第九章 磨 削
【内容提要】
本章主要介绍砂轮的类型、结构和作用,以及磨削运动的组成及磨削特性。
【目的要求】
1.掌握砂轮组成要素以及砂轮的类型,根据具体的加工工艺和材料会选用砂轮的类型;
2.掌握磨削运动的组成及磨削特性
3.了解先进磨削技术。
【本章内容】
第一次课引言,在机械制造业中,磨削是最常用的加工方法之一。磨削可加工外圆、内孔、平面、螺纹、齿轮、花键、导轨和成形面等各种表面。其加工精度可达IT5~IT6级,表面粗糙度一般可达Rа0.08μm。磨削尤其适合于加工难以切削的超硬材料(如淬火钢)。磨削的用途非常广泛。
§9-1 砂轮与磨削一、砂轮砂轮是磨削加工中最常用的工具。它是由结合剂将磨料颗粒黏结而成的多孑L体。掌握砂轮的特性,合理选择砂轮,是提高磨削质量和磨削效率、控制磨削加工成本的重要措施。
1.砂轮的组成要素
(1)磨料 磨料即砂轮中的硬质颗粒。常用的磨料主要是人造磨料,其性能及适用范围如下表:
(2)粒度 粒度表示磨料颗粒的尺寸大小。磨料的粒度可分为两大类,基本颗粒尺寸大于40μm的磨料,用机械筛选法来决定粒度号,其粒度号数就是该种颗粒正好能通过筛子的网号。网号就是每英寸(25.4mm)长度上筛孔的数目。因此粒度号数越大,颗粒尺寸越小;反之,颗粒尺寸越大。当颗粒尺寸小于40μm的磨料用

显微镜分析法来测量,其粒度号数是基本颗粒最大尺寸的微米数,以其最大尺寸前加w来表示。
(3)结合剂 结合剂的作用是将磨粒黏合在一起,使砂轮具有必要的形状和强度。结合剂的性能对砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性及耐热性有突出的影响,并对磨削表面质量有一定影响。
(4)硬度 砂轮的硬度是指磨粒在磨削力的作用下,从砂轮表面脱落的难易程度。砂轮硬即表示磨粒难以脱落;砂轮软,表示磨粒容易脱落。所以,砂轮的硬度主要由结合剂的黏结强度决定,而与磨粒本身的硬度无关。
选用砂轮时,应注意硬度选得适当。若砂轮选得太硬,会使磨钝了的磨粒不能及时脱落,因而产生大量磨削热,造成工件烧伤;若选得太软,会使磨料脱落得太快而不能充分发挥其切削作用。
(5)组织 砂轮的组织是指磨粒在砂轮中占有体积的百分数(即磨粒率)。它反映了磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占的比例大,气孔小,即组织号小,则砂轮的组织紧密;反之,磨粒的比例小,气孔大,即组织号大,则组织疏松。砂轮上未标出组织号时,即为中等组织。
2.砂轮的形状、代号和标志常用形状有平形(P)、碗形(BW)、碟形(D)等,砂轮的端面上一般都有标志。从管理和选用方便的角度出发,砂轮参数的表示顺序是形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、线速度。如:
PSA 400 100 127 V(A) 60 L 5 B 25
形状 外径 厚度 孔径 磨料 粒度 硬度 组织 结合剂 最高工作线速度(m/s)
二、磨削运动生产中常用的外圆、内圆和平面磨削,一般具有四个运动。

1.主运动砂轮旋转运动为主运动。砂轮旋转的线速度为磨削速度υc。
2.进给运动磨削的进给运动一般有圆周进给、径向进给及轴向进给三种。
(1)圆周(直线)进给运动 工件的旋转运动或工作台的往复直线运动。
外圆磨削 υW=πdWn/1000(m/min)
平面磨削 υW=2ln/1000(m/min)
(2)径向进给运动 砂轮切人工件的运动,其大小用磨削深度аp表示。аp指工作台每单行程或双行程切人工件的深度(单位为mm/单行程或mm/双行程)。
(3)轴向进给运动 工件相对于砂轮的轴向运动,其大小用进给量f表示。f指工件每转一转或工作台每一次行程,工件相对于砂轮的轴向移动距离(单位为mm/r或mm/单行程)。
三、磨削的特殊性
1.磨削力的特殊性磨削力同样可分解为三个分力:切向分力Fc、径向分力Fp、轴向分力Ff。其中径向分力特别大,Fp=(2~4)F。,这是磨削与普通切削的明显不同,它使工件变形增大。
2.磨削温度的特殊性由于磨粒以负前角切削,砂轮高速旋转使工件材料产生塑性变形,使磨削区的瞬时温度高达500~1000℃。
磨削热对加工过程的影响主要表现在如下几个方面。
(1)工件表面烧伤:磨削中,工件表面出现各种带色斑点,这种现象称为烧伤。即不均匀退火,使淬火钢表面层变软;或不均匀淬火使未淬火钢表层变硬,表面颜色。
(2)工件表面产生残余应力,甚至开裂。
(3)工件热变形,薄片零件变形更大。
3.磨削过程的特殊性在磨削用量中,磨削速度很很高,比车削高10~50倍,再加上磨削厚度由零开始到最大值,因而使磨削过程伴随着很大的弹性和塑性变形,形成磨削特有的变形现象。
四、砂轮的磨损与修整
1.砂轮磨损
(1)磨粒变钝 磨削力增大,磨削温度升高,但表面粗糙度值变小。
(2)磨粒溃落 因磨削力使磨粒脱落,新磨粒出现的现象称为砂轮的自励作用。砂轮能够磨削高硬度的材料,主要依靠自身的自励作用。对于重磨削或难加工材料的磨削,由于砂轮的自励作用,使磨削容易进行。
当采用较低硬度的砂轮时,磨粒碎裂和脱落急剧发生,工件的尺寸精度降低和表面粗糙度值增大。因此,在磨削中应根据工件材料、表面质量要求等,合理选择砂轮的硬度。
(3)表面堵塞 砂轮表面因高温使软化的磨屑堆积在砂轮磨粒的气孔中,使砂轮表面变平发亮,便为砂轮表面堵塞。
2.砂轮修整砂轮表面变钝或堵塞时,必须进行修整,以产生新的磨粒,同时也是对砂轮表面形状的校正。修整砂轮的方法很多,但常用单晶金刚石修整器修整砂轮。修整时,应根据具体的磨削条件,选择不同的修整用量,以满足相应的磨削要求。单晶金刚石修整器的使用方法和外圆车刀使用方法相似。
第二次课五、磨削质量工件的磨削质量是指尺寸精度、形状误差和表面质量,其保证措施如下。
1.尺寸精度和形状误差的保证措施磨削时,由于径向切削力很大,引起工件、夹具、砂轮和磨床系统产生弹性变形,使实际磨削深度与磨床刻度盘上所显示的数值有差别,所以影响了磨削的尺寸精度。此外,砂轮的磨损同样影响磨削精度。为获得高精度的磨削尺寸,必须采用循环磨削(称为无火花磨削法)——将磨削分为三个阶段。
(1)初磨阶段 实际磨削深度小于磨床刻度盘显示值,这是由于工艺系统弹性变形造成的。
(2)稳定阶段 实际磨削深度等于磨床刻度盘显示值。此时,工艺系统变形减小,趋于稳定。
(3)清磨阶段 完全不进给再磨一段时间,实际磨削深度趋于零,磨削火花逐步消失。清磨阶段主要是提高磨削精度和减小表面粗糙度值。
掌握了三个阶段的磨削规律,在初磨时为提高磨削效率与磨削质量可采用较大的磨削深度;修整砂轮后或砂轮磨损后,注意及时测量工件尺寸和形位公差;对轴类零件还要修整中心孔,中心孔精度高,零件的形状误差就小,磨削的精度就高。
2.表面质量的保证措施磨削后表面粗糙度值大、表面烧伤和表面出现裂纹是表面质量低的表现。产生的原因主要有:砂轮主运动线速度低、砂轮修整太粗、磨床头架或工件夹持松动、砂轮安装时未经过平衡等。
解决措施如下:
(1)尽可能选大直径砂轮,提高磨削速度。
(2)重新平衡,重新修整砂轮。
(3)调整头架主轴和工件装夹,提高磨削工艺系统的刚性。
(4)调整主轴电动机转子,再次达到动平衡。
通过以上措施,可使表面粗糙度值明显减小。对表面烧伤和划伤等可采取下述措施。
(5)增大磨削液的浇注量,合理安装喷嘴位置。
(6)正确选择砂轮,粒度再粗些,硬度再软些,保证砂轮无堵塞,切削刃锋利。
(7)适当减小进给量,或分粗、精磨削。
磨削裂纹是磨削热应力大于工件材料强度时产生的龟裂现象。易产生裂纹的材料有硬质合金、淬火高碳钢等。主要防止措施是减小热应力和提高被磨削材料的强度极限。
§9-2 先进磨削法简介一、高速磨削普通磨削速度υc=18—35m/s。近年来为提高磨削效率和改善磨削表面质量,广泛采用高速磨削,即磨削速度υc>50m/s的磨削称为高速磨削。据有关资料介绍,我国高速磨床的磨削速度可达80—120m/s,发达国家的磨削速度可达200m/s以上。
采用高速磨削,若单个磨粒的切削厚度仍保持与普通磨削相同时,则由于口。和口。的提高,可将磨削效率提高30%~100%;反之,若金属切除率仍保持与普通磨削相同,则单个磨粒的切削厚度明显减小,磨削质量就会明显提高。高速磨削的主要优点是生产率高、砂轮耐用度高、加工精度高和表面粗糙度值小。
高速磨削对磨床的要求主要有如下几个方面:
(1)砂轮电动机功率要比一般电动机功率大一倍左右;
(2)砂轮径向和轴向跳动要小,轴承负荷能力要高,高速旋转的部件要经过仔细平衡,砂轮的防护罩必须坚固可靠;
(3)机床动、静刚度要好。
二、超精密磨削与镜面磨削磨削后,表面粗糙度值Rа在0.01~0.04μm之间的磨削方法称为超精密磨削;Rа小于O.01μm的磨削方法称为镜面磨削。我国在20世纪60年代就研究成功了超精密磨削与镜面磨削,并制造出相应的高精度磨床。
超精密磨削与镜面磨削,是利用经过精细修整的表面带有大量等高微刃的砂轮进行磨削。大量等高微刃切下极细的切屑,同时借助于半钝的微刃对工件表面进行抛光,使工件表面更加光整。
超精密磨削与镜面磨削对磨床与砂轮主要有如下要求:
(1)磨床主轴的回转精度要高,轴线漂移量应在1~2μm之内;
(2)磨床刚性要好,各部件经过静、动平衡,工作台低速进给平稳而无爬行,并与振源隔绝;
(3)砂轮以棕刚玉、白刚玉或微晶刚玉为原料,粒度号为60~80,并用金刚石笔精细修整。
三、强力磨削强力磨削是20世纪70年代发展起来的一种高效磨削。这种磨削方法是采用非常大的磨削深度(一2~25mm),而磨床工作台进给速度却非常小(一5~200mm/min),砂轮在一次进给中几乎将全部磨削余量切除,故金属切除率大,实现了以磨代铣、粗精结合的综合加工。
近年来,强力磨削又出现了大切深、快进给的方式,要求砂轮的线速度达到120m/s,工件的进给速度达到2500mm/min,如成形磨削麻花钻的螺旋沟槽,一次进给就可磨出。
强力磨削对磨床等主要有如下要求:
(1)机床电机功率大,一般在20kW以上,主轴采用滚动轴承;
(2)机床刚性好;
(3)切削液压力要高达O.8~1.2MPa,流量达80~200L/min。