砂輪對(duì)工件的磨削加工原理

磨削原理一、砂輪:由磨料加結(jié)合劑用燒結(jié)的方法而制成的多孔物體。

1.磨料:起切削作用，

2.結(jié)合劑:把磨料結(jié)合起來，使之具有一定的形狀、硬度和強(qiáng)度。

3.氣孔:結(jié)合劑沒有填滿磨料之間的全部空間，因而有氣孔存在。5.1砂輪2二、砂輪的基本參數(shù)磨料的種類、磨料顆粒大小、結(jié)合劑的種類、砂輪硬度及組成三、砂輪的特性

磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、組織以及形狀和尺寸等

35.1.1磨料⒈天然磨料：一般含雜質(zhì)多，質(zhì)地不勻；天然金剛石雖好，但價(jià)格昂貴。2.人造磨料：目前主要采用人造磨料。氧化物系:主要成分為Al2O3碳化物系:以碳化硅、碳化硼為基體，添加的金屬元素

超硬磨料系:主要有人造金剛石和立方氮化硼。4表5-1砂輪特性及用途選擇1—磨料55.1.2粒度

表示磨料顆粒的大小1．一般磨粒粒度號(hào)---磨粒剛好可通過的篩網(wǎng)每英寸長度上（25.4mm）上的孔眼數(shù)。單位稱為“目”。粒度號(hào)越大，磨粒的實(shí)際尺寸越小6表5-1砂輪特性及用途選擇2—粒度75.1.3結(jié)合劑把磨粒固結(jié)成磨具的材料⒈陶瓷（A）2.樹脂（S）4.青銅（Q）3.橡膠（X）耐熱、耐蝕、耐潮、氣孔率大、保持廓形好，最常用。但其性脆，韌性及彈性較差，不能承受側(cè)面彎扭力，有宜用于切斷砂輪。強(qiáng)度高、彈性好，很適用于切斷、開槽等高速磨削。但其耐熱性、耐蝕性差、氣孔率小，易糊塞、磨損快、易失去廓形。比樹脂有更好的彈性和硬度，可制造0.1mm的薄砂輪，使用于切斷、開槽、無心磨的導(dǎo)輪?？箯埩?qiáng)度高，型面保持性好，有一定韌性，但自銳性差，主要用于制造金剛石砂輪，粗、精磨硬質(zhì)合金，以及磨削與切斷光學(xué)玻璃、寶石、陶瓷、半導(dǎo)體等材料。8表5-1砂輪特性及用途選擇3—結(jié)合劑95.1.4砂輪的硬度磨粒與結(jié)合劑的粘固程度在磨削力的作用下，磨粒從砂輪表面脫落的難易程度。砂輪硬，磨粒較難脫落；砂輪軟，磨粒容易脫落。砂輪組織較疏松，工件材料較硬，砂輪與工件磨削接觸面較大，砂輪氣孔率較低時(shí)，需選用較軟的砂輪。半精磨與粗磨相比，樹脂與陶瓷相比，選用的砂輪硬度低些。10表5-1砂輪特性及用途選擇4—硬度115.1.5砂輪的組織砂輪結(jié)構(gòu)的緊密或疏松程度用顆粒、結(jié)合劑和氣孔三者體積的比例關(guān)系來表示

磨粒在砂輪體積中所占比例越大，砂輪的組織越緊密，氣孔越??；反之，組織疏松緊密類砂輪，氣孔率小，使砂輪變硬，容屑空間小，容易被磨屑堵塞，磨削效率較低。但可承受較大的磨削壓力，砂輪廓形可保持較久。緊密類中等疏松類一般組織，一般磨削

磨粒占的比例越小，氣孔越大，砂輪越不易被切屑堵塞，切削液和空氣也易進(jìn)入磨削區(qū)，使磨削區(qū)溫度降低，工件因發(fā)熱而引起的變形和燒傷減小，但疏松類砂輪易失去正確廓形，降低成型表面的磨削精度，增大表面粗糙度。

12表5-1砂輪特性及用途選擇5—砂輪的組織135.1.6砂輪的形狀、尺寸及用途

為便于對(duì)砂輪管理和選用，通常將砂輪的形狀、尺寸和特性標(biāo)注在砂輪端面上外徑×厚度×內(nèi)徑其順序?yàn)椋盒螤?、尺寸、磨料、粒度?hào)、硬度、組織號(hào)、結(jié)合劑、允許的最高工作圓周線速度如：砂輪P300×30×75WA60L6V3514表5-2常用砂輪的形狀、代號(hào)及用途舉例15有效磨粒切削刃無效磨粒切削刃

有效磨粒切削刃只為靜態(tài)切削刃總數(shù)的5%～12%；一個(gè)磨粒可能有幾個(gè)有效切削刃與工件接觸，有60%的有效切削刃分布在不同磨粒上面。5.2砂輪表面形貌圖圖5.3砂輪表面形貌圖165.3磨削過程磨削也是一種切削砂輪可以看作是具有極多微小刀齒的銑刀砂輪本身雖有自銳性圖5.4磨粒切削過程175.3.3磨削過程一、磨屑的形成過程

磨削時(shí)，工件表面被砂輪滑擦、刻劃以及砂輪表面比較鋒利且凸出的磨粒切削形成磨屑，其切削過程大致可分為三個(gè)環(huán)節(jié)

結(jié)論：砂輪的磨削過程，實(shí)際上就是切削、刻劃和滑擦三種作用的綜合。

磨屑尺寸細(xì)小而形狀各異。有帶狀切屑、節(jié)狀切屑和一些熔化后燒盡了的切屑灰燼，還有金屬微塵等。18二、磨削階段1）初磨階段2）穩(wěn)定階段3）清磨階段

由于機(jī)床、工件、夾具工藝系統(tǒng)的彈性變形，實(shí)際磨削深度小于徑向進(jìn)給量

當(dāng)系統(tǒng)彈性變形達(dá)到一定程度后，繼續(xù)進(jìn)給時(shí)，其實(shí)際磨削深度基本上等于徑向進(jìn)給量。

由于工藝系統(tǒng)的彈性變形逐漸恢復(fù)，使實(shí)際磨削深度大于零。19

要提高生產(chǎn)率，應(yīng)縮短初磨階段和穩(wěn)定階段。要提高表面質(zhì)量必須保持適當(dāng)?shù)那迥ミM(jìn)給次數(shù)和清磨時(shí)間。結(jié)論圖5.6磨削過程的三個(gè)階段205.3.1磨削特點(diǎn)1．精度高、表面粗糙度小2．砂輪有自銳作用表5.3不同機(jī)床控制切深機(jī)構(gòu)的刻度值（mm）使得磨粒能夠以較鋒利的刃口對(duì)工件進(jìn)行切削。213．徑向分力較大4．磨削溫度高

磨削時(shí)的切削力同車削一樣，也可以分解為三個(gè)互相垂直的分力高的切削速度負(fù)前角切削原因225.3.2磨削運(yùn)動(dòng)和磨削要素一、磨削運(yùn)動(dòng)1)主運(yùn)動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，砂輪外圓的線速度即主運(yùn)動(dòng)速度

m/s(5.1)式中d0——砂輪直徑（mm）；

n0——砂輪轉(zhuǎn)速（r/s）。233)軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)2)徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)用徑向進(jìn)給量?r表示。?r指工作臺(tái)每雙（單）行程內(nèi)工件相對(duì)于砂輪徑向移動(dòng)的距離，單位為mm/d·str，一般情況下，?r=0.005～0.02mm/d·str，用軸向進(jìn)給量?a表示。

指工件每一轉(zhuǎn)或工作臺(tái)每一次行程，工件相對(duì)砂輪的軸向移動(dòng)的距離。

一般情況下?a=(0.2～0.8)B，B為砂輪寬度，單位為mm；?a的單位，圓磨為mm/r，平磨為mm/str。24二、磨削要素1)磨削時(shí)金屬切削率①每秒鐘金屬切除量（亦稱為切除率）②每秒鐘內(nèi)砂輪每1mm寬度所切除的金屬量。則稱為單位砂輪寬度切除率，以ZQ表示mm3/s·mm(5.4)

mm3/s(5.3)252)砂輪與工件加工表面的接觸弧長①影響同時(shí)參加磨削的磨粒數(shù)目及磨粒負(fù)荷②影響磨屑的容納和排除及冷卻條件的改善由推導(dǎo)可知平面磨削時(shí)的接觸弧的長度為

mm(5.5)263)砂輪等效直徑接觸弧長相等時(shí)外圓（或內(nèi)圓）砂輪直徑換算成假想的平面磨削時(shí)的砂輪直徑。意義：如果砂輪等效直徑相同，則外圓（內(nèi)圓）磨削和平面磨削時(shí)的接觸弧長相等外圓磨削時(shí)的砂輪等效直徑為

(5.6)內(nèi)圓磨削時(shí)的砂輪等效直徑為

(5.7)27表5.4幾種磨削方式的等效直徑和接觸弧長28接觸弧長以內(nèi)圓磨削為最大，平面磨削次之，外圓磨削最小。外圓磨削的砂輪耐用度最大，平面磨削次之，外內(nèi)圓磨削最小。結(jié)論因此294)單個(gè)磨粒的磨削厚度意義：磨削厚度大小對(duì)磨削力、磨削溫度、磨削表面質(zhì)量和砂輪的磨損產(chǎn)生很大影響。①端面磨削時(shí)每個(gè)磨粒的最大切削厚度為

(5.8)

式中m為砂輪每mm圓周長度上的磨粒數(shù)（mm-1）②外圓磨削時(shí)每個(gè)磨粒的最大切削厚度為

(5.9)

式中ω為砂輪角速度30

工件速度vw，軸向進(jìn)給量fa和徑向進(jìn)給量fr增加時(shí)，hDgmax將增加；砂輪速度vc、砂輪直徑d0和砂輪寬度B增大時(shí)，

hDgmax將減??；砂輪磨粒越細(xì)，m就越大，

hDgmax減小。結(jié)論

單個(gè)磨粒的切削厚度加大時(shí)，作用在磨粒上的切削力也增大，將影響砂輪磨損、磨削溫度及被加工零件的表面質(zhì)量。因此315.4磨削力及功率圖5.7磨削的受力情況325.4.1磨粒的受力情況

磨粒切削時(shí)，作用在磨粒上的力可以分解成兩個(gè)分力即法向力Fn和切向力Ft。并為結(jié)合劑橋上的結(jié)合力所平衡，如圖5.7所示。

①磨粒所承受的合力FR與結(jié)合劑橋上抗力FR’的合力不一定在同一平面內(nèi)；因此，有可能產(chǎn)生力矩M，使磨粒脫落；

②磨粒本身受到剪力也可能崩裂。磨粒所受的應(yīng)力決定于受力的強(qiáng)弱，它與切削截面積、工件材料性質(zhì)等磨削條件有關(guān)；受力的頻率則與砂輪轉(zhuǎn)速有關(guān)結(jié)論335.4.2磨粒的負(fù)前角磨削對(duì)磨削力的影響

磨粒的頂尖角多為90°～120°，其前刀面實(shí)際上是一個(gè)空間曲面。磨粒實(shí)際上多數(shù)在粒端負(fù)前角下切削工件。該前角多數(shù)為γo=-70°～-89°之間。用負(fù)前角硬質(zhì)合金刀具模擬磨粒，對(duì)含少許錳、鉻、鎳的低碳鋼，在ap=0.01～0.025mm，切削速度v=200～600m/min時(shí)，金屬流動(dòng)情況示意如圖5.8所示。

由于磨粒具有負(fù)前角，刃端具有γn值，而切削厚度又很薄，故磨粒對(duì)工件的切削條件很差。實(shí)際上是滑擦、刻劃、產(chǎn)生指向工件表層的很大的塑性變形區(qū)。到一定溫度后，才形成切屑沿前刀面流出結(jié)論模擬試驗(yàn)：34圖5.8負(fù)前角切削時(shí)的金屬流動(dòng)金屬流分為兩路一路進(jìn)入刀具下面一路沿前刀面上升而成為切屑1.一直到-75°的前角，刀具仍可切出切屑來。2.在-85°前角時(shí)，刀具就僅僅擦過和刻劃工件35圖5.9負(fù)前角與切削力的關(guān)系

前角為負(fù)值時(shí)，法向力Fn均大于切向力Ft,尤以γo=-50°之后為甚，F(xiàn)n/Ft=1～5左右。5.4.3砂輪上的磨削力也可以磨削力分解成x方向和y方向的分力Fx,Fy。

①Fy可用以計(jì)算進(jìn)給功率；②Fx則是設(shè)計(jì)機(jī)床床身和箱體的重要數(shù)據(jù)。可以把磨削力分解為徑向力Fn和切向力Ft

以前研究磨削過程時(shí)，常常假設(shè)所有的磨粒都處于同一圓周面上，磨粒間距離都相等，而且工件是絕對(duì)平滑的實(shí)際上，工件有著一定的粗糙度，砂輪磨粒是三維分布的

37圖5.10磨削力(a)外圓圓磨(b)切入磨(c)平面磨(d)端面磨38表5.5磨削分力的比值說明材料硬度高時(shí)，比值大些

表中Fa為軸向切削分力395.5磨削溫度磨削表面的熱損傷

表現(xiàn)為熱裂紋熱變形殘余應(yīng)力精度差405.5.1磨削熱的來源磨削時(shí)消耗能量滑擦能刻劃能切屑形成能剪切能(75%

左右)摩擦能(25%左右)接近于工件金屬的熔化能有45%～55%傳入工件

有75%左右傳入工件

有69%左右傳入工件

415.5.3磨削溫度對(duì)工件表面的影響表現(xiàn)在工件表面燒傷加工表面的殘余應(yīng)力表面粗糙度

三個(gè)方面42（一）工件表面燒傷

由于磨削時(shí)產(chǎn)生高溫，使工件加工表面的金屬組織發(fā)生相變，其硬度和塑性等發(fā)生變化，這種表層變質(zhì)的現(xiàn)象

燒傷的表面呈黃褐色或黑色，它是工件表面在高溫下形成的氧化膜，

回火燒傷二次淬火燒傷

表面會(huì)變軟，隨后被工件深處較冷的基體淬硬而得到馬氏體硬層

砂輪上磨損面積超過總工作面積的4%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)燒傷。

43

工件表面燒傷的表征是磨削力增加、砂輪磨損率增加和加工表面質(zhì)量變差。表面燒傷損壞了零件表層組織，影響零件的質(zhì)量和壽命。

減小和防止燒傷的主要措施是：減小磨削過程中熱量的產(chǎn)生和加速熱量的散發(fā)；正確選擇砂輪，以及保持砂輪良好的切削性能；選擇合理切削用量；采用好的切削液及正確的潤滑方法。44殘余拉應(yīng)力殘余壓應(yīng)力可提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性

使零件表面翹曲，強(qiáng)度降低,甚至?xí)a(chǎn)生裂紋

低的工件速度、硬而鈍的砂輪、干磨或用水溶性乳化液磨削，高的切入進(jìn)給率和高的砂輪表面速度。

導(dǎo)致因素最主要的控制方法是：采用切削液45磨削溫度的影響因素1、砂輪速度2、工件速度3、徑向進(jìn)給量4、工件材料:強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱性5、砂輪自身特性:硬度、粒度、組織465.6砂輪的磨損與砂輪的修整

砂輪上有多層磨粒，常用砂輪可能為200～500層左右；磨粒的空間分布參差不齊，在磨削時(shí)，磨粒經(jīng)受著變化的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，其切削刃不斷受到磨損和碎裂，當(dāng)磨粒磨鈍至有可能產(chǎn)生工件燒傷或表面質(zhì)量變差等現(xiàn)象時(shí)，砂輪就要重新修整。47破碎磨損5.6.1砂輪的磨損磨耗磨損磨粒一層一層被磨掉

磨粒的破碎或者結(jié)合劑的破碎消耗砂輪的比重較大

對(duì)砂輪影響較大

砂輪磨損后會(huì)使磨削效率降低，磨削表面質(zhì)量下降；同時(shí)發(fā)生振動(dòng)和噪聲，應(yīng)及時(shí)修整。

48磨削種類外圓磨內(nèi)圓磨平面磨成型磨耐用度（s）1200～24006001500600表5.6砂輪常用合理耐用度值精磨時(shí)，耐用度可用磨削出的工件數(shù)目來表示

砂輪耐用度砂輪相鄰兩次修整間的加工時(shí)間，用秒來表示

495.6.2砂輪的的修整三類修整工具本身不作旋轉(zhuǎn)ap一般用0.005～0.1mm,軸向進(jìn)給fa可用0.05～0.4mm。

鋼的或硬質(zhì)合金的擠壓輪砂輪與擠壓輪沒有相對(duì)速度

本身作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和剛度有較嚴(yán)格要求50圖5.17用金剛石筆修整砂輪

51a)三個(gè)調(diào)節(jié)量子力學(xué)

b)四個(gè)調(diào)節(jié)量

圖5.18金剛石滾輪的修整