1、金屬切削原理與刀具磨削一、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。.1 砂 輪第1頁/共67頁二、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 第2頁/共67頁磨料天然磨料：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

2、要有人造金剛石和立方氮化硼。第3頁/共67頁系別名稱代號顏 色性 能適 用 范 圍氧化物棕剛玉白剛玉鉻剛玉AWAPA棕褐色白色玫瑰紅色硬度較低,韌性較好較A硬度高,磨粒鋒利,韌性差韌性比WA好磨削碳素鋼,合金剛,可鍛鑄鐵與青銅磨削淬硬的高碳鋼,合金鋼,高速鋼,磨削薄壁零件,成形零件碳化物黑碳化硅綠碳化硅碳化硼CGCBC黑色帶光澤綠色帶光澤比剛玉類硬度高,導(dǎo)熱性好,但韌性差較C硬度高, 導(dǎo)熱性好,韌性較差磨削鑄鐵,黃銅,耐火材料及其它非金屬材料磨削硬質(zhì)合金,寶石,光學(xué)玻璃研磨硬質(zhì)合金超硬磨料人造金剛石立方氮化硅DCBN白,淡綠,黑色棕黑色硬度最高,耐熱性較硬度僅次于D韌性較D好研磨硬質(zhì)合金, 光

3、學(xué)玻璃,寶石,陶瓷等高硬度材料磨削高性能高速鋼,不銹鋼,耐熱鋼及其它難加工材料表5-1砂輪特性及用途選擇1磨料第4頁/共67頁粒度 表示磨料顆粒的大小1一般磨粒2微細(xì)磨粒粒度號-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”。粒度號越大，磨粒的實際尺寸越小 粒度號-在顯微鏡下測得的該顆粒最大尺寸的微米數(shù)。粒度號越大，微粉顆粒尺寸越大。 第5頁/共67頁類別粒度號適 用 范 圍磨粒8# 10# 12# 14# 16# 20# 22# 24#30# 36# 40# 46# 54# 60# 70# 80# 90# 100# 120# 150# 180# 220# 240#

4、 荒磨一般磨削,加工表面粗糙度可達(dá)Ra0.8m半精磨,精磨和成型磨削,加工表面粗糙度可達(dá)Ra0.80.16m精磨, 精密磨, 超精磨,成型磨,刀具刃磨,珩磨微粉W63 W50 W40 W28W20 W14 W10 W7 W5 W3.5 W2.5 W1.5 W1.0 W0.5精磨, 精密磨, 超精磨,珩磨,螺紋磨超精密磨,鏡面磨,精研,加工表面粗糙度可達(dá)Ra0.050.012m表5-1 砂輪特性及用途選擇2粒度第6頁/共67頁結(jié)合劑把磨粒固結(jié)成磨具的材料瓷（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

5、，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。 抗張力強(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。 第7頁/共67頁表5-1 砂輪特性及用途選擇3結(jié)合劑名稱代號特 性適 用 范 圍陶瓷V耐熱,耐油和耐酸,堿的侵蝕,強(qiáng)度較高,較脆除薄片砂輪外,能制成各種砂輪樹脂B強(qiáng)度高,富有彈性,具有一定拋光作用,耐熱性差,不耐酸堿荒磨砂輪,磨窄槽,切斷

6、用砂輪,高速砂輪,鏡面磨砂輪橡膠R強(qiáng)度高,彈性更好,拋光作用好,耐熱性差,不耐油和酸,易睹塞磨削軸承溝道砂輪,無心磨導(dǎo)輪,切割薄片砂輪,拋光砂輪第8頁/共67頁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，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。第9頁/共67頁等級超軟軟中軟中中硬硬超硬代號DEFGHJKLMNPQRSTY選擇磨位淬硬鋼選用LN,磨淬火合金鋼選用HK,高表面質(zhì)量磨削時選用KL,刃磨硬質(zhì)合金刀具

7、選用HJ表5-1 砂輪特性及用途選擇4硬度第10頁/共67頁砂輪的組織砂輪結(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。 第11頁/共67頁組織號0123

8、4567891011121314磨粒率(%)626058565452504846444240383634分類緊密類中等疏松類用途成型磨削, 精密磨削磨削淬火鋼, 刀具刃磨磨削韌性大而硬度不高材料磨削熱敏性大的材料表5-1 砂輪特性及用途選擇5砂輪的組織第12頁/共67頁 砂輪的形狀、尺寸及用途 為便于對砂輪管理和選用，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)徑其順序為：形狀、尺寸、磨料、粒度號、硬度、組織號、結(jié)合劑、允許的最高工作圓周線速度 如：砂輪P3003075WA60L6V35 第13頁/共67頁砂輪種類形狀代號斷面形狀主要用途平形砂輪P磨外圓、內(nèi)圓，無心磨，刃磨刀具等雙斜

9、邊砂輪OSX磨齒輪及螺紋雙面凹砂輪PSA磨外圓，刃磨刀具，無心磨切斷砂輪(薄片砂輪)PB切斷及切槽筒形砂輪N端磨平面杯形砂輪B磨平面、內(nèi)圓，刃磨刀具碗形砂輪BW刃磨刀具，磨導(dǎo)軌碟形砂輪D磨齒輪，刃磨銑刀、拉刀、鉸刀表5-2 常用砂輪的形狀、代號及用途舉例第14頁/共67頁有效磨粒切削刃 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%； 一個磨?？赡苡袔讉€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砂輪表面形貌圖第15頁/共67頁5.3 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

10、第16頁/共67頁磨削特點1精度高、表面粗糙度小2砂輪有自銳作用機(jī)床名稱立式銑床車床平面磨床外圓磨床精密外圓磨床內(nèi)圓磨床刻度值0.050.020.010.0050.0020.002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工件進(jìn)行切削。 第17頁/共67頁3徑向分力 較大4磨削溫度高 磨削時的切削力同車削一樣，也可以分解為三個互相垂直的分力 工件材料普通鋼淬硬鋼鑄鋼Fn/Ft1.61.91.92.62.73.2Fa/Ft0.10.2高的切削速度 負(fù)前角切削 原因第18頁/共67頁 磨削運(yùn)動和磨削要素一、磨削運(yùn)動1) 主運(yùn)動砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是主運(yùn)動，砂輪外圓的線速度

11、即主運(yùn)動速度 m/s (5.1)式中 d0 砂輪直徑（mm）； n0砂輪轉(zhuǎn)速（r/s）。第19頁/共67頁3) 軸向進(jìn)給運(yùn)動2) 徑向進(jìn)給運(yùn)動用徑向進(jìn)給量r表示。(亦稱磨削深度ap) r指工作臺每雙（單）行程內(nèi)工件相對于砂輪徑向移動的距離，單位為mm/dstr， 一般情況下， r =0.0050.02mm/dstr， 用軸向進(jìn)給量a表示。(亦稱磨削深度ap) 指工件每一轉(zhuǎn)或工作臺每一次行程，工件相對砂輪的軸向移動的距離。 一般情況下a =(0.20.8)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。 第20頁/共67頁4) 圓周進(jìn)給運(yùn)動即工件外圓的線速度vw 式

12、中 dw 工件直徑（mm）; nw工件轉(zhuǎn)速（r/s）。外圓磨削時 m/s (5.2) 第21頁/共67頁二、磨削要素1) 磨削時金屬切削率每秒鐘金屬切除量（亦稱為切除率 ） 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/smm (5.4) mm3/s (5.3)第22頁/共67頁2) 砂輪與工件加工表面的接觸弧長 影響同時參加磨削的磨粒數(shù)目及磨粒負(fù)荷 影響磨屑的容納和排除及冷卻條件的改善 由推導(dǎo)可知平面磨削時的接觸弧的長度為 mm (5.5)第23頁/共67頁3) 砂輪等效直徑接觸弧長相等時外圓（或內(nèi)圓）砂輪直徑換算成假想的平面磨削時的砂輪直徑。 意義：如

13、果砂輪等效直徑相同，則外圓（內(nèi)圓）磨削和平面磨削時的接觸弧長相等 外圓磨削時的砂輪等效直徑為 (5.6)內(nèi)圓磨削時的砂輪等效直徑為 (5.7)第24頁/共67頁磨削方式外圓磨削平面磨削內(nèi)圓磨削徑向進(jìn)給量（即背吃刀量） ap （m）252525砂輪直徑 d0 （）400400400工作直徑 dw （）200550砂輪等效直徑dse (mm)1334001467接觸弧長度 lc （m）1.81033.31036103接觸時間 （s）45.610-68010-615010-6表5.4 幾種磨削方式的等效直徑和接觸弧長第25頁/共67頁接觸弧長以內(nèi)圓磨削為最大，平面磨削次之，外圓磨削最小。 內(nèi)圓磨削的

14、砂輪耐用度最大，平面磨削次之，外圓磨削最小。 結(jié)論因此第26頁/共67頁4) 單個磨粒的磨削厚度意義：磨削厚度大小對磨削力、磨削溫度、磨削表面質(zhì)量和砂輪的磨損產(chǎn)生很大影響。 端面磨削時每個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） 外圓磨削時每個磨粒的最大切削厚度為 (5.9) 式中為砂輪角速度第27頁/共67頁 工件速度vw，軸向進(jìn)給量fa和徑向進(jìn)給量fr增加時，hDgmax將增加；砂輪速度vc、砂輪直徑d0和砂輪寬度B增大時， hDgmax將減??；砂輪磨粒越細(xì)，m就越大， hDgmax減小。結(jié)論 單個磨粒的切削厚度加大時，作用在磨粒上的切削力也增大，

15、將影響砂輪磨損、磨削溫度及被加工零件的表面質(zhì)量。因此第28頁/共67頁一、磨屑的形成過程 磨削時，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環(huán)節(jié)(如圖5.4)。 結(jié)論：砂輪的磨削過程，實際上就是切削、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。 第29頁/共67頁二、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，其實際磨削深度基本上等于徑向進(jìn)給量。 由于工藝系統(tǒng)

16、的彈性變形逐漸恢復(fù)，使實際磨削深度大于零。 第30頁/共67頁 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)和清磨時間。結(jié)論圖5.6 磨削過程的三個階段第31頁/共67頁5.4 磨削力及功率圖5.7 磨削的受力情況第32頁/共67頁 磨粒的受力情況# 磨粒切削時，作用在磨粒上的力可以分解成兩個分力即法向力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。 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； 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)

17、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)論第33頁/共67頁 磨粒的頂尖角多為90120，其前刀面實際上是一個空間曲面。磨粒實際上多數(shù)在粒端負(fù)前角下切削工件。該前角多數(shù)為o=-70-89之間。 用負(fù)前角硬質(zhì)合金刀具模擬磨粒，對含少許錳、鉻、鎳的低碳鋼，在ap=0.010.025mm，切削速度v=200600m/min時，金屬流動情況示意如圖5.8所示。 由于磨粒具有負(fù)前角，刃端具有值，而切削厚度又很薄，故磨粒對工件的切削條件很差。實際上是滑擦、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：第34頁/共67頁圖5.8 負(fù)前角切削時的金屬流動 金

18、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，刀具就僅僅擦過和刻劃工件， 第35頁/共67頁圖5.9 負(fù)前角與切削力的關(guān)系 前角為負(fù)值時，法向力Fn均大于切向力Ft,尤以o=-50之后為甚，F(xiàn)n/Ft=15左右。 第36頁/共67頁 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。 Fy可用以計算進(jìn)給功率； Fx則是設(shè)計機(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，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，而且工件是絕對平滑的 實際上，工件有著一定的

19、粗糙度，砂輪磨粒是三維分布的 第37頁/共67頁圖5.10 磨削力(a)外圓圓磨 (b)切入磨 (c)平面磨 (d)端面磨第38頁/共67頁工件材料普通鋼淬硬鋼鑄鋼1.61.91.92.62.73.20.10.2表5.5 磨削分力的比值說明材料硬度高時，比值大些 表中Fa為軸向切削分力 第39頁/共67頁 磨削力對磨削過程的影響成形磨削時的磨削力Fn、Ft與磨削用量ap、vf的關(guān)系 ap增加時，F(xiàn)n及Ft均增加；vf增加時，F(xiàn)n及Ft均有所減小 工件速度vw與平均接觸壓力p 和比磨削能uc 的關(guān)系磨削力與磨削時間tc 的關(guān)系 磨削力隨著磨削時間tc的延長而不斷增大磨下單位體積金屬時所消耗的能量

20、稱為比磨削能 第40頁/共67頁圖5.11 成形磨削時的磨削力與磨削用量的關(guān)系 砂輪：WA80K10V，工件：中碳鋼；單位寬度磨除率：Z=4mm/（mms）；修整速比： qd=0.5；砂輪速度：vc =30mm/s；砂輪半錐角=60第41頁/共67頁 圖5.12 vw與p及uc的關(guān)系砂輪粒度：30，磨削深度：ap=0.025mm 精密磨削時的比磨削能可能為車削時的“比切削能” 的2030倍 第42頁/共67頁功率消耗很大主運(yùn)動所消耗的功率為Pm（國際為Pc） kW (5.10) 式中Ft砂輪的切向力（N）； vs砂輪線速度（m/s）。砂輪硬度較高時，功率消耗大些；同一種工件材料的硬度較高時，功

21、率消耗小些 結(jié)論第43頁/共67頁5.5 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 精度差第44頁/共67頁磨削時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 第45頁/共67頁磨削溫度的影響因素 圖5.13 磨粒與工件 第46頁/共67頁圖5.14磨粒切削刃附近工件表面溫度分析 由于切屑形成及刻劃引起的溫度變化 磨粒與工件摩擦?xí)r引起的溫度變化 +兩者的疊加圖5.13中的A點與圖5.14的A點相對應(yīng)。 第47頁/共67頁 由于磨粒的負(fù)前角絕對值很大，在剪切面

22、AB附近的金屬只有在很高的溫度下，當(dāng)材料具有很大的塑性，即在高溫粘性塑性（Viscous-Plastic）變形狀態(tài)下才能朝前刀面上流出而成為切屑。 上兩圖對應(yīng)分析得出結(jié)論因此 單顆磨粒的切削溫度常常達(dá)到了金屬的熔點。試驗研究指出：對于每一種金屬材料，其磨屑形成的溫度是一個常數(shù)(碳鋼是1500，鈦合金是1650)在如此高溫下的磨屑，當(dāng)飛出磨削區(qū)后，就往往在空氣中強(qiáng)烈燃燒或氧化而迸發(fā)火花。 第48頁/共67頁磨削溫度對工件表面的影響 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 三個方面第49頁/共67頁（一）工件表面燒傷 由于磨削時產(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

23、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，就會出現(xiàn)燒傷。 第50頁/共67頁 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。第51頁/共67頁（二）加工表面的殘余應(yīng)力 殘余拉應(yīng)力 殘余壓應(yīng)力 可提高零件

24、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。第52頁/共67頁5.6 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200500層左右；磨粒的空間分布參差不齊，在磨削時，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，砂輪就要重新修整。第53頁/共67頁破碎磨損 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 消耗砂輪的重量較大 對砂輪影響較大 砂輪磨

25、損后會使磨削效率降低，磨削表面質(zhì)量下降；同時發(fā)生振動和噪聲，應(yīng)及時修整。 第54頁/共67頁磨削種類外圓磨內(nèi)圓磨平面磨成型磨耐用度（s）120024006001500600表5.6 砂輪常用合理耐用度值精磨時，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間，用秒來表示 第55頁/共67頁砂輪的的修整 三類修整工具本身不作旋轉(zhuǎn) ad一般用0.0050.1mm,軸向進(jìn)給fa可用0.050.4mm。 鋼的或硬質(zhì)合金的擠壓輪 砂輪與擠壓輪沒有相對速度 本身作回轉(zhuǎn)運(yùn)動或直線運(yùn)動 對機(jī)床結(jié)構(gòu)和剛度有較嚴(yán)格要求 第56頁/共67頁圖5.17 用金剛石筆修整砂輪 第57頁/共67頁a)三個調(diào)節(jié)量子力學(xué) b)四個調(diào)節(jié)量 圖5.18 金剛石滾輪的修整方式第58頁/共67頁 a)滾輪形狀與工件形狀相同 b)用滾輪作仿形修整 圖5.19 成形砂輪的修整第