第七章 磨削加工

第七章磨削加工基本要求及重点：1、了解磨削特点和各种磨削方法与磨削运动。

2、明确砂轮的特性及其选择原则。

3、理解砂轮磨损及耐用度、磨削力及功率、磨削温度及烧伤等概念。

4、了解磨削过程，知道磨削表面缺陷产生的原因及解决办法。

5、了解高效率和高精度及小粗糙度磨削的方法。

§7-1 磨削概述及其原理一、概述磨削加工是用硬质磨粒作为切削工具对工件进行微细切削加工过程的统称。

它是一种精密加工方法。

1、磨削加工的优点及其应用与其他切削加工方法相比，磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法。

它是为适应传统金属材料的精加工及其淬硬表面加工的需要而发展起来的。

随着磨料磨具和高效磨削工艺（如高速磨削、强力磨削、重负荷磨削、砂带磨削等）的发展，以及磨床结构性能的不断改进，磨削加工效率和经济性在显著提高，磨削的应用已从精加工逐步扩大到粗加工领域。

同时，在当今的钛合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢及高温结构陶瓷等难加工材料以及硬脆材料的加工中，磨削是一种非常有效的加工方法。

3、磨削加工机床分类磨床是用磨料或磨具（砂轮、砂带、油石或研磨料）作为工具对工件表面进行加工的机床。

为了适应磨削加工表面、结构形状和尺寸大小不同的各种工件的需要，满足不同生产批量的要求，需要的磨床种类很多。

按加工工件表面不同，分为如下几类：(1) 外圆磨床包括万能外圆磨床、外圆磨床及无心外圆磨床等。

(2) 内圆磨床包括内圆磨床，无心内圆磨床及行星式内圆磨床等。

(3) 平面磨床包括卧轴矩台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床及立轴圆台平面磨床等。

(4) 工具磨床 包括万能工具磨床（能刃磨各种常用刀具）、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等。

(5) 曲线磨床(6) 专用磨床 包括曲轴磨床、凸轮轴磨床，花键轴磨床、轧辊磨床、轴承套圈滚道磨床等。

(7) 坐标磨床(8) 锯磨机(9) 精磨机床 包括研磨机、珩磨机、抛光机、超精加工机床及砂轮机等。

二、磨削原理1、砂轮构造磨削时所用的砂轮是由磨粒、结合剂和气孔组成的，见图7-1。

2、磨削过程磨削是由磨床、砂轮、工件，夹具等形成的一种切削加工工艺系统。

而磨削过程是由处于砂轮和工件接触区域的许多磨粒在挤压作用下不断同时地切入工件，使金属层产生变形的过程。

因此，磨削过程的本质是磨粒的切削过程。

磨粒的切削过程如图7-2所示。

磨粒切削材料的过程经历了弹性变形、塑性变形及切屑形成三个阶段。

在EP 段中，由于切削深度极小，磨粒刃尖圆弧形成的实际负前角很大，磨粒仅在工件表面上滑擦而过，所引起的变形完全弹性恢复，在工件表面不残留任何沟痕，称为弹性滑擦阶段。

在PC 段中，随着磨粒挤入工件深度的增大，磨粒与工件表面间的压力逐步增加，工件表面由弹性变形逐步过渡到塑性变形。

这时挤压摩擦剧烈，热应力急剧增加，磨粒在工件表面上挤压刻划出沟痕，沟痕图7-2 磨粒的切削过程的两侧由于金属塑性滑移而隆起，称为耕犁（刻划）阶段。

当挤入深度继续增加到某一定值(C点处)时，被推挤的金属明显地滑移并形成切屑而从前刀面流出，形成切削阶段。

因此，磨粒切削金属时，经历了滑擦、耕犁和切削的过程，从而使工件表面形成了变形应力和热应力，导致工件加工表面硬化。

3、磨削加工的特点与车削、铣削等通常的切削加工相比，磨削加工具有如下特点：⑴砂轮表面上磨刃形状及分布处于随机状态砂轮表面上每颗磨粒的形状很不规则，在磨削加工过程中参加切削工作的磨粒的形状是不确定的，且它在砂轮表面上的分布是随机的。

同时，由于磨粒在砂轮外圆周面上并不是等高地分布在同一外圆周上，因而砂轮表面同时参加切削的有效磨粒数也是不确定的。

⑵砂轮上磨刃前角为负值，形成负前角切削砂轮磨削时的磨刃参数包括：磨刃的切削角和前角，磨刃顶尖角，刃口钝圆半径以及参加工作的有效磨粒数，它们都影响着砂轮的锋锐程度和切削能力。

统计结果说明，磨刃上的前角为负值，且其绝对值远大于一般切削刀具所用的负前角。

⑶切屑尺寸很小，单位磨削力很大一般来说，砂轮磨削时，磨粒的切削厚度只有数 m，由于尺寸效应的原因，这样微小的切削厚度会使单位切削力非常大，比能很高，对加工表面层的影响也比较大。

⑷磨削速度和磨削温度很高，容易产生磨削烧伤砂轮磨削时，一般的磨削速度为v s＝2000 m/min～3000 m/min，它约为切削加工的10倍。

同时，由于磨粒与工件的接触时间很短，在短时间内要切去切屑，将使磨粒和工件间产生强烈的摩擦，并产生剧烈的塑性变形，从而产生大量的磨削热，使磨削区形成高温。

对淬硬钢而言，若磨削温度超过淬火相变温度，将导致工件表面层组织产生回火或二次淬火，从而发生金相组织的变化——磨削烧伤。

⑸砂轮有自锐作用在切削加工中，如果刀具磨损了，切削就无法正常地进行下，刀具必须重新磨砺。

磨削的情况则不同，因为砂轮上的磨刃是由硬质磨粒的尖端形成的，在磨削力和热冲击的作用下，磨钝的磨粒发生局部磨粒微破碎而形成新的锋刃，或发生磨粒脱落而露出新的磨粒锋刃。

这种重新获得锋锐刀刃的作用称为自锐作用。

§7-2 砂轮的性质和使用选择一、砂轮的性质及其使用场合砂轮的性质取决于其磨料、结合剂、粒度、硬度和组织结构等。

1、磨料（作用、基本要求、种类、特性、使用场合）磨料在砂轮中呈颗粒状，它直接担任切削工作，因此它必须具有很高的硬度与耐热性，以及有一定的韧性和锋利的几何形状。

目前用于制造砂轮的人造磨料有以下几种。

(1) 人造刚玉其成分是氧化铝(Al2O3)，有高的硬度和相当的韧性，能承受高温达2050℃，在磨削中磨粒容易碎裂，自动露出锋利的刃口。

棕刚玉——适于磨抗张强度较高的金属，如碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等。

白刚玉——白刚玉在磨削中产生的磨削力和磨削热都较小，适于磨削淬火钢、合金钢、高速钢、高碳钢以及薄壁零件等。

(2) 碳化硅它的主要成分是碳和硅的混合物(SiC)，这种磨料的强度、颗粒锋利和切削性能都较刚玉类磨料为好。

黑碳化硅——适于磨削铸铁、黄铜、铅、锌及橡胶、皮革、塑料、木材、矿石等。

绿碳化硅——含碳化硅不少于97％，质量较高，适于磨削硬质合金，光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。

(3) 碳化硼它的主要成分是B4C3，热压碳化硼为灰黑色有光泽的陶瓷材料，硬度为HRA94，仅次于金刚石。

它是一种极硬的脆性材料，用来加工硬质合金，有时可代替金刚石来切割宝石。

(4) 立方氮化硼(简称CBN) 是以立方氮化硼为原料，以镁粉作触媒剂，在高温高压下使之合成的一种新型磨料，硬度仅次于金刚石，它是目前磨削硬质合金的最好磨料。

2、粘结（结合）剂粘结（结合）剂是把许多细小的磨粒粘结在一起而组成砂轮的材料。

砂轮能否耐腐蚀、能否承受冲击和抗潮湿以及经受高速旋转而不致裂开等，主要取决于粘结剂的成分和性质。

常用粘结剂的性质和用途见表7-2。

3、粒度粒度就是指磨料的颗粒尺寸( m)。

对于用筛选法获得的磨粒来说，粒度号是指用1英寸长度有多少孔的筛网来命名的。

而用w××表示的微粉，磨料是用显微镜分析法来测量的。

砂轮粒度选择的原则如下：(1) 粗磨加工选粒度小(颗粒粗)的砂轮，可提高磨削生产率。

一般选粒度号12#～36#。

(2) 精磨加工选粒度大(颗粒细)的砂轮，可减小已加工表面粗糙度。

一般选46#～100#，精磨选120#～280#，超精磨用W28～W5。

(3) 磨软而韧的金属用颗粒较粗的砂轮，这是因为用粗粒砂轮可减少同时参加磨削的磨粒数，避免砂轮过早堵塞，并且磨削时发热也小，工件表面不易烧伤。

(4) 磨硬而脆的金属用颗粒较细的砂轮，此时增加了参加磨削的磨粒数，可提高生产率。

4、硬度砂轮硬度并不是指磨粒本身的硬度，而是指砂轮工作表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。

即磨粒容易脱落的，砂轮硬度为软；反之，为硬。

同一种磨料可做出不同硬度的砂轮，它主要取决于粘结剂的成分。

砂轮硬度从“超软”到“超硬”可分成7级，其个再分小级，硬度等级见表7-4。

一般磨硬材料（如淬硬钢、硬质合金等)时，砂粒磨钝快，希望及早脱落，所以应选用软砂轮。

磨软材料时，应该用硬砂轮。

但磨特别软的材料（如紫铜等）时，应用软砂轮，以免切屑堵塞砂轮表面。

5、组织结构砂轮的组织是指磨粒、粘结剂、气孔三者在砂轮内分布的紧密或疏松的程度，如图7-3所示。

磨粒占砂轮体积百分比较高而气孔较少时，属紧密级(图7-3a)；磨粒体积百分率较低而气孔较多时，属疏松级(图7-3c)；介于两者之间属中等级(图7-3b)。

在磨削过程中，砂轮的气孔可以容纳切屑，还可以将冷却液或空气带入磨削区，以降低温度，减少工件热变形与避免烧伤、裂纹。

疏松组织的砂轮，由于单位面积内磨粒少也就容易磨钝，增加砂轮消耗。

又由于砂轮组织一般较软，加工表面粗糙度较大，故适用于粗磨、平面磨、内圆磨等磨削接触面较大的工序，以及磨削热敏感性较强的材料、软金属和薄壁工件。

二、砂轮的使用和选择正确选用砂轮对磨削加工起着重要的作用。

砂轮选用正确与否，应从工件磨削后所得的形状、尺寸、光洁度和表面质量等状态来衡量，选用砂轮集中在砂轮的形状、类型、硬度以及磨钝后修整等几个问题。

1、砂轮的形状、用途及选择为了选用方便，砂轮截面形状和尺寸均已标准化了。

一般砂轮形状中以P型使用最广泛，可用于外圆磨、内圆磨、无心磨、刃磨刀具等。

选用砂轮时，其外径在可能情况下尽量选大些，可使砂轮圆周速度提高，以增加工件表面光洁度和生产率。

砂轮宽度应根据机床的刚度、功率大小来决定。

机床刚性好、功率大、可使用宽砂轮。

2、砂轮的变钝和修整砂轮在磨削过程中变钝的原因在于：①高温、高压下砂轮磨粒棱角变钝；②气孔被切屑堵塞。

砂轮的修整工具和修整条件对砂轮修整质量有显著影响。

不仅影响到砂轮的地貌及磨刀的锐利程度，而且影响到砂轮的磨损、磨削力、磨削温度及被磨零件的表面完整性。

(1) 修整器在磨削过程中砂轮作为刀具进行切削加工，而在修整过程中砂轮却成为了被切削的对象。

修整砂轮的工具按修整器的几何形状和修整过程中的运动形式可分为两种：◆静止型修整器这类修整工只在修整砂轮时不作问转运动，而只有垂直于砂轮表面的切入运动和平行于修整轮廓的进给运动，包括：单颗粒金刚石、多颗粒片状金刚石和金刚石笔。

◆运动型修整器这类修整器在修整过程中，本身与砂轮做相对旋转或复合运动，包括：金刚石滚轮、滚压钢片修整器等。

(2) 普通磨料磨具的修整方法（修整工具、修整方式、基本运动）普通磨料磨具的修整方法常用的有：车削法、滚压法和磨削法等。

◆车削法车削法是仿效车削的方法(右图)来修整砂轮的。

修整砂轮时的切削速度等于砂轮速度。

修整工具(金刚石)以一定的吃刀深度切入砂轮，并沿砂轮轴向以一定的轴向速度移动。

修整工具有：大颗粒天然金刚石、天然金刚石片状修整器和金刚石笔。

天然金刚石片状修整器是采用较小颗粒的天图7-4 车削法修整示意图然金刚石整齐排列，用粉末冶金烧结法固定于基体中，其使用性能与大颗粒五然金刚石相近。