伤温度超过相变温度（720℃），急剧冷却，产生硬度更高的二次淬火马氏体组织提高减少磨削热的产生；加速磨削热传散；选用正确的砂轮；选用合理磨削用量；合适的冷却方式。退火烧伤温度超过相变温度（720℃），冷却缓慢，产生退火组织降低回火烧伤温度未