第三章精密切與超精密磨料加工

1、第三章 精密與超精密磨料加工金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進(jìn)行超精密切削，而對于黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，則主要是應(yīng)用精密和超精密磨料加工。所謂精密和超精密磨料加工，就是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。精密和超精密磨料加工可分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類，如圖所示?！竟探Y(jié)磨料加工：將磨料或微粉與結(jié)合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強(qiáng)度，再采用燒結(jié)、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。游離磨料加工：磨料或微粉不是固結(jié)在一起，而是成游離狀態(tài)。固結(jié)磨具：用磨料(磨削材料)與結(jié)合劑制成的具有一定形狀和一定磨削

2、能力的工具.涂覆磨具：是將磨料用粘接劑均勻地涂敷在紙、布、化纖或其他復(fù)合材料等基底上的磨具。】磨削是利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各種工件的內(nèi)外圓柱面、圓錐面和平面,以及螺紋、齒輪和花鍵等特殊、復(fù)雜的成形表面。 砂輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工件和砂輪的直線運(yùn)動(dòng)來完成，磨削時(shí)需要使用大量的切削液?！灸ハ鞯念愋停浩矫婺ハ鳎毫慵细鞣N位置的平面，如互相平行的平面、互相垂直的平面和傾斜成一定角度的平面（機(jī)床導(dǎo)軌面、V形面等），都可用磨削進(jìn)行加工。磨削后平面的表面粗糙度的Ra值在0.20.8之間，尺寸可達(dá)IT5IT6，對基面的平行度可達(dá)0.005001mm500mm。

3、周邊磨削特點(diǎn)是砂輪與工件接觸面小，磨削力小，排屑和冷卻條件好，工件的熱變形小，而且砂輪磨損均勻，所以工件的加工精度高。但是砂輪主軸懸臂工作，限制了磨削用量的選擇，生產(chǎn)率較低。端面磨削特點(diǎn)是砂輪與工件接觸面大，主軸軸向受力，剛性較好，所以允許采用較大的磨削用量，生產(chǎn)率較高。但是端面磨削磨削力大，發(fā)熱量大，排屑和冷卻條件較差，工件的熱變形較大，而且砂輪磨損不均勻，所以工件的加工精度較低。外圓磨削：主要在外圓磨床上進(jìn)行，用以磨削軸類工件的外圓柱、外圓錐和軸肩端面，通常作為半精車后的精加工。 1、縱磨法 磨削時(shí)，工件作圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨工作臺作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使砂輪能磨出全部表面。每一縱向行程或往復(fù)行

4、程結(jié)束后，砂輪作一次橫向進(jìn)給，把磨削余量逐漸磨去 ?？梢阅ハ骱荛L的表面，磨削質(zhì)量好。特別在單件、小批生產(chǎn)以及精磨時(shí)，一般都采用縱磨法。2、橫磨法（切入磨法） 采用橫磨法，工件無縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。采用一個(gè)比需要磨削的表面還要寬一些（或與磨削表面一樣寬）的砂輪以很慢的送給速度向工件橫向進(jìn)給，直到磨掉全部加工余量。橫磨法主要用于磨削長度較短的外圓表面以及兩邊都有臺階的軸徑。3、深磨法 特點(diǎn)是全部磨削余量（直徑上一般為0.20.6mm）在一次縱走刀中磨去。磨削時(shí)工件圓周進(jìn)給速度和縱向送給速度都很慢，砂輪前端修整成階梯形或錐形。深磨法的生產(chǎn)率約比縱磨法高一倍，能達(dá)到IT6級，表面粗糙度的Ra值在0.40.8

5、之間。但修整砂輪較復(fù)雜，只適于大批、大量生產(chǎn)，磨削允許砂輪越出被加工面兩端較大距離的工件。 4、無心外圓磨削法 工件放在磨削砂輪和導(dǎo)輪之間，下方有一托板。磨削砂輪（也稱為工作砂輪）旋轉(zhuǎn)起切削作用，導(dǎo)輪是磨粒極細(xì)的橡膠結(jié)合劑砂輪。工件與導(dǎo)輪之間的摩擦力較大，從而使工件以接近于導(dǎo)輪的線速度回轉(zhuǎn)。無心外圓磨削在無心外圓磨床上進(jìn)行。無心外圓磨床生產(chǎn)率很高，但調(diào)整復(fù)雜；不能校正套類零件孔與外圓的同軸度誤差；不能磨削具有較長軸向溝槽的零件，以防外圓產(chǎn)生較大的圓度誤差。因此，無心外圓磨削多用于細(xì)長光軸、軸銷和小套等零件的大批、大量生產(chǎn)。內(nèi)圓磨削: 內(nèi)圓磨削除了在普通內(nèi)圓磨床或萬能外圓磨床上進(jìn)行外，對大型薄壁

6、零件，還可采用無心內(nèi)圓磨削；對重量大、形狀不對稱的零件，可采用行星式內(nèi)圓磨削，此時(shí)工件外圓應(yīng)先經(jīng)過精加工。內(nèi)圓磨削由于砂輪軸剛性差，一般都采用縱磨法。只有孔徑較大，磨削長度較短的特殊情況下，內(nèi)圓磨削才采用橫磨法。與磨外圓磨削相比，內(nèi)圓磨削有以下一些特點(diǎn)：(1)磨內(nèi)圓時(shí)，受工件孔徑的限制，只能采用較小直徑的砂輪。內(nèi)圓磨削砂輪需要經(jīng)常修整和更換，同時(shí)也降低了生產(chǎn)率。(2)砂輪線速度低，工件表面就磨不光，而且限制了進(jìn)給量，使磨削生產(chǎn)率降低。(3)內(nèi)圓磨削時(shí)砂輪軸細(xì)而長，剛性很差，容易振動(dòng)。因此只能采用很小的切入量，既降低了生產(chǎn)率，也使磨出孔的質(zhì)量不高。(4)內(nèi)圓磨削砂輪與工件接觸面積大，發(fā)熱多，而切

7、削液又很難直接澆注到磨削區(qū)域，故磨削溫度高。（5）內(nèi)圓磨削的條件比外圓磨削差，所以磨削用量要選得小些，另外應(yīng)該選用較軟的、粒度號小的、組織較疏松的砂輪，并注意改進(jìn)操作方法。無心磨削:一般在無心磨床上進(jìn)行，用以磨削工件外圓。磨削時(shí)，工件不用頂尖定心和支承，而是放在砂輪與導(dǎo)輪之間，由其下方的托板支承，并由導(dǎo)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)導(dǎo)輪軸線與砂輪軸線調(diào)整成斜交16時(shí)，工件能邊旋轉(zhuǎn)邊自動(dòng)沿軸向作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這稱為貫穿磨削。貫穿磨削只能用于磨削外圓柱面。采用切入式無心磨削時(shí)，須把導(dǎo)輪軸線與砂輪軸線調(diào)整成互相平行，使工件支承在托板上不作軸向移動(dòng)，砂輪相對導(dǎo)輪連續(xù)作橫向進(jìn)給。切入式無心磨削可加工成形面。無心磨削也可

8、用于內(nèi)圓磨削，加工時(shí)工件外圓支承在滾輪或支承塊上定心，并用偏心電磁吸力環(huán)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，砂輪伸入孔內(nèi)進(jìn)行磨削，此時(shí)外圓作為定位基準(zhǔn)，可保證內(nèi)圓與外圓同心。無心內(nèi)圓磨削常用于在軸承環(huán)專用磨床上磨削軸承環(huán)內(nèi)溝道?！可拜喪怯赡チ霞咏Y(jié)合劑用燒結(jié)的方法而制成的多孔物體。其中磨料承擔(dān)切削任務(wù)，具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性和韌性，并有較鋒利的棱角；結(jié)合劑的作用是將磨粒粘合在一起，使砂輪具有必要的形狀和強(qiáng)度；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?！旧拜喎N類繁多。按所用磨料可分為普通磨料（剛玉和碳化硅等）砂輪和天然磨料和超硬磨料（金剛石和立方氮化硼砂輪等）砂輪； 按形狀可分為平形砂輪、斜邊砂輪

9、、筒形砂輪、杯形砂輪、碟形砂輪等；按結(jié)合劑可分為陶瓷砂輪、樹脂砂輪、橡膠砂輪、金屬砂輪等。砂輪的特性參數(shù)主要有磨料、粘度、硬度、結(jié)合劑、形狀、尺寸等?！俊灸ハ鞯奶攸c(diǎn)：1）砂輪是由磨料和結(jié)合劑結(jié)合而成的特殊多刃磨具，砂輪表面每平方厘米上約有601400顆磨料，每顆磨粒相當(dāng)于一個(gè)刀齒。不但可磨削銅等軟材料，還可加工淬火鋼、硬質(zhì)合金等硬材料以及超硬材料。2）砂輪線速度一般35m/s左右，磨削時(shí)除了對工件表面有切削作用外，還有強(qiáng)烈的擠壓和摩擦作用，在磨削區(qū)瞬時(shí)溫度高達(dá)1000以上。3）砂輪經(jīng)修正，可形成極細(xì)微的刃口以切除工件表面極薄的金屬層。4）磨削加工能獲得極高的加工精度和極細(xì)的表面粗糙度，磨削通常

10、可達(dá)到Ra 1.250.16m，鏡面磨削粗糙度Ra0.01m光滑表面。5）砂輪在磨削時(shí)，部分磨鈍的磨粒在一定條件下能自動(dòng)脫落或崩碎，從而使砂輪保持良好的磨削性能?！康谝还?jié) 精密磨削精密磨削是指加工精度為10.1m、表面粗糙度達(dá)到Ra0.20.01m的磨削方法，表面粗糙度達(dá)到0.01m以下，表面光澤如鏡的磨削方法，稱為鏡面磨削。一、精密磨削機(jī)理 微刃的微切削作用在精密磨削中，通過較小的修整導(dǎo)程和修整深度來精細(xì)地修整砂輪，使磨粒具有較好的微刃性（即磨粒產(chǎn)生微細(xì)的破碎，而且形成細(xì)而多的切削刃）。這種砂輪磨削時(shí)，同時(shí)參加切削的刃口增多，深度減小，微刃的微切削作用形成了小粗糙度值的表面。 微刃的等高切削

11、作用微刃是由砂輪的精細(xì)修整形成的，分布在砂輪表層的同一深度上的微刃數(shù)量多，等高性好（即細(xì)而多的切削刃具有平坦的表面），使得加工表面的殘留高度極小，因而形成了小的表面粗糙度值。 微刃的滑擠、摩擦、拋光作用砂輪修整后出現(xiàn)的微刃切削開始比較銳利，切削作用強(qiáng)，隨著磨削時(shí)間的增加微刃逐漸鈍化，同時(shí)等高性得到改善。這時(shí)切削作用減弱，滑擦、擠壓、拋光作用增強(qiáng)。磨削區(qū)的高溫使金屬軟化，鈍化微刃的滑擦和擠壓將工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度值。在同樣的磨削壓力下，單個(gè)微刃受的比壓小，刻劃深度小。二、磨削用量三、精密磨削砂輪影響砂輪性能的因素主要是砂輪的磨料、砂輪的粒度和砂輪的結(jié)合劑。 1、砂輪磨料【砂輪磨料:

12、有天然磨料、人造磨料兩種。天然磨料由于價(jià)格昂貴、含雜質(zhì)多、性質(zhì)不均勻，因此，主要用人造磨料做砂輪。生產(chǎn)中使用的磨料有氧化物（剛玉類）系、碳化物系和超硬磨料。氧化物系（剛玉類）磨料：比碳化物系磨料強(qiáng)度、韌性好，但硬度差。因此，用于磨削各種鋼類工件；碳化物系磨料：用于磨削鑄鐵類、黃銅、軟青銅、鋁及硬質(zhì)合金等硬脆工件。金剛石是最硬的磨料，適于加工硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、陶瓷等硬質(zhì)材料。但不宜加工鐵族金屬，因?yàn)樗cFe在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性差，易磨損。立方氮化硼（CBN）硬度僅次于金剛石，但抗熱沖擊性、抗彎強(qiáng)度比金剛石好得多，可用于磨削高硬度高強(qiáng)度鋼等材料。立方氮化硼易與水反應(yīng)，生成氨和硼酸，故在磨削時(shí)不易用

13、含水的磨削液】精密磨削所用砂輪的選擇以易產(chǎn)生和保持微刃及其等高性為原則。磨削鋼件及鑄鐵件時(shí)，采用剛玉磨料較好，因?yàn)閯傆衲チ享g性較高，能保持微刃性和等高性。在剛玉磨料中，單晶剛玉最好，白剛玉、鉻剛玉應(yīng)用最普遍。而碳化硅磨料韌性差，顆粒呈針片狀，修整時(shí)難以形成等高性好的微刃，磨削時(shí)，微刃易產(chǎn)生細(xì)微碎裂，不易保持微刃性和等高性，主要應(yīng)用于有色金屬加工。2、砂輪粒度【粒度：粒度是指磨料顆粒尺寸的大小。粒度分為磨粒和微粉兩類。對于顆粒尺寸大于40m的磨料，稱為磨粒。用篩選法分級，粒度號以磨粒通過的篩網(wǎng)上每英寸長度內(nèi)的孔眼數(shù)來表示。如60 #的磨粒表示其大小剛好能通過每英寸長度上有60孔眼的篩網(wǎng)。對于顆粒

14、尺寸小于40m的磨料，稱為微粉。用顯微測量法分級，用W和后面的數(shù)字表示粒度號，其W后的數(shù)值代表微粉最大尺寸。如W20表示微粉的磨粒的直徑在2014um。磨粒粒度號越大越細(xì)，微粉粒度號越小越細(xì)。加工表面粗糙度值越大 選用越粗的磨料；加工表面粗糙度值越小選用越細(xì)的磨料；砂輪速度高或與工件接觸面大時(shí)用粗磨料；磨軟材料用粗磨料，磨硬材料用細(xì)磨料】砂輪的粒度可選擇粗粒度和細(xì)粒度兩類。粗粒度砂輪經(jīng)過精細(xì)修整形成微刃，以微切削作用為主；細(xì)粒度砂輪經(jīng)過精細(xì)修整形成半鈍態(tài)微刃，與工件表面的摩擦拋光作用比較顯著，可得到質(zhì)量更高的加工表面和砂輪耐用度。3、砂輪結(jié)合劑將磨料粘合在一起，形成一定的形狀，并有一定的強(qiáng)度。

15、有樹脂結(jié)合劑（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。用于磨窄槽,切斷用砂輪,高速砂輪,鏡面磨砂輪）、陶瓷結(jié)合劑（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，有宜用于切斷砂輪。除薄片砂輪外,能制成各種砂輪）和金屬結(jié)合劑（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。）三種，以樹脂類應(yīng)用廣泛。對粗粒度砂輪，可用陶瓷結(jié)合劑。金屬類、陶瓷類結(jié)合劑是目前超精密加工領(lǐng)域中研究的重要方面。四、

16、精密磨削中的砂輪修整砂輪使用一段時(shí)間后會出現(xiàn)磨損，使磨削溫度升高，磨削力增大，甚至引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪音，加工質(zhì)量惡化等。為此，對砂輪應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修整。砂輪耐用度：砂輪相鄰兩次修整間的磨削時(shí)間，用T表示。對于精加工，也可用相鄰兩次修整間磨削加工工件數(shù)作為砂輪耐用度。砂輪修整是精密磨削的關(guān)鍵，有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結(jié)型修整器修整和金剛石超聲波修整等。砂輪的修整用量有修整導(dǎo)程、修整深度、修整次數(shù)和光修次數(shù)。修整導(dǎo)程（縱向進(jìn)給量）為1015mm/min，修整深度為2.5m/單行程；修整導(dǎo)程（縱向進(jìn)給）和修整深度越小，工件表面粗糙度值越低。但修整導(dǎo)程過小，容易燒傷工件，產(chǎn)生螺旋形等缺陷。修整深度一般

17、為0.05mm即可恢復(fù)砂輪的切削性能。精修次數(shù)23次，光修次數(shù)1次單行程。光修為無修整深度修整，一般為1次單行程，主要是為了去除砂輪表面?zhèn)€別突出微刃，使砂輪表面更加平整。五、超精密磨削超精密磨削是指加工精度在0.1m以下，表面粗糙度在Ra0.025m以下的砂輪磨削方法。這時(shí)磨粒去除切屑極薄，磨粒將承受很高的應(yīng)力，其切削刃表面受到高溫高壓作用。對于普通材料的磨粒，在這種高剪應(yīng)力作用下，磨粒很快磨損或崩裂，以隨機(jī)的方式不斷形成新的切削刃，雖然使連續(xù)磨削成為可能，但不易獲得較低表面粗糙度的表面。因此要采用人造金剛石、立方氮化硼等高硬度磨料砂輪。鏡面磨削是屬于精密磨削和超精密磨削范疇的加工，是指加工表

18、面粗糙度達(dá)到Ra0.020.01m、表面光澤如鏡的磨削方法。超精密磨削的機(jī)理正在探討中，它于普通磨削的不同主要是切削深度極小，是超微量切除，除微量切削作用外，可能還有塑性流動(dòng)和彈性破壞等作用。六、超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削主要是指用金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪加工硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料及石材等高硬度、高脆性材料。【金剛石微粉砂輪磨削主要是基于微切削作用的微量去除來達(dá)到低表面粗糙度值，是一種采用固結(jié)微粉磨料進(jìn)行精密加工的新方法。金剛石微粉砂輪在磨削時(shí)，其主要機(jī)理是微切削，磨粒具有很大的負(fù)前角和較大的切削刃鈍圓半徑，一般前角可達(dá)0=-45o，切削刃鈍圓半徑可達(dá)rn=100m，因此，在

19、切削過程中有磨屑形成、耕犁(隆起)，滑擦(滑動(dòng)和摩擦)等現(xiàn)象。】超硬磨料砂輪磨削的特點(diǎn)為：1）可用來加工各種高硬度、高脆性金屬材料和非金屬材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體、石材等。立方氮化硼砂輪磨削時(shí)，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性強(qiáng)，不易與鐵素元素產(chǎn)生親和作用和化學(xué)反應(yīng)，加工黑色金屬時(shí)，有較高的耐磨性。 2）磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。 3）磨削力小，磨削溫度低，加工表面質(zhì)量好，無燒傷、裂紋和組織變化。金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金時(shí)，其磨削力只有綠色碳化硅砂輪的1/41/5。 4）磨削效率高。這是由于超硬磨料有鋒利的刃口，耐磨性高，因此有較高切除率和磨削比。但超硬磨

20、料砂輪有難度較大的修整問題。5）綜合成本低。雖然金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪比較昂貴，但其壽命長，加工效率高，工時(shí)少，綜合成本低。1、超硬磨料砂輪磨削工藝2、超硬磨料砂輪修整修整是整形和修銳的總稱。整形是對砂輪進(jìn)行微量切削，使砂輪達(dá)到所要求的幾何形狀精度，并使磨料尖端細(xì)微破碎，形成鋒利的磨削刃。修銳是去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒間有一定的容屑空間，并使磨刃突出于結(jié)合劑之外，形成切削刃。普通砂輪的整形和修銳一本是合二為一進(jìn)行的，而超硬磨料砂輪的整形和修銳則是分為前后兩步進(jìn)行。這是因?yàn)檎魏托掬J的目的和要求不同所致，即整形是為了獲得理想的砂輪幾何形狀，修銳是為了提高磨削性能。超硬磨料砂輪修整的方法很多

21、，可歸納為以下幾類：（1）車削法用單點(diǎn)、聚晶金剛石筆，修整片等車削金剛石砂輪達(dá)到修整目的。（2）磨削法用普通磨料砂輪或砂塊與超硬磨料砂輪對磨進(jìn)行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂輪上的樹脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑，致使超硬磨粒就會脫落。目前最為廣泛采用的修整法。（3）軟鋼磨削整形法低碳鋼磨削整形：低碳鋼磨削整形的特點(diǎn)是修整效率及修整精度較低、 磨粒脫落較多、 整形質(zhì)量不穩(wěn)定。（4）滾壓擠軋法用碳化硅、剛玉、硬質(zhì)合金或鋼鐵等制成修整輪，與超硬磨料砂輪在一定壓力下進(jìn)行自由對滾，使結(jié)合劑破裂形成容屑空間，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、剛玉等游離磨料，依靠游離磨料擠軋作用進(jìn)行修銳。特點(diǎn)用該法修銳樹脂結(jié)合劑 砂輪時(shí) ,初始磨損較大 ,磨削比較低。（5）噴射法利用高壓液體和磨粒的運(yùn)動(dòng)達(dá)到去除砂輪表面結(jié)合劑的目的。是一種高效修銳方法 ,可在短時(shí)間內(nèi)獲得滿意的修銳效果。配合金剛石滾輪整形可減少金剛石滾輪的磨損。（6）電加工法（7）電解修整法利用電化學(xué)個(gè)腐蝕作用蝕除金屬結(jié)合劑，多用于金屬結(jié)合劑砂輪的修銳，非金屬結(jié)合劑砂輪無效?！綞LID磨削：使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪