《精密磨削加》PPT课件.ppt

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1、第二章 精密磨削加工,磨削用磨料、磨具（砂轮、砂带、油石或研磨料等）作为工具对工件表面进行加工,磨削：精加工工艺（半精加工）,2-1 概述一、磨削加工特点高硬度：淬火钢、硬质合金、陶瓷、玻璃等非金属，但不能加工塑性好的有色合金高质量：0.以下0.0（0.020.01镜面磨削），以上（1）磨粒上锋利的微切削刃，能够切下一层很薄的金属，切削厚度可以小到数微米；（2）磨床有较高的精度和刚度，并有实现微量进给机构，可以实现微量切削；（3）磨削的切削速度高，因此，磨削时有很多切削刃同时参与切削，每个磨刃只切下极细薄的金属，残留面积的高度小，有利于形成光洁的表面；,高温：磨削热90左右传给工件、烧伤、微裂

2、纹大量切削液径向分力最大：振动变形等。光磨自锐性：磨削过程中，磨粒的破碎将产生新的锋利的切削刃、同时磨粒的脱离使新的锋利的磨粒投入切削，从而使得砂轮的切削性能得到部分恢复。合理利用自锐性游离磨料加工一样会有这个问题加工各种表面：平面、内外圆面、成型面机床总数的3040,分类,砂 轮,内圆磨砂轮,超硬磨料砂轮,平形金刚石砂轮,超硬磨料砂轮,碗形金刚石砂轮 碟形金刚石砂轮磨削各种刀具,砂条,油石,二、精密磨削加工分类,1、固结磨料加工烧结、粘结、涂敷砂轮、砂带、油石、砂条等固结磨具精密磨削60200目精度10.1m，Ra0.1以下 超精密磨削：W40（400目）W5 0.1m，Ra0.025磨料：

3、CBN、金刚石、SiC、Al2O3等,磨料,分类：天然磨料、人造磨料。,天然磨料由于价格昂贵、含杂质多、性质不均匀，因此，主要用人造磨料做砂轮。,生产中使用的磨料有氧化物（刚玉类）系、碳化物系和超硬磨料,氧化物系（刚玉类）磨料：比碳化物系磨料韧性好，但硬度差。因此，用于磨削各种钢类工件,碳化物系磨料：用于磨削铸铁类、黄铜、青铜（脆性材料）、铝及硬质合金等硬脆工件,金刚石是最硬的磨料，高弹性模量，导热系数大、摩擦系数小，适于加工硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬质材料。但不宜加工铁族金属，因为它与Fe在高温下化学稳定性差，易磨损。单晶金刚石刀具不宜加工硬脆材料。,细金刚石,超硬磨料,美耐皿,立方氮化硼

4、（CBN）硬度仅次于金刚石，但抗热冲击性、抗弯强度比金刚石好得多，可用于磨削高硬度高强度钢等材料。立方氮化硼易与水反应，生成氨和硼酸，故在磨削时不易用含水的磨削液。,超硬磨料加工的特点：高硬度：耐用度高：易保证加工的质量，修整次数少磨削效率高磨削力小、磨削温度低：应力裂纹烧伤少加工综合成本低加工：陶瓷、硬质合金、玻璃、宝石,（2）磨料粒度及其选择：选择依据：加工质量，生产率等粗磨料粒度用筛分法测量，分27级F4-F220微粉磨料粒度分为F系列和J系列F 230-F1200(F2000)J系列磨粉：#240-#3000（#8000）超硬磨料：F320-F240到F2000-F1200,（3）结合

5、剂：树脂B、陶瓷V、金属M、橡胶R影响砂轮硬度、自锐性、化学稳定性、修整方法等,（4）组织浓度及其选择：普通砂轮用组织表示磨料的含量 紧密、中等、疏松三个级别 0-3 4-7 8-12 13个小级别超硬磨料的磨具用浓度表示磨料的含量：每1cm3体积内超硬磨料的数量,金刚石磨粒浓度：砂轮磨料层中单位体积内，金刚石磨料的含量。浓度有25，50，75，100和150五种。其含义为超硬磨料的体积占25%时，浓度为100%；浓度25：指单位磨料层体积内含人造金刚石磨粒1.1克拉（1克拉=0.2克），每增加25即增加1.1克拉磨料。浓度与磨削效率和磨削成本有很大关系。浓度越高，砂轮的耐磨性和磨削效率越高，

6、但成本增加。,金刚石磨料磨具树脂粘结剂，常用浓度50-75%陶瓷粘结剂，常用浓度75-100%青铜粘结剂，常用浓度100-150%电镀的质量浓度150-200%,CBN磨料磨具树脂粘结剂，常用浓度100%陶瓷粘结剂，常用浓度100-150%,成型磨削、沟槽、宽接触面平面磨削：浓度高减少磨具变形半精磨削：中等浓度精加工：低浓度防磨具表面堵塞、发热,（5）硬度及其选择：超硬磨料磨具硬度高，无硬度指标软中硬7个级别精密磨削、成型磨削：硬磨具镜面磨削：软磨具材料硬度高：软磨具工件导热性差：软磨具有色合金等软工件材料：软磨具，防止堵塞内圆、平面磨削，要比外圆磨削用磨具硬度低接触面积大用软磨具细粒度的磨具

7、要硬度低，防堵塞,（6）磨具强度 磨具抵抗离心力作用而自身破碎的能力。限制最高线速度。金刚石砂轮具有超高的切削速度，可以达到100300m/s（7）磨具的基体材料金属粘结剂用铁、铜合金；树脂粘结剂磨具用铝合金、电木陶瓷粘结剂磨具用陶瓷,树脂粘结剂的金刚石砂轮，铝合金基体,超硬磨料砂轮(1)人造金刚石砂轮：由磨料层、过渡层和基体三部分组成。磨料层：由人造金刚石磨粒和结合剂组成，其厚度1.55mm；过渡层：仅是一层结合剂，是将磨料层与基体连接起来，同时能充分利用磨料层而不会磨损基体；基体：是砂轮的主体，基体形状不同，可得到不同型式的砂轮。通常基体用铝、铜或钢制成。,2.精密和超精密涂覆磨具,涂覆磨

8、具是将磨料用粘结剂均匀涂覆在纸、布或其他复合材料基底上。常用涂覆磨具有：砂纸、砂布、砂带、砂盘等,砂盘机,砂纸、砂带、砂盘、砂布套等磨料：刚玉、SiC、氧化铁、金刚石粒度较细：一般用于精密和超精密加工粘结剂：底胶、粘结剂、覆胶,动物胶：皮胶、骨胶、明胶，易吸潮，价低，用于干磨，油磨树脂：耐热、耐水、耐湿，用于难磨材料，型面的磨削、抛光高分子化合物（如聚醋酸乙烯脂），用于精密磨削，性能好、成本高,钢纸磨片以钢纸为基体，用合成树脂将磨料固结在基体上而制成的片状磨具。适用范围：钢纸磨片可对金属材料制成的各种复杂型面进行除漆、除锈、除毛刺、磨焊缝等粗加工，广泛应用于制船、航空、机车、桥梁等行业。,砂纸

9、套,涂覆方法,涂覆方法重力落砂法-一般砂纸涂覆法-精密磨削用静电植砂法,砂粒的大头朝里，小头尖头朝外,高压发生器最高6万伏和12万伏直流的能力，只能生产500m以下的碳化硅砂粒和250m以下的棕刚玉砂粒。比500m更粗的砂布砂纸一般都由重力植砂工艺生产。,2-2 普通磨料砂轮的精密磨削,精密磨削：加工精度10.1m，Ra0.20.025m的磨削工艺。一般用氧化铝和碳化硅砂轮。,2-2 普通磨料砂轮的精密磨削,一、精密磨床1.精密磨床的特点高的几何精度砂轮主轴的回转精度（径向跳动1m，精密机床0.1）、导轨直线度液体静压轴承刚性差整体多油楔式动压轴承、动静压组合轴承刚性好，速度高(磨削速度高，适

10、合采用动压轴承)，多用短三块或长三块瓦油膜轴承、动、静压轴承砂轮轴承是三块瓦式油膜轴承,静压滑动轴承在高速旋转的情况下负载突然增大时易磨损，高速会造成冲击,启动和停止时的干摩擦和主轴的磨损；,靠液体润滑剂动压力形成的液膜隔开两摩擦表面并承受载荷的滑动轴承。液体润滑剂是被两摩擦面的相对运动带入两摩擦面之间的。,产生液体动压力的条件是：两摩擦面有足够的相对运动速度；润滑剂有适当的粘度；两表面间的间隙是收敛的,固定瓦：有阿基米德曲线油槽(图1(a)，有偏心圆弧曲线油槽(图1(b)，活动瓦块挠支点B摆动能自动调整间隙，形成油楔(图1(c),液体动静压轴承通过动力润滑挤压效应和多腔对置结构增加了主轴刚度

11、；高压油膜的均化作用和良好的抗振性能保证主轴具有很高的旋转精度和运转平衡性。,动静压轴承：综合了动压和静压轴承的优点、克服了其缺点。没有了动压轴承启动和停止时的干摩擦和主轴的磨损；比静压轴承的承载能力高。主轴和轴承的使用寿命高、精度保持性好；动静压组合提高了刚度；,低速进给运动：砂轮修整要求很小的进给砂轮外圆的形状会复制到工件表面,1015mm/min 纵向进给量要小0.01mm/r,减振、隔振性：电机、砂轮、地基减少热变形：内热源（如摩擦等）造成机床变形工件与砂轮的位置变化。恒温200.5，预运行4h到热平衡外热源造成工件、砂轮变形大量磨削液微量进给装置250 m，分辨率0.1 m以下，位移

12、精度0.2m以下,2.精密磨床的结构类似 精密切削加工机床高速高精度的磨床主轴、导轨与微进给机构，精密的磨具及其平衡与修整技术，磨削环境的净化温度、洁净度、湿度、振动冷却方式等,1）.微量进给机构：压电、电致伸缩传感器刚度高、自振频率高500Hz（响应快）。,2）.机床的稳定性和减振稳定性要求：各部件尺寸稳定性：材料的热膨胀系数小（陶瓷、花岗岩、铸铁等），且组织稳定热处理结构刚性好、变形小：截面厚大、加筋减振：运动件的动平衡、机床的减振性、单独地基、空气隔振垫等,震源：高速运动的部件（电机、主轴）电机、主轴的偏心轴承的振荡滚珠丝杆和螺母的不同心导轨运动部件直线运动速度的变化工件的偏心,提高抗振

13、性：很大的床身以降低它的自振频率、床身6.4*4.6*1.5的巨大花岗岩使用振动衰减能力强的材料做作构件人造花岗岩花天然岗岩铸铁钢床身钢焊接结构，中间用人造花岗岩填充，减振性很好,隔离振源隔振沟、隔振墙（中空）、空气隔振垫空压机（空气轴承用）、泵（冷却水、油）移走水泵（提供恒温水）不直接供水，而是打入水箱，靠水的自重流动地基足够深、周围隔振沟、沟内使用吸振材料地基隔振弹簧（隔振频率不够低、少用）,减振垫,3）.减少热变形和恒温控制如100mm的铝件，温度变化1，产生长度变化2.25m，而精密加工的精度要求可以达到0.1 m，所以要求温度变化很小。减少热变形的措施减少热源：空气轴承代液体静压轴承

14、、电动机、步进电机、激光器放在床身的外侧，减少电动机发热量的影响。膨胀系数小的材料：铟钢、合金铸铁、陶瓷、花岗岩、系数接近零的微晶玻璃机床结构有利于减少变形对称结构机床预运行，调整到热平衡；附加热源，在不工作时，释放热量，保持恒定温度。大量恒温液体喷淋（150L/min)、恒温室,主轴的传动方式：带传动柔性联轴器内装电机导轨的结构滚动导轨液体静压导轨空气静压导轨气浮导轨,二、精密磨削过程及磨削力.磨削过程：,弹性变形 二边凸起 形成飞边 形成切屑凸起和飞边等于增加了其他磨粒的切削深度，由其他磨粒将凸起切除,弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件 塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，

15、工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生 切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出 具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有,图3-14 磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图,磨削过程的实质是切削、刻划和摩擦抛光的综合作用可以获得较小的表面粗糙度值。粗磨以切削作用为主，精磨时切削作用和摩擦抛光作用同时并存。,磨屑的形态,磨粒顶锥角80 145，前角很负，切削力大刃口圆弧半径nn*10微米，磨损后，增加表面10磨粒参与切削，切削深度在某一范围,磨损后：前角更负刃口圆弧半径增加,磨粒的形状,2.磨削力磨削过程中，磨粒的几何形状、刃口半径大小、磨削参数影响磨削力。（1）

16、与切削刀具切削力相比有如下特点：单位切削力大，根据不同磨削情况，单位磨削力在 70200 GPa 之间，而其他切削时，单位切削力都在 7 GPa 以下；三个分力中，磨削最大分力为径向力（切深力）Fy，大的径向力影响系统振动，从而使磨削质量下降。Fy：Fz 2.02.5,（2）磨削力 的影响因素 砂轮速度，磨削力（进给量、切深不变，更多的磨粒切削，单个磨粒切削材料量减少（单位时间总的切削层面积不变），工件变形小，冷作硬化小，变形抗力增加小，磨削力小进给量增加（轴向、圆周、径向），磨削力 砂轮磨损:前角更负、刃口半径增加磨削力，磨削时间，磨削力，Fy增加最快,（3）.单个磨粒的切削厚度,A点移动到

17、B点，工件C点进给到B点；ABC层金属被切除，磨去的最大厚度为BD，参加切削的磨粒数AB*m；单个磨粒的最大切削厚度为,Fr径向进给量,单粒最大切削厚度、工件速度、轴向进给量、砂轮速度、每毫米砂轮上的磨粒数、砂轮宽度、径向进给量、砂轮直径、工件直径公式前提：磨粒分布均匀，定量计算不准，定性分析影响因素单粒切削厚度增加，作用在磨粒上的切削力增加，加工质量下降，磨料磨损增加。,平面及外圆磨削时，考虑轴线进给量fa及砂轮宽度B的影响，单粒最大切削厚度的计算公式分别为,平面磨削,外圆磨削,三、磨削温度与磨削液,.磨削温度：,在磨削过程中，由于磨粒对工件产生强烈的挤压和摩擦，使工件材料经受剧烈地变形，产

18、生大量的热量，磨削区温度很高。速度高，切除单位金属消耗的功大（车削的1030倍）磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。,磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。用A表示,磨削温度,磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。磨削点的瞬间温度远远高于磨削区温度。不但影响表面质量，也影响磨粒磨损和磨屑粘着现象。用dot表示,工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。用w表示,图345 砂轮

19、磨削区温度和磨粒磨削点温度,影响磨削温度的因素砂轮速度，单个磨粒磨削厚度，碾压严重，切除比例减小，磨削温度工件速度，单位时间内发出的热量，同时受热面积，温度变化小（工件速度，同时减小径向进给量，保持切削层面积不变，可以降低磨削温度）径向进给量（受热面积没有变），温度工件材料：导热差，温度高。导热性不同A淬火M回火MP A砂轮硬度：软、磨粒锋利，温度低；磨粒 粗，碾压轻、接触少、温度低；磨粒形状（棱角锋利程度）等,三、磨削温度与磨削液,2.磨削液（1）作用磨削温度；减小摩擦，降低磨削力、加工质量、砂轮寿命、砂轮速度性能要求：润滑、冷却、清洗、防锈,冷却作用：流量、流速、热参数、温度等润滑：干摩擦

20、无磨削液流体润滑摩擦：有切削液边界润滑摩擦：压力大、润滑膜大部分破坏磨削液渗透、吸附边界润滑摩擦添加剂：油性、挤压添加剂（400800）边界润滑(Boundary Lubrication)是由液体摩擦过渡到干摩擦（摩擦副表面直接接触）过程之前的临界状态。是不光滑表面之间，发生部分表面接触的润滑状况。此时润滑油的总体粘度特性没有发挥作用。,磨削液的清洗作用：磨削产生的磨粉与渗透性、流动性、流动压力有关自动加工及深孔加工对清洗作用要求高,用以改善在较低温度下切削液的润滑性能。,比油性添加剂能耐较高的温度。硫化切削油FeS1000；氯化石蜡，FeCL2、3，400，摩擦系数小；含磷的极压添加剂磷酸铁

21、，摩擦系数小,为改善切削液性能所加入的化学物质，称为添加剂。,乳化剂：有机化合物极性基团、非极性基团乳化剂还有润滑作用,阴离子型乳化剂：石油磺酸钠、油酸钠皂非离子型乳化剂：聚氯乙烯、脂肪、醇、醚耐硬水防锈添加剂：亚硝酸钠（有毒、是亚硝酸钠在一定条件下生成的亚硝胺 致癌）、石油磺酸钠抗泡沫剂：二甲基硅油、无味无毒 防霉剂：苯酚（有毒、腐蚀性极强、化学反应能力强。）,三、磨削温度与磨削液,（3）磨削液的分类：水溶性与非水溶性非水溶性：主要为磨削油水溶性：水溶液、乳化液 离子型水溶液（无机盐）：离子中和磨削区的带电粒子离子，提高加工质量选用：乳化液、离子型水溶液应该广泛难加工材料：添加极压添加剂，如

22、氯化石蜡等使用方法：浇注、喷淋、喷雾,磨削钢件：苏打水、乳化液,磨削铝件：煤油（加少量矿物油）,磨削铸铁和青铜：不加切削液，用吸尘器清除尘屑,36atm,四.普通砂轮精密磨削机理,钝化后，等高性好，滑擦、挤压严重，金属高温软化、碾平作用强，降低Ra,磨粒微刃性：修整砂轮众多细小的切削刃提高加工质量磨粒微刃的等高性：细而多的切削刃具有平坦的表面。工件Ra小等高的微刃的滑擦、挤压、抛光、切削作用,弹性变形作用：工件刀具变形弹性让刀，振动，无火花磨削（光磨）,砂轮架移动量与工件半径减小的关系,五、磨削质量和裂纹控制磨削可以获得IT5，Ra0.1的加工质量磨削质量：表面的几何特征：表面粗糙度、表面缺陷

23、（裂纹、鳞次等)表面的性质：表层组织和性能（硬化、残余应力）,（一）、表面粗糙度划痕多、浅、均匀（磨粒等高性）好1、几何因素的影响磨削用量：砂轮速度高，参与磨削的磨粒多，单个磨粒切削厚度小，粗糙度低进给量大：圆周、径向、纵向，切削层金属多，粗糙度高,磨粒尺寸与磨粒间的平均距离m,砂轮粒度与修整粒度：细磨粒，线密度高，单个磨粒的最大磨削深度小,砂轮的修整：金刚石笔轴向纵向进给量要小0.01mm磨粒等高性好、微刃多，可以获得Ra0.1以下的表面质量,2、物理因素对粗糙度的影响磨削特点：挤压严重塑性变形大；表面层的塑性变形对表面粗糙度影响很大磨削用量：磨削速度增加:塑性变形（单个磨粒的磨削深度低、同

24、时塑性变形来不及进行），粗糙度小进给量，工件转速增加，磨削深度增加塑性变形，粗糙度高 磨削深度,砂轮：磨料粒度低可以降低塑变及粗糙度，太低会造成砂轮堵塞（与磨削进给量、磨削深度有关）60200硬度：中软较好，磨粒锋利，工件塑性变形小组织：中等组织磨粒密度太少（acgmax大）、太多均不理想（堵）材料：刚玉磨削钢件、磨削硬脆的铸铁、硬质合金；高硬度磨粒磨削质量最好采用磨削液有利于降低碾压摩擦，提高质量，减少变形，降低Ra,（二）表面层力学物理性能1、表面层的冷作硬化（冷作硬化）强化、（软化）弱化二个过程硬化的指标：表层的显微硬度硬化层深度硬化程度,工件材料的影响：塑性高及导热性好，硬化倾向大磨削

25、用量磨削深度塑性变形量增加，磨削热增加不明显，硬化纵向进给量：变形，热量影响不大工件转速：温度变化不大，变形硬化砂轮速度：热作用，变形硬化磨料粒度：磨料细，单个颗粒载荷小，硬化减小,影响加工硬化的因素：,维氏硬度试验是用两面夹角为136的金刚石四棱锥体作为压头。以F/A的数值表示维氏硬度值,维氏硬度：英国的维克斯Vickers公司,HV=1.8544F/d2(MPa),维氏硬度载荷小，压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。,显微硬度的测量（原理同维氏硬度计000，金刚石压头的压痕），压力2N，在斜截面上测量,h

26、l*sin+Rz 根据l和Rz计算硬化层厚度h 30230,轮廓最大高度Rz,在一个取样长度lr范围内，被评定轮廓上各个极点至中线的距离中，最大轮廓峰高Rp与最大轮廓谷深Rv之和的高度，即 Rz=Rp+Rv,砂轮速度，单个磨粒的切削厚度砂轮速度，磨削力砂轮速度，单个磨粒磨削厚度，碾压严重，磨削温度磨削速度增加：塑性变形减小（单个磨粒的磨削深度低、同时塑性变形来不及进行），粗糙度小砂轮速度：热作用，变形硬化速度提高，残余拉应力倾向增加切削厚度、切削力、硬化、粗糙度下降切削温度、残余拉应力倾向升高,磨削速度对切削厚度、力、温度、质量的影响,进给量对切削厚度、力、温度、质量的影响单个磨粒的切削厚度：

27、进给量增加（轴向、圆周、径向），单个磨粒的切削厚度磨削力：进给量增加，磨削力温度：工件转速，单位时间内发出的热量，同时受热面积，温度变化小（工件速度，同时减小径向进给量，保持金属切除量不变，可以降低磨削温度）温度：径向进给量，温度质量：进给量，磨削深度，切削层金属多，塑性变形，粗糙度高硬化：磨削深度硬化工件转速：温度变化小，变形硬化残余应力变化复杂,2、表层金属的金相变化磨削烧伤：淬火钢件在高的磨削温度的作用下，表层金属的金相组织发生变化，表层硬度下降，表面呈氧化色。淬火钢的回火烧伤：250左右淬火烧伤：727 以上，有磨削液退火烧伤：727 以上，无磨削液,改善磨削烧伤的工艺措施：砂轮：软砂

28、轮及弹性粘合剂（树脂、橡胶）砂轮挤压摩擦轻磨削用量：磨削深度工件转速（会造成粗糙度提高，要同时提高磨削速度单个磨粒切削厚度降低，划痕浅、切削力小）高磨削速度（利于提高质量、温度提高）、高工件转速(可降低热作用、但降低质量）、小磨削深度既保证质量又提高生产率采用磨削液乳化液、离子型水溶液（石油磺酸钠、油酸钠皂）,.表层金属的残余应力：相变应力、热应力、冷作硬化如回火烧伤，表层残余拉应力M比容大，转变为屈氏体、索氏体时产生残余拉应力,对于脆性材料，不能通过塑性变形大幅度减少应力，如果强度又比较低，就可能直接被热应力拉裂,应力的成因,表层金属的应力的影响因素热因素与塑性变形热因素为主表层拉应力塑性变

29、形为主表层受压应力磨削用量对残余应力的影响：磨削深度：下页图砂轮速度增加，热作用增加、变形减小，易产生残余拉应力进给速度增加，受热面积增加，热作用减轻；变形增加，易产生残余压应力,工业纯铁：磨削深度很小时，挤压严重，温升不明显，易产生压应力；磨削深度增加，热作用增加，磨削温度增加，拉应力倾向增加；磨削深度大于0.025mm后，变形因素作用增加，压应力倾向增加；磨削速度增加，磨削温度增加，热作用增加，变形减小，拉应力倾向增加。,工件材料对残余热应力的影响：强度高（磨削热多）、导热性差、塑性差拉应力倾向大如高碳钢的拉应力倾向比低碳钢大淬火后的钢材的拉应力倾向比退火钢材大,组织应力,表层局部冷变形引

30、起的应力,（三）表面裂纹,2-3 超硬磨料砂轮的精密磨削,磨料：金刚石、CBN工件材料：硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石英一、特点1、适用于加工高硬度、高脆性材料耐热合金钢、玻璃，陶瓷、半导体、宝石、铜铝合金黑色金属的磨削使用CBN磨料,2-3 超硬磨料砂轮的精密磨削,2、耐磨性好且加工表面质量高磨削力小，温度低，无烧伤、裂纹、和组织变化金刚石砂轮磨削硬质合金时，磨削力只有绿色碳化硅的1/53、加工成本低，磨削效率高砂轮寿命长，综合成本低,2-3 超硬磨料砂轮的精密磨削,二、超硬磨料砂轮磨床精度高，径向圆跳动0.01mm刚度高，高50%进给系统精度高，进给速度准确均匀，纵向进给最小0.3m/m

31、in横向进给（磨削深度）0.001mm密封性好，防止磨屑进入机床磨削液处理系统完备：循环过滤隔振性好,2-3 超硬磨料砂轮的精密磨削,三、超硬磨料砂轮磨削工艺1、磨削用量磨削速度：金刚石磨料砂轮12-30m/s，耐热稳定性700-800 平面、外圆、湿磨，速度可以高内圆、工具磨削、干磨，速度选低磨削深度：，微粉砂轮磨削时，一般为微粉尺寸的1/3-1/5工件速度：10-20m/min纵向进给速度：,2-3 超硬磨料砂轮的精密磨削,三、超硬磨料砂轮磨削工艺2、磨削液湿磨质量高、砂轮寿命长金刚石砂轮：油性或水溶性磨削液CBN砂轮：油性磨削液，煤油、柴油,一、砂轮的选择磨料种类：钢件、铸铁用刚玉类磨料

32、，磨料韧性好，易保持微刃性、等高性；有色金属、铸铁用碳化硅类磨料磨料粒度：粗磨料，等高的微刃切削作用为主 细磨料，半钝态的磨粒摩擦抛光为主粘结剂：陶瓷粘结剂适合粗磨粒 树脂粘结剂适合细磨粒,2-4 砂轮的选择与修整,二、精密磨削砂轮的修整砂轮修整的目的：去除砂轮工作表面上钝化磨粒层；去除被切屑堵塞层；修复砂轮廓形；获得砂轮工作表面足够多的微刃数。,三、超硬磨料砂轮的修整1、车削法：金刚石笔、聚晶金刚石笔等效率高、质量一般2、磨削法：磨除粘结剂露出新的超硬磨粒质量较好,用SiC砂轮修整 金刚石砂轮,3、滚压挤轧法：效果较好，效率低破碎粘结剂修整砂轮,用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮，与

33、超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚，使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨料表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。,4、超声振动修整法：游离磨料，和超声头破坏结合剂,5、喷射法修整：喷射去除结合剂，新的磨粒突出用碳化硅、刚玉游离磨料修整精度高，锋利，生产率高,6、电加工修整法（砂轮基体要求导电）,可以修锐不能整形（电刷易损）电解加工本身精度不高,可以修锐也可以整形,四、超硬磨料砂轮的平衡,2-5 超精密磨削简介,精度高于等于0.1m，Ra0.025 m精密磨削1m-0.1m（一般磨床可以到35m）用于黑色金属、陶瓷、玻璃的精密加工金刚石刀具一般不用于加工黑

34、色金属及硬脆的非金属冲击崩刃镜面磨削：Ra0.02 m，强调Ra，属于精密或超精密磨削 研磨精度：10.1 m，Ra0.10.006 m一、特点机床精度更高加工质量的基础超微量切除加工，零点几微米或更小,3.影响因素多,2-4 超精密磨削简介,二、超精密磨削的机理超微量切除：晶内切削、力很大、磨粒易破碎高温强度、硬度要高：超硬磨料CBN，金刚石磨屑形成过程：负前角相当于球形刀具滑擦阶段挤压摩擦刻划（耕犁）阶段：塑性变形，死区切削阶段形成切屑,磨削深度小，刃口圆弧半径相对较大，相当于球形刃口,与精密切削的机理不同：切削时起作用的是一条线形的切削刃；超精密磨削是一个点状刀具进行切削,此区变形,三、

35、超精密磨床,1.特点：高精度：工件尺寸精度 0.1m（机床精度 0.02m）；表面粗糙度 Ra 0.006 0.01 m。高刚度：200N/m 2108 N/M高稳定性：机床、温控及工作环境应有高稳定性等微量进给：250 m进给量，进给精度0.02 0.2m（普通磨床可以到3-5m，车床10m）计算机控制,2.超精密磨床结构：主轴系统：空气、液体静压轴承（磨削深度小，磨削力小，对轴承的刚度要求小）导轨：空气静压导轨、精密配研的镶钢滑动导轨（不依靠多轴联动加工空间曲面）石材部件：热稳定性结构：对称结构、密封、淋浴系统3.超精密磨削工艺砂轮：60m/s工件：410m/min(0.2m/s)纵向进给

36、：50100mm/min切削深度：0.51m横向进给：24次磨削余量：25 m无火花磨削35次,刚度10N/nm，加工精度1nm，英国,四、精密和超精密砂带磨削1、砂带磨削方式闭式砂带磨削：环形砂带，砂带高速转动，效率高开式砂带磨削：砂带缓慢移动，磨削质量高精磨,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。无色透明的无定型热塑性材料：透明金属、防弹玻璃、太空人的头盔面罩、笔记本电脑外壳砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。可磨削平面、内外圆表面、曲面等,砂带磨削(1)定义：利用砂带，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的方法。是一种新型高效工艺方法。,聚碳酸脂无

37、色透明的无定性热塑性材料：透明金属、防弹玻璃、太空人的头盔面罩、笔记本电脑外壳 PC,开式,闭式,堆积磨料砂带,(2)砂带制作特点：精选的针状磨粒，静电植砂，使磨粒均直立且锋刃向上，定向整齐均匀排列，良好的等高性，磨粒间容屑空间大，磨粒与工件接触面积小，所有磨粒均参加切削。,2、砂带磨削特点及应用范围弹性磨削压力小，划痕浅，Ra低砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。冷态磨削磨粒锋利、磨削热少，磨粒间距大、散热条件好、磨削区温度低，磨削性能好。尺寸精度50.5m高效磨削磨粒直立、等高，100参与切削磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量

38、之比）高。效率是砂轮的510倍、磨削比300：1工件表面变形强化程度和残余应力均大大低于砂轮磨削。设备、磨具简单，价格低廉，使用方便。可用于各种表面及材料：内外表面及成形表面加工平、圆面、成形面万能磨削适应性差：不能加工阶梯轴（退刀槽窄）、阶梯孔、盲孔小孔、齿轮，工件的形位精度不易保证,3、精密砂带磨削工艺磨削用量选择砂带速度：1230m/s 精磨2530m/s工件速度:2030m/min，高可减少烧伤，精磨（不易烧伤）20m/min 纵向进给量：0.173.0mm/r，磨削深度：0.010.1mm,精磨取小 接触压力：50300N砂带选择及修整根据加工质量要求选择磨粒、粒度等湿润与除尘：干磨

39、（干磨剂二硫化钼,石墨,聚四氟乙烯）、湿磨,图 用于磨削管件的砂带磨床,砂带机,砂带研抛后Ra0.1,锆包壳的内外圆柱面采用砂带磨削,多头卧式无心砂带磨床,复杂异形工件的抛磨叶片、灯碗、水槽、五金件,砂带磨削后的表面堆积磨料砂带加工拉丝表面效果更好,五 研磨磨料在工件和研具之间进行转动，磨料不是固定的游离态由研具面支撑磨料研磨加工,研磨（1）定义：利用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精密加工方法。（2）研磨剂由磨料、研磨液及辅料调配而成。磨料一般只用微粉。研磨液用煤油或煤油加机油、水；起润滑、冷却以及使磨料能均匀分布在研具表面的作用。辅料指油酸、硬脂酸或工业用甘油等强氧化剂，能使

40、工件表面生成一层极薄的疏松氧化膜，以提高研磨效率。,（4）研具（研磨工具），是研磨剂的载体，用以涂敷和镶嵌磨料，发挥切削作用。要求研具材料比待研工件材料软，常用铸铁、锡、铝等软金属或硬木、塑料做研具。研具为刚性，基本不变形（与抛光不同）（5）尺寸公差等级IT5IT30.1m，表面粗糙度值可达0.10.008 m1.手工研磨外圆 工件安装在车床顶尖间或卡盘上，在加工表面上涂上研磨剂，再把研具套上，工件低速旋转，手握研具轴向往复移动。外圆研具由研磨环和研磨夹组成。,2.手工研磨内圆 内圆研具由锥度调节杆和开口锥套组成。3.手工研磨平面,4.研磨特点：（1）微细性：研磨是在良好的预加工基础上进行的0

41、.010.1 m切削；微量性：1微米以下的切深（2）随机性：研磨过程中工件与研具的接触是随机的，可使高点相互修整，逐步减少误差；多刃多向加工（滚、切等）（3）针对性：手工研磨可通过检测工件，有针对性地变动研磨位置，掌握研磨时间，有效地控制加工质量。研磨本身也是对凸点的加工，与设备的精度几乎无关，加工质量主要与工件研具接触性质、相对运动等有关 研磨不能提高表面间的位置精度，生产率低。,5.加工范围：研磨可加工钢、铸铁、铜、铝及其合金、半导体、陶瓷、玻璃、塑料等材料；可加工常见地各种表面，且不需要复杂和高精度设备，方法简便可靠，容易保证质量。,1.研磨的加工机理,研磨时磨粒的工作状态磨粒在工件和研

42、具间转动磨粒浮动由研具面支承磨粒研磨加工嵌入磨具由工件支承磨粒研磨对研,精度0.1m，圆度0.1m，Ra0.1以下1.研磨的加工机理滑动切削及滚动切削,磨粒上的棱角在滑动和滚动时切削工件，塑性材料，如钢，,滑动切削,滚动切削,金属材料的研磨属于塑性材料的研磨塑性变形产生微细的切屑（碎屑，不连续，磨粒是浮游的，不可能产生带状切屑）金属研磨特点：不产生裂纹对软金属：铝、铜等，磨粒会压入工件表面，影响表面质量对淬火的钢材等：可以获得0.02m的镜面,研磨模型：脆性材料，如玻璃表面有微小破碎痕迹构成无光泽的表面，钢材则不然,在玻璃上几乎看不到划伤，表面上散布有磨粒运动所产生的裂纹及磨屑的碎片通过选择磨

43、粒的粒度可以控制裂纹的大小，粗研时用粗磨粒，促进裂纹的产生，提高加工效率；最后的镜面加工要选用很小的粒度的磨粒研磨的过程：产生切屑、研具磨损、磨粒破碎,研磨规律,切屑,少量磨粒作用,磨料小于切屑,研磨轨迹,手工研磨,手工精研,手工研磨,圆盘研磨,圆盘研磨,研具：灰铁、球铁（F基体）球化退火、多次人工时效尺寸、形状稳定、性能均匀,研磨压力粗研0.10.3MPa精研 更小研磨剂磨料（微粉W3）辅料（腐蚀作用）研磨液研具比工件材料软灰铁、铁素体基体的球铁,研磨初期：压力增加，去除率增加；中期：去除率随压力增加而增加，但有极限值后期：压力大，去除率下降,2、研磨设备与方法双盘研磨机研磨工件调头，偏心轴

44、转速为下盘的2/3-3/4研磨平面、球面、短圆柱面手工研磨：轴、小孔、平板（较大的平面）,3.超精研磨加工余量更小；0.00013um/s速度低；1m/min（研磨盘研磨）压力小；0.03MPa恒温；减振；磨料更细W1-研磨W3,超精密研磨的主轴,4.磁性研磨加工原理,磨粒：150m磁化率大的铁粉磨粉,相对运动轨迹,磁磨料在加工中的受力情况1-磁极；2-磨料；3-工件,加工特点自锐性好、磨削能力强、加工效率高，6-10min，Ra从3 m降低到0.2 m磨削温度升小（压力小、磨粒锋利）、工件热变形小比砂带磨削还冷态磨削深度小0.10.6 m、加工表面平整光洁工件表层物理力学性能得到提高、变形及

45、残余应力都小压力小工作环境好：无粉尘、废液、噪音,加工规律10min，Ra0.2，去除几十微米的金属层主要提高表面质量，对形位精度影响小用于精密复杂零件的表面精整、去毛刺如：液压元件的阀体内腔,圖 磁研磨表面的粗糙度截面形狀,液压元件的阀体内腔抛光去毛刺（高度小于0.1mm的毛刺、倒棱角）,六、抛光,与研磨不同：抛光器是软质材料的，研具则是硬质材料的沥青、石蜡、合成树脂、皮革、毛毡抛光头夹持磨粒弹性磨削工件，对工件的作用力很小，不产生裂纹（无论塑性、脆性材料）即使是硬脆工件：表面会因磨粒的划擦而产生塑变，沟槽、隆起,研磨抛光的表面变质层,表面层原子排列紊乱，氧化膜、水化膜、塑变层、裂纹区等，此

46、外还有热影响区超精密研磨、抛光要严格限制变质层变质层的物化性能、机械性能变化很大，如压电性、半导体性能、磁性、光吸收性等变差如单晶硅：塑变层（非晶、多晶）、异物混入层、裂纹层、弹性变形层、多晶抛光时，变质层与研磨不同，没有裂纹，但是有抛光应力层塑变层采用化学侵蚀或不用磨粒的腐蚀液抛光的方法能够去除变质层还可以采用胶态二氧化硅研磨,抛光膏中的活性化学介质与工件材料的化学反应能去除和减少加工变质层,抛光机理,可塑性产生切屑，磨粒与工件流动摩擦使工件表面变平化学腐蚀,*非接触抛光,1、弹性发射抛光：水流加速微粒小角度冲击工件，原子级别的加工，接触点高压高温去除原子。Elaastic Emission

47、 Machining EEM,加工头为聚氨脂球,磨粒更小：直径m,机理：微切削+塑性变形,加工硅片,100m/s的速度，20 角度,硅片加工精度0.1，Ra0.0005以下,2、浮动抛光：高压液膜隔开工件和研具,浮动抛光是一种平面度极高的非接触超精密抛光方法。高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件高速回转时，在二者之间的抛光液呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。,不会因塑性变形产生位错,3、动压浮离抛光：抛光盘表面有多个倾斜面，转动形成油楔，将保持环内的工件浮起，抛光液内的微粒进行抛光无摩擦热、

48、无工具磨损，标准平面不会变化，可重复获得精密的工件表面,4、非接触化学抛光化学活性强的液体将工件与抛光盘分开，靠腐蚀和液体的冲击抛光，主要加工半导体基片：GaAs、InP,甲醇、甘醇和溴的混合液。甲醇和溴对GaAs和InP是有效的腐蚀液，甘醇具有调整液体粘度的作用,水晶平板边缘为锥形，可以浮起，工件吸附在水晶平板下方，抛光盘高速转动，带动抛光液将平板浮起,接触摩擦区，产生高温高压，表层原子活性化，与水蒸气反应水合，利用摩擦力将水合层去除。其主要特点是不使用磨粒和加工液，加工装置与普通抛光机相同。所不同的是在水蒸气环境中进行加工。水合抛光的去除量只有几纳米到几十纳米，所以可以获得无划痕，平滑，晶

49、格无畸变的洁净表面。,5.水合抛光,非接触端面抛光：对沟槽、垂直柱状轴端面进行镜面加工。高速旋转的工具驱动磨粒冲击，Ra3nm，表面无变质层。可以用于直径0.1mm左右的光导纤维的端面镜面抛光，和精密元件的切断。,6、切断、开槽及端面抛光,超精密抛光硬质合金表面,超精密抛光Al2O3基陶瓷刀具表面,超精密抛光Si3N4基陶瓷刀具表面,超精密抛光晶须增韧陶瓷表面,超精密抛光的陶瓷表面,超精密抛光铸铁材料表面,超精密抛光的纤维增强材料表面,超精密抛光涂层界面,镜面磨削软磁材料,导轨磨床,机床和工件的变形：误差的40-70%磨削100的零件、温度变化10、产生11m1977年，美国加工球面机床、精度0.1 m，机床变形控制在0.05 m，主轴热伸长0.05 m超精密加工的难题之一：超精密温度控制LLL实验室试验：油温变化0.056，热变形0.19 m 0.006 0.019,几种常见砂带磨削方式（图）,