第2章精密磨削加工

1、Precision and ultraprecision machining 金剛石刀具主要是對鋁、銅及其合金等材料進行超精密切削，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，就是利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。一、一、精密和超精密加工分類精密和超精密加工分類精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固結磨料加工游離磨料加工精密研磨精密拋光固結磨具涂覆磨具精密砂輪磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂帶磨削砂帶研磨一、精密和超精密加工分類一、精密和超精密加工分類固結磨料加工固結磨料加工

2、將磨料或微粉與結合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強度，再采用燒結、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。精密和超精密砂輪磨削精密和超精密砂輪磨削精密砂輪磨削：砂輪的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m；超精密砂輪磨削：砂輪的粒度W40W50，得加工精度0.1m， Ra0.0250.008m。精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削精密砂帶磨削：砂帶粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025;超精密砂帶磨削：砂帶粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。一、精密和超精密加工分類一、精密和超精密加工分類游離磨料加工游離磨料加工磨料或微粉不是固結在

3、一起，而是成游離狀態(tài)。傳統(tǒng)方法：研磨和拋光新方法：磁性研磨、彈性發(fā)射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。二、精密和超精密砂輪磨料磨具二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料及其選擇磨料及其選擇普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅剛玉系超硬磨料金剛石天然人造立方氮化硼二、精密和超精密砂輪磨料磨具二、精密和超精密砂輪磨料磨具磨料粒度及其選擇磨料粒度及其選擇多選用180240普通磨料、170/200325/400超硬磨料的磨粒和各種粒度的微粉。結合劑及其選擇結合劑及其選擇將磨料粘合在一起，形成一定的形狀，并有一定的強度。樹脂結合劑、陶瓷結合劑和金屬結合劑組織和濃度及其選擇組織和濃度及其選

4、擇普通磨具中磨料的含量用組織表示，超硬磨具中磨料的含量用濃度表示。成形磨削、溝槽磨削、寬接觸面平面磨削選用高質量濃度；半精磨、精磨選用細粒度、中質量濃度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削選用細粒度、低質量濃度。二、精密和超精密砂輪磨料磨具二、精密和超精密砂輪磨料磨具硬度及其選擇硬度及其選擇普通磨具硬度低表示磨粒易脫落。超硬磨具無硬度項指標。磨具的強度磨具的強度高速回轉時，抵抗因離心力的作用而自身破碎的能力。磨具的形狀和尺寸及其基體材料磨具的形狀和尺寸及其基體材料根據機床規(guī)格和加工情況選擇磨具的形狀和尺寸。基體材料與結合劑有關，金屬結合劑磨具多采用鐵或銅合金；樹脂結合劑磨具采用鋁及合

5、金或電木；陶瓷結合劑磨具多采用陶瓷。三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具分類涂覆磨具分類涂覆磨具工作條件基底材料形狀耐水干磨復合紙棉布化纖布塑料膜盤狀頁狀卷狀環(huán)狀帶狀三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆磨料及粒度涂覆磨料及粒度棕剛玉、白剛玉、鉻剛玉、鋯剛玉黑色碳化硅、綠色碳化硅、氧化鐵、人造金剛石等。涂覆磨料的粒度無論磨粒還是微粉，都用P字粒度號表示。粘接劑粘接劑又稱膠，作用是將砂粒牢固地粘接在基底上。又稱膠，作用是將砂粒牢固地粘接在基底上。動物膠：皮膠、明膠、骨膠等。用于輕切削的干磨動物膠：皮膠、明膠、骨膠等

6、。用于輕切削的干磨和油磨。和油磨。樹脂：醇酸樹脂、胺基樹脂、尿醛樹脂、酚醛樹脂樹脂：醇酸樹脂、胺基樹脂、尿醛樹脂、酚醛樹脂等。用于難磨材料或復雜形面的磨削或拋光。等。用于難磨材料或復雜形面的磨削或拋光。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆方法涂覆方法重力落砂法重力落砂法涂覆法涂覆法靜電植砂法靜電植砂法2.2.1磨削過程及磨削力磨削過程及磨削力（1）磨削過程磨削過程 微刃的微切削作用 微刃的等高切削作用 微刃的滑擠、摩擦、拋光作用 彈性變形的作用（2）精密磨削機理A砂輪架每行程均有進給期間B無火花

7、磨削期間1-砂輪架移動量2工作半徑的減少量（3）磨削力磨削力的主要特征 影響摩削力的因素（4）單個磨粒的切削厚度2.2.2磨削溫度與磨削液磨削溫度與磨削液（1）磨削溫度的基本概念磨削溫度的基本概念 砂輪磨削區(qū)溫度砂輪磨削區(qū)溫度 磨粒磨削點溫度磨粒磨削點溫度2.2.2.1磨削溫度磨削溫度（2）影響磨削溫度的主要因素影響磨削溫度的主要因素2.2.2.2磨削液磨削液（1）磨削液的作用機理 冷卻.潤滑和清洗作用 此外，根據不同要求，還有滲透性.防銹性，防腐性.消泡性.防火性等等（2）磨削液的添加劑油性添加劑擠壓添加劑表面活性劑（3）磨削液的分類與使用非水溶性磨削液：磨削油水溶性磨削液：水溶液和乳化液離

8、子型磨削液2.3.1、精密磨削砂輪選擇、精密磨削砂輪選擇 精密磨削使所用砂輪的選擇以易產生和保持微刃及其等高性為原則。 磨削鋼件及鑄鐵件時，采用剛玉磨料較好，單晶剛玉最好，白剛玉、鉻剛玉應用最普遍。 砂輪的粒度可選擇粗粒度和細粒度兩類。 結合劑選擇樹脂較好，加入石墨填料加強摩擦拋光作用。2.3.2、精密磨削時砂輪的修整、精密磨削時砂輪的修整砂輪修整是精密磨削的關鍵，有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結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程、修整深度、修整次數和光修次數。修整導程（縱向進給量）為1015mm/min，修整深度為2.5m/單行程，精修次數23次，光修次數1次單行程。

9、2.3.3、精密磨床、精密磨床 精密磨削要在精密磨床上進行。精密磨床應滿足的要求： 1、高幾何精度：主要有砂輪主軸回轉精度和導軌平直度，以保證工件的幾何形狀精度要求，主軸軸承一般采用動壓和動靜壓組合軸承。 2、低速進給運動的穩(wěn)定性：要求無爬行和沖擊現象，能平穩(wěn)工作。特殊設計液壓系統(tǒng)，采取排除空氣、低流量節(jié)流閥、工作臺導軌壓力潤滑。 3、減少振動 1）電動機的轉子應進行動平衡，電動機與砂輪架之間進行隔振； 2）砂輪要進行動平衡； 3）精密磨床最好安裝在防振地基上。2.3.4、磨削用量、磨削用量砂輪速度砂輪速度一般在1530m/s一般在612m/min工作速度工作速度工件縱向進給量工件縱向進給量一

10、般為50100mm/min或0.060.5mm/r橫向進給量（吃刀量）橫向進給量（吃刀量）一般取0.62.5m/單行程橫向進給次數橫向進給次數一般約23次（單行程）光磨（無火花磨削）光磨（無火花磨削）粗粒度砂輪精細修整后，光磨次數采用58次細粒度砂輪精細修整后，光磨次數采用1025次。一、超硬磨料砂輪磨削特點一、超硬磨料砂輪磨削特點 1）可用來加工各種高硬度、高脆性金屬材料和非金屬材料，如硬質合金、陶瓷、玻璃、半導體、石材等。立方氮化硼砂輪磨削時，熱穩(wěn)定性好，化學惰性強，不易與鐵素元素產生親和作用和化學反應，加工黑色金屬時，有較高的耐磨性。 2）磨削能力強，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸

11、及實現加工自動化。 3）磨削力小，磨削溫度低，加工表面質量好，無燒傷、裂紋和組織變化。 4）磨削效率高。 5）綜合成本低。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削整形整形對砂輪進行微量切削，使砂輪達到所要求的幾何形狀精度，并使磨料尖端細微破碎，形成鋒利的磨削刃。修銳修銳去除磨粒間的結合劑，使磨粒間有一定的容屑空間，并使磨刃突出于結合劑之外，形成切削刃。二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整車削法車削法用單點、聚晶金剛石筆，修整片等車削金剛石砂輪達到修整目的。磨削法磨削法用普通磨料砂輪或砂塊與超硬磨料砂輪對

12、磨進行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂輪上的樹脂、陶瓷、金屬結合劑，致使超硬磨粒就會脫落。目前最為廣泛采用的修整法。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整軟鋼磨削整形法軟鋼磨削整形法單滾輪法雙滾輪法2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整滾壓擠軋法滾壓擠軋法用碳化硅、剛玉、硬質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行自由對滾，使結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行修銳。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二

13、、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整噴射法噴射法碳化硅和剛玉2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整電加工法電加工法電解修整法電解修整法 利用電化學個腐蝕作用蝕除金屬結合劑，多用于金屬結合劑砂輪的修銳，非金屬結合劑砂輪無效。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整電火花修整法電火花修整法電火花放電加工，適用于各種金屬結合劑砂輪。若在結合劑中加入石墨粉，可用于樹脂、陶瓷結合劑砂輪。既可整形，又可修銳。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削二、超硬磨料砂輪修整二、超硬磨料砂輪修整超聲波振動修整法超聲波振

14、動修整法用受激振動的簧片或超聲波振動頭驅動的幅板作為修整器，并在砂輪和修整器間放入游離磨料撞擊砂輪的結合劑，使超硬磨粒突出結合劑。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削三、超硬磨料砂輪磨床三、超硬磨料砂輪磨床超精密磨削對磨床的要求：1）要求磨床的精度較高，砂輪主軸回轉精度其徑向跳動應0.01mm，端面圓跳動0.005mm。2）比普通磨床剛度提高50左右。3）進給系統(tǒng)精度高、進給速度均勻準確，縱向進給速度最小可達0.3m/min，橫向進給最小可達0.0010.002mm/單行程。4）各運動件和主軸回轉部分、進給運動導軌部分有可靠的密封。5）有比較完善的磨削液處理系統(tǒng)。6）采取相應的防振、隔

15、振措施。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削四、超硬磨料砂輪磨削工藝四、超硬磨料砂輪磨削工藝磨削用量磨削用量磨削速度磨削速度人造金剛石砂輪的磨削速度為1230m/s，立方氮化硼砂輪的磨削速度為4560m/s.磨削深度磨削深度工件速度工件速度一般為1020m/min縱向進給縱向進給速度速度一般在0.451.5m/min磨削深度為0.0020.01mm2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削四、超硬磨料砂輪磨削工藝四、超硬磨料砂輪磨削工藝磨削液磨削液磨削液的作用磨削液的作用磨削液的種類磨削液的種類和組成和組成降低磨削溫度，減少磨削力，改善磨削表面質量，提高磨削效率和砂輪壽命。潤滑、冷卻

16、、清洗性能，尚有滲透性、防銹性、防腐性、防火性、切削性和極壓性等油性液：成分是礦物油，如機油、輕質柴油、煤油，加入脂肪油和添加劑。水溶性液：成分是水，如乳化液、無機鹽水溶液和化學合成液等。金剛石砂輪磨削時常用油性液和水溶性液，立方氮化硼砂輪磨削時用油性液。2.3.5 超硬磨料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削五、超硬磨料砂輪的平衡五、超硬磨料砂輪的平衡靜平衡靜平衡動平衡動平衡 力矩平衡，用于窄砂輪的平衡，是在一個平面上的平衡。（1）機外靜平衡架上平衡（2）機上動態(tài)平衡（3）機外動態(tài)平衡 力偶平衡，用于寬砂輪和多砂輪軸的平衡，是在一個有一定長度的體上進行力偶平衡。 一般在動平衡機上進行。2.3.5 超硬磨

17、料砂輪磨削超硬磨料砂輪磨削2.4.1、超精密磨削和鏡面磨削、超精密磨削和鏡面磨削超精密磨削的加工精度達到或高于0.1m，表面粗糙度低于0.025m，是一種亞微米級的加工方法；對于鋼、鐵材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料是一種重要的加工方法。鏡面磨削加工表面粗糙度達到0.020.01m，屬于精密和超精密磨削范疇。 超精密磨削的特點：1）超精密磨床是超精密磨削的關鍵2）超精密磨削是一種超微量去除加工3）超精密磨削是一個高精度、高穩(wěn)定 性的系統(tǒng)工程2.4.2、超精密磨削機理、超精密磨削機理磨削加工過程磨削加工過程單顆粒磨削1）磨粒是一顆具有彈性支承（結合劑）的和大負前角切削刃的彈性體。2）磨粒切削刃的切入深

18、度是從零開始逐漸增加，到達最大值再逐漸減少，最后到零。3）磨粒磨削時在工件的接觸過程中，開始是彈性區(qū)，繼而塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū)，最后是彈性區(qū)。4）超精密磨削時有微切削作用、塑性流動和彈性破壞作用，同時還有滑擦作用。磨削加工過程磨削加工過程 磨削加工是無數磨粒的連續(xù)磨削。加工的實質是工件被磨削的表層，在無數磨粒瞬間的擠壓，摩擦作用下產生變形，而后轉為磨屑，并形成光潔表面的過程。磨削過程可分為：三個階段，砂輪表面的磨粒與工件材料接觸，發(fā)生彈性變形，磨粒繼續(xù)切入工件（切削深度增加），工件材料進入塑性階段，材料晶粒發(fā)生滑移。塑性變形不斷增大，當力達到工件的強度極限時，被磨削層材料產生擠裂，即進入切削

19、階段，最后被切離。當磨削切入量達到最大值后，逐漸減少，最后到零，同時經歷塑性區(qū)和彈性區(qū)。 2.4.2、超精密磨削機理、超精密磨削機理2.4.3、超精密磨床、超精密磨床超精密磨床的特點超精密磨床的特點 （1）高精度 尺寸精度：正負0.25正負0.5 圓度：0.250.1m 圓柱度：25000：0.255000：1m 表面粗糙度：0.0060.01m （2）高剛度 剛度值一般應在200N/m以上 （3）高穩(wěn)定性 （4）微進給裝置 使砂輪獲得行程為250m，位移精度為0.020.2m，分辨率達 0.010.1m。 （5）計算機數控2.4.3、超精密磨床、超精密磨床超精密磨床的結構超精密磨床的結構 超

20、精密磨床在結構上的發(fā)展趨勢：超精密磨床在結構上的發(fā)展趨勢：（1）主軸軸承由動壓向動靜壓和 靜壓發(fā)展，由液體 靜壓向空氣靜 壓發(fā)展。（2）多采用空氣靜壓導軌，也有 采用精密研磨配制 的鑲鋼滑動導軌。（3）床身、工作臺等逐漸采用穩(wěn) 定性好的天然或人 造花崗巖。（4）整個機床采用對稱結構、密 封結構、淋浴結構 等熱穩(wěn)定性措施。2.4.3、超精密磨床、超精密磨床超精密磨削工藝超精密磨削工藝 砂輪線速度：1860m/min 工件線速度：410m/min 工作臺縱向進給速度;50100mm/min 磨削深度：0.51m 磨削橫進給次數：24次 無火花磨削次數：35次 磨削用量：25m砂帶磨削方式砂帶磨削方

21、式閉式砂帶磨削閉式砂帶磨削開式砂帶磨削開式砂帶磨削采用無接頭或有接頭的環(huán)形砂帶環(huán)形砂帶，通過張緊輪撐緊，由電動機通過接觸輪帶動砂帶高速回轉，工件回轉，砂帶頭架或工作臺縱向及橫向進給運動，從而對工件進行磨削。采用成卷砂帶成卷砂帶，由電動機經減速機構通過卷帶輪帶動砂帶作極緩慢的移動，砂帶繞過接觸輪并以一定的工作壓力與工件被加工表面接觸，工件回轉，砂帶頭架或工作臺縱向及橫向進給，從而對工件進行磨削。砂帶在磨削過程中的連續(xù)緩慢移動，切削切削區(qū)不斷出現新砂粒區(qū)不斷出現新砂粒，磨削質量高且穩(wěn)定，磨削效果好一、砂帶磨削方式、特點和應用一、砂帶磨削方式、特點和應用2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密

22、砂帶磨削閉式砂閉式砂帶磨削帶磨削砂帶磨削分類：按砂帶與工件接觸形式分為接觸輪式、支承板（輪）式、自由浮動接觸式和自由接觸式。按加工表面類型分為外圓、內圓、平面、成形表面等。開式砂開式砂帶磨削帶磨削一、砂帶磨削方式、特點和應用一、砂帶磨削方式、特點和應用砂帶磨削特點砂帶磨削特點1）砂帶與工件是柔性接觸，磨粒載荷小而均勻，砂帶磨削 工件表面質量高，表面粗糙度可達0.050.01m， 又稱“彈性”磨削。2）靜電植砂法是磨粒具有方向性，力、熱作用小，有較好 的切削性，有效地減小了工件變形和表面燒傷。工件的 尺寸精度可達50.5m，平面度可達1m。又有“冷態(tài)” 磨削之稱。3）砂帶磨削效率高，無需修整。4

23、）砂帶制作簡單方便，無燒結、動平衡等問題，價格也便 宜，砂帶磨削設備結構簡單。5）砂帶磨削有廣闊的工藝性和應用范圍、很強的適應性。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削一、砂帶磨削方式、特點和應用一、砂帶磨削方式、特點和應用砂帶磨削特點砂帶磨削特點 砂帶研拋加工：開式砂帶磨削方式，用細粒度砂粒聚酯薄膜基底砂帶。1）接觸輪外緣材料為橡膠、塑料時，加工時的拋光作用強；2）接觸輪外緣材料為鋼鐵、銅、膠木時，加工時的研磨作 用強；3）接觸輪外緣材料為半軟半硬時，加工時研磨、拋光兼有。缺點：缺點：砂帶磨削不能加工窄退刀槽的階梯軸、階梯孔、盲孔、小孔、齒輪等，對形狀和位置精度要求高的也不如

24、精密砂輪磨削。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削二、砂帶磨削機理二、砂帶磨削機理 砂帶磨削時，彈性變形區(qū)的面積較大，使磨粒承受的載荷大大減小，載荷值也較均勻，且有減振作用。砂帶磨削時材料的塑性變形和摩擦力均較砂輪磨削時減小，力和熱的作用降低，工件溫度降低。砂帶粒度均勻、等高性好，磨粒尖刃向上，有方向性，且切削刃間隔長，切屑不易堵塞，有較好的切削性。 砂帶磨削兼有磨削、研磨和拋光的綜合作用，是一種復合加工。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削三、精密砂帶磨床和砂帶頭架三、精密砂帶磨床和砂帶頭架砂帶磨削頭架砂帶磨削頭架閉式磨閉式磨削頭架削頭架組成：接觸輪（或支

25、撐板）、主動輪、張緊輪、張緊機構、調偏機構、電動機、基座等。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削開式磨開式磨削頭架削頭架組成：卷帶輪、接觸輪、砂帶輪、電動機、基座等。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削砂帶振動磨削砂帶振動磨削 開式砂帶磨削和振動疊加的復合加工。1)在開式砂帶磨削時，振動可彌補工件不能高速運動 時效率下降，使加工效率大大提高。2）振動地疊加可以形成復雜而又不重復地磨削軌跡， 形成網狀紋，有利于降低表面粗糙度，得到很低的 粗糙度值加工表面。3）可采用干式磨削，加工表面不易出現劃痕。4）對寬砂帶，沿接觸輪軸向振動可使砂帶不跑偏和 磨損均勻。2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削三、精密砂帶磨床和砂帶頭架三、精密砂帶磨床和砂帶頭架接觸輪接觸輪2.4. 4 精密和超精密砂帶磨削精密和超精密砂帶磨削三、精密砂帶磨床和砂帶頭架三