(金属切削原理与刀具)第五章 磨削课件

第五章 磨削,一、砂轮:由磨料加结合剂用烧结的方法而制成的多孔物体。 1.磨料:起切削作用， 2.结合剂:把磨料结合起来，使之具有一定的形状、硬度和强度。 3.气孔:结合剂没有填满磨料之间的全部空间，因而有气孔存在。,.1 砂 轮,二、砂轮的基本参数 磨料的种类、磨料颗粒大小、结合剂的种类、砂轮硬度及组成 三、砂轮的特性 磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和尺寸等,5.1.1 磨料,天然磨料：,一般含杂质多，质地不匀；天然金刚石虽好，但价格昂贵。,2.人造磨料：,目前主要采用人造磨料。,氧化物系:主要成分为Al2O3,碳化物系:以碳化硅、碳化硼为基体，添加的金属元素,超硬磨料系:主要有人造金刚石和立方氮化硼。,表5-1砂轮特性及用途选择1磨料,5.1.2 粒度,表示磨料颗粒的大小,1一般磨粒,2微细磨粒,粒度号-磨粒刚好可通过的筛网每英寸长度上（25.4mm）上的孔眼数。单位称为“目”。 粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小,粒度号-在显微镜下测得的该颗粒最大尺寸的微米数。 粒度号越大，微粉颗粒尺寸越大。,表5-1 砂轮特性及用途选择2粒度,5.1.3 结合剂,把磨粒固结成磨具的材料,瓷（A）,2.树脂（S）,4.青铜（Q）,3.橡胶（X）,耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，最常用 。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受侧面弯扭力，有宜用于切断砂轮。,强度高、弹性好，很适用于切断、开槽等高速磨削。但其耐热性、耐蚀性差、气孔率小，易糊塞、磨损快、易失去廓形。,比树脂有更好的弹性和硬度，可制造0.1mm的薄砂轮，使用于切断、开槽、无心磨的导轮。,抗张力强度高，型面保持性好，有一定韧性，但自锐性差，主要用于制造金刚石砂轮，粗、精磨硬质合金，以及磨削与切断光学玻璃、宝石、陶瓷、半导体等材料。,表5-1 砂轮特性及用途选择3结合剂,5.1.4 砂轮的硬度,磨粒与结合剂的粘固程度,在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。 砂轮硬，磨粒较难脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。,砂轮组织较疏松，工件材料较硬，砂轮与工件磨削接触面较大，砂轮气孔率较低时，需选用较软的砂轮。 半精磨与粗磨相比，树脂与陶瓷相比，选用的砂轮硬度低些。,表5-1 砂轮特性及用途选择4硬度,5.1.5 砂轮的组织,砂轮结构的紧密或疏松程度,用颗粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系来表示,磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密，气孔越小；反之，组织疏松,紧密类砂轮，气孔率小，使砂轮变硬，容屑空间小，容易被磨屑堵塞，磨削效率较低。但可承受较大的磨削压力，砂轮廓形可保持较久。,紧密类,中等,疏松类,一般组织，一般磨削,磨粒占的比例越小，气孔越大，砂轮越不易被切屑堵塞，切削液和空气也易进入磨削区，使磨削区温度降低，工件因发热而引起的变形和烧伤减小，但疏松类砂轮易失去正确廓形，降低成型表面的磨削精度，增大表面粗糙度。,表5-1 砂轮特性及用途选择5砂轮的组织,5.1.6 砂轮的形状、尺寸及用途,为便于对砂轮管理和选用，通常将砂轮的形状、尺寸和特性标注在砂轮端面上,外径厚度内径,其顺序为： 形状、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、允许的最高工作圆周线速度,如：砂轮P3003075WA60L6V35,表5-2 常用砂轮的形状、代号及用途举例,有效磨粒切削刃,无效磨粒切削刃,有效磨粒切削刃只为静态切削刃总数的5%12%； 一个磨粒可能有几个有效切削刃与工件接触，有60%的有效切削刃分布在不同磨粒上面。,5.2 砂轮表面形貌图,图5.3砂轮表面形貌图,5.3 磨削过程,磨削也是一种切削,砂轮可以看作是具有极多微小刀齿的铣刀,砂轮本身虽有自锐性,图5.4磨粒切削过程,5.3.1 磨削特点,1精度高、表面粗糙度小,2砂轮有自锐作用,表5.3 不同机床控制切深机构的刻度值（mm）,使得磨粒能够以较锋利的刃口对工件进行切削。,3径向分力 较大,4磨削温度高,磨削时的切削力同车削一样，也可以分解为三个互相垂直的分力,高的切削速度,负前角切削,原因,5.3.2 磨削运动和磨削要素,一、磨削运动,1) 主运动,砂轮的旋转运动是主运动，砂轮外圆的线速度即主运动速度 m/s (5.1) 式中 d0 砂轮直径（mm）； n0砂轮转速（r/s）。,3) 轴向进给运动,2) 径向进给运动,用径向进给量r表示。(亦称磨削深度ap),r指工作台每双（单）行程内工件相对于砂轮径向移动的距离，单位为mm/dstr，,一般情况下， r =0.0050.02mm/dstr，,用轴向进给量a表示。(亦称磨削深度ap),指工件每一转或工作台每一次行程，工件相对砂轮的轴向移动的距离。,一般情况下a =(0.20.8)B，B为砂轮宽度，单位为mm； a的单位，圆磨为mm/r，平磨为mm/str。,4) 圆周进给运动,即工件外圆的线速度vw,式中 dw 工件直径（mm）; nw工件转速（r/s）。,外圆磨削时,m/s (5.2),二、磨削要素,1) 磨削时金属切削率,每秒钟金属切除量（亦称为切除率 ）,每秒钟内砂轮每1mm宽度所切除的金属量。则称为单位砂轮宽度切除率，以ZQ表示,mm3/smm (5.4),mm3/s (5.3),2) 砂轮与工件加工表面的接触弧长, 影响同时参加磨削的磨粒数目及磨粒负荷, 影响磨屑的容纳和排除及冷却条件的改善,由推导可知平面磨削时的接触弧的长度为 mm (5.5),3) 砂轮等效直径,接触弧长相等时外圆（或内圆）砂轮直径换算成假想的平面磨削时的砂轮直径。,意义：如果砂轮等效直径相同，则外圆（内圆）磨削和平面磨削时的接触弧长相等,外圆磨削时的砂轮等效直径为 (5.6) 内圆磨削时的砂轮等效直径为 (5.7),表5.4 几种磨削方式的等效直径和接触弧长,接触弧长以内圆磨削为最大，平面磨削次之，外圆磨削最小。,内圆磨削的砂轮耐用度最大，平面磨削次之，外圆磨削最小。,结论,因此,4) 单个磨粒的磨削厚度,意义：磨削厚度大小对磨削力、磨削温度、磨削表面质量和砂轮的磨损产生很大影响。, 端面磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.8) 式中m为砂轮每mm圆周长度上的磨粒数（mm-1）, 外圆磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 (5.9) 式中为砂轮角速度,工件速度vw，轴向进给量fa和径向进给量fr增加时，hDgmax将增加；砂轮速度vc、砂轮直径d0和砂轮宽度B增大时， hDgmax将减小；砂轮磨粒越细，m就越大， hDgmax减小。,结论,单个磨粒的切削厚度加大时，作用在磨粒上的切削力也增大，将影响砂轮磨损、磨削温度及被加工零件的表面质量。,因此,5.3.3 磨削过程,一、磨屑的形成过程,磨削时，工件表面被砂轮滑擦、刻划以及砂轮表面比较锋利且凸出的磨粒切削形成磨屑，其切削过程大致可分为三个环节(如图5.4)。,结论：砂轮的磨削过程，实际上就是切削、刻划和滑擦三种作用的综合。,磨屑尺寸细小而形状各异。有带状切屑、节状切屑和一些熔化后烧尽了的切屑灰烬，还有金属微尘等。,二、磨削阶段,1）初磨阶段,2）稳定阶段,3）清磨阶段,由于机床、工件、夹具工艺系统的弹性变形，实际磨削深度小于径向进给量,当系统弹性变形达到一定程度后，继续进给时，其实际磨削深度基本上等于径向进给量。,由于工艺系统的弹性变形逐渐恢复，使实际磨削深度大于零。,要提高生产率，应缩短初磨阶段和稳定阶段。要提高表面质量必须保持适当的清磨进给次数和清磨时间。,结论,图5.6 磨削过程的三个阶段,5.4 磨削力及功率,图5.7 磨削的受力情况,5.4.1 磨粒的受力情况,# 磨粒切削时，作用在磨粒上的力可以分解成两个分力即法向力Fn和切向力Ft。并为结合剂桥上的结合力所平衡，如图5.7所示。 磨粒所承受的合力FR与结合剂桥上抗力FR的合力不一定在同一平面内；因此，有可能产生力矩M，使磨粒脱落； 磨粒本身受到剪力也可能崩裂。,磨粒所受的应力决定于受力的强弱，它与切削截面积、工件材料性质等磨削条件有关；受力的频率则与砂轮转速有关,结论,5.4.2 磨粒的负前角磨削对磨削力的影响,磨粒的顶尖角多为90120，其前刀面实际上是一个空间曲面。磨粒实际上多数在粒端负前角下切削工件。该前角多数为o=-70-89之间。,用负前角硬质合金刀具模拟磨粒，对含少许锰、铬、镍的低碳钢，在ap=0.010.025mm，切削速度v=200600m/min时，金属流动情况示意如图5.8所示。,由于磨粒具有负前角，刃端具有值，而切削厚度又很薄，故磨粒对工件的切削条件很差。实际上是滑擦、刻划、产生指向工件表层的很大的塑性变形区。到一定温度后，才形成切屑沿前刀面流出,结论,模拟试验：,图5.8 负前角切削时的金属流动,金属流分为两路,一路进入刀具下面,一路沿前刀面上升而成为切屑,1.一直到-75的前角，刀具仍可切出切屑来。 2.在-85前角时，刀具就仅仅擦过和刻划工件，,图5.9 负前角与切削力的关系,前角为负值时，法向力Fn均大于切向力Ft,尤以o=-50之后为甚，Fn/Ft=15左右。,5.4.3 砂轮上的磨削力,也可以磨削力分解成x方向和y方向的分力Fx,Fy。 Fy可用以计算进给功率； Fx则是设计机床床身和箱体的重要数据。,可以把磨削力分解为径向力Fn和切向力Ft,以前研究磨削过程时，常常假设所有的磨粒都处于同一圆周面上，磨粒间距离都相等，而且工件是绝对平滑的 实际上，工件有着一定的粗糙度，砂轮磨粒是三维分布的,图5.10 磨削力,(a)外圆圆磨 (b)切入磨 (c)平面磨 (d)端面磨,表5.5 磨削分力的比值,说明,材料硬度高时，比值大些,表中Fa为轴向切削分力,5.4.4 磨削力对磨削过程的影响,成形磨削时的磨削力Fn、Ft与磨削用量ap、vf的关系,ap增加时，Fn及Ft均增加； vf增加时，Fn及Ft均有所减小,工件速度vw与平均接触压力p 和比磨削能uc 的关系,磨削力与磨削时间tc 的关系,磨削力随着磨削时间tc的延长而不断增大,磨下单位体积金属时所消耗的能量称为比磨削能,图5.11 成形磨削时的磨削力与磨削用量的关系,砂轮：WA80K10V，工件：中碳钢；单位宽度磨除率：Z=4mm/（mms）；修整速比： qd=0.5；砂轮速度：vc =30mm/s；砂轮半锥角=60,图5.12 vw与p及uc的关系,砂轮粒度：30，磨削深度：ap=0.025mm,精密磨削时的比磨削能可能为车削时的“比切削能” 的2030倍,5.4.5 磨削功率消耗,功率消耗很大,主运动所消耗的功率为Pm （国际为Pc）,kW (5.10),式中Ft砂轮的切向力（N）； vs砂轮线速度（m/s）。,砂轮硬度较高时，功率消耗大些； 同一种工件材料的硬度较高时，功率消耗小些,结论,5.5 磨削温度,磨削表面的热损伤,热裂纹,热变形,残余应力,精度差,5.5.1 磨削热的来源,磨削时消耗能量,滑擦能,刻划能,切屑形成能,剪切能 (75% 左右),摩擦能 (25%左右),接近于工件金属的熔化能,有45%55%传入工件,有75%左右传入工件,有69%左右传入工件,5.5.2 磨削温度的影响因素,图5.13 磨粒与工件,图5.14磨粒切削刃附近工件表面温度分析 由于切屑形成及刻划引起的温度变化 磨粒与 工件摩擦时引起的温度变化 +两者的叠加,图5.13中的A点与图5.14的A点相对应。,由于磨粒的负前角绝对值很大，在剪切面AB附近的金属只有在很高的温度下，当材料具有很大的塑性，即