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第四章磨削加工磨削加工磨削加工原理及其概述、磨床的基本运动与特点砂轮的性质和使用选择表面光整加工方法和原理磨削加工的特点磨削加工是利用磨具，从工件表面切去切屑的一种加工方法。由于磨削加工时，切去金属的量很小，仅几个微米甚至更小，所以磨削加工后的工件，尺寸精度就很高，工件表面的粗糙度也很小。磨削后可达到的尺寸加工精度为0.02μm~0.02μm，表面粗糙度值为0.02μm~0.02μm。磨削加工工艺主要用于零件的精密加工和超精密加工。除能加工普通硬度材料外，还常用于一般刀具难以切削的高硬度材料的加工，如淬硬钢，硬质合金和各种宝石等。能磨削外圆，内孔，平面，螺纹，花键，齿轮．导轨和成形面等各种表面。磨具用于磨削加工的磨具有砂轮、砂带、油石等,其中砂轮用得昀多。砂轮是一种用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧等制作工艺而成的，具有很多气孔、而用磨粒进行切削的工具。砂轮的结构示意如图4—1所示。可见，砂轮是由磨科、结合剂和气孔所组成。砂轮的特性主要由磨料、料度、结合剂、硬度和组织五个参数所决定。磨料1．磨料磨料是一种具有很高的硬度和耐热性的颗粒状物体。用于制造砂轮的磨料通常有三类：刚玉类、碳化物类和氮化物类，每个类中又有若干种磨料，这些磨料都是人造的。粘结剂粘结剂是把细小的磨粒粘在一起的一种材料，其成分和性质影响砂轮的耐冲击性，耐热性和允许昀大线速度等。粘结剂的性质和用途见表4-2。表4-2粘结剂的性质和用途粘结剂代号性质用途陶瓷A粘高强度高，刚性大，耐热、耐温、耐腐蚀性都很好，能很好地保特廓形，但易脆得，韧性及弹性较差，不能承受冲和和弯曲除切割工件或磨窄槽外，可用在一切砂轮上，工厂中80%的砂轮用粘土、滑石、硅石等陶瓷材料配制而成树脂S强度高，弹性好，韧性好，不易碎裂，但耐热性差，工作时必须有良好冷却，耐腐蚀性差，与碱性物质易起化学作用切断、磨槽、磨淬火钢刀具、磨成形表面（如螺纹）以及磨内孔橡胶X有更好的弹性和强度，但耐热性差，气孔小，砂轮组织紧密可制造0.1mm的薄砂轮，切削速度可达65m/s左右，多用于制作切割、开槽、抛光、成形磨砂轮和无心磨床导轮，不宜用于粗加工青铜Q型面保特性好，抗张强度高，有一定韧性，自励性差制造金刚石砂轮,主要用以粗磨、糈磨硬质合金,磨削与切割光学玻璃、宝石、陶瓷、半导体等粒度粒度是指磨料的颗粒大小。对于用筛选法获得的磨粒来说，粒度号是指每平方英寸内的网孔数，也称目数。显然粒度号数越小磨料颗粒越大，做出来的砂轮就是粗砂轮，用于粗磨加工;反之就是细砂轮,用于精磨加工。磨料的粒度号及粒度尺寸见表4-3硬度是指磨粒受磨削力后从砂轮上脱落的难易程度。也就是说，磨粒容易脱落的，称砂轮硬度为软;反之，为硬。因而磨具的硬度是粘结剂对磨粒的粘结强度，与磨粒材料的硬度无关。组织结构砂轮的组织结构是指砂轮中磨料、粘结剂、气孔三者所占的比例。如图4-1所示。当磨粒所占比例较高而气孔较少时，称砂轮组织结构紧密，见图4-2（a);当磨粒所占比例较低而气孔较多时，则称砂轮组织结构疏松，见图4-2(c);图4-2(b)所示，为砂轮组织结构属中等的情况。砂轮中的气孔可以容纳切屑，且容易携带冷却液和空气进入磨削区，对降低磨削温度有利。磨削运动磨削运动外圆、内圆和平面磨削时的切削运动如图所示。主运动砂轮的旋转运动是主运动，砂轮旋转的线速度为磨削速度认，单位为m／s外圆、内圆磨削的进给运动工件旋转进给运动进给速度为工件被加工表面的切线速度，工件相对砂轮的轴向进给运动其大小用轴向进给量表示。指的是工件每转一转，相对于砂轮在轴线方向的移动量，单位为mm／min。平面磨削的进给运动单位为m／min。工件纵向进给运动即工作台的往复运动，用运动速度表示，单位为mm砂轮相对于工件的轴向进给运动用工作台每往复行程(双行程)或每单行程，轮的轴向移动量表示，单位为／单行程或／双行程。切入运动切入运动在外圆、内圆和平面磨削时，为得到所需的工件尺寸，除上述成形运动外，在加工中砂轮还得沿径向做切入运动，其大小用工作台(或工件)每单行程或双行程，砂轮沿径向的切入深度表示，单位为mm／单行程或M／双行程。切入运动是在纵向进给行程之末、砂轮向工件加工表面法向切入的位移，它是周期进给，移动的距离就是横向进给量，也称为磨削深度。磨削过程磨削过程砂轮上的磨料是形状不规则、但硬度很高的多面体。它们在砂轮的轴向与径向方面分布是极不规则的随机分布。不同粒度号的磨粒其顶尖角在90o~120o之间，尖端均带有一定尖端圆角半径。其形貌与磨粒的粒度号、砂轮的组织号以及砂轮的修整情况有关。经修整后的砂轮，磨粒前角可达－80o~－85o。磨削过程磨削时，如图所示，其切削厚度由零开始逐渐增大。由于磨粒具有很大负前角和较大尖端圆角半径。因而磨粒开始切入工件时，只能在工件表面上进行滑擦，这时切削表面产生弹性变形。当磨粒继续切入工件，磨粒作用在工件上的法向力Fn增大到一定值时，工件表面产生塑性变形，使磨粒前方受挤压的金属向两边塑性流动，在工件表面上耕犁出沟槽，而沟槽的两侧微微隆起，见图。当磨料继续切入工件，其切削厚度增大到一定数值后，磨粒前方的金属在磨粒的挤压作用下，发生滑移而成为切屑。磨削过程磨削中，砂轮表层的每个磨粒就像铣刀盘上的一个刀刃，各个磨粒形状、分布和高低各不相同，使其切削过程也有差异。砂轮表层中的一些突出和比较锋利的磨粒，切入工件较深，将经过滑擦、耕犁和切削三个阶段，形成非常微细切屑。由于磨削温度很高，磨屑飞出时氧化形成火花。比较钝的、突出高度较小的磨粒，切不下切屑，只是起刻划作用，在工件表面挤压出微细的沟槽。更钝的、隐藏在其它磨粒下面的磨粒只稍微滑接着工件表面起抛光作用。可见磨削过程是包含切削、刻划和抛光作用的综合复杂过程。磨削过程磨削过程产生的隆起残余量增加了磨削表面的粗糙度，但实验表明，隆起残余量与磨削速度有密切关系。随着磨削速度提高而成正比下降。当其达到一定值时，隆起残余量趋近于零。这是由于塑性变形的传播速度远小于磨削速度．而使磨粒侧面的材料来不及变形的缘故。因此高速切削能减小表面祖糙度。磨削力磨削力可分解为互相垂直的三个分力：切向分力、径向分力、和轴向分力。由于砂轮磨粒几何形状的随机性和磨粒尖端的很大负前角、刃口钝圆半径等，使磨削时的单位磨削力值很大。3个分力中，径向分力值昀大。一般说来，砂轮磨削工件时，径向分力与切向分力的比值F在往复磨时为2／1；在深磨时为3／1。随着磨削材料的不同，这一比值也有所不同。同时，由于工艺系统的弹性变形将使磨削力将随磨削过程的各个磨削阶段而变化。磨削阶段磨削时，由于接触面积大、径向分力较大，引起磨床、夹具、工件、砂轮、工艺系统弹性变形、使实际磨削深度与每次的径向进给量有所差别。所以，实际磨削过程分为三个阶段，初磨阶段当砂轮昀初的几次径向进给中，由于机床、工件、夹具工艺系统的弹性变形，实际磨削深度比磨床刻度盘所显示的径向进给量小。工件、夹具、砂轮、磨床刚性愈差，此阶段愈长。稳定阶段随着径向进给次数的增加，机床、工件、夹具系统的弹性变形抗力也逐渐增大。直至上述工艺系统的弹性变形抗力等于径向磨削力时，实际磨削深度等于径向进给量，此时进入稳定阶段清磨阶段当磨削余量即将磨完时，径向进给运动停止。由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，实际磨削深度大于零。为此，在无切深情况下，增加进给次数，使磨削深度逐渐趋于零，磨剧火花逐渐消失。这个阶段称为清磨阶段。清磨阶段主要是提高磨削精度，减小表面粗糙度。磨削温度与磨削烧伤磨削时，由于磨削速度很高，切削厚度很小，切削刃很钝，所以切除单位体积切削层所消耗的功率为车、铣等切削方法的10~20倍，磨削所消耗能量的大部分转变为热能，使磨削区形成高温。磨削温度与磨削烧伤磨削时，不同位置的磨削温度有很大差别。通常把磨削温度用磨粒磨削点温度和砂轮磨削区温度来表示。磨削点温度是指磨削时磨粒切削刃与工件、磨屑接触点处温度。磨削点温度非常高(可达1000℃~1400℃)，它不但影响加工表面质量，而且对磨粒磨损以及与切屑熔着现象也有很大影响。砂轮磨削区温度就是通常所说磨削温度，是指砂轮与工件接触面上的平均温度，约在400℃~1000℃之间，它是产生磨削加工中引起工件表面烧伤，残余应力和表面裂纹的原因。同时由于磨削热传入工件而引起的工件表面层温度上升，将使工件发生热膨胀或翘曲变形。磨削温度与磨削烧伤磨削过程中，磨削表面层金属在高温下产生相变，使其硬度与塑性发生变化现象，这种表层变质现象被称之为表面烧伤。高温的磨削表面生成一层氧化膜，氮化膜的颜色决定于磨削温度和变质层深度。所以可以根据表面颜色来推断磨削温度和烧伤程度。如淡黄色约为400℃~500℃，烧伤深度较浅；紫色约800℃~900℃，烧伤层较深。轻微的烧伤需经酸洗才会显示出来。表面烧伤损坏了零件表层组织，影响零件的使用寿命。磨削方式及机床类型磨床是一种通过磨具或磨料对工件进行加工的机床，它特别适用于淬硬的工件，或者高硬度材料的精加工。但是一般情况下磨削效率较低，为此近年来国内对高速磨削和强力磨削，这些高效的磨削方法发展很快，也开发了少数用于粗加工的高效磨床。大大扩大了磨床的使用范围，它在金属切削机床中所占的比率越来越大。磨削方式很多，昀常用的是外圆磨削、内圆磨削和平面磨削。外圆磨床类型及工作方式外圆磨床常用外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床。外圆磨床主要用于磨削圆柱形及圆锥形外表面。它的运动如图4一5所示，磨削加工时通常采用两顶尖安装，工件由头架上的鸡心夹头带动旋转，作圆周进给运动f1，砂轮主轴安置在砂轮架上，砂轮架装在可前后移动的滑鞍上，可作间歇的横向切入运动,砂轮作高速旋转主运动，工作台带着工件作纵向往复进给运动ｆ2。图4－5(a)为磨削圆柱形外表面，图4－5(b)为磨削圆锥形外表面，磨床的工件台分上下两层，上工件台可绕中间的销轴摆动，角度不大于土7°，可磨削小锥度的圆锥面。外圆磨削方法外圆磨削方法有两种：纵磨法和切入磨法纵磨法纵磨时(见图a)，砂轮旋转作主运动．工件旋转(nw)作圆周进给运动；工件沿其轴线往复移动作纵向进给运动，在工件每一往复行程终止时．砂轮周期地作一次横向进给运动，工件全部余量在多次行程中逐步磨去。切入磨切入磨时(见图b)，工件只作圆周进给，而无纵向进给运动，砂轮则连续地作横向进给运动，直到磨去全部余量为止。磨台阶面在有些外圆磨床上，还可用砂轮端面磨削工件的台阶面(见图c)，磨削时，工件转动，并沿其轴线缓慢移动，以完成进给运动。磨削长圆锥面万能外圆磨床可以采用纵磨法磨削外圆柱面外(图4—6a)，也可以用扳动工作台成某一角度，磨削长圆锥面(图4—6b)。在万能外圆磨床中，由于砂轮架和头架都能转动，因而可以进行大锥度的短锥面磨削加工。是在砂轮架溜板的转动装置2上转动砂轮架1为某一设定角度，采用横向进给法(图4—6c)；有时可以调整头架，使之转动90角度后(图4—6d)，还可磨削工件的端面。磨削长圆锥面万能外圆磨床可以采用纵磨法磨削外圆柱面外(图4—6a)，也可以用扳动工作台成某一角度，磨削长圆锥面(图4—6b)。在万能外圆磨床中，由于砂轮架和头架都能转动，因而可以进行大锥度的短锥面磨削加工。是在砂轮架溜板的转动装置2上转动砂轮架1为某一设定角度，采用横向进给法(图4—6c)；有时可以调整头架，使之转动90角度后(图4—6d)，还可磨削工件的端面。磨削长圆锥面端面外圆磨床端面外圆磨床这类磨床的砂轮主轴轴线相对于头、尾架顶尖中心连线倾斜—定角度(图4—8a)，用切入磨法可以同时磨削工件的外圆和台阶端面(图4—8b)，生产率较高，常用于大量生产中磨削带有台阶的轴类和盘类零件。普通外圆磨床普通外圆磨床的砂轮架、头架部，头架主轴不能转动，机床不设内圆磨具。因此，工艺范围较窄，只能磨削外圆柱面和锥度较小的外圆锥面。由于砂轮架、头架部的部件层次减少了，结构简化，使刚度有所增加，尤其是头架、主轴是固定不转动的，工件又支持在“死”顶尖上，因此．加上可采用较大的磨削用量，生产率较高，同时