磨削的基本特点及机理
磨削机理
δ——单颗工作磨粒顶面积，即工件与工作磨粒的实际接触面积；
p ——磨粒实际磨损表面与工件间的平均接触压强；
因此，可以得到单位宽度法向磨削力F’n，单位宽度切向磨削力F’t公式：
F 'n
1 1 v w P An vw Ce a p 2 d se 2 Fp a p vs 1 vs
1 2
l l q
1
Fn l F p Al N d l dl
0
整个接触弧长度上的法向磨削力大小：
Fn F p C e
,
vw v s
2 1
a d
p se
1
1 1 n 1 n 2
有效磨刃数， 为砂轮以工件的接触弧长度，b为磨削宽度。
Ls
砂轮接触面上的动态磨刃数的磨削力计算公式
关于磨削力计算公式的建立，目前国内外有不少 论述。在这里重点介绍G.Wener等建立的磨削力计算 公式，该公式考虑了磨削力与磨削过程的动态参数关 系。
建立磨削力计算公式时，需要两项参数：
(1)单位砂轮表面上参与工作的磨刃数； (2)砂轮与工件相对接触长度内的平均切削截面积A。
单位砂轮表面上参与工作的磨刃数：N d An Ce
vw v s
ap d se
2
如图，对于弧任意接触长度ι范围内的动态磨刃数Nd(ι)为：
l N d (l ) N d l s
vw A C n e v s
磨削的工艺特点及应用范围
磨削的工艺特点及应用范围磨削是一种通过将磨料与工件接触并相对运动，以去除工件表面的材料来达到加工目的的工艺。
它是机械加工中常用的一种精密加工工艺，具有以下几个特点和应用范围。
首先，磨削具有高精度的特点。
由于磨削采用磨料的物理磨损作用，能够在工件表面形成较高的精度和光洁度。
这使得磨削可以在高要求的部件上进行加工，如模具、精密仪器零部件等。
其次，磨削具有高表面质量的优势。
由于磨削可产生微细破碎和位移切削，所以能够在工件表面形成比较光滑及均匀的表面。
磨削加工可将工件表面粗糙度控制在很低的范围内，以满足高精度零部件的要求。
第三，磨削可以加工各种材料。
由于磨料多种多样，几乎可以加工所有的工程材料，如钢、铸铁、有色金属、陶瓷、石材等。
而且磨削还可以加工硬度高、韧性好的材料，如硬质合金、高速钢等。
因此，磨削具有广泛的应用范围。
第四，磨削是一种高效率的加工方法。
尽管磨削是一种相对慢速的金属切削方式，但具有高的切削效率。
这是由于磨削通过很薄的材料去除率来实现加工，而它的单位材料去除率比其他加工方法要高得多。
此外，磨削可以实现连续加工，大大提高了生产效率。
第五，磨削可以加工各种形状的工件，如平面、曲面、孔等。
通过不同形状的磨具和磨料，可以加工出各种不同形状和精度要求的工件。
并且，由于磨削是一种柔性的加工方法，它可以根据加工需要进行不同的修整，以满足不同的要求。
最后，磨削还可以改善材料的机械性能和表面质量。
通过磨削可以降低材料的表面硬度和残余应力，从而提高材料的疲劳寿命和抗腐蚀性能。
此外，磨削还可以消除工件的加工硬化层，提高工件的尺寸精度和表面质量。
总之，磨削是一种高精度、高效率、多功能的加工方法。
它在航空航天、汽车、机床制造、电子仪器、模具制造等领域广泛应用。
在未来，随着科学技术的不断发展，磨削将更加趋向智能化，更好地满足不同领域对于精密加工的需求。
磨削加工的工艺特点
磨削加工的工艺特点磨削加工是指通过磨削工具与工件相互作用，以削除工件表面的金属层来改变工件形状、尺寸与表面质量的一种加工方法。
它具有以下的工艺特点：1. 磨削加工是一种高精度加工方法。
磨削加工能够实现极高的加工精度与表面质量要求，通常能够达到工件表面的精度及其低的Ra值。
2. 磨削加工能够实现高硬度材料的加工。
磨削加工适用于各种各样的工件材料，包括高硬度材料，如合金钢、铸造铁、硬质合金等。
3. 磨削加工是一种没有侵蚀性的加工方法。
由于磨削加工不需要进行物理或者化学的反应，因此不会在工件表面形成氢脆、表面扭曲、残余应力等不良影响，从而保持了工件的原有性能。
4. 磨削加工能够实现多种形状的加工。
由于磨削加工中采用的磨削工具多种多样，如磨轮、砂轮、磨棒等，因此能够实现各种形状、轮廓的工件加工。
5. 磨削加工对于不同材料可以选择不同的磨削工艺。
不同的材料有不同的磨削工艺要求，而磨削加工则可以根据不同材料的特性选择不同的磨削工艺参数，从而实现最佳的加工效果。
6. 磨削加工具有较高的生产效率。
虽然磨削加工相对于其他加工方法来说比较耗时，但是相对于传统的粗加工和磨床加工来说，磨削加工能够大大提高加工效率。
7. 磨削加工有较高的自动化程度。
随着数控技术的发展，磨削加工已经实现了高度的自动化，减少了人为操作的影响，提高了加工的稳定性和一致性。
总之，磨削加工具有高精度、高硬度、无侵蚀、多形状、材料可选择性、生产效率高以及高自动化程度的工艺特点。
这些特点使得磨削加工在精密零件制造、模具制造、航空航天领域以及高精度传动装置等方面都有着广泛的应用。
尽管磨削加工在实际应用中仍存在着一些问题，如加工效率低、磨削热引起的负面影响等，但是随着技术的不断发展和进步，这些问题可以逐渐得到解决，使得磨削加工在工业生产中发挥更大的作用。
2.4磨削机理
1）车削修整法
以单颗粒金刚石(或以细碎金刚石制成 的金刚笔、金刚石修整块) 作为刀具车 削砂轮是应用最普遍的修整方法。安装 在刀架上的金刚石刀具通常在垂直和水 平两个方向各倾斜约5°～15°；金刚 石与砂轮的接触点应低于砂轮轴线 0.5～2mm，修整时金刚石作均匀的低速 进给移动。要求磨削后的表面粗糙度越 小，则进给速度应越低，如要达到 Ra0.16～0.04µm的表面粗糙度，修整进 给速度应低于50mm/min。修整总量一般 为单面0.1mm左右，往复修整多次。粗 修的切深每次为0.01～0.03mm，精修则 小于0.01mm。
当砂轮硬度较低，修整较粗，磨削载荷较 重时。易出现脱落型。这时，砂轮廓形失真， 严重影响磨削表面质量及加工精度。 在磨削碳钢时由于切屑在磨削高温下发生 软化，嵌塞在砂轮空隙处，形成嵌入式堵塞， 在磨削钛合金时，由于切屑与磨粒的亲合力强， 使切屑熔结粘附于磨粒上，形成粘附式堵塞。 砂轮堵塞后即丧失切削能力，磨削力及温度剧 增，表面质量明显下降。
根据条件不同，磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存 在，也可以部分存在 。
典型磨屑有带状、挤裂状、 球状及灰烬等(图10— 7)．
三、磨削力及磨削功率 尽管单个磨粒切除的材料很少，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： Rz——主磨削力(切向磨削力)；
根据表面颜色，可以推断磨削温度及烧伤程度。如淡黄色 约为400℃～500℃，烧伤深度较浅；紫色为800℃～900℃， 烧伤层较深。 5、磨削表面裂纹 磨削过程中，当形成的残余拉应力超过工件材料的强 度极限时，工件表面就会出现裂纹。 磨削裂纹极浅，呈网状或垂直于磨削方向。有时不在表层， 而存在于表层之下。有时在研磨或使用过程中，由于去除 了表面极薄金属层后，残余应力失去平衡，形成微细裂纹。 这些微小裂纹，在交变载荷作用下，会迅速扩展，并造成 工件的破坏。
磨削有哪些原理特点
磨削加工都有哪些类型及原理特点《磨削加工》以制造工艺为主线，数据与方法相结合，汇集了我国多年来工艺工作的成就和经验，反映了国内外现代工艺水平及其发展方向。
工艺基础包括车削、镗削、铣削、锯削、钻削、扩削、铰削、拉削、刨削、插削、磨削加工，齿轮、蜗轮蜗杆、花键加工，螺纹加工，特种加工，精密加工和纳米加工，高速切削，难加工材料的切削加工，表面工程技术。
主要包括磨削原理、磨削液、磨床与磨床夹具、磨料磨具、磨削加工工艺等内容。
磨削加工磨削加工1、外圆磨削主要在外圆磨床上进行，用以磨削轴类工件的外圆柱、外圆锥和轴肩端面。
磨削时，工件低速旋转，如果工件同时作纵向往复移动并在纵向移动的每次单行程或双行程后砂轮相对工件作横向进给，称为纵向磨削法。
如果砂轮宽度大于被磨削表面的长度，则工件在磨削过程中不作纵向移动，而是砂轮相对工件连续进行横向进给，称为切入磨削法。
一般切入磨削法效率高于纵向磨削法。
如果将砂轮修整成成形面，切入磨削法可加工成形的外表面。
2、内圆磨削主要用于在内圆磨床、万能外圆磨床和坐标磨床上磨削工件的圆柱孔、圆锥孔和孔端面。
一般采用纵向磨削法。
磨削成形内表面时，可采用切入磨削法。
在坐标磨床上磨削内孔时，工件固定在工作台上，砂轮除作高速旋转外，还绕所磨孔的中心线作行星运动。
内圆磨削时，由于砂轮直径小，磨削速度常常低于30米/秒、耐磨性是普通砂轮的20-100倍，极大的减少了砂轮的修正及更换频率。
3、平面磨削主要用于在平面磨床上磨削平面、沟槽等。
平面磨削有两种：用砂轮外圆表面磨削的称为周边磨削，一般使用卧轴平面磨床，如用成形砂轮也可加工各种成形面；用砂轮端面磨削的称为端面磨削，一般使用立轴平面磨床。
4、无心磨削一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。
磨削时，工件不用顶尖定心和支承，而是放在砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。
当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交1°～6°时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，这称为贯穿磨削。
3）磨削加工特点
3）磨削加工特点3）磨削加工特点（1）能获得很高的加工精度和低的表面粗糙度n 磨粒上锋利的切削刃，能够切下一层很薄的金属，切削厚度可以小到数微米；残留面积的高度小，有利于形成光洁的表面；n 磨床有较高的精度和刚度，并有实现微量进给机构，可以实现微量切削；（2）砂轮有自锐作用n 磨削过程中，磨钝了的磨粒会自动脱落而露出新鲜锐利的磨粒。
n 实际生产中，有时就利用这一原理进行强力磨削，以提高磨削加工的生产率。
（3）磨削温度高n 磨削时的切削速度为一般切削加工的10～20倍，磨粒多为负前角切削，挤压和摩擦较严重，磨削时滑擦、刻划和切削三个阶段所消耗的能量绝大部分转化为热量。
n 砂轮本身的传热性很差，大量的磨削热在短时间内传散不出去，在磨削区形成瞬时高温，有时高达800～1000 ℃。
n 大部分磨削热将传入工件，降低零件的表面质量和使用寿命。
n 向磨削区加注大量的切削液起冷却、润滑作用，不仅可降低磨削温度，还可以冲掉细碎的切屑和碎裂及脱落的磨粒，避免堵塞砂轮空隙，提高砂轮的寿命。
（4）磨削的背向力大n 磨削外圆时，总磨削力分解为磨削力Fc、进给力Ff和背向力Fp 3个相互垂直的分力。
n 磨削力Fc决定磨削时消耗功率的大小，在一般切削加工中，切削力Fc比背向力Fp大得多；而在磨削时，背向磨削力Fp大于磨削力Fc（一般2～4倍）。
n 进给力最小，一般可忽略不计。
n 背向力Fp不消耗功率，但它会使工件产生水平方向的弯曲变形，直接影响工件的加工精度。
例如纵磨细长轴的外圆时，由于工件的弯曲而产生腰鼓形。
（三）外圆面的光整加工1．研磨(lapping)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。
研磨方法：手工研磨和机械研磨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。
磨削原理介绍
（4）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。 硬度高，磨料不易脱落；硬度低，自锐性好。 分7大级(超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬)，16小级
砂轮硬度选择原则：
第八节 磨削原理
➢ 磨削是一种精加工方法。 ➢ 尺寸精度可达IT5～IT6。
➢ 表面粗糙度能达到Ra0.8～0.04μm；
➢ 可磨普通材料，又可磨高硬度难加工材料； ➢ 适应各种工件形状、表面及生产批量。
一、砂轮的特性和选择
1、普通砂轮的特性和选择
砂轮 = 磨料＋结合剂 砂轮特性决定于五要素： 磨料、粒度、结合剂、 硬度和 组织。
（2）工件速度 vw 增大工件速度 ，单位时间内进入磨削区的 工件材料增加，单颗磨粒的切削厚度加大，磨削力及能耗增 加，磨削温度上升；但从热量传递的观点分析，提高工件速 度 ，工件表面被磨削点与砂轮的接触时间缩短，工件上受热 影响区的深度较浅，可以有效防止工件表面层产生磨削烧伤 和磨削裂纹，在生产实践中常采用提高工件速度的方法来减 少工件表面烧伤和裂纹。
双斜边 一号砂轮
4
主要用于磨齿轮齿面和磨单线螺纹
薄片砂轮 41
用于切断和开槽等
杯形砂轮 6 碗形砂轮 11
碟形 12 一号砂轮 a
主要用其端面刃磨刀具，也可用其圆 周面磨平面及内孔
通常用于刃磨刀具，也可用于导轨磨 床上磨机床导轨
适于磨铣刀、铰刀、拉刀等，大尺寸 的砂轮一般用于磨齿轮的齿面
（7） 砂轮的标志
2）耕犁阶段 开始产生塑性变形，磨 粒逐渐切入工件表层材料中， 出现沟痕，沟痕两侧产生隆起。 产生的热量大大增加。
磨削的基本特点及机理
理论预测和实验结果表明： 弹性变形有如下基本特征 1）临界法向力随切削刃与工件的摩擦系数增大而明显降低； 随接触宽度增加而呈直线增加；随切削速度增加而减小。 2）临界切入深度随切削速度增加而减小；随摩擦系数减小而 减小。 3）弹性滑移长度随接触宽度增加呈直线增加；随干涉角 增加而直线地减小；随弹簧常数的增加而减小；随切削 速度的变化无明显影响。弹性滑移长度是摩擦系数的复 杂函数；且随磨削液性能的变化而变化。
磨粒与工件的干涉过程可分为以下三个阶段： （1）划擦阶段: 砂轮与工件开始接触阶 段，磨粒切削刃与工件之间只发生弹性 接触。 （2）刻划阶段: 砂轮与工件开始接触以 后，继续以恒定的进给量切入工件。经 过滑擦阶段后，磨粒上承受一定大小的 法向力，增大到一定值之后，材料表面 产生塑性变形。使磨粒前方的材料被挤 压而隆起，如犁田的情况，故称之为耕 犁作用。这时一般不形成切屑 （3）切削阶段：砂轮继续相对于材料表面作进给。使磨粒切入 深度增加，达一定数值时，形成切屑。
在磨削中，切削刃和工件的干涉存在着以下几种情况： a) 磨粒在整个接触期间只进行弹性滑移； b) 磨粒在整个接触期间由弹性滑移到塑性耕犁再转 变为弹性滑移离开磨削区； c) 磨粒在整个接触期间要经过弹性滑移、塑性耕犁和切 削三个过程。 切削刃即将离开工件时由于磨粒与工件材料的干涉深 度迅速减小，工件又将产生塑性和弹性变形，但这一 阶段非常短暂，实际研究中常常不作考虑。
(4) 积屑瘤 在磨削软质材料 时砂轮被堵塞时所特有的现象， 即切屑时而堆积在砂轮表面时而 脱落形成了积屑瘤
(5) 熔融切屑 粉末状切 屑在高温下熔融并在飞散过 程中球化而成，这种切屑在 磨削硬度较高材料中砂轮发 生堵塞的磨削状态下最为明 显
三、磨屑的形状
(1) 带状切屑 在正常磨削中 和自锐性良好的情况下，砂轮表 面磨粒锐利，由于磨粒具有负前 角并且切削速度十分高，常常产 生带状切屑。
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(4) 积屑瘤 在磨削软质材料 时砂轮被堵塞时所特有的现象， 即切屑时而堆积在砂轮表面时而 脱落形成了积屑瘤
(5) 熔融切屑 粉末状切 屑在高温下熔融并在飞散过 程中球化而成，这种切屑在 磨削硬度较高材料中砂轮发 生堵塞的磨削状态下最为明 显
三、磨屑的形状
(1) 带状切屑 在正常磨削中 和自锐性良好的情况下，砂轮表 面磨粒锐利，由于磨粒具有负前 角并且切削速度十分高，常常产 生带状切屑。
(2) 挤裂切屑 砂轮表面工作 磨粒处于锐利状态下，磨削脆性 工件材料时得到这种切屑特别显 著
(3) 单元切屑 这种切屑短而不 规则并经受了较大的塑性变形。多 见于磨粒钝化后或砂轮被堵塞的磨 削状态之中
第三章 磨削机理和磨削几何参数
磨削与其他切削加工方式的比较
g g
切屑
刀具
磨屑
磨粒
工件
工件
为了描述磨削加工过程，必须找出一些能明确表征 主要的输入或输出参数。
表征输入条件的参数有：磨刃几何参数、有效 磨刃数、切屑层(末变形)断面尺寸、接触弧长 度和砂轮当量直径等。
表征输出条件的参数有：材料切除率、砂轮耗损 率和磨削比、比法向力、功率消耗和比能以及加 工精度和表面完整性指标等。 其中：磨刃几何参数、有效磨刃数、切屑层断面 而尺寸和磨削比等比较重要，称为磨削基本参数。
在磨削中，切削刃和工件的干涉存在着以下几种情况： a) 磨粒在整个接触期间只进行弹性滑移； b) 磨粒在整个接触期间由弹性滑移到塑性耕犁再转 变为弹性滑移离开磨削区； c) 磨粒在整个接触期间要经过弹性滑移、塑性耕犁和切 削三个过程。 切削刃即将离开工件时由于磨粒与工件材料的干涉深 度迅速减小，工件又将产生塑性和弹性变形，但这一 阶段非常短暂，实际研究中常常不作考虑。
磨粒与工件的干涉过程可分为以下三个阶段： （1）划擦阶段: 砂轮与工件开始接触阶 段，磨粒切削刃与工件之间只发生弹性 接触。 （2）刻划阶段: 砂轮与工件开始接触以 后，继续以恒定的进给量切入工件。经 过滑擦阶段后，磨粒上承受一定大小的 法向力，增大到一定值之后，材料表面 产生塑性变形。使磨粒前方的材料被挤 压而隆起，如犁田的情况，故称之为耕 犁作用。这时一般不形成切屑 （3）切削阶段：砂轮继续相对于材料表面作进给。使磨粒切入 深度增加，达一定数值时，形成切屑。
磨粒与工件的干涉曲线
实际生成曲线
实际干涉曲线
理论干涉曲线
磨粒切刃
切 入 深 度
切削 耕 滑 犁 擦
二、弹性变形过程分析
v 一颗磨粒被作为一个刚体装在 弹簧常数为K的弹簧上 接触宽度为2a
ig，
切削刃与工件的相对滑移 速度v
K：弹簧常数
表面干涉角ig，
实际干涉角iw
磨粒 iw 2a 工件
从磨粒与工件开始接触到 转入塑性变形之间的区域 称为弹性变形区. 这个转变点叫弹之间的区域为塑性变形区
KS iw γ KS Vs γ A段 Dh B段 x
Vs
ig
在切削刃前下方的变形中存在着两个阶段：
(a)段中切削刃前下方既有弹性变形，又有塑性变形，其长度非常短。 塑性变形的最大部分是在(b)段，其特点是切削刃的耕犁作用只 产生沟槽和堆积尚无切屑产生
第一节 磨粒切削刃的形状与分布
一、磨粒切削刃的形状
磨粒切削刃的尖端形状对磨粒的磨削能力，磨削 精度和磨削表面粗糙度有着重要的影响
（圆锥或角锥）
球形
尖端球形的圆锥
尖端平面的圆锥
切削刃的形状可直接用显微镜或电子显微镜进行观测，也可以 利用表面轮廓仪描绘尖端的形状；或者间接地测定被磨表面上 的磨削条痕，然后根据磨粒引起的水平分力值进行推定，以获 得切削刃的形状
二、磨粒切刃的分布
ω
a
平均切刃间隔ω 和连续切刃间隔a
da
单位长度
砂轮的组成
砂轮内部的磨粒分布
单位面积内存在的切刃数为C，平均的切刃间隔为ω ，则
w
1 C
ω 对分析磨粒的切入深度和切屑断 面积是一个必要的数值
在砂轮内部任意切断的单位平面含有Np颗磨粒，磨粒的平均直径 为do，那么在1×do的体积内含有的磨粒数
塑性变形的基本特征 1)切削刃上方的堆积和前下方的塑性变形是前角 γ和摩擦系数μ的 函数。较小的前角和摩擦系数使塑性变形程度较小；而较大的前角 和摩擦系数则会在磨粒前下方产生大面积的塑性变形。 2) 发生塑性变形的金属与切削刃前面的接触长度h，在前角γ和摩擦 系数μ较小时随前角γ和摩擦系数μ的增大而增加，但在前角γ和摩擦 系数μ较大时则随前角γ和摩擦系数μ的增大而减小。 3）在刃尖下方的塑性变形深度Dh随前角γ 和摩擦系数μ 的增加而 增加。
理论预测和实验结果表明： 弹性变形有如下基本特征 1）临界法向力随切削刃与工件的摩擦系数增大而明显降低； 随接触宽度增加而呈直线增加；随切削速度增加而减小。 2）临界切入深度随切削速度增加而减小；随摩擦系数减小而 减小。 3）弹性滑移长度随接触宽度增加呈直线增加；随干涉角 增加而直线地减小；随弹簧常数的增加而减小；随切削 速度的变化无明显影响。弹性滑移长度是摩擦系数的复 杂函数；且随磨削液性能的变化而变化。
NP
6
d o V g 1 d o
6V g
3
Vg是砂轮的组织，即磨粒 体积率。一般值0.4～0.5
NP
d o 2
w
'
1 NP
d o =（1.14～1.15）d 0 6V g
砂轮表面上平均 的切刃间隔大约 为平均粒径的 1.5～2倍
第二节
一、磨削过程
磨削机理与磨削过程
磨削加工的特点 决定了磨粒与工 件的干涉过程不 同于一般切削方 式：切屑并不是 从切削一开始就 产生的