1、机械制造工程学,南通大学机械工程学院 （5）,第四章 磨削加工基础,第一节 磨削运动与砂轮,一、磨削运动,外圆磨削运动,主运动,径向进给量,轴向进给量,工件速度,磨削时，一般有四个运动：,(1) 主运动 Vc： 是砂轮的旋转运动。,主运动速度是砂轮外圆的线速度:,(2) 径向进给量 fr (mm/s) or (mm/dstr),(3) 轴向进给量 fa (mm/r),(4) 工件速度 vw (mm/s),二、磨削用量的选择,磨削用量与一般切削用量的选择不同,磨削用量的选择原则通常是在保证工件表面质量的前提下尽量提高生产率，一般磨床的磨削速度v是固定不变的，所以不必选择，因此首先选较大的工件速度
2、vw,再选轴向进给量fa，最后才选径向进给量fr。,Vw fa fr,三、砂轮的特性,砂轮的特性由下列五个因素来决定： 磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。,1、磨 料,常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系三类。 P29 表2-1,氧化物系 适合磨削：各类钢主要成份AI2O3 碳化物系 适合磨削：铸铁、硬质合金主要成份碳化硅,碳化硼 高硬磨料系主要成份人造金刚石,立方氮化硼,砂轮,工件,气孔,结合剂,磨屑,磨粒,2、粒 度,粒度表示磨粒的大小程度。 P30 表2-2,60# 指磨粒刚可通过每英寸长度上有60个孔眼的筛网. 当磨粒的直径小于40m时，这些磨粒称为微粉。,选用: 粗磨,工件材料软
3、,塑型大,磨削面积大粗磨粒 P31 表2-3,3、结合剂,结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度。,陶瓷结合剂（Vitrified，代号V） 大多数砂轮采用 v35m/s 树脂结合剂（Bakelite，代号B） 多用高速磨削,切断,开槽 橡胶结合剂（Rubber，代号R） 多用无心磨床的导轮,切断,开槽, 抛光砂轮 金属结合剂（Metal，代号M） 主要用于制作金刚石砂轮,4、硬 度,砂轮的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。,由软到硬共分14级 P32 表2-4,选择砂轮硬度时，可参照以下几条原则：,工件硬度： 硬软 加工接触面： 大软 精磨和成形磨
4、削 硬 砂轮粒度大小 砂轮粒度号大软 工件材料 有色金属,橡胶,树脂 软,5、组织,砂轮的组织反映了磨粒、结合剂、气孔三者的比例关系,砂轮的组织级别可分为紧密、中等、疏松三大类别。 P32 表2-5,砂轮的端面上一般都印有标志，例如GZ60SV6P3003075，即代表该砂轮的磨料是：,6、砂轮形状,P33 表2-6,GZ 棕刚玉，60 60号粒度，S 硬度为硬1，V 陶瓷结合剂，6 6号组织，P 平型砂轮，3003075 外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm。,第二节 磨削过程,一、砂轮的形貌,外形,砂轮表面上磨粒的分布,每个磨粒的几何形状,特别是每个磨粒显露出来的切削刃以及这些
5、切削刃所处的高度等等,构成了砂轮的表面形貌。,砂轮的表面形貌对砂轮的磨削性能和工件已加工表面质量有极大的影响。,砂轮上砂粒的形状,二、磨削过程分析,单个磨粒的磨削过程,1.磨粒的模型,2.磨削表面形成过程,典型磨粒断面,=1040-1080, = 7.4m -35 m,磨粒刃口钝，形状不规则，分布不均匀,a) b) c),3.实际磨粒的滑擦、耕犁与切削过程,三、磨削阶段,：初磨阶段 ：稳定阶段 ：清磨阶段,四、砂轮的磨损与修正,砂轮的磨损可分为磨耗磨损和破碎磨损,砂轮的磨损过程可分为三个磨损期,A:,B:,C:,棱角磨平-形成棱面,磨粒破碎,磨粒脱落,常用的修整工具有：单颗粒金刚石，碳化硅修整
6、轮，电镀人造金刚石滚轮等。其中最常用的是单颗粒金刚石修整工具。,一般修整深度只要略大于0.04 mm 即可。,修整砂轮的合理工艺条件是：,（1）选用较小的修整导程：,.25.4/h, 磨粒的平均直径， ；h 磨粒的粒度号。,（2）选用适宜的修整深度,第三节 磨削力与磨削温度,一、磨削力,Fx,Fz,Fy,Fz主磨削力（切向磨削力） Fy切深抗力（径向磨削力）Fx进给抗力（轴向磨削力）,同其他切削加工一样，总磨削力可分解为三个分力：,合力：F,F,外圆磨削时，切向力Fz:,磨削功率：,Fz: 主磨削力 （切向）,Vs: 砂轮的线速度 m/s,CFz: 常数 （202122）,vw: 工件转速 m
7、/s,fa: 砂轮轴向进给量 mm,ap: 磨削深度或径向进给量 mm,(3) 磨削力随不同的磨削阶段而变化。,磨削力的主要特征有以下三点：(与切削力相比),(1) 单位磨削力kc值很大: kc=7-20KN/mm2 (普通切削kc7KN/mm2),(2)三向分力中切深力Fy值很大：Fy/Fz=2.0-2.5 5-10 (普通切削Fy/Fz=0.15-0.7),二、磨削温度,耕犁和滑擦所产生的热能,几乎全部传入工件.,磨削时较大,切除单位切削体积所需的能约为普通切削加工的10-20倍.,磨削温度的几个名词的含义及其影响,磨削温度-指砂轮与工件接触面平均温度 A 磨粒点的温度dot(1000C)
8、-磨削区的温度A(几百度)-工件的平均温升(几十度),2.各种磨削温度对已加工表面质量的影响,a.工件的平均温升 b.磨粒磨削点的温度： dot vw0.26vc0.24fr0.13 c.砂轮磨削区的温度 ： A fr0.63vw0.26vc0.24 -磨削温度,1.磨削温度的几个名词的含义,二. 磨粒磨削点温度与砂轮磨削区的温度,(1)工件速度对磨粒磨削点温度的影响比砂轮速度影响大。 (2)径向进给量是通过单个磨粒的切削厚度的变化以及同时工作的磨粒数的变化来影响磨粒磨削点温度dot。当fr 增加时,dot 也增加,但没有vw和vc的影响大。 (3)径向进给量fr对砂轮磨削区温度的影响最大,这
9、是因为fr增加将使砂轮和工件接触区增大的缘故。,三. 磨削温度的测量,影响磨削温度的因素也是复杂的。一般是通过实际测量来直接获得较准确的磨削温度。,除上述因素外,还有其它影响磨削温度的因素,如fa增加时，或工件材料的硬度高、强度高、韧性大时，dot和均增高，反之则降低。,第四节 磨削表面质量,一、磨削表面粗糙度,磨削表面质量包括磨削表面的微观不平度(表面粗糙度)和磨削表面层的机械物理性能两方面内容,分析上述理论公式，亦可提出减小磨削表面粗糙度的主要措施：,磨削表面的微观不平度一般都比普通切削为小,比较容易获得粗糙度小于Ra24m的表面。,理论微观最大不平度Rmaxz:,vw ,vc分别为工件和
10、砂轮的速度；Rw,Rt分别为工件和砂轮的半径；m 单位面积上的磨粒数；e 切削宽度与平均切屑厚度的比值。,（1）采用粒度号数大的砂轮，使m值增大，可减小磨削表面粗糙度。,（2）提高砂轮转速，或降低工件转速，使vw /vc的比值增大，亦可显著减小磨削表面粗糙度。,（3）采用直径较大的砂轮，有利于减小磨削表面粗糙度；同理，在磨削直径大的工件时表面粗糙度较小。,（4）如前所述，砂轮宽度大时，同时参加工作的磨粒数增加，分摊在每个磨粒上的磨削量减少，单个磨粒的最大切削厚度hDgmax减小，上式中的e值增大，可减小磨削表面粗糙度。也可以用砂轮宽度与轴向进给量fa的比值j=B/fa来表示，j越大，向则垂直于
11、磨削方测量的不平度越小。,（5）磨粒切削刃高度的等高性越好，则垂直于磨削方向所测量的不平度越小。,二、磨削表面层的机械（物理）性能,1.磨削表面层金相组织的变化磨削烧伤,磨削时表面烧伤颜色的变化,对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表层金属的金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。,磨削淬火钢时，在工件表面形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：,（1）回火烧伤,如果磨削区内的温度未超过淬火钢的相变温度（碳钢的相变温度为 720C），但已超过马氏体的转变温度（中碳钢为 300C），工件表层金属的马氏体将转化为硬度较低的回火组织（索氏
12、体或托氏体），这称为 回火烧伤。,回火组织 淬火组织 退火组织,如果磨削区内的温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属会出现二次淬火马氏体组织，硬度比回火马氏体高；在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这称为 淬火烧伤。,（2）淬火烧伤,（3）退火烧伤,如果磨削区内的温度超过了相变温度，而磨削过程又没有冷却液，表层金属将产生退火组织，表层金属的硬度将急剧下降，这称为 退火烧伤。,退火烧伤,淬火烧伤,回火烧伤,2.磨削表面质量表面残余应力,产生原因：,1）金属组织相变引起的体积变化,2）不均匀热胀冷缩,3）残留的塑性变形,采取措施：立方氮
13、化硼砂轮、减少切入量fr、采用切削液、增加清磨次数。,1）磨削用量对表面粗糙度的影响,（一）几何因素的影响,2、磨削加工后的表面粗糙度,磨削加工表面粗糙度的形成由几何因素和表面层金属的塑性变形（物理因素）决定的，但磨削过程要比切削过程复杂的多。, V : 砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。, VW : 工件速度对表面粗糙度的影响正好与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，表面粗糙度值将增加。, fr : 砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面粗糙度值将减小,2）砂轮粒度和砂轮修
14、整对表面粗糙度的影响,在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大，参加磨削的磨粒越多，表面粗糙度就越小。,修整砂轮的纵向进给量对磨削表面的粗糙度影响甚大。,（二）表面层金属的塑性变形物理因素的影响,1）磨削用量,磨削特点：砂轮的磨削速度远比一般的切削加工速度高的多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表面温度有时可达900C，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大的多。,砂轮速度 V,磨削深度 ap,工件速度 V,磨削用量对表面粗糙度的影响:,磨削用量对表面粗糙度的影响:,2）砂轮的选择,砂轮粒度,砂轮硬度,砂轮组织,砂轮材料,（二）改善磨削烧伤
15、的工艺途径,(1)正确选择砂轮,磨削导热性差的材料，容易产生烧伤现象。硬度太高的砂轮，砂轮钝化之后不易脱落，容易产生烧伤为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂，也有助于避免产生烧伤现象。,正确选择砂轮 合理选择磨削用量 改善冷却条件 开槽砂轮,(2)合理选择磨削用量, 加大工件的回转速度 vw，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度 ap 的影响相比小的多，实践证明，同时提高砂轮速度 vs 和工件速度 vw ，可以避免烧伤。,结论: 从减轻烧伤而同时又尽可能保持较高的生产效率考虑，应选用较大的工件速度 Vw 和较小的磨削深度 ap 。, 磨削深度 ap 对磨削温度影响极
16、大，从减轻烧伤的角度考虑， ap 不宜过大。, 加大横向进给量 ft 对减轻烧伤有好处。,(3)改善冷却条件,磨削时磨削液若能直接进入磨削区，对磨削区进行充分冷却，能有效的防止烧伤现象的产生。然而目前通用的冷却方法效果很差，实际上没有多少冷却液真正进入磨削区。因此，必须采用切实可行的措施，改善冷却条件，防止烧伤现象产生。,(4)开槽砂轮,内冷却是一种较为有效的冷却方法。,第五节 先进磨削方法简介,一、深切缓进给磨削,燃气轮机叶片,三爪自定心卡盘的卡爪,磨削深度：130 mm,Vw=10100mm/min,二、高速磨削,普通磨削:Vs=3035m/s 高速磨削:Vs45m/s,三、超精密磨削与镜
17、面磨削,超精密磨削: Ra=0.050.01um,镜面磨削: Ra0.05um,工艺要求:,1.选择合适的砂轮,2.砂轮需精细修整,3.磨床精度要高,4.选择合理的磨削用量,四、砂带磨削,砂带磨削的几种形式,磨外圆,磨平面,无心磨,自由磨,成型磨,砂带的结构,总结：磨削过程与切削过程比较，有何特点？,磨削过程和切削过程一样，都经历弹性变形，塑性变形，和滑移的过程，也有切削力和切削热的产生，但磨削过程又有它的特点：,（1）磨削温度高。磨削速度为车削速度的1020倍，因此磨削区内温度很高，瞬时温度达到1000C左右，这样高的温度将会引起加工表面金属层的机械性能变化。,（2）冷硬程度高。因为砂轮中磨粒大多数是负前角和小后角的，而切削刃的钝园半径也较大，因此工件表层金属受到强烈的挤压变形。,（4）磨削过程复杂。磨粒在砂轮表面上分布不规则，很不均匀，它直接影响磨削表面质量，同时使磨削过程复杂化。,（3）能量消耗大。砂轮相当于一把有无数刀齿的铣刀，而且进给量很小，因此切屑变形程度很大，磨削能量消耗为一般切削加工的1020倍。,作 业：,1.磨削过程与切削过程比较，有何特点？ 2.磨削后工件表面烧伤现象是怎样引起的?它会带来什么后果？如何避免？ 3. P36 第5题,
