第 7 章磨削加工

第7章磨削加工

§7-1 磨具的特性和选用 磨削是用带有磨粒的工具（砂轮，沙带，油石等）对工件进行切削加工的方法。磨削是目前半精加工和精加工的主要方法之一，并已逐步应用到了粗加工之中。一、普通磨具 1、普通磨具的类型所谓普通磨具是指用普通磨料制成的磨具，如刚玉类磨料、碳化硅类磨料和碳化硼磨料制成的磨具。按磨料的结合形式分为固结磨具、涂附磨具和研磨膏。根据不同的使用方式，固结磨具可制造成砂轮、油石、砂瓦、磨头、抛磨块等，涂附磨具可制成纱布、砂纸带、砂带等。研磨膏可分成硬膏和软膏。

2、砂轮的特性及其选择 砂轮是最重要的磨削工具。它是用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成的多孔疏松物体。砂轮的特性主要由: （1）磨料磨料是制造砂轮的主要材料，直接担负切削工作。磨料应具有高硬度，高耐热性和一定的韧性，在磨削过程中受力破坏后还要能形成锋利的几何形状。常用的磨料有氧化物系（刚玉类）、碳化物系和超硬磨料系三类，其性能、适用范围见书P156。

（2）粒度 粒度是指磨粒颗粒的大小，通常分为磨粒（颗粒尺寸>40μm)和微粉（颗粒尺寸<=40μm）两类。磨粒用筛选法确定粒度号，粒度号越大，表示磨粒颗粒越小。微粉按其颗粒的实际尺寸分级。一般来说，粗磨用粗粒度（30＃－46＃），精磨用细粒度（60＃－120＃）。（3）硬度砂轮的硬度是指砂轮工作表面的磨粒在磨削力的作用下脱落的难易程度。它反映磨粒与结合剂的粘固强度。磨粒不易脱落，称砂轮硬度高；反之，称砂轮硬度低。

砂轮的硬度从低到高分为超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬7个等级（见书P157）。 砂轮的硬度从低到高分为超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬7个等级（见书P157）。工件材料较硬时，为使砂轮有较好的自砺性，应选用较软的砂轮；工件与砂轮的接触面积大，工件的导热性差时，为减少磨削热，避免工件表面烧伤，应选用较软的砂轮；对于精磨和成形磨削，为了保持砂轮的廓形精度，应选用较硬的砂轮；粗磨时应选用较软的砂轮，以提高磨削效率。

（4）结合剂 结合剂是将磨料粘结在一起，使砂轮具有必要的形状和强度的材料。结合剂的性能对砂轮的强度、抗冲击性、耐热性、耐腐蚀性，以及对磨削温度和磨削表面质量都有较大的影响。常用结合剂的种类有陶瓷、树脂、橡胶及金属等。陶瓷结合剂的性能稳定，耐热，耐酸碱，价格低廉，应用最为广泛。树脂结合剂强度高，韧性好，多用于高速磨削和薄片砂轮。橡胶结合剂适用于无心磨的导轮、抛光轮、薄片砂轮等。金属结合剂主要用于金刚石砂轮。

（5）组织 砂轮的组织是指砂轮中磨粒、结合剂和气孔三者间的体积比例关系。按磨粒在砂轮中所占体积的不同，砂轮的组织分为紧密、中等和疏松三大类。生产中常用的是中等组织（书P157）的砂轮。 3、砂轮的形状、尺寸与标志根据不同的用途、磨削方式和磨床类型，砂轮被制成各种形状和尺寸，并已标准化。书P157表7-6列出了常用砂轮的形状、代号和主要用途。

【例】PSA400×100×127A60L5B35 形状为双面凹砂轮，尺寸外径为400mm，厚度为100mm，内径为127mm，磨料为棕刚玉（A），粒度为60#，硬度为中软（L），组织号为5号（中等），结合剂为树脂（B），最高线速度为35m/s。砂轮的特性用代号标注在砂轮端面上，用以表示砂轮的磨料、粒度、硬度、结合剂、组织、形状、尺寸及最高工作线速度。

二、超硬磨具 超硬磨具是指用金刚石、立方氮化硼等以显著高硬度为特征的磨料制成的磨具，可分为金刚石磨具、立方氮化硼磨具和电镀超硬磨具。超硬磨具一般由基体、过渡层和超硬磨料层三部分组成，磨料层厚度为1.5~5mm，主要由结合剂和超硬磨粒所组成，起磨削作用。超硬磨具的粒度、结合剂等特性与普通磨具相似，浓度是超硬磨具所具有的特殊性。浓度是指超硬磨具磨料层内每立方厘米体积内所含的超硬磨料的重量，它对磨具的磨削效率和加工成本有着重大的影响。浓度过高，很多磨粒易过早脱落，导致磨料的浪费；浓度过低，磨削效率不高，不能满足加工要求。

§7-2 磨削加工类型和运动 磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性较大的有色金属工件。不仅可以加工外圆面、内圆面、平面、成形面、螺纹、齿形等各种表面，还常用于各种刀具的刃磨。根据工件被加工表面的形状和砂轮与工件的相对运动，磨削加工有：外圆磨削、内圆磨削、平面磨削、无心磨削等到几种主要加工类型。此外，还可以对凸轮、螺纹、齿轮等零件进行磨削。

1、外圆磨削 磨削加工中，砂轮的高速旋转运动为主运动，磨削速度是指砂轮外圆的线速度。进行运动有工件的圆周运动，轴向进给运动和砂轮相对工件的径向进给运动。工件的圆周进给运动是指工件外圆的线速度。轴向进给量是指工件转一周沿轴线方向相对于砂轮移动的距离。Fa=(0.02~0.08)B,B为砂轮宽度。单位为mm 径向进给量是指砂轮相对于工件在工作台每双行程内径向移动距离。单位为mm/dstr或mm/str

外圆磨削按照不同的进给方向可分为纵磨法和横磨法两种形式。外圆磨削按照不同的进给方向可分为纵磨法和横磨法两种形式。（1）纵磨法磨削外圆时，砂轮的高速旋转为主运动，工件作圆周进给运动，同时随工作台沿工件轴向作纵向进给运动。（2）横磨法采用这种磨削形式，在磨削外圆时工件不需作纵向进给运动，砂轮以缓慢的速度连续或断续地沿工件径向作横向进给运动，直至达到精度要求。

2、内圆磨削 普通内圆磨削以砂轮高速旋转作主运动，工件旋转作圆周进给运动，同时砂轮或工件沿其轴线往复作纵向进给运动，工件沿其径向作横向进给运动。与外圆磨削相比，内圆磨削有以下一些特点：（1）磨孔时砂轮直径受到工件孔径的限制，直径较小。（2）为了保证正常的磨削速度，小直径砂轮转速要求较高。（3）砂轮轴的直径由于受孔径的限制比较细小，而悬伸长度较大，刚性较差，磨削时容易发生弯曲和振动，使用权工件的加工精度和表面粗糙度难于控制，限制了磨削用量的提高。

3、平面磨削 平面磨床用于磨削工件上的各种平面。磨削时，砂轮的工作表面可以是圆周表面，也可以是端面。（1）周边磨削以砂轮的圆周表面进行磨削时，砂轮与工件的接触面积小，发热少，磨削力引起的工艺系统变形也小，加工表面的精度和质量较高，但生产率较低。以这种方式工作的平面磨床，砂轮主轴为水平（卧式）布置。（2）端面磨削用砂轮（或多块扇形的砂瓦）的端面进行磨削时，砂轮与工件的接触面积较大，切削力增加，发热量也大，而冷却，排屑条件较差，加工表面的精度及质量比前一种方式的稍低，但生产率较高。以此方式加工的平面磨床，砂轮主轴为垂直（立式）布置。

4、无心磨削 无心外圆磨削有两种方式：贯穿磨削法（纵磨法）和切入磨削法（横磨法）（1）贯穿磨削法（纵磨法）用贯穿法磨削时，将工件从机床前面放到托板上并推至磨削区。导轮轴线在垂直平面内倾斜一个a角，导轮表面经修整后为一回转双曲面，其直母线与托板表面平行。工件被导轮带动回转时产生一个水平方向的分速度,从导轮与磨削砂轮之间穿过。贯穿法磨削时，工件可以一个接一个地连续进入磨削区，生产率高且易于实现自动化。贯穿法可以磨削圆柱形、圆锥形、球形工件，但不能磨削带台阶的圆柱形工件

（2）切入磨削法（横磨法） 用切入法磨削时，导轮轴线的倾斜角度很小，仅用于使工件产生小的轴向推力，顶住挡块5而得到可靠的轴向定位，工件与导轮向磨削轮作横向切入进给，或由磨削轮向工件进给。

§7-3 磨削原理 一、磨削过程分析磨削过程是由磨具上的无数个磨粒的微切削刃对工件表面的微切削过程所构成的。单个磨粒的典型磨削过程可分为三个阶段：（１）滑擦阶段：磨粒切刃开始与工件接触，由于磨粒有很大的负前角和较大的刃口圆弧半径，切削厚度非常小，只是在工件表面上滑擦而过，工件仅产生弹性变形。磨粒继续前进时，随着挤入深度增大而与工件间的压力逐步增大，表面金属由弹性变形逐步过渡到塑性变形。

（２）刻划阶段：工件材料开始产生塑性变形，就表示磨削过程进入刻划阶段。此时磨粒切入金属表面，由于金属的塑性变形，磨粒的前方及两侧出现表面隆起现象，在工件表面刻划成沟纹。这一阶段磨粒与工件间积压摩擦加剧，磨削热显著增加。（２）刻划阶段：工件材料开始产生塑性变形，就表示磨削过程进入刻划阶段。此时磨粒切入金属表面，由于金属的塑性变形，磨粒的前方及两侧出现表面隆起现象，在工件表面刻划成沟纹。这一阶段磨粒与工件间积压摩擦加剧，磨削热显著增加。（３）切削阶段：随着为削厚度的增加，在达到临界值时，被磨粒推挤的金属明显的滑移而形成切屑。

二、磨削阶段 磨削时，由于径向分的作用，致使磨削时工艺系统在工件径向产生弹性变形，使实际磨削深度与每次的径向进给量有所差别。所以，实际磨削过程可分为三个阶段： 1、初磨阶段在砂轮的最初的几次径向进给中，由于工艺系统的弹性变形，实际磨削深度比磨床刻度所显示的径向进给量要小。工艺系统刚性愈差，此阶段愈长。

2、稳定阶段 随着径向进给次数的增加，机床、工件、夹具工艺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。 3、光磨阶段由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，实际径向进给量并不为零，而是逐渐减小。

三、磨削力与磨削温度 （1）磨削力单个磨粒切除的材料虽然很少，但一个砂轮表层有大量磨粒同时工作，而且磨粒的工作角度很不合理，因此总的磨削力相当大。总磨削力可分解为三个分力：Fz主磨削力（切向磨削力）；Fy切深力（径向磨削力）；Fx进给力（轴向磨削力）。１、磨削力的主要特征（１）单位磨削力很大由于磨粒几何形状的随机性和参数不合理，磨削时的单位磨削力P值很大，可达70000N/mm 2 以上。

（２）三向分力中切深力Fy值最大 三向分力中切深力Fy值最大，在正常磨削条件下，Fy/Fz约为2.0～2.5。由于Fy对砂轮轴，工件的变形与振动有关，直接影响加工精度与表面质量，故该力是十分重要的。（2）磨削温度磨削时由于速度很高，而且切除单位体积金属所耗的能也高（约为车削时的10－ 20倍）。因此磨削温度很高。

§7-4 磨床 磨床是用磨料磨具(砂轮,砂带,油石和研磨料)为工具进行切削加工的机床.广泛用于零件的精加工,尤其是淬硬钢件,高硬度特殊材料及非金属材料(如陶瓷)的精加工。磨床种类很多,其主要类型有:外圆磨床,内圆磨床,平面磨床,工具磨床，刀具和刃具磨床及各种专门化磨床.此外还有珩磨机,研磨机和超精加工机床等。 ⑴外圆磨床:主要用于磨削内,外圆柱和圆锥表面,也能磨阶梯轴的轴肩和端面,可获得IT6-IT7及精度Ra在1.25--0.08μm之间. 主参数:最大磨削直径 ⑵无心外圆磨床:工件放在砂轮和导轨之间,由托板支撑进行磨削。

无心外圆磨床与外圆磨床相比,具有以下优点: ①生产率高(无须打中心空,且装夹省时),所以多用于成批生产和大量生产 ②磨削表面尺寸精度,几何形状精度较高,Ra小 ③能配上自动上料机构,实现自动化生产 ⑶内圆磨床:用于磨圆柱孔和圆锥孔,其主参数是最打磨削内孔直径 ⑷平面磨床:分为卧轴矩台式磨床(生产率低些,但加工精度较高,Ra较小,属于周边磨削),立轴矩台式磨床,立轴圆台式磨床(生产率高,但加工精度较低,Ra较大,属于端面磨削),卧轴圆台式磨床。

（5）工具磨床：包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床等（5）工具磨床：包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床等（6）刀具刃具磨床：包括万能工具磨床、车刀刃磨磨床、滚刀刃磨磨床（7）专门化磨床：包括花键轴磨床、曲轴磨床、齿轮磨床、螺纹磨床等（8）其它磨床：包括珩磨机、研磨机、砂轮磨床、超精加工机床等

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