工程材料与成形工艺基础第十四章磨削及光整加工

第十四章磨削及光整加工第一节磨削加工磨削(grinding)加工：用砂轮在磨床上对零件表面进行切削加工的方法，是一种精密的加工方法。磨削:内外圆柱面、内外圆锥面、平面及凸轮、螺纹、齿轮花键等成形面的磨削。磨削不仅可以加工一般的金属材料，如碳素钢、铸铁，还可以加工一般刀具难以加工的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金等。一、磨具砂轮砂轮：一种用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及修整而成的，具有很多气孔、用磨粒进行切削的固结磨具。磨粒以其露在表面部分的尖角作为切削刃。砂轮的特性：磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸。砂轮的特征：1.磨料直接担负切削工作。棕刚玉硬度高，韧性大。加工硬度较低的塑性材料，如中、低碳钢和低合金钢等；白刚玉•硬度高于棕刚玉，磨粒易碎裂，棱角锋利，切削性能好，磨削热量小等。•加工硬度较高的塑性材料，如高碳钢、高速钢和淬硬钢等；•主要用于工具、刃具、模具、齿轮、螺纹、薄壁零件等的磨削及成型磨削。黑碳化硅加工硬度较低的脆性材料，如铸铁、铸铜等；绿碳化硅加工高硬度的脆性材料，如硬质合金、宝石、陶瓷和玻璃等。2.粒度磨料颗粒的大小，用粒度号表示。粒度对加工表面粗糙度和磨削生产率影响较大。粗磨用粗磨料（30＃～46＃），粒度号较小。精磨用细磨粒（60＃～120＃），粒度号较大。磨削硬度低、塑性大的工件材料和磨削面积较大时，为避免砂轮堵塞，可采用粗粒度的砂轮。3.硬度磨具在外力的作用下磨料脱落的难易程度。磨具的硬度反映结合剂固结磨粒的牢固程度，磨粒难脱落叫硬度高，反之叫硬度低。国标中对磨具硬度规定了16个级别：D，E，F(超软)；G，H，J(软)；K，L(中软)；M，N(中)；P，Q，R(中硬)；S，T(硬)；Y(超硬)。普通磨削常用G～N级硬度的砂轮。工件材料较硬时，选用较软的砂轮；工件与砂轮接触面积大，工件的导热性差时，选用较软的砂轮；精磨或成形磨削，选用较硬的砂轮；粗磨时应选用较软的砂轮。陶瓷结合剂(V)、：外圆、内圆、平面、无心磨削和成形磨削的砂轮等；树脂结合剂(B)：切断和开槽的薄片砂轮及高速磨削砂轮；橡胶结合剂(R)：无心磨削导轮、抛光砂轮；金属结合剂(M)：金刚石砂轮等。4.结合剂将磨料粘结一起，使砂轮具有必要的形状和强度的材料。5.组织指砂轮中磨料、结合剂和气孔三者间的体积比例关系，以磨粒率(磨粒占磨具体积的百分率)表示磨具的组织号。国标中规定了15个组织号：0，1，2，…，13，14。0号组织最紧密，磨粒率最高；14号组织最疏松，磨粒率最低。普通磨削常用4～7号组织的砂轮。组织号越大，磨粒所占体积越小，表明砂轮越疏松。这样，气孔就越多，砂轮不易被切屑堵塞，同时可把冷却液或空气带入磨削区，使散热条件改善。6.砂轮的形状、尺寸及代号平行砂轮平行砂轮用途较广，根据尺寸的不同，可用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨和装在砂轮机上手动粗磨，为各种铸钢、铸铁专用砂轮斜边砂轮单斜边砂轮多用于磨削各种锯齿、铣刀、铰刀、插齿刀等。双斜边砂轮主要用于磨齿轮齿和单线螺纹。筒形砂轮青铜烧结陶瓷筒形砂轮主要是安装在平面磨床的竖轴上磨平面杯形砂轮杯形砂轮主要用于刃磨铣刀、饺刀、扩孔钻、切纸刀、切烟叶刀等，也可以用作平面和内圆磨削。碗形砂轮碗形砂轮适用于铸件平面加工、刃磨铣刀、饺刀、拉刀、盘形车刀、插齿刀、扩孔钻、磨道轨平面、磨道叉等。碟形砂轮薄片砂轮砂轮的标记：P400×40×127WA60平行砂轮外径×厚度×孔径磨料粒度L5V35硬度组织号结合剂最高工作线速度(m/s)（CBN）外圆磨砂轮CylindricalGrinding立方氮化硼外圆磨砂轮对硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料，具有良好的磨削性能。具有加工加工效率高、精度高、不产生烧伤、裂纹和退火变软现象，磨具磨损小、寿命长、加工成本低的特点。（CBN）平面磨砂轮SurfaceGrinding（CBN）内圆磨砂轮InternalGrinding对硬度高、韧性大、高温强度高、热传导率低的材料，具有良好的磨削性能。具有加工加工效率高、精度高、不产生烧伤、裂纹和退火变软现象，磨具磨损小、寿命长、加工成本低的特点。三、磨床⑴外圆磨床：普通外圆床和万能外圆磨床1床身2头架3内圆磨头4砂轮架5尾座7转台8横向进给手轮9工作台①床身床身用于装夹各部件。上部装有工作台和砂轮架，内部装有液压传动系统。②砂轮架用于装夹砂轮，并有单独电动机带动砂轮旋转。砂轮的转动为主运动。它由单独的电机驱动。砂轮架可沿床身后部横向导轨前后移动，其方式有手动和快速引进、退出两种。③工作台工作台上装有头架和尾座，用以装夹工件并带动工件旋转。工作台有两层，磨削时下工作台作纵向往复移动，以带动工件纵向进给，其行程长度可借挡块位置调节。上工作台相对下工作台在水平面内可扳转一个不大的角度，以便磨削圆锥面。④头架头架内的主轴由单独电动机带动旋转。主轴端部可装夹顶尖、拨盘或卡盘，以便装夹工件并带动工件旋转作圆周进给运动。⑤尾座尾座的功用是用后顶尖支撑长工件。它可在工作台上移动，调整位置以装夹不同长度的工件。万能外圆磨床与普通外圆磨床的主要区别万能外圆磨床增设了内圆磨头，且砂轮架和工件头架的下面均装有转盘，能围绕自身的铅垂轴线扳转一定角度。因此，万能外圆磨床除了磨粗外圆和锥度较小的外锥面外，还可以磨削内圆和任意角度的内外锥面。砂轮架安装在床身上，由单独电机驱动砂轮高速旋转，提供主运动；砂轮架还可以横向移动，使砂轮实现横向进给运动。工件头架安装在工作台上，带动工件旋转作圆周进给运动；头架可在水平面内扳转一定角度，以便磨削内锥面。工作台沿床身纵向导轨往复直线移动，带动工件作纵向进给运动。（2）内圆磨床卧轴矩台平面磨床1床身2床鞍3砂轮4磨头5立柱（3）平面磨床卧轴、立轴矩台平面磨床卧轴、立轴圆台平面磨床。外圆面磨削(grinding)既可在外圆磨床上进行，也可在无心磨床上进行。四、磨削加工方法1.外圆磨削轴类工件常用顶尖安装，其方法与车削基本相同，但磨床所用顶尖都不随工件一起转动；盘套类工件则用心轴和顶尖安装1）在外圆磨床上磨削工件的安装外圆磨床上安装工件的方法常用的有顶尖安装、卡盘安装和心轴安装等。顶尖安装:轴类工件卡盘和心轴安装工件a）纵磨法b）横磨法c）混合磨法d）深磨法砂轮高速旋转为主运动，工件旋转并和磨床工作台一起往复直线运动分别为圆周进给运动和纵向进给运动，工件每转一周的纵向进给量为砂轮宽度的三分之二，致使磨痕互相重叠。每当工件一次往复行程终了时，砂轮作周期性的横向进给（背吃刀量）。（1）.纵磨法散热条件较好；加工精度和表面质量较高；具有较大的适应性，可以用一个砂轮加工不同长度的工件；生产率较低。广泛适用于单件、小批生产及精磨，特别适用于细长轴的磨削。又称切入法，工件不作纵向移动，而由砂轮以慢速作连续的横向进给，直至磨去全部磨削余量。（2）横磨法.生产率高，散热条件差，工件容易产生热变形和烧伤现象，且因背向力Fp大，工件易产生弯曲变形。无纵向进给运动，磨痕明显，工件表面粗糙度Ra值较纵磨法大。一般用于大批大量生产中磨削刚性较好、长度较短的外圆以及两端都有台阶的轴颈。先用横磨法将工件表面分段进行粗磨，相邻两段间有5～10mm的搭接，工件上留有0.01～0.03mm的余量，然后用纵磨法进行精磨。此法综合了横磨法和纵磨法的优点。（3）混合磨法磨削时用较小的纵向进给量（一般取1～2mm/r），把全部余量（一般为0.2mm～0.6mm）在一次走刀中全部磨去。磨削用的砂轮前端修磨成锥形或阶梯形，砂轮的最大外圆面起精磨和修光作用，锥形或其余阶梯面起粗磨或半精磨作用。深磨法的生产率约比纵磨法高一倍，但修整砂轮较复杂，只适用于大批量生产并允许砂轮越出加工面两端较大距离的工件。（4）深磨法磨削时工件放在两个砂轮之间，下方用托板托住，不用顶尖支持，所以称为无心磨。两个砂轮中，较小的一个是用橡胶结合剂做的，磨粒较粗，以0.16m/s～0.5m/s速度回转，此为导轮；另一个是用来磨削工件的砂轮，以30m/s～40m/s速度回转，称为磨削轮。导轮轴线相对于工件轴线倾斜一个角度α（10～50），以使导轮与工件接触点的线速度v导分解为两个速度，一个是沿工件圆周切线方向的v工，另一个是沿工件轴线方向的v通，因此，工件一方面旋转作圆周进给，另一方面作轴向进给运动。工件从两个砂轮间通过后，即完成外圆磨削。为了使工件与导轮保持线接触，应当将导轮母线修整成双曲线形。2）无心外圆磨床上磨削1—工件2—磨削轮3—托板4—导轮优点：生产率高，工件尺寸稳定，不需用夹具，操作技术要求不高；缺点：工件圆周面上不允许有键槽或小平面，对于套筒类零件不能保证内、外圆的同轴度要求，机床的调整较费时。适用于成批、大量生产光滑的销、轴类零件内圆磨削(holegrinding)是孔的精加工方法之一，可达到的尺寸公差等级为IT8～IT6，表面粗糙度Ra值为1.6～0.4μm。内圆磨削可以在内圆磨床或万能外圆磨床上进行。2.内圆磨削磨孔时，砂轮旋转为主运动，工件低速旋转为圆周进给运动（其方向与砂轮旋转方向相反），工作台带动工件作纵向进给运动。切深运动为砂轮周期性的径向进给运动（1）可磨淬硬孔；（2）不仅能保证孔本身的尺寸精度和表面质量，还可以提高孔轴线的直线度。（3）同一个砂轮，可以磨削不同直径的孔。（4）生产率比铰孔低，比拉孔更低。磨孔的工艺特点：磨平面：在平面磨床上对平面进行精加工的方法。主运动都是砂轮的高速旋转，进给运动是砂轮、工作台的移动，3.磨平面平面磨削：周磨和端磨周磨：利用砂轮的圆周面进行磨削。工件与砂轮的接触面积小，发热少，排屑与冷却情况好，加工精度高，但生产率低，在单件小批生产中应用较广。端磨：利用砂轮的端面进行磨削。砂轮轴立式安装，刚性好，可采用较大的切削用量，而且砂轮与工件的接触面积大，故生产率高。但精度较周磨差，磨削热较大，切削液进入磨削区较困难，易使工件受热变形，且砂轮磨损不均匀，影响加工精度。平面磨削常作为刨削或铣削后的精加工，特别是用于磨削淬硬工件，以及具有平行表面的零件（如滚动轴承环、活塞环等）。经磨削两平面间的尺寸公差等级可达IT6～IT5级，表面粗糙度Ra值为0.8～0.2μm。光整加工：精加工以后所进行的精密加工，目的是为了获得高的表面质量(其中表面粗糙度Ra值在0.2μm以下)和高的加工精度(IT6～IT5)研磨珩磨超级光磨抛光第二节光整加工研磨(lapping)是把研磨剂放在研具与工件之间，在一定压力作用下研具与工件作复杂的相对运动，通过研磨剂的微量切削及化学作用，去除工件表面的微小余量，以提高尺寸精度、形状精度和降低表面粗糙度。一、研磨研磨方法：手工研磨和机械研磨磨料：机械切削，常用的有刚玉、碳化硅、氧化硅、氧化铬、氧化铁等，粒度为1～10μm。研磨液：冷却、润滑、使磨粒均布在研具表面，常用油类磨削液。辅助填料：由硬脂酸、石蜡、工业用猪油、蜂蜡按一定比例混合成的混合脂，起吸附磨料、防止磨料沉淀和润滑作用，还通过化学作用使工件表面形成一层极薄的氧化膜，氧化膜很容易磨掉而不损伤基体，研磨过程中氧化膜不断地形成、磨掉，从而加快研磨过程。研磨剂：液态研磨剂和研磨膏工件安装在车床两顶尖间作低速旋转（20～30m/min），研具（手握）在一定压力下沿工件轴向作往复直线运动,直至研磨合格为止。生产率低，只适用于单件小批量生产。1.研磨外圆研磨孔(holelapping)：孔的光整加工方法，需要在精镗、精铰或精磨后进行。研磨后孔的尺寸公差等级：IT6～IT4，表面粗糙度Ra值：0.1～0.008μm，圆度和圆柱度亦相应提高。2.研磨孔在车床上研磨套类零件孔：研具为可调式研磨棒。研磨前，套上工件，将研磨棒安装在车床上，涂上研磨剂，调整研磨棒直径使其对工件有适当的压力，即可进行研磨。研磨时，研磨棒旋转，手握工件往复移动。研磨余量一般不超过0.01～0.03mm，研磨前的工件应进行精车或精磨。研磨可以获得IT5或更高的尺寸公差等级，表面粗糙度