第一节 砂轮的特性与选择

第一节 砂轮的特性与选择       砂轮是由磨料和结合剂构成的，磨料与结合剂之间有许多空隙，起着散热的作用。砂轮的特性包括以下几个方面；磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状和尺寸等。 一.磨料 磨料是砂轮的主要组成成分，它除了应具备锋利的尖角外，还应有高的硬度和耐热性以及一定的韧性。常用的磨料代号、特点及应用范围见表 4-1。 表 4-1 常用磨料的特点及应用 类别 磨料名称 代号 颜色 硬度 韧性 应用范围 刚玉类 棕刚玉 GZ ( A ) 棕褐色 低     高 大     小 磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁等 白刚玉 GB ( WA ) 白色 磨削淬火钢、高速钢、高碳钢等 单晶刚玉 GD ( SA ) 浅黄或乳白 磨削不锈钢、高钒高速钢及其它难加工材料 铬刚玉 GG ( PA ) 紫红色 磨削淬硬高速钢、高强度钢、特别适用于成形磨削 碳化硅类 黑色碳化硅 TH ( C ) 黑色 磨削铸铁、黄铜、耐火材料及非金属材料 绿色碳化硅 TL ( GC ) 绿色 磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玻璃等 高硬磨料 立方氮化硼 CBN 黑色 磨削各种高温合金，高钼、高钒、高钴钢、不锈钢等 人造金刚石 MBD RVD 乳白色 磨削硬质合金、光学玻璃、宝石、陶瓷等硬度材料 二、粒度 粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。砂轮的粒度对磨削表面的粗糙度和磨削效率由很大影响。粒度号小则磨削深度大，故磨削效率高，但表面粗糙度大。所以粗磨时，一般选粗粒度，精磨时选细粒度。磨软金属时，多选用粗的磨粒，磨脆和硬的金属时，则选用较细的磨粒，详见表 4-2 。 表 4-2 粒度及尺寸和适用范围 粒度号 公称尺寸 / m m 适用范围 粒度号 公称尺寸 / m m 适用范围 8 # 36 # 31507500 500400 荒磨、打毛刺 切断钢坯 280W40 5040 4028 精磨、螺纹磨、珩磨 超精加工 46 # 80 # 400315 200160 粗磨 半精磨 W28W7 2820 75 精密磨削 超精密加工、制造研磨剂 100 # 240 # 31507500 500400 6350 精磨 成形磨 珩磨 W5W0.5 53.5 < 0.5 超精密加工、研磨 镜面磨削   三、硬度 砂轮的硬度是指砂轮工作时，磨料自砂轮上脱落的难易程度。砂轮硬即表示磨粒难脱落，砂轮软，表示磨粒易脱落。一般情况下，加工硬度大的金属，应选用软砂轮；加工软金属时，应选用硬砂轮。粗磨时，选用软砂轮；精磨时，选用硬砂轮。砂轮的硬度等级见表 4-3。 表 4-3 砂轮硬度等级 等级 超软 软 中软 中 中硬 硬 超硬 代号 GB2484-84 CR R1 R2 R3 ZR1 ZR2 Z1 Z2 ZY1 ZY2 ZY2 Y1 Y2 CY GB2484-94 D E F G H J K L M N P Q R S T Y 四、结合剂 结合剂是把磨粒粘结在一起组成磨具的材料。常用的结合剂性能及应用范围见表 4-4。   五 、 组织 砂轮的组织是指组成砂轮的磨料、结合剂、空隙三部分体积的比例关系。通常以磨粒所占砂轮的百分比来分级。有三种组织状态（紧密、中等、疏松）共 15级（014）、组织号越小，磨粒所占的比例越大，砂轮越致密。砂轮疏松则不易堵塞，并可把切削液或空气带入切削区，降低磨削温度，但过分疏松则磨粒含量小，容易磨钝和失去正确的廓形。故粗磨时应采用疏松砂轮，精磨时应采用组织教紧密的砂轮。 六、形状和尺寸 砂轮的形状和尺寸是根据磨床类型、加工方法及工件的加工要求来确定的。根据 GB2484-94规定。 砂轮的特性均标记在砂轮的侧面上，其顺序是：形状代号、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和允许的最高线速度。如：砂轮 1-300×30×75-A60S6V-35 m/s 表示 , 平形砂轮外径300 mm 、 厚度 30mm、内径75 mm ，棕刚玉磨料， 60 # 粒度，硬度为硬1等级，6号组织，陶瓷结合剂，最高线速度35 m/s 。第二节 磨削运动及磨削过程   一、磨削运动 磨削时，加工对象不同，其所需运动也不同，归结起来一般有四个运动，如图 4-1所示。   1.主运动 砂轮的旋转运动。磨削速度即为砂轮外圆的线速度。 （4-1） 式中：v 磨削速度（ m/s ）； d0 砂轮直径 ( mm )； n0 砂轮转速（ r/min ）。 普通磨削速度v为 3035 m/s ，当v 45 m/s 时，称为高速磨削。 2.径向进给运动 是指砂轮径向切入工件的运动。工作台每双（单）行程内工件相对砂轮径向移动的距离称为径向进给量，记为 fr 。单位为mm/d·str 3.轴向进给运动 工件相对于砂轮的轴向运动。以轴向进给量表示，记为 f a 。其单位为：mm/r（圆磨削）、mm/d·str (平磨)。一般fa =（0.20.8）B，B为砂轮宽度。 4.工件运动 工件的旋转或移动，以工件转（移）动线速度表示，记为vw （单位一般为 m/min）。外圆磨削时： (4-2) 式中dw 工件直径（ mm ）； nw 工件转速（ r/min ） 平面磨削时： (4-3) 式中L 磨床工作台的行程长度（ mm）； nr 磨床工作台的每分钟的往复次数。 二、磨削过程 磨削是用分布在砂轮表面上的磨粒通过砂轮和被磨工件的相对运动来进行切削的。每个磨粒可以当作一把微小的切刀，因此可以把砂轮看作是一个刀齿数极多的圆盘铣刀。由于磨粒在砂轮表面上所分布的高度是极不规则的，并且每个磨粒的几何形状又有很大差异，所以每个磨粒的切削层形状又各不相同，其磨粒的切削过程与铣刀的切削过程有很大的不同。   （一）磨屑的形成过程 砂轮表面的磨粒在切入工件时，其作用大致可分为三个阶段。如图 4-2所示。 1.滑擦阶段 磨粒开始与工件接触，切削厚度由零逐渐增大。由于切削厚度较小，而磨粒刀刃的钝圆半径及负前角又很大，磨粒沿工件表面滑行并发生强烈的挤压摩擦，使工件表面材料产生弹性及塑性变形，工件表层产生热应力。 2.刻划阶段 随着切削厚度的增大，磨粒与工件表面的摩擦和挤压作用加剧，磨粒开始切入工件，使工件材料因受挤压而向两侧隆起，在工件表面形成沟纹或划痕。此时除磨粒与工件间相互摩擦外，更主要的是材料内部发生摩擦，工件表层不仅有热应力，而且有由于弹、塑性变形所产生的变形应力。此阶段将影响工件表面粗糙度极表面烧伤、裂纹等缺陷。 3.切削阶段 当切削厚度继续增大至一定值时，磨削温度不断升高，挤压力大于工件材料的强度，使被切材料明显地沿剪切面滑移而形成切屑，并沿磨粒前刀面流出。工件表面也产生热应力和变形应力。磨屑形成动态演示（二）磨粒的切削厚度 为了简化分析，假定磨粒是均匀分布在砂轮圆周表面上，每颗磨粒都是前后对齐的。这样就可以把砂轮当作一把多齿铣刀，单个磨粒的切削厚度就和铣刀的每个刀齿的切削厚度相当，如图 4-3 所示。 外圆磨削时，当砂轮上的磨粒以线速度v从A 点切入工件至B点切出时，工件上B点同时以速度 vw 转至 C点，在这一瞬间，工件上截形成ABC的金属层被磨掉了。 (砂轮径向测量尺寸)为最大切削厚度。假定砂轮圆周上每毫米长度内有 m 颗磨粒，则单个的磨粒平均最大切削厚度为：经数学推导有：(4-4) 式中 v ， vw 分别为砂轮、工件的线速度（ m / s ）； m 砂轮每毫米圆周上的磨粒数（ mm ）； fr 径向进给量（ mm ）； f a 横向进给量（ mm ）； d0 ， dw 分别为砂轮、工件的直径（ mm ）； B 砂轮宽度（ mm ）。 由式（4-4）定性分析可知 1.vw 、 fa 和fr增大时，acgmax 相应增大，生产率提高。但磨削力和磨削热增加，砂轮磨损加剧，且工件表面质量较差。 2.m值增大，则acgmax 减小，所以为了提高工件表面质量，宜选用粒度细的砂轮。 3.v、d0和B增大时，acgmax 减小，工件表面质量将得到提高。 第三节 磨 削力、磨削功率及磨削温度  一、磨削力和磨削功率 （一）磨削力的主要特征及计算 砂轮上单个磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同时对被磨金属层进行挤压、刻划和滑擦，加之磨粒的工作角度又很不合理，因此总的磨削力很大。为便于测量和计算，将总磨削力分解为三个相互垂直的分力 F x (轴向磨削力)、 F y (径向磨削力)、 F z (切向磨削力)，如图4-4所示，和切削力相比，磨削力有如下特征： 1.径向磨削力 F y 最大。这是因为磨粒的刃棱大都以负前角工作，而且刃棱钝化后，形成小的棱面增大了与工件的实际接触面积，从而使 F y 增大。通常 F y =（1.63.2） F z 。 2.轴向磨削力 F x 很小，一般可以不必考虑。 3.磨削力随不同的磨削阶段而变化。在初磨阶段，磨削力由小至大变化较大；进入稳定阶段，工艺系统的弹性变形达到一定程度，此时磨削力较为稳定；光磨阶段实际磨削深度近趋于零，此时磨削力渐小。 磨削力的计算公式如下： （4-5） （4-6） 式中 F z ， F y 分别为切向和径向磨削力（ N ）； v w ， v 分别为工件和砂轮的速度（ m/s ）； f r 径向进给量（ mm ）； B 磨削宽度（ mm ）； 假设磨粒为圆锥时的锥顶半角； C F 切除单位体积的切屑所需的能（ KJ/mm 2 ）； 工件和砂轮间的摩擦系数。 磨削过程很复杂，影响磨削力的因素也很多，上述理论公式的精确度不高。目前一般采用实验方法来测定磨削力的大小。 （二）磨削功率的计算 磨削时，由于砂轮速度很高，功率消耗很大。主运动所消耗的功率定义为磨削功率。其计算公式如下：(kW) （ 4-7 ） 式中 F z 砂轮的切向力（ N ）； v 砂轮的线速度（ mm/s ）。 二、磨削温度 由于磨削的线速度很高，功率消耗较大，所以磨削温度很高。这样高的温度会直接影响工件的精度及表面质量。因此，控制磨削温度是提高工件表面质量和保证加工精度的重要途径。 （二）磨削温度对工件表面质量的影响 磨削工件的表面质量主要表现在表面粗糙度、表面烧伤、表面残余应力和裂纹几个方面，这里重点讨论磨削烧伤问题。 1 磨削烧伤的产生和实质 磨削加工时，磨粒的切削、刻划和滑擦作用，大多数磨粒的副前角切削以及高的磨削速度，使得工件表面层有很高的温度。因此对已淬火的钢件往往会使表面层的金相组织产生变化，从而使表面层的硬度下降，严重的影响了零件的使用性能，同时表面呈现氧化膜颜色，这种现象称