砂轮对工件的磨削加工原理
磨削理论.pdf
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。
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。
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)
砂轮的磨损与修整
04 砂轮磨损与修整的应用案 例
案例一：磨削加工中的砂轮磨损与修整
磨削加工是利用砂轮的高速旋转， 通过磨粒的切削、刻划和划擦作 用，对工件表面进行加工的一种
工艺方法。
在磨削加工过程中，砂轮会因为 磨粒的磨损而逐渐变钝，导致加 工效率降低和工件表面质量下降。
为了保持砂轮的锋利度和磨削效 率，需要定期对砂轮进行修整， 去除钝化磨粒，使新磨粒突出，
通过使用化学溶液对砂轮 表面进行腐蚀，以达到修 整的目的。
砂轮修整的工具与设备
01
02
03
04
金刚石笔
用于修整砂轮的外圆和内圆， 具有精度高、寿命长的特点。
磨床
用于修整砂轮的平面和斜面， 具有高精度和高效率的特点。
磨石
用于修整砂轮的表面，具有磨 削效率高、使用寿命长的特点
。
抛光轮
用于修整砂轮的表面，具有抛 光效果好、使用方便的特点。
砂轮的磨损与修整
contents
目录
• 砂轮磨损概述 • 砂轮磨损的检测与评估 • 砂轮修整技术 • 砂轮磨损与修整的应用案例 • 结论与展望
01 砂轮磨损概述
砂轮磨损的定义
01
砂轮磨损是指砂轮在使用过程中 ，由于与工件之间的摩擦和切削 作用，导致其表面逐渐损耗的现 象。
02
砂轮磨损通常表现为砂轮表面的 磨粒变钝、脱落或出现裂纹等。
恢复砂轮的切削能力。
案例二：抛光处理中的砂轮磨损与修整
抛光处理是利用抛光轮的高速旋转，通过磨粒的切削、刻划和划擦作用，对工件表 面进行光整加工的一种工艺方法。
在抛光处理过程中，砂轮会因为磨粒的磨损而逐渐变钝，导致工件表面质量下降。
为了保持砂轮的锋利度和抛光效率，需要定期对砂轮进行修整，去除钝化磨粒，使 新磨粒突出，恢复砂轮的切削能力。
第6章磨削加工
金刚石砂轮
6.2 磨 削 原 理
6.2.1 磨料的形状特征
形状很不规则，但大多呈菱形八面体。顶锥角在80°～ 145°范围内， 但大多数顶锥角为 90°～ 120°。
6.2.2 磨屑形成过程
第6章磨削加工
磨削过程——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。
图 6-2 磨粒的切削过程
①当砂轮硬度较高，修整较细，磨削载荷较轻时，易出现钝化型。这时，加工 表而质量虽较好，但金属切除率显著下降。
②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。
表 6-3 常用结合剂的性能及适用范围
第6章磨削加工
6.1.4 硬度 磨粒在外力作用下从其表面脱落的难易程度。 磨粒容易脱落，砂轮硬度软，反之则硬。 表 6-4 砂轮的硬度等级名称及代号
第6章磨削加工
砂轮硬度的选用原则: ①工件材料越硬，应选用越软的砂轮。 ②磨削面积较大时，磨粒易磨损，应选较软的砂轮。 ③半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮。 ④精磨和成形磨削时，需用较硬的砂轮。
且，径向力Fx最大， 是Fy的2-4倍
图 6-3 磨削力
第6章磨削加工
径向分力 F x 与
砂轮轴、工件的变 形及振动有关，影 响加工精度、质量
6.2.4 磨削温度基本概念 磨削时，切除单位体积切削层所削耗的功率为车、铣等
的10～20倍，且大部分转变为热能，使磨削区形成高温。
⑴磨粒磨削点温度 指磨粒切削刃与切屑点的温度，是磨削中温度 最高的部位，达1000～1400 ℃，它影响加工质量，砂轮磨损。
第 6 章 磨削加工
第6章磨削加工
磨削：用磨具（砂轮、砂带、油石等）对表面加工的方法。 适用难切削的高硬度材料的半、精加工。
磨削过程及磨削原理
六、砂轮的磨损与耐用度
形态：磨耗磨损(A)、磨粒破碎(B-B) 和脱落磨损(C-C)。 砂轮耐用度：砂轮钝化、变形后加工 质量和效率降低。~用砂轮在两次修 整之间的实际磨削时间度时，工件将发 生颤振，表面粗糙度突然增大，或出 现表面烧伤现象。
由图可知，缩 短初磨阶段和稳定 阶段可提高生产效 率，而保持适当清 磨进给次数和清磨 时间可提高表面质 量。
五 磨削热和磨削温度
1. 磨削温度的基本概念 2. 影响磨削温度的主要因素
砂轮速度V： V ↑→θ↑ 工件速度Vw ： Vw ↑→θ↓ 径向进给量fr： fr↑→θ↑ 工件材料: 导热性↓→θ↑ 砂轮硬度与粒度：硬度↓→θ↓ 磨粒大小↑→θ↓
二 磨屑的形成过程
滑擦阶段：磨粒切削厚度非常小，在 工件表面上滑擦而过，工件仅产生弹 性变形。
刻划阶段：工件材料开始产生塑性变 形，磨粒切入金属表面，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。磨粒与工件间挤压摩 擦加剧，磨削热显著增加。
切削阶段：随着切削厚度的增加，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。
磨削过程及磨削原理
1 磨料特征 2 磨屑的形成过程 3 磨削力 4 磨削阶段 5 磨削热和磨削温度 6 砂轮磨损与耐用度
一 磨料特征
很不规则，大多数呈菱形八面体； 顶尖角大多数为90度～120度，以很大的负前角进行切 削； 磨粒切削刃几乎都存在切削刃钝圆半径； 在砂轮表面分布不均匀，高低也不同。
磨粒常见形状
三 磨削力
➢磨削力的的来源：工件材料产生变形时的抗力和 磨粒与工件间的摩擦力。
➢磨削力的特征： (1) 单位磨削力很大 (2) 径向分力很大---径向力虽不做工，但会使
工件产生水平方向的弯曲，直接影响加工精度。
磨削的基本原理及其加工能力
磨削的基本原理及其加工本领本文StuartSalmon博士是美国“先进制造科技协会”主席。
他认为，磨削加工在很多领域内，不论从技术上或经济上，都可与切削加工相匹敌，有些领域甚至是唯一的加工方法。
但目前制造业很多人认为磨削加工效率低，不经济，因此尽量不予采纳。
Salmon认为，产生这种想法的重要原因是对磨削原理及其内在潜力缺乏了解。
撰写本文的目的就是要帮忙企业界的有关人士正确理解和运用磨削技术。
当今制造业正在急迫地找寻替代磨削的方案。
一些正在试验用来提高零件生产效率的“新”方案包括：硬切削、干切削、耐磨涂层刀具和高速切削等。
但应指出，“高速”两字对磨削并不陌生。
砂轮的常规运行表面线速度达1829m/min，高速超硬磨料砂轮的生产应用速度达4572～10668m/min，而试验室里在磨削专用设备上的速度则可达到18288m/min仅稍低于声速。
工业界不喜爱磨削的原因是对它不了解。
超硬磨料和缓进给磨削工艺不论从技术或经济角度看，都可与铣削、拉削、刨削以及某些情况下的车削相匹敌。
但制造企业中有很多人，他们的学问停留在传统加工技术水平上，往往对磨削实行排斥的态度。
但随着新材料的推动（如陶瓷、晶须强化金属和强化聚合材料、多层金属和非金属的压合材料），磨削常常是唯一可行的加工方法。
假如采纳适当的结合剂，就可以使得磨粒在加工过程中的脱落和自砺过程得到掌控。
并且砂轮变钝或显现粉屑状载荷时，可以在机床上修整。
这些优点在其它的加工方法中都是难以做到的。
砂轮可以使加工表面的公差达到数万分之一的数量级（微米级），同时还能使表面干净度和切削纹理达到最佳状态。
不巧的是，长期以来，磨削一直被看作是一种“艺术”。
直到近来的40～50年间，通过讨论人员持续地对磨削加工过程进行讨论，开发了新的、改进的磨料、粘结剂体系和各种磨削液。
这些成果的取得，使得磨削加工进入了科学王国。
磨料的种类磨料可分为两大类：一般磨料（如氧化铝、碳化硅等）和超硬磨料（金刚石、立方氮化硼等）。
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 工
1.3 砂 轮
1.3.1 砂轮的性能
砂轮是磨削用的切削工具，是由磨粒、结合剂和空隙构成的多孔物体，如 图所示。砂轮的性能主要由磨粒的种类和大小、结合剂的种类和砂轮的硬度来 决定。
1．磨粒 磨粒在磨削过程中担任切削工作，每一个磨粒都相当于一把刀具，以切削工件。常见
的磨粒有刚玉和碳化硅两种。其中，刚玉类磨粒适用于磨削钢料和一般刀具；碳化硅磨粒 类适用于磨削铸铁和青铜等脆性材料以及硬质合金刀具等。
1）顶尖安装 磨削轴类零件的外圆时常用前、后顶尖装夹。其安装方法与车削中顶尖
的安装方法基本相同。
2）卡盘安装 工件较长且只有一端有中心孔时应采用卡盘安装。安装方法与车床的安装方法基本 相同，如下左图所示
3）心轴安装 盘套类空心工件常用心轴安装。心轴的安装与车床的安装方法相同，不同的是磨削 用的心轴精度要求更高些，且多用锥度（锥度为1/5 000～1/7 000）心轴，如下右 图所示。
金工实习
1.1 概 述
磨工是指用磨料去除工件表面多余材料的加工方法，是零件精加工的主要方法。 磨工的尺寸等级一般可达到IT6～IT5，表面粗糙度Ra值可达到0.8～0.2 μm。
1.1.1 磨削要素
磨削要素包括主运动、圆周进给运动、纵向进给运动和横向进给运动。 1．主运动及磨削速度
磨削的主运动是砂轮的高速旋转运动。磨削速度是砂轮外圆的线速度，其计算 公式为
内圆磨床主要用于磨削内圆柱面、内圆锥面和孔内端面等。如图所示为 M2110内圆磨床。
1.2.3 平面磨床
平面磨床主要用来磨削平面。平面磨床有立轴式和卧轴式两类。其中，立轴式 平面磨床用砂轮的端面磨削平面；卧轴式平面磨床用砂轮的圆周面磨削平面。如图 所示为M7120D平面磨床
【金属切削原理】第12章：磨削详解
《金属切削原理》第十二章：磨削加工详解磨削用于加工坚硬材料及精加工、半精加工内圆磨削外圆磨削平面磨削普通平面磨削圆台平面磨削超精磨削加工第一节砂轮的特性及选择砂轮由磨料、结合剂、气孔组成特性由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织决定一、磨料分为天然磨料和人造磨料人造磨料氧化物系刚玉系（Al2O3）碳化物系碳化硅系碳化硼系超硬材料系人造金刚石系立方氮化硼系二、粒度表示磨粒颗粒尺寸的大小＞63µm号数为通过筛网的孔数／英寸（25.4mm）机械筛分一般磨粒＜63µm号数为最大尺寸微米数（W）显微镜分析法微细磨粒精磨细粒降低粗糙度粗磨粗粒提高生产率高速时、接触面积大时粗粒防烧伤软韧金属粗粒防糊塞硬脆金属细粒提高生产率国标用磨粒最大尺寸方向上的尺寸来表示三、结合剂作用：将磨料结合在一起，使砂轮具有必要的强度和形状1、陶瓷结合剂（A）常用由黏土等陶瓷材料配成特点：粘结强度高、耐热、耐酸、耐水、气孔率大、成本低、生产率高、脆、不能承受侧向弯扭力2、树脂结合剂（S）切断、开槽酚醛树脂、环氧树脂特点：强度高、弹性好、耐热性差、易自砺、气孔率小、易糊塞、磨损快、易失廓形、与碱性物质易反应、不易长期存放3、橡胶结合剂（X）薄砂轮、切断、开槽、无心磨导轮人造橡胶特点：弹性好、强度好、气孔小、耐热性差、生产率低4、金属结合剂（Q）磨硬质合金、玻璃、宝石、半导体材料青铜结合剂（制作金刚石砂轮）特点：强度高、自砺性差、形面成型性好、有一定韧性四、硬度在磨削力作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度分为超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬工件材料硬砂轮软些防烧伤工件材料软砂轮硬些充分发挥磨粒作用接触面积大软砂轮精度、成形磨削硬砂轮保持廓形粒度号大软砂轮防糊塞有色金属、橡胶、树脂软砂轮防糊塞五、组织磨粒、气孔、结合剂体积的比例关系分为：紧密（0～3）、中等（4～7）、疏松（8～14）（磨粒占砂轮体积％↘）气孔、孔穴开式（与大气连通）占大部分，影响较大闭式（与大气不连通）尺寸小、影响小开式空洞型蜂窝型前两种构成砂轮内部主要的冷却通道管道型5～50µm六、砂轮的型号标注形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许最高圆周线速度P300x30x75WA60L6V35外径300，厚30，内径75第二节磨削运动一、磨削运动1、主运动砂轮外圆线速度 m/s2、径向进给运动进给量fr 工件相对砂轮径向移动的距离间歇进给 mm/st 单行程mm/dst 双行程连续进给 mm/s3、轴向进给运动进给量fa 工件相对砂轮轴向的进给运动圆磨 mm/r平磨 mm/行程4、工件速度vw线速度 m/s二、磨削金属切除率ZQ＝Q/B＝1000·vw·fr·fa/B mm^3/(s·mm)ZQ：单位砂轮宽度切除率Q：每秒金属切除量用以表示生产率B：砂轮宽度三、砂轮与工件加工表面接触弧长lc＝sqrt(fr·d0)影响参加磨削磨粒数目及磨粒负荷，容屑，冷却条件四、砂轮等效直径将外圆（内圆）砂轮直径换算成接触弧长相等的假想平面磨削的砂轮直径结论：对砂轮耐用度影响内圆＞平面＞外圆第三节磨削的过程一、单个磨粒的磨削过程磨粒的模型锐利120°圆锥钝化半球实际磨粒：大的负前角，大的切削刃钝圆半径滑擦、耕犁、切削滑擦：（不切削，不刻划）产生高温，引起烧伤裂纹耕犁：（划出痕迹）磨粒钝或切削厚度小于临界厚度，工件材料挤向两侧隆起切削：切削厚度大于临界厚度，形成切屑v↑→隆起↓（线性）塑性变形速度＜磨削速度二、磨削的特点1、精度高、表面粗糙度小高速、小切深、机床刚性2、径向分力Fn较大多磨粒切削3、磨削温度高磨粒角度差、挤压和摩擦、砂轮导热差4、砂轮的自砺作用三、磨削的阶段1、初磨阶段实际磨深小于径向进给量2、稳定阶段实际磨深等于径向进给量3、清磨阶段实际磨深趋向于0提高生产率缩短1、2提高质量保证3第四节磨削力及磨削功率一、磨削力的特征分解成三个分力Ft切向力 Fn法向力 Fa轴向力特征：1、单位切削力k很大磨粒几何形状的随机性和参数的不合理性7000～20000kgf/mm^2 其他切削方式k＜700kgf/mm^22、Fn值最大Fn/Ft 通常2.0～2.5工件塑性↓、硬度↑→Fn/Ft↑切深小，砂轮严重磨损 Fn/Ft 可达5～103、磨削力随磨削阶段变化初磨、稳定、光磨二、磨削力及磨削功率摩擦耗能占相当大的比例（70～80％）切向力（N）：Ft＝9.81·(CF·(vw·fr·B/v)+µ·Fn)径向力（N）：Fn＝9.81·CF·(vw·fr·B/v)·tan(α)·(π/2) vw：工件速度v：砂轮速度fr：径向进给量B：磨削宽度CF：切除单位体积切屑所需的能 kgf/mm^2µ：工件－砂轮摩擦系数α：假设粒度为圆锥时的锥顶半角磨削功率P＝Ft·v/1000 Kw理论公式精度不高，常用实验测定（顶尖上安装应变片）第五节磨削温度耕犁、滑擦和形成切屑的能量全部转化成热，大部分传入工件一、磨削温度砂轮磨削区温度θA：砂轮与工件接触区的平均温度影响：烧伤、裂纹的产生磨粒磨削点温度θdot：磨粒切削刃与切屑接触部分的温度温度最高处，是磨削热的主要来源影响：表面质量、磨粒磨损、切屑熔着工件温升：影响：工件尺寸、形状精度受影响二、影响磨削温度的因素切削液为降温的主要途径1、工件速度对磨粒磨削点温度的影响大于砂轮速度vw↑→acgmax↑→F↑→θdot↑大v↑→acgmax↓→θdot↑小→摩擦热↑↗acgmax：单个磨粒最大切削厚度 mm假设：磨粒前后对齐，均匀分不在砂轮表面平面磨：acgmax=(2·vw·fa/(v·m·B))sqrt(fr/dt)外圆磨：acgmax=(2·vw·fa/(v·m·B))sqrt((fr/dt)+(fr/dw))dt：砂轮直径m：每毫米周长磨粒数用于定性分析2、径向进给量Frfr↑→acgmax↑→θdot↑fr↑→接触区↑→同时参加切削磨粒数↑→θA↑3、其他因素fa↑→θdot↑、θA↑工件材料硬度↑、强度、↑韧性↑→θdot↑、θA↑θA↑→工件温升↑vw↑→被磨削点与砂轮接触时间↓→工件温升↗三、磨削温度的测量（热电偶）第六节砂轮的磨损及表面形貌一、砂轮的磨损类型磨耗磨损磨粒磨损破碎磨损磨粒或结合剂破碎（取决于磨削力与磨粒、结合剂强度）破碎磨损消耗砂轮多磨耗磨损通过磨削力影响破碎磨损阶段初期磨损磨粒破碎磨损（个别磨粒受力大，磨粒内部应力与裂纹）二期磨损磨耗磨损三期磨损结合剂破碎磨损二、砂轮的耐用度T砂轮相邻两次修整期间的加工时间 s各因素通过平均切削厚度来影响T经验公式：T=6.67·(dw^0.6)·km·kt/(10000·(vw·fa·fr)^2)dw：工件直径kt：砂轮直径修正系数km：工件材料修正系数粗磨时间常用单位时间内磨除金属体积与砂轮磨耗体积之比来选择砂轮三、砂轮的修整作用去除钝化磨粒或糊塞住的磨粒，使新磨粒露出来增加有效切削刃，提高加工表面质量工具单颗金刚石、单排金刚石、碳化硅修整轮、电镀人造金刚石滚轮、硬质合金挤压轮等使用单颗金刚石：导程小于等于磨粒平均直径，每颗磨粒都能修整深度小于等于磨粒平均直径，提高砂轮寿命四、表面形貌单位面积上磨粒数目越多→acgmax↓→磨粒受力↓→磨粒寿命↑→T↑磨粒高度分布越均匀→粗糙度↓磨粒间距均匀性越好→粗糙度↓第七节磨削表面质量与磨削精度一、表面粗糙度比普通切削小小于 Ra2～4µmvw↓、v↑、R工↑、R砂↑、细粒度→粗糙度↓细粒度→m↑→粗糙度↓B↑→acgmax↓→粗糙度↓磨粒等高性好→粗糙度↓二、机械性能1、金相组织变化烧伤：C↑、合金元素↑→导热性↓→易烧伤高温合金↑→磨削功率↑→θA↑→易烧伤影响：破坏工件表层组织，产生裂纹，影响耐磨性和寿命2、残余应力原因：相变引起金相组织体积变化温度引起热胀冷缩和塑性变形的综合结果光磨10次残余应力减少2～3倍光磨15次残余应力减少4～5倍fa↓、fr↓→拉应力↓3、磨削裂纹磨削速度垂直方向上的裂纹（局部高温急冷造成热应力）三、磨削精度1、磨床与工件的弹性变形2、磨床与工件的热变形3、砂轮磨损导致形状尺寸变化3、磨床与工件振动研磨加工是应用较广的一种光整加工。
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mm3/s
(5.3)
②每秒钟内砂轮每1mm宽度所切除的金属量。则称为 单位砂轮宽度切除率，以ZQ表示
ZQ Q 1000 vw f r f a B B
mm3/s· mm
(5.4)
25
2) 砂轮与工件加工表面的接触弧长
① 影响同时参加磨削的磨粒数目及磨粒负荷 ② 影响磨屑的容纳和排除及冷却条件的改善 由推导可知平面磨削时的接触弧的长度为
18
二、磨削阶段
1）初磨阶段
由于机床、工件、夹具工艺系统的弹性变形，实际磨 削深度小于径向进给量
2）稳定阶段
当系统弹性变形达到一定程度后，继续进给时，其 实际磨削深度基本上等于径向进给量。
3）清磨阶段
由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，使实际磨削深 度大于零。
19
图5.6 磨削过程的三个阶段
结论
要提高生产率，应缩短初磨阶段和稳定阶段。要提高 表面质量必须保持适当的清磨进给次数和清磨时间。 20
9
树脂
B
橡胶
R
5.1.4 砂轮的硬度
磨粒与结合剂的粘固程度
在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。 砂轮硬，磨粒较难脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。
砂轮组织较疏松，工件材料较硬，砂轮与工件磨削接触面较大 ，砂轮气孔率较低时，需选用较软的砂轮。 半精磨与粗磨相比，树脂与陶瓷相比，选用的砂轮硬度低些。
10
表5-1 砂轮特性及用途选择4—硬度
等级
超软
软
中软
中
中硬
硬
超硬
代号 D E
F G
H
J
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
Y
选择
磨淬硬钢选用L~N,磨淬火吅金钢选用H~K,高表面质量磨削时选用 K~L,刃磨硬质吅金刀具选用H~J
11
5.1.5 砂轮的组织
砂轮结构的紧密或疏松程度
用颗粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系来表示
氧 化 物
棕刚玉 白刚玉 铬刚玉
黑碳化 硅 绿碳化 硅 碳化硼 人造金 刚石 立方氮 化硅
A WA PA
棕褐色 白色 玫瑰红色
碳 化 物
C GC BC
比刚玉类硬度 高,导热性好,但 黑色带光泽 韧性差 绿色带光泽 较C硬度高, 导 热性好,韧性较 差
超 硬 磨 料
D CBN
白,淡绿, 黑色 棕黑色
研磨硬质吅金, 光学 硬度最高,耐热 玻 璃 , 宝 石 , 陶 瓷 等 高 性较 硬度材料 硬 度 仅 次 于 D 磨削高性能高速钢,不 5 锈钢,耐热钢及其它难 韧性较D好 加工材料
磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密 ，气孔越小；反之，组织疏松
紧密类 中等 疏松类
紧密类砂轮，气孔率小，使砂轮变硬，容屑空间小， 容易被磨屑堵塞，磨削效率较低。但可承受较大的磨 削压力，砂轮廓形可保持较久。 一般组织，一般磨削 磨粒占的比例越小，气孔越大，砂轮越不易被切屑堵塞 ，切削液和空气也易进入磨削区，使磨削区温度降低， 工件因发热而引起的变形和烧伤减小，但疏松类砂轮易 12 失去正确廓形，降低成型表面的磨削精度，增大表面粗 糙度。
d0
砂轮的旋转运动是主运动，砂轮外圆的线速度即主运动速度
vc d 0 n0 / 1000 m/s
式中 d0 ——砂轮直径（mm）； n0——砂轮转速（r/s）。
(5.1)
23
2) 径向进给运动
用径向进给量ƒr表示。
ƒr指工作台每双（单）行程内工件相对于砂轮径 向移动的距离，单位为mm/d· str， 一般情况下， ƒr =0.005～0.02mm/d· str，
表5-1 砂轮特性及用途选择5—砂轮的组织
组织号
0
1
2
3
4
5
6
7 48
8
9
10
11
12 13 14 38 36 34
磨粒率 62 60 58 56 54 52 50 (%) 分类 用途 紧密类 中等
46 44 42 40
疏松类
磨削热 成型磨削, 精密 磨削淬火钢, 刀具 磨削韧性大而硬度不 敏性大 磨削 刃磨 高材料 的材料
5.1.2 粒度
表示磨料颗粒的大小
1．一般磨粒
粒度号---磨粒刚好可通过的筛网每 英寸长度上（25.4mm）上的孔眼 数。单位称为“目”。
粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小
6
表5-1 砂轮特性及用途选择2—粒度
类 别 粒度号 适用范围
8# 10# 12# 14# 16# 20# 22# 荒磨 24# 30# 36# 40# 46# 一般磨削,加工表面粗糙度可达Ra0.8m 磨 54# 60# 70# 80# 90# 100# 半精磨,精磨和成型磨削,加工表面粗糙度可 粒 达Ra 0.8~0.16μm 120# 150# 180# 220# 240# 精磨, 精密磨, 超精磨,成型磨,刀具刃磨,珩 磨 W63 W50 W40 W28 精磨, 精密磨, 超精磨,珩磨,螺纹磨 微 W20 W14 W10 W7 W5 W3.5 超精密磨,镜面磨,精研,加工表面粗糙度可 达Ra 0.05~0.012μm 粉 W2.5 W1.5 W1.0 W0.5
(5.6)
d se d w d0 /(d w d0 )
(5.7)
27
表5.4
几种磨削方式的等效直径和接触弧长
外圆磨削 Ⅰ 25 平面磨削 Ⅱ 25 内圆磨削 Ⅲ 25
磨削方式
径向进给量（即背吃刀量） ap
（μm）
砂轮直径 d0 工作直径 dw
（㎜）
（㎜） (mm) （μm）
400
200 133 1.8×103 45.6×10-6
砂轮种类 平形砂轮 形状代号 P 断面形状 主要用途 磨外圆、内圆，无心磨， 刃磨刀具等
双斜边砂轮 双面凹砂轮
切断砂轮 (薄片砂轮) 筒形砂轮 杯形砂轮
OSX PSA
PB N B
磨齿轮及螺纹
磨外圆，刃磨刀具，无 心磨 切断及切槽 端磨平面 磨平面、内圆，刃磨刀 具
碗形砂轮
碟形砂轮
BW
D
刃磨刀具，磨导轨
因此
单个磨粒的切削厚度加大时，作用在磨粒上的切削力 也增大，将影响砂轮磨损、磨削温度及被加工零件的表面 质量。
31
5.4 磨削力及功率
1
2
3
FR1 A 1 FR2 A2
FR3 A3
图5.7 磨削的受力情况
32
5.4.1 磨粒的受力情况
磨粒切削时，作用在磨粒上的力可以分解成两个分力即 法向力Fn和切向力Ft。并为结合剂桥上的结合力所平衡， 如图5.7所示。 ① 磨粒所承受的合力FR与结合剂桥上抗力FR’的合力不 一定在同一平面内；因此，有可能产生力矩M，使磨粒脱 落；
29
4) 单个磨粒的磨削厚度
意义：磨削厚度大小对磨削力、磨削温度、磨削表面 质量和砂轮的磨损产生很大影响。 ① 端面磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.8) 式中m为砂轮每mm圆周长度上的磨粒数（mm-1）
hDg max (2 w f a / c m B) f r / d0
表5-1砂轮特性及用途选择1—磨料
系 别 名称 代号 颜色 性 能 适 用 范 围 磨削碳素钢,吅金刚, 可锻铸铁与青铜 磨削淬硬的高碳钢,吅 金钢,高速钢,磨削薄 壁零件,成形零件 磨削铸铁,黄铜,耐火 材料及其它非金属材 料 磨削硬质吅金,宝石, 光学玻璃 研磨硬质吅金 硬度较低,韧性 较好 较A硬度高,磨 粒锋利,韧性差 韧性比WA好
砂轮可以看作是具有 极多微小刀齿的铣刀
砂轮本身虽有自锐性
17
5.3.3 磨削过程
一、磨屑的形成过程
磨削时，工件表面被砂轮滑擦、刻划以及砂轮表面比较 锋利且凸出的磨粒切削形成磨屑，其切削过程大致可分为三 个环节
结论：砂轮的磨削过程，实际上就是切削、刻划 和滑擦三种作用的综合。 磨屑尺寸细小而形状各异。有带状切屑、节状切屑和一 些熔化后烧尽了的切屑灰烬，还有金属微尘等。
400
∞ 400 3.3×103 80×10-6
400
550 1467 6×103
-6 150×1028
砂轮等效直径dse 接触弧长度 lc 接触时间
tc lc / vs（s）
结论 接触弧长以内圆磨削为最大，平面磨削次之，外圆 磨削最小。 因此 外圆磨削的砂轮耐用度最大，平面磨削次之，外内 圆磨削最小。
磨齿轮，刃磨铣刀、拉 刀、铰刀 15
5.2 砂轮表面形貌图
图5.3砂轮表面形貌图
有效磨粒切削刃 无效磨粒切削刃 有效磨粒切削刃 只为静态切削刃总 数的5%～12%； 一个磨粒可能有 几个有效切削刃与 工件接触，有60% 的有效切削刃分布 在不同磨粒上面。
16
5.3 磨削过程
图5.4磨粒切削过程
磨削也是一种切削
7
5.1.3 结合剂
⒈陶瓷（A） 2.树脂（S） 3.橡胶（X）
把磨粒固结成磨具的材料
耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，最 常用 。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受 侧面弯扭力，有宜用于切断砂轮。 强度高、弹性好，很适用于切断、开槽等高速磨 削。但其耐热性、耐蚀性差、气孔率小，易糊塞、 磨损快、易失去廓形。 比树脂有更好的弹性和硬度，可制造0.1mm的 薄砂轮，使用于切断、开槽、无心磨的导轮。
5.3.1 磨削特点
1．精度高、表面粗糙度小
表5.3 不同机床控制切深机构的刻度值（mm）
机床名称 立式铣床 车床 平面磨床 外圆磨床 刻度值 0.05 0.02 0.01 0.005 精密外圆磨 内圆磨 床 床 0.002 0.002
2．砂轮有自锐作用
使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削。