1、机自专 081 及机自专升本 09 级1第 3 章 精密磨削加工3-1 概述一、磨削加工的基本特点1、适于加工硬质材料一般结构材料（铸铁、碳钢、合金钢） ，也可以加工高硬度材料，但不适合加工塑形较大的有色金属2、加工精度高，表面粗糙度小精度 IT5-IT3，表面粗糙度 1.25-0.01m，镜面磨削时可达 0.04-0.01m3、径向磨削力 Fy 较大。加工刚性较差的工件时应采取措施防止变形4、 磨削温度高在磨削区域会形成瞬时高温，造成工件表面烧伤，所以必须采用大量切削液。5、砂轮有自锐作用自锐作用概念使用时要选择合适的砂轮硬度磨粒破碎会导致外形精度变低、砂轮堵塞，要修正来恢复、6、工艺范围广
2、可以加工多种表面7、在切削加工中的比例日益增大二、精密磨削加工的分类（一）概述1、精密磨削加工利用细粒度的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，得到高加工精度和小表面粗糙度的加工方法。2、大概分类（表 3-1）磨削：砂轮、砂带磨削研磨超精加工桁磨砂带研磨固结磨料加工超精研抛磨料加工游离磨料加工 抛光第 3 章 精密磨削加工2研磨：干式、湿式、磁性精密研磨滚磨：回转式、振动式、离心式、主轴式、涡流式桁磨：挤压桁磨喷射加工3、固结磨料加工将一定力度的磨粒或者微粉与粘结剂黏结在一起，形成一定形状并具有一定强度，再采用烧结、黏结、涂敷等方法即形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。烧结方法固结磨具涂敷方
3、法涂敷磨具（二）固结磨具精密加工：砂轮 60-80#、加工精度 0.1-1m，表面粗糙度 0.2-0.25m。超精密磨削：砂轮 W40-50、精度 0.1m、表面粗糙度 0.025-0.008m。1、磨料及其选择（选用超硬磨料）刚玉、碳化物系、超硬磨料（金刚石、立方碳化硼）超硬磨料的特点：可加工高硬度、高脆性和非金属材料磨削能力强、耐磨性好、耐用度高，容易保持粒度；一控制加工尺寸和实现自动化磨削力小、磨削温度低磨削效率高加工综合成本低2、磨料粒度及其选择选择依据是：加工要求、被加工材料、磨料材料（被加工工件表面粗糙度、被加工材料和生产率影响较大）一般选 180-240#，号越大粗糙度越小，生差
4、率越低。3、结合剂及其选择常见：树脂结合剂、陶瓷结合剂、金属结合剂影响：结合强度、自锐性、化学稳定性、修正方法等。4、组织和浓度及其选择（表 3.2）组织普通磨料含量表示方法，反映磨料、结合剂和气孔三者的比例关系。浓度超硬磨具中磨料的含量的表示方法，指 1cm3 中所含超硬磨料的重量。影响：磨削质量、效率和加工成本经验：高质量浓度成型磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削中质量浓度半精磨（细粒度）细粒度，低质量浓度高精度、小表面粗糙值的精细超精细磨削。机自专 081 及机自专升本 09 级35、硬度及选择普通磨具的硬度磨粒在外力作用下，磨粒自表面脱落的难易程度。超硬磨具中，一般不标注6、磨具的强度磨
5、具高速旋转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。7、磨具的形状、尺寸及其集基体材料磨料层、过渡层、基体（图 3.1）（三）涂覆磨具将磨料用粘结剂均匀的涂覆在纸、布或者其他复合材料基地上的磨具。1、分类根据磨具的形状、基底材料、工作条件用途等分类：干磨砂布、干磨砂纸、耐水砂布、耐水砂纸、环装砂带、卷状砂带等2、磨料及粒度磨料：棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石表示方式：P240=普通 240，P320=W503、粘结剂胶，将砂粒牢固的粘结在基底上，分为：粘结膜、底胶和覆胶分类：动物胶（皮胶、明胶、骨胶）粘结性能好、价格便宜、易受潮，用于轻切削的油磨和干磨
6、。树脂粘结性好，耐热、耐水、耐湿有弹性，用于难磨削材料或复杂形面的磨削和抛光。高分子化合物粘结性好、耐湿有弹性，用于精密磨削，成本高超图层粘结剂提高加工质量4、涂覆方法（3 种）影响涂覆磨具质量的重要因素之一（1）重力落沙法一般方法，成本较低（2）涂敷法类似于印刷，可获得较好的表面质量（3）静电植砂法采用静电原理吸附砂粒，特点的尖端朝上，切削性强、等高性好。第 3 章 精密磨削加工43-2 精密磨削加工机理微小多刃刀具削除细微切屑的方法。一、磨削加工的基本特点（一）磨削过程磨粒不规则菱形多面体；顶锥角80-145（90-120）以较大的负前角切削。磨粒在砂轮表面随机分布，一般 10%参加磨削4
7、 种磨削形态摩擦、塑性变形、飞边和切削。影响因素切削刃形状、工件材料、切削深度、切削速度。（二）精密磨削机理1、磨粒的微刃性2、磨粒的等高性（图 3.6）3、微刃的滑擦、挤压、抛光作用4、弹性变形的作用（图 3.7）法向分力为切向分力的 2 倍，切削量非常微小，易行成镜面。（三）磨削力（图 3.8）如图所示 FZ（主切削力） 、F Y（切深力） 、F X（进给力）的方向1、磨削力的主要特征（1）单位磨削力很大（2）F Y 在三个力当中最大，直接影响工件表面质量。2、影响磨削力的因素砂轮速度 V：增加，磨粒增加，单个磨粒受力减少；工件速度 VW 和轴向进给量 fN 增大：切削厚度增加，切削力增大
8、。径向进给量 fr 增大：切削厚度增大、接触弧长增大，力增大。砂轮磨损：磨削力增大。（四）单个磨粒的切削厚度见图 3.9 的受力分析（详细讲解）机自专 081 及机自专升本 09 级5二、磨削温度与磨削液（一）磨削温度1、磨削温度的基本概念明确两个温度：（温度是不同的）（1）磨削区域温度（工件）：几百（2）磨粒磨削点温度：800-12002、影响磨削温度的主要因素（1）砂轮速度 VV 增加，挤压摩擦加剧、滑擦增多，温度上升。（2）工件速度 VW增加，则热源移动速度增加，略降低；但是增大了金属切除量，增加发热量。所以一般应同时降低径向进给量。（3）径向进给量 fr增大，导致摩擦力增大，温度上升。
9、（4）工件材料金属导热性差，则磨削去温度较高。含碳量高导热性差，加入铬、镍、铝、硅、锰都会使导热性变差。金相组织排序：奥氏体淬火和回火马氏体 珠光体（5）砂轮硬度与粒度软砂轮磨削时温度低，反之温度高。原因是软砂轮自锐性好。（二）磨削液作用是：降低切削温度、减少切削力、减小工件热变形、减少表面粗糙度、改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。1、磨削液的作用机理基本性能：润滑、冷却、清洗；附加性能：渗透、防锈、防腐、消泡、防火、切削和挤压等。（1）冷却作用利用热传导带走大量热量。关注液体的性质包括：导热系数、比热容、汽化热、气化速度、流量流速等，通常水油。（2）润滑作用工作过程中属于边界摩擦（介
10、于干摩擦和流体润滑摩擦之间） ；不同的化学成分会影响润滑效果。（3）清洗作用冲刷产生的切削，深孔加工必须采用高压磨削液来排屑。2、磨削液的添加剂用于改善切削液性能，主要有油性添加剂、挤压添加剂、表面活性剂等。（1）油性添加剂第 3 章 精密磨削加工6极性分子能在金属表面形成牢固的吸附膜，主要起润滑作用。一般用于低速加工，成分包括动植物油、脂肪酸、胶类、醇类和脂类等。（2）挤压添加剂含硫、磷、氯、碘等有机化合物，在高温时形成化学油膜，比较耐高温。Eg1-3（3）表面活性剂乳化剂：作用是使矿物油和水乳化。原因是其成分中的极性基团和非极性基团分别亲水和亲油，降低水和油表面的张力。使得油粒可以均匀的分
11、布在水中。3、磨削液的分类与使用（1）分类（水溶性/非水溶性）水溶性：水溶液、乳化液，冷却和清洗为主。非水溶性：磨削油（矿物油+动植物油） ，润滑为主。水溶性特例：离子型磨削液（2）选用磨削温度较高，应保证良好的冷却清洗作用，然后才是润滑和防锈，所以一般选择乳化液和离子型磨削液。难加工材料加工时处于高温高压边界摩擦状态，所以应选择挤压磨削油/挤压乳化液。（3）使用方法浇注，效果不好喷雾冷却法：（图 3.13 所示）三、磨削质量和裂纹控制（一）磨削加工后的表面粗糙度1、几何因素的影响通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面粗糙度值越小。（1）磨削用量的影响砂轮速度高，粗糙度小；工件
12、速度高，粗糙度大；纵向进给小，粗糙度小。（2）砂轮粒度和砂轮修整的影响粒度号越大，参加磨削的砂粒越多，表面粗糙度越小。见表 3-4修整时，金刚石纵向进给越小，砂轮等高性越好，粗糙度越小。2、物理因素的影响（表层金属塑性变形）影响表层金属塑性变形的因素通常是影响表面粗糙度的决定因素。（1）磨削用量砂轮速度高，塑性变形小，粗糙度减小；工件速度增加，塑性变形增加，粗糙度变大；增大磨削深度，塑性变形增大，粗糙度变大。（2）砂轮的选择机自专 081 及机自专升本 09 级7粒度通常取 46-60#（单位面积包含硬质砂粒的个数）硬度一般选取中软砂轮；组织一般选用中等组织；（磨粒结合剂和气孔的比例关系）材料
13、的选择要根据实际加工情况选。（二）磨削加工后的表面层金属力学物理性能1、冷作硬化（1）一般概念机械加工过程中差生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒滑移、拉长，使得表面金属硬度增加。 （又称强化）加工的高温又可以使冷硬结构向稳定状态转变，成为弱化。冷硬指标有：表层金属显微硬度；硬化层深度；硬化程度。（2）影响因素工件材料性能：纯铁碳钢磨削用量选择：磨削深度增加，强化增加砂轮粒度影响：粒度增大，强化减小2、表层金属的金相组织变化（图 3.14）由于磨削加工速度高，容易造成被加工表面金相变化，造成工件表面的烧伤，影响零件使用性能。尤其是对于淬火钢。（1）如果未超过淬火相变温度马氏体索氏体（回火烧伤）
14、（2）超过相变温度有冷却液二次淬火，下层容易回火。 （淬火烧伤）（3）超过相变温度没有冷却液退火烧伤。改善方法：正确选择砂轮（软性砂轮+弹性粘合剂） 。合理选择磨削用量：减小磨削深度，同时增大工件和刀具的速度。改善冷却条件：保证每秒 2ML 的冷却水。3、表面金属的残余应力加工时由于温度的不平衡会产生残余应力。影响残余应力的因素有：（1）磨削用量（图 3.15）不同的阶段形成不同的残余应力，小进给量时差生压应力，大进给量时拉应力。（2）工件材料影响强度高的材料易产生拉伸残余应力。第 3 章 精密磨削加工83-3 精密磨削加工的机床及其应用一、概述（精密机床满足条件）精密机床是实现精密加工的基础
15、条件。条件如下：1、高几何精度采用静压或者动压轴承砂轮主轴的回转精度（径向跳动0，不发热）（1）气浮导轨（图 3.19）（2）空气静压导轨（图 3.20）（三）微量进给装置1、要求：（1）精进给和粗进给严格分开；（2）运动部分必须低摩擦高稳定度；（3）末级传动元件刚度高；（4）微进给机构内部可靠连接；（5）工艺好、易制造；（6）具有良好的动态特性；（7）要能实现微进给的自动控制。2、机械结构变形微量进给装置（图 3.21）3、压电式或电致伸缩式传感器微进给装置高刚度和自振频率300-500Hz；调整使用方便，可以方便的调整预载力；尽量采用整体结构，微位移时应无摩擦力；结构应尽量简单。 （图 2
16、.16 结构图）第 3 章 精密磨削加工10实现功能：微量进给、超薄加工、在线误差补偿、切削加工非轴对阵特殊型面。（四）机床的稳定性和减振隔振1、稳定性要求（1）各部件尺寸稳定性好选用稳定性好的材料，进行时效处理。（2）结构刚性高、变形小要求负载变化时变形小；各个接触面联接面接触良好，接触刚度高，变形小。2、提高机床稳定性措施（1）各个部件经过精密动平衡、减少内部震动；（2）提高机床结构抗振性；（3）在容易振动部分加入人工阻尼；（4）使用抗衰减能力强的材料制造机床结构件；（5）远离振源；（6）单独地基、隔振沟、隔振墙；（7）使用空气隔振垫。（五）减少热变形和恒温控制1、温度变化对精密机床加工误
17、差的影响战总误差的 40-70%，举例 100mm 温度变化一度则误差 2.25m。2、减小机床热变形的措施（1）尽量减少机床中的热源；（2）采用热膨胀系数小的材料制造机床部件；（3）机床结构合理化；（4）机床长期处于热平衡状态；（5）采用大量恒温液体喷淋。 （图 3.23）3-4 精密研磨与抛光一、研磨加工机理游离磨粒切削加工，在刚性研具上注入磨料，在一定的压力下通过研具与工件的相对运动，借助磨粒的微切削作用去除微量工件材料，来达到高几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。1、硬脆材料的研磨（图 3.24）微切削加工；滚压效果加工。2、金属材料的研磨机自专 081 及机自专升本 09 级11二、
18、抛光加工机理用低速旋转的软质弹性或黏性材料抛光盘或高速旋转的低弹性材料抛光盘加抛光剂，具有一定研磨性质的获得光滑表面的加工方法。特点：不会发生裂纹。三、精密研磨与抛光的主要工艺因素1、工艺因素表格见表 3-5。研磨压力 P0=P/（NA） ，即研磨压力= 研磨表面所承受的总压力/ 研磨工件总数与实际接触面的乘积。2、对研磨运动轨迹的要求（1）平面平行运动保持相同或者相近的行程；（2）任意点不出现运动轨迹周期性重复；（3）避免曲率过大的运动转角，保持平稳；（4）研磨盘要均匀受损，及走遍整个研磨盘表面；（5）及时变换工件的运动方向，来减少表面粗糙度。四、研磨盘与抛光盘1、研磨盘（1）特点几何精度要
19、求极高：低于工件硬度、组织均匀致密；结构合理：刚性、精度保持性、耐磨性、排屑性、散热性；常开槽（2）研具开槽目的：存储多余磨粒，防止工件表面损伤；加工中作为提供磨粒的通道；排屑通道。2、抛光盘五、研磨剂与抛光剂1、对磨粒的基本要求形状、尺寸均匀一致；能适当破碎使切削刃锋利；熔点高于工件；在研磨液中易分散，需考虑化学活性。2、对研磨抛光液的要求（1）有效散热，防止热变形；（2）黏性要低，保证磨料流动性；（3）不污染工件；（4）物理及化学性能稳定，不分解变质；（5）能较好的分散磨粒。第 3 章 精密磨削加工12六、非接触抛光新技术、工件与抛光盘不接触、依靠抛光剂冲击工件表面，来获得加工表面完美和精确形状的抛光方法。1、弹性发射加工（EEM）工件和研具不接触，利用粒子冲击工件表面对原子结合产生破坏。 （图 3.25/3.26）2、浮动抛光（图 3.27） 3、动压浮离抛光（图 3.28）4、非接触化学抛光（图 3.29）5、切断、开槽及端面抛光（图 3.30）
