精密磨削加工.ppt

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1、第3章 精密磨削加工,教学提示：精密磨削加工技术涉及的方法很多，本章主要介绍精密磨削加工的分类、精密磨削加工的机理分析、精密磨削加工机床和应用以及精密研磨和抛光等基本知识。教学要求：通过本章的学习，要求学生在普通磨削加工的基础上，了解精密磨削加工的相关知识，重点掌握精密磨削加工的机理，以及精密磨削加工机床的各组成部件及特点，同时了解精密研磨与抛光等精密加工技术。,31 概 述,3.1.1 概 述 磨削是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的主要切削工具。磨削的基本特点如下：1磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻

2、璃等。但不适宜加工塑性较大的有色金属工件。2磨削加工的精度高，表面粗糙度值小。精度可达IT5及IT5以上；表面粗糙度值 为1.25-0.01，镜面磨削 时 为0.04-0.01。3.磨削的径向磨削力Fy大，且作用在工艺系统刚性较差的方向上。因此，在加工刚性较差的工件时（如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。,4磨削温度高。磨削产生的切削热多，是80-90传入工件，(10-15传入砂轮，1-10由磨屑带走)加上砂轮的导热性很差，大量的磨削热在磨削区形成瞬时高温，容易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。5砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨

3、粒的破碎将产生新的较锋利的棱角，同时由于磨粒的脱落而露出一层新的锋利的磨粒，它们能够使砂轮的切削能力得到部分的恢复，这种现象叫做砂轮的自锐作用，也是其他切削刀具所没有的。磨削加工时，常常通过适当选择砂轮硬度等途径，以充分发挥砂轮的自锐作用来提高磨削的生产效率。必须指出，磨粒随机脱落的不均匀性会使砂轮失去外形精度；破碎的磨粒和切屑会造成砂轮的堵塞。因此，砂轮磨削一定时间后，需进行修整以恢复其切削能力和外形精度。,6磨削加工的工艺范围广。磨削不仅可以加工外圆面、内圆面、平面、成形面、螺纹、齿形等各种表面，还常用于各种刀具的刃磨。7磨削在切削加工中的比重日益增大。在工业发达国家磨床在机床总数中的比重

4、已占到30-40，且有不断增长的趋势。磨削在机械制造业中将得到日益广泛的应用。,3.1.2 精密磨削加工的分类,精密磨削加工是利用细粒压的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，得到高加工精度和小表面粗糙度值。它是用微小的多刃刀具削除细微切屑的一种加工方法。一般多指砂轮磨削和砂带磨削。精密磨削和超精密磨削加工都是20世纪60年代发展起来的，近年来已扩大到磨料加工的范围。因此精密磨削加工按磨料加工大致可分为以下几类，如表3.1所示：表3.1 磨料加工分类,3.1.2.1 固结磨料加工 将一定粒度的磨粒或微粉与结合剂粘结在一起，形成一定形状并具有一定强度，再采用烧结、粘结、涂敷等方法即形成砂轮、

5、砂条、油石、砂带等磨具。其中用烧结方法形成砂轮、砂条、油石等称为固结磨具；用涂敷方法形成砂带称为涂覆磨具或涂敷磨具。(1)固结磨具 精密砂轮切削是利用精细修整粒度为 的砂轮进行磨削，其加工精度可达1-0.1、表面粗糙度值 可达0.2-0.25。超精密砂轮磨削是利用经过精细修整的粒度力w40-w 50的砂轮进行磨削，可以获得加工精度为0.1，表面粗糙度值 为0.025-0.008 的加工表面。,磨料及其选择 在精密和超精密磨削中，磨料除使用刚玉系和碳化物系外，还大量使用超硬磨料。超硬磨料在当前是指金刚石、立方氮化硼及以它们为主要成分的复合材料。两种材料均属于立方品系。金刚石又分为天然和人工两大类

6、。天然金刚石有透明、半透明和不透明，以透明的为最贵重。颜色上有无色、浅绿、淡黄、褐色等，以褐色硬度最高，无色次之。人造金刚石分单晶体和聚晶烧结体两种，前者多用来做磨料磨具，后者多用来做刀具。金刚石是自然界中硬度最高的物质，有较高的耐磨性而且有很高的弹性量可以减小加工时工件的内应力、内部裂隙及其它缺陷。金刚石有较大的热容量和良好的热导性，线膨胀系数小、熔点高。但在700以上易与铁族金属产生化学作用而形成碳化物，造成化学磨损，故一般不适宜磨削钢铁材料。立方氯化硼的硬度略低于金刚石，但耐热性比金刚石高，有良好的化学稳定性，与碳在2000时才起反应，故运用于磨削钢铁材料。由于它在高温下易与水产生反应，

7、因此一般多用于干磨。,超硬磨料砂轮密削的特点是：a可用来加工各种高硬度、高脆性金属和非金属材料。b磨削能力强、耐磨性好、耐用度高，可较长时间保持切削性，修整次数少，易于保持粒度；易于控制加工尺寸及实现加工自动化。c磨削力小、磨削温度低。d磨削效率高。e加工综合成本低。超硬磨料能加工各种高硬难加工材料是其突出的优越性，用超硬材料磨削陶瓷，光学玻璃、宝石、硬质合金以及高硬度合金钢、耐热钢、不锈钢等材料已十分普遍。,磨料粒度及其选择 粒度的选择应根据加工要求、被加工材料、磨料材料等来决定。其中影响很大的是被加工工件的表面粗糙度值、被加工材料和生产率。一般多选用180#-240#的普通磨料、(1702

8、00)-（325400)超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粒。粒度号越大加工表面粗糙度值越小，但生产率相对也越低。结合剂及其选择 结合剂的作用是将磨料粘合在一起，形成一定的形状并有一定的强度。常用的结合剂有树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂等。结合剂会影响砂轮的结合强度、自锐性、化学稳定性、修整方法等。组织和浓度及其选择普通磨具中磨料的含量用组织表示，它反映了磨料、结合剂和气孔三者之间体积的比例关系。超硬磨具中磨料的含量用浓度表示，它是指磨料层中每lcm3体积中所含超硬磨料的重量。浓度越高，其含量越高。浓度值与磨料含量的关系如表3.2所示。,表3.2 超硬磨具浓度值与磨料含量的关系 硬度及其选择 普

9、通磨具的硬度是指磨粒在外力作用下，磨粒自表面脱落的难易程度。磨具硬度低表示磨粒容易脱落。超硬磨具中，由于超硬磨料耐磨性高，又比较昂贵，硬度一般较高，在其标志中无硬度项。磨具的强度 磨具的强度是指磨具在高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力，对各类磨具都有最高工作线速度的规定。,磨具的形状和尺寸及其基体材料 根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。超硬磨具一般由磨料层、过渡层和基体三个部分组成。超硬磨具结构中，有些厂家把磨料层直接固定在基体上，取消了过渡层。超硬磨具结构见图3.1。基体的材料与结合剂有关，金属结合剂磨具大多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具采用铝、铝合金或电木；陶瓷结合剂

10、磨具多采用陶瓷。(2)涂覆磨具 涂覆磨具是将磨料用粘结剂均匀地涂覆在纸、布或其它复合材料基底上的磨具，又称涂敷磨具，结构示意图如图3.2所示。常用的涂覆磨具有砂纸、砂布、砂带、砂条和砂布套等。图3.1 超硬磨具结构 图3.2 涂覆磨具结构示意图 1-基底；2-粘结膜；3-粘结剂（底胶）；4-粘结剂（覆胶）；5-磨料,涂覆磨具分类 根据涂覆磨具的形状、基底材料和工作条件与用途其分类如表3.3所示。涂覆磨具产品有干磨砂布、干磨砂纸、耐水砂布、耐水砂纸、环状砂带(有接头、无接头)、卷状砂带等。表3.3 涂覆磨具分类磨料及粒度 常用的涂覆磨料有棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人

11、造金刚石等。涂覆磨料的粒度与普通磨料粒度近似，但无论是磨粒还是微粉一律用冠以P字的粒度号表示，如涂覆磨料粒度号P240与普通磨料粒度号240一样，而P320相当于W 50，P1000相当于W20，具体可查有关手册。,粘结剂 粘结剂又称为胶，共作用是将砂粒牢固地粘结在基底上。粘结剂是影响涂覆磨具的性能和质量的重要因素。根据涂覆磨具基底材料工作条件和用途等不同，粘结剂又可分为粘结膜、底胶和覆胶。当基底材料为聚酯、硫化纤维时，为了使底胶能与基底牢固粘结，要在聚酯 膜、硫化纤维布上预先涂上一层粘结膜，而对于基底材料为纸、布等则不必预涂粘结膜。有些涂覆磨具采用底胶和覆胶的双层粘结剂结构，一般取粘结性能较

12、好的底胶和耐热、耐湿、富有弹性的覆胶，使涂覆磨具性能更好。大多数涂覆磨具都是单层胶。粘结剂的种类如下：a 动物胶 主要有皮胶、明胶、骨胶等。粘结性能好，价格便宜，但溶于水易受潮，稳定性受环境影响。用于轻切削的干磨和油磨。b树脂 主要有醇酸材脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂等，材脂粘结性能好，耐热、耐水或耐湿，有弹性，有些树脂成本较高，且易溶于有机溶液，用于难磨削材料或复杂形面的磨削和抛光。c.高分子化合物 如聚醋酸乙烯脂等，粘结性能好，耐湿有弹性。用于精密磨削，但成本较高。,除上述一般粘结剂外，还有特殊性能的在覆胶层上再敷一层超涂层粘结剂，如抗静电超涂层粘结剂，可避免砂带背面与支承物之间产生静

13、电而附着切屑粉尘；抗堵塞超涂层粘结剂是一种以金属皂为主的树脂、可避免砂带表面堵塞；抗氧化分解超涂层粘结剂，由高分子材料和抗氧化分解活性材料所组成，加工中有冷却作用，可提高砂带耐用度和工件表面质量。涂覆方法 涂覆方法是影响涂覆磨具质量的重要因素之，不同品种的涂覆磨具可采用不同的涂覆方法，以满足使用要求。当前，涂覆磨具的制造方法有重力落砂法、涂敷法和静电植砂法等如图3.3所示。,图3.3 涂覆磨具涂覆方法示意图（a）重力落砂法；（b）涂敷法；（c）静电植砂法,a重力落砂法 先将粘结剂均匀涂敷在基底上，再靠重力将砂粒均匀地喷洒在涂层上，经烘干去除浮面砂粒后即成卷状砂带，裁剪后可制成涂覆磨具产品，整个

14、过程自动进行。一般的砂纸、砂布均用此法，制造成本较低。b涂敷法 先将砂粒和粘结剂进行充分均匀的混合，然后利用胶辊将砂粒和粘结剂混合物均匀地涂敷在基底上。粘结剂和砂粒的混合多用球磨机，而涂敷多用类似印刷机的涂敷机，可获得质量很好的砂带，般塑料膜材料的基底砂带都用这种方法，简单的涂双方法也可用喷头将砂粒和粘结剂的混合物均匀地喷洒在基底上，多用于小量生产纸质材料基底的砂带，当然质量上要差一些。精密和超精密加工中所用的涂覆磨具多用涂覆法制作。c静电植砂法 其原理是利用静电作用将砂粒吸附在已涂胶的基底上，这种方法由于静电作用，使砂粒尖端朝上，因此砂带切削性强，等高性好，加工质量好而受到广泛采用。,32磨

15、削加工机理,精密磨削是指加工精度为l0.1、表面租糙度值 达到0.2-0.025，又称低粗糙度值磨削。它是用微小的多刃刀具削除细微切屑的一种加工方法。一般是通过氧化铝和胶化硅砂轮来实现的。3.2.1 磨削过程及磨削力(1)磨削过程 砂轮中的磨料磨粒是不规则的菱形多面体，顶锥角在80-145范围内，但大多数为90-120。如图3.4所示。图3.4 磨粒形状,磨削时磨粒基本上都以很大的负前角进行切削。一般磨粒切削刃都有定大小的圆弧，其刃口圆弧半径 在几微米到几十微米之间。磨粒磨损后负前角和圆弧半径 都将增大。磨粒在砂轮表面的分布是随机的。一般磨削时只有10的磨粒参加切削，切削深度分布在某一范围内，

16、使各个磨粒承受的压力不同，磨粒表现出四种切削形态，如图3.5所示。一带而过的摩擦，工作表面仅留下一条痕迹；发生塑性变形，擦出一条两边隆起的沟纹；或者犁出一条沟，两边翻山飞边；或者切下切屑，其形状随磨粒切削刃形状、工件材料、切削深度、切削速度而变化。钝化的磨粒受力增大，超过自身强度则被挤碎，裸露出新的锋利刃口，高磨粒掉落使低磨粒得以参加切削。图3.5 磨粒的切削形态,(2)精密磨削机理 磨粒的微刃性 在精密磨削中，通过较小的修整导程和修整深度来精细地修整砂轮，使磨粒具有较好的微刃性(即磨粒产生微细的破碎，而且形成细而多的切削刃)。这种砂轮磨削时，同时参加切削的刃口增多，深度减小，微刃的微切削作用

17、形成了小粗糙度值的表面。磨粒的等高性 微刃是由砂轮的精细修整形成的，分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多，等高性好(即细而多的切削刃具有平坦的表面)，如图3.6所示。由于加工表面的残留高度极小，因而形成了小的表面粗糙度值。图3.6 磨粒的等高性1-粘结剂；2-磨料；3-砂轮表面,微刃的滑擦、挤压、抛光作用 砂轮修整后出现的微刃切削开始比较锐利，切削作用强，随着磨削时间的增加微刃逐渐钝化、同时等高性得到改善。这时切削作用减弱，滑擦、挤压、抛光作用增强。磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度值。在同样的磨削压力下，单个微刃受的比压小，刻划深度小。弹性变形

18、的作用 在磨削加工中，砂轮的切削深度虽只l-20，但由于单位磨削力比较大，所以总磨削力是很大的。与通常的切削加工不同的是，由于法向分力是切向分力的两倍以上，由此而产生的弹性变形所引起的砂轮的切削深度的变化量，对于原有的微小的切削深度来说是不能忽视的。采用无火花磨削所磨削的就是该弹性变形的恢复部分。如图3.7所示。在磨削过程中，必须把磨床和工件当作一个弹性系统来分析。在第一次磨削加工中，由于砂轮轴、砂轮、机床主轴、尾架中心、工件等都将产生不同的弹性位移，这样工件和砂轮就会产生相对位置变化。由于受切削力的影响。如果增多行程次数使砂轮架不再进给，砂轮与砂轮架的切削深度就会趋于一致，如图3.7所示。图

19、中：-切削深度；-位移量；y-工件半径的减小量。,图3.7 砂轮架移动量与工件半径减少的关系 A-砂轮架每行程均有进给其间；B-无火花磨削期间 1-砂轮架移动量；2-工件半径的减小量 又由于加工中存在着误差复映规律，说明除非反复地进行无火花磨削，否则砂轮架具有正确的进给深度也不能加工出所期望的工件尺寸。因此反复地做无火花磨削是极为重要的，当进行无火花磨削时，而且磨粒切深又很微小时，在切削刃磨削点上由于受工件材料的弹性变形而磨削。,磨粒的粘结剂的弹性变形的影响会产生磨粒切削刃在加工面上滑移的现象，并在弹塑性的接触状态下与加工面发生摩擦作用，其切削量是极微小的，这将有利于镜面的形成。(3)磨削力

20、单个磨粒切除的材料虽然很少，但一个砂轮表面层有大量磨粒同时工作，而且磨粒的工作角度很不合理，绝大多数为负前角切削，因此总的磨削力相当大。总磨削力可分解为三个分力：-主磨削力切向磨削力，-切深力(径向磨削力)；-进给力(轴向磨削力)。几种不同类型磨削加工的三向分力如图3.8所示。磨削力的主要特征 a单位磨削力很大。由于磨粒几何形状的随机性和参数不合理，磨削时的单位切削力P值很大，可达70000Nmm2以上。,换能器主要性能指标,图3.8 三向磨削应力 b.三向分力中切深力值最大。在正常磨削条件下，约为。由于对砂轮轴、工件的变形与振动有关，直接影响加工精度与表面质量，故该力是十分重要的。影响磨削力

21、的因素 当砂轮速度v增大时，单位时间内参加切削的磨粒数量随之增大。因此每个磨粒的切削厚度减小，磨削力随之减小。,当工件速度和轴向进给量增大时，单位时间内磨去的金属量增大，如果其它条件不变，则每个磨粒的切削厚度随之增大，从而使磨削力增大。当径向进给量增大时，不仅每个磨粒的切削厚度将增大，而且使砂轮与工件的磨削接触弧长增大，同时参加磨削的磨粒数增多，因而使磨削力增大。砂轮的磨损会使磨削力增大。因此磨削力的大小在一定程度上可以反映砂轮上磨粒的磨损程度。如果磨粒的磨损用磨削时工作台的行程次数(反映了砂轮工作时间的长短)间接地表示，则随着行程次数的增大，径向磨削力 和切向磨削力 都将增大，但 增大的速率

22、远比 快。(4)单个磨粒的切削厚度 为便于分析，可以将砂轮看成是一把多齿铣刀，现以平面磨削为例说明磨削中单个磨粒的切削厚度。图3.9为平面磨削中垂直于砂轮轴线的横剖面。当砂轮上A点转到B点时，工件上C点就移动到B点，这时ABC这层材料就被磨掉了。此时磨去的最大厚度为BD。则单个磨粒的最大切削厚度为，将BCD近似看成一直角三角形。,则砂轮以v运动，当从A点转到B点时所需时间为，在同样时间内工件以 移动了BC则 而 所以 通常忽略，则得(3-1)于是式中 单个磨粒最大切削厚度，；砂轮、工件的速度，；砂轮每毫米圆周上的磨粒数，；径向进给量，砂轮直径，。,如果考虑砂轮宽度B和轴向进给量 的影响，由于有

23、 运动。使投入磨削的金属量增加，故 与 成正比。B大时，同时参加工作的磨粒数增加，故B与 成反比。将式(3-1)可改写为 同理，外圆磨削时单粒最大切削厚度为(3-2)式中 轴向进给量，mm/r 工件直径，mm 上述公式是在假定磨粒均匀分布的前提下得到的。然而磨粒在砂轮表面上的分布极不规则，每个磨粒的切削厚度相差很大。但从上式可以定性地分析各因素对磨粒切削厚度的影响。单粒切削厚度加大时，作用在磨粒上的切削力也增大，同时将影响砂轮磨损、磨削温度及表面质量等。,3.2.2.1 磨削温度与磨削液(1)磨削温度的基本概念 磨削时由于磨削速度很高，而且切除单位体积金属所消耗的能量也高(约为车削时的10-2

24、0倍)。因此磨削温度很高。为了明确“磨削温度”的含义，把磨削温度区分为：砂轮磨削区温度 和磨粒磨削点温度。如图3.10所示。两者是不能混淆的。磨粒磨削点温度 瞬时可达800-l 200，而砂轮磨削区温度 只有几百度。至于因为切削热传入工件，工件温度上升却不到几十度。但工件的温升将影响工件的尺寸、形状精度。磨粒磨削点温度 不但影响加工表面质量，而且与磨粒的磨损等关系密切。磨削区温度 与磨削表面烧伤和裂纹的出现密切有关。图3.10 砂轮磨削区温度和磨粒磨削点温度,(2)影响磨削温度的主要因素砂轮速度 砂轮速度增大，单位时间内的工作磨粒数将增多，单个磨粒的切削厚度变小，挤压和摩擦作用加剧，滑擦显著增

25、多。此外还会使磨粒在工件表面的滑擦次数增多。所有这些都将促使磨削温度的升高。工件速度 工件速度增大就是热源移动速度增大，工件表面温度可能有所降低，但不明显。这是由于工件速度增大后，增大了金属切除量，从而增加了发热量。因此，为了更好地降低磨削温度，应该在提高工件速度的同时，适当地降低径向进给量，使单位时间内的金属切除量保持为常值或略有增加。径向进给量 径向进给量的增大，将导致磨削过程中磨削变形力和摩擦力的增大量的增多和磨削温度的升高。,工件材料 金属的导热性越差，则磨削区的温度越高。对钢来说，含碳量高则导热性差。鉻、镍、铝、硅、锰等元素的加入会使导热性显著变差。合金的金相组织不同，导热性也不同，

26、按奥氏体、淬火和回火马氏体、珠光体的顺序变化。磨削冲击韧度和强度高的材料，磨削区温度也比较高。砂轮硬度与粒度 用软砂轮磨削时的磨削温度低；反之则磨削温度高。由于软砂轮的自锐性强，砂轮工作表面上的磨粒经常处于锐利状态，减少了由于摩擦和弹性、塑性变形而消耗的能量，所以磨削温度较低。砂轮的粒度粗时磨削温度低，其原因在于砂轮粒度粗则砂轮工作表面上单位面积的磨料数少，在其它条件均相同的情况下与细粒度的砂轮相比，和工件接触面的有效面积较小，并且单位时间内与工件加工表面摩擦的磨粒数较少，有助于磨削温度的降低。,3.2.2.2 磨削液 在磨削过程中，合理使用磨削液可降低磨削温度并减少磨削力，减少工件的热变形，

27、减小已加工表面的粗糙度值，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。(1)磨削液的作用机理 磨削液的基本性能有润滑性能、冷却性能和清洗性能，根据不同情况的要求尚有渗透性、防锈性、防腐性、消泡性、防火性、切削性和挤压性等。挤压性是指磨削液与金属表面起作用形成一层牢固的润滑膜，在磨削区域的高压下有良好的润滑和抗粘着性能。,磨削液的冷却作用 磨削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低磨削温度提高砂轮的耐用度，减少工件的热变形，提高加工精度。在磨削速度高、工件材料导热性差、热膨胀系数较大的情况下，磨削热的冷却作用尤显重要。磨削液的冷却性能取决于它的导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、

28、流速等。水溶液的导热系数，比热容比油大得多，故水溶液的冷却性能要比油类好。乳化液介于两者之间。磨削液的润滑作用 金属切削时切屑、工件与砂轮界面的摩擦可分为干摩擦、流体滑润摩擦和边界润滑摩擦三类。,如不用磨削液，则形成工件与砂轮接触的干摩擦，此时的摩擦系数较大，当加磨削液后，切屑、工件、砂轮之间形成完全的润滑油膜，砂轮与工件直接接触面积很小或近于零，则成为流体润滑，流体润滑时摩擦系数很小，但在很多情况下，由于砂轮与工件界面承受压力很高的载荷，温度也较高，流体油膜大部分被破坏，造成部分金属直接接触(如图3.ll所示)；由于润滑液的渗透和吸附作用，润滑液的吸附膜起到降低摩擦系数的作用，这种状态为边界

29、润滑摩擦。边界润滑时的摩擦系数大于流体润滑，但小于干磨削。金属切削中的润滑大部属于边界润滑状态。图3.11 金属间边界润滑摩擦（Ft-摩擦力）,磨削液的润滑性能与其渗透性以及形成吸附膜的牢固程度有关。在磨削液中添加含硫、氯等元素的挤压添加剂后会在金属表面起化学反应生成化学膜。它可以在高温下(400-800)使边界润滑层保持较好的润滑性能。磨削液的清洗作用 磨削液具有冲刷磨削中产生的磨粉的作用。清洗性能的好坏与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。磨削液的清洗作用对于磨削精密加工和自动线加工十分重要，而深孔加工时，要利用高压磨削液来进行排屑。磨削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床的腐蚀。

30、防腐作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。,(2)磨削液的添加剂 为了改善磨削液性能所加入的化学物质称为添加剂。主要有油性添加剂、挤压添加剂、表面活性性剂等。油性添加剂 油性添加剂含有极性分子，能与金属表面形成牢固的吸附膜，主要起润滑作用。但这种吸附膜只能在较低温度下起较好的润滑作用，故多用于低速精加工的情况。油性添加剂有动植物油(如豆油、菜柠油、猪油等)，脂肪酸、胶类、醇类从脂类。,挤压添加剂 常见的挤压添加别是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物，这些化合物在高温下与金属表面起化学反应，形成化学润滑膜。它的物理吸附膜能耐较高的温度。用硫可直接配制成硫化磨削油，或在矿物油中加

31、入含硫的添加剂，如硫化动植物油、硫化烯烃等配制成含硫的挤压磨削油。这种含硫挤压磨削油使用时与金属表面化合，形成的硫化铁膜在高温下不易被破坏；加工钢时在1000左右仍能保持其润滑性能。但其摩擦系数比氯化铁的大。,含氯挤压添加剂有氯化石蜡(含量为40-50)、氯化脂肪酸等。它们与金属表面起化学反应生成氯化亚铁、氯化铁和氯化铁薄膜。这些化合物的剪切强度和摩擦系数小，但在300-400时易被破坏，遇水易分解成氢氧化铁和盐酸，失去润滑作用，同时对金属有腐蚀作用，必须与防锈添加剂一起使用。含磷挤压添加剂与金属表面作用生成磷酸铁膜，它的摩擦系数小。为了得到良好的磨削液，按实际需要常在一种磨削液中加入几种挤压

32、添加剂。,表面活性剂 乳化剂是一种表面活性剂。它是使矿物油和水乳化，形成稳定乳化液的添加剂。表面活性剂是一种有机化合物，它的分子由极性基团和非极性基因两部分组成。前者亲水可溶于水，后者亲油且溶于油。油与水本来是互不相溶的，加入表面活性剂后，它能定向地排列并吸附在油水两极界面上，极性端向水、非极性端向油，把油和水连接起来，降低油水的界面张力，使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成稳定水包油乳化液，如图3.12所示。,图3.12 水包油乳化液示意图 表面活性剂在乳化液中，除了起乳化作用外，还能吸附在金属表面上形成润滑膜起润滑作用，表面活性剂种类很多。配制乳化液时，应用最广泛的是阴离子型和非离子型。

33、前者如石油磺酸钠、油酸钠皂等，其乳化性能好，并有一定的清洗和润滑性能。后者如聚氯乙烯、脂肪、醇、醚等，它不怕硬水，也不受pH值的限制。良好乳化液往往使用几种表面活性剂，有时还加入适量的乳化稳定剂，如乙醇、正丁醇等。此外还有防锈添加剂(如亚硝酸钠、石油磺酸钠等)、抗泡沫添加剂(如二甲基硅油)和防霉添加剂(如苯酚等)。根据实际需要，综合使用几种添加剂，可制备效果良好的磨削液。,(3)磨削液的分类与使用 磨削液的分类 最常用的磨削液，一般分为非水溶性磨削液和水溶性磨削液两大类。非水溶性磨 削液主要是磨削油，其中有各种矿物油(如机械油、轻柴油、煤油等)、动植物油（如豆油、猪油等)和加入油性、挤压添加剂

34、的混合油，主要起润滑作用。水溶性磨削液主要有水溶液和乳化液。水溶液的主要成分为水并加入防锈剂，也可以加入定量的表面活性剂和油性添加剂。乳化液是由矿物油、乳化及其他添加剂配制的乳化油和95-98的水稀辉而成的乳白色磨削液。水溶性磨削液有良好的冷却作用和清洗作用。离子型磨削液是水溶性磨削液中的一种新型磨削液，其母液是由阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配制而成的。它在水溶液中能离解成各种强度的离子。磨削时，由于强烈摩擦所产生的静电荷，可由这些离子反应迅速消除，降低磨削温度，提高加工精度，改善表面质量。,磨削液的选用 磨削的特点是温度高工件易烧伤，同时产生大量的细屑，砂末会划伤已加工表面。因而磨削

35、时使用的磨削液应具有良好的冷却清洗作用，并有一定的润滑性能和防锈作用。故般常用乳化液和离子型磨削液。难加工材料在磨削加工时均处于高温高压边界摩擦状态。因此，宜选用挤压磨削油或挤压乳化液。磨削液的使用方法 普通使用的方法是浇注法，但流速慢，压力低，难于直接渗透入最高温度区，影响磨削液效果。喷雾冷却法是以的压缩空气，通过图3.13所示的喷雾装置使磨削液雾化。从直径1.5-3mm的喷嘴高速喷射到磨削区。高速气流带着雾化成微小液滴的磨削液渗透到磨削区，在高温下迅速汽化吸收大量热，从而获得良好的冷却效果。,图3.13 喷雾冷却装置原理图 1-调节螺钉；2-虹吸管；3-软管；4-调节杆；5-喷嘴,3.2.

36、3 磨削质量和裂纹控制,为了获得在尺寸精度、形状精度及表面质量等方面都十分满意的机械零件，从毛坯开始起就进行一系列复杂的机械加工过程。磨削加工一般安排在最后的终加工阶段。如前所述，磨削加工可使金属零件获得125的表面粗糙度值和IT5级的尺寸精度。磨削质量可从以下几方面来讨论：加工表面的几何特征，如表面粗糙度、加工表面缺陷。加工表面层材料的性能，如反映表面层的塑性变形与加工硬化、表面层的残余应力及表面层的金相组织变化等方面的物力学性能及一些特殊性能。,3.2.3.1 磨削加工后的表面粗糙度(1)几何因素的影响 磨削表面是由砂轮上大量的磨粒刻划出的大数极细的沟槽形成的。单纯从几何因素考虑，可以认为

37、在单位面积上刻痕越多，即通过单位面积的磨粒数越多，刻痕的等高性越好，则磨削表面的粗糙度值越小。磨削用量对表面粗糙度的影响 砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多因而工件表面的粗糙度值就越小；工件速度对表面粗糙度的影响刚好与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时、单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，表面粗糙度值将增加；砂轮的纵向进给减小、工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨削表面的粗糙度值将减小。,砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响 砂轮的粒度不仅表示磨粒的大小，而且还表示磨粒之间的距离。如表3.4所示。磨削金属时，参与磨削的每一颗磨粒都会在加工表面上刻出跟它的大小和形状

38、相同的一道小沟。在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大，参加磨削的磨粒越多、表面粗糙度值就越小。表3.4 磨粒尺寸和磨粒之间的距离,修整砂轮的纵向进给量对磨削表面的粗糙度影响甚大。用金刚石修整砂轮时，金刚石在砂轮外缘上打出一道螺旋槽，其螺距等于砂轮转一转时金刚石笔在纵向的移动量。砂轮表面的不平整在磨削时将被复映到被加工表面上。修整砂轮时、金刚石笔的纵向进给量越小，砂轮表面磨粒的等高性越好，被磨工件的表面粗糙度值就越小。小表面粗糙度值磨削的实践表明，修整砂轮时，砂轮转一转金刚石笔的纵向进给量如能减少到0.01mm，磨削表面粗糙度值就可达 0.11-0.2。(2)物理因素的影响一表面层金属的塑性变

39、形。砂轮的磨削速度远比一般切削加工的速度高得多，且磨粒大多为负前角、磨削比压大，磨削区温度很高，工件表层温度有时可达900、工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此、磨削过程的塑性变形要比般切削过程大得多。,由于塑性变形的缘故，被磨表面的几何形状与单纯根据几何因素所得到的原始形状大小相同。在力因素和热因素的综合作用下，被磨工件表层金属的晶粒在横向上被拉长了，有时还产生细微的裂口和局部的金属堆积现象。影响磨削表层金属塑性变形的因素，往往是影响表面粗糙度值的决定因素。磨削用量 砂轮速度越高，就有可能使表层金属塑性变形的传播速度大于切削速度，工件材料来不及变形，致使表层金属的塑性变形减小，磨削表面的粗糙

40、度值将明显减小；工件速度增加，塑性变形增加，表面粗糙度值将增大；磨削深度对表层金属塑性变形的影响很大。增大磨削深度，塑性变形将随之增大，被磨的表面粗糙度值会增大。砂轮的选择 砂轮的粒度、硬度、组织和材料的选择不同，都会对被磨工件表层金属的塑性变形产生影响，进而影响表面粗糙度。,单纯从几何因素考虑，砂轮粒度越细，磨削的表面粗糙度值越小。但磨粒太细时，不仅砂轮易被磨削堵塞，若导热情况不好，反而会在加工表面产生烧伤等现象，使表面粗糙度值增大。因此，砂轮粒度常取4660号。砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下从砂轮上脱落的难易程度。砂轮选得太硬磨粒不易脱落，磨钝了的磨粒不能及时被新磨粒所替代，从而使表面粗

41、糙度值增大；砂轮选得太软磨粒容易脱落，磨削作用减弱，但会使表面粗糙度值增大。通常选中软砂轮。砂轮的组织是指磨粒结合剂和气孔的比例关系。紧密组织中的磨粒比例大气孔小，在成形磨削和精密磨削时，能获得高精度和较小的表面粗糙度值。疏松组织的砂轮不易堵塞，适于磨削软金属、非金属软材料和热敏材料(磁钢、不锈钢、耐热钢等)，可获得较小的表面粗糙度值。一般情况下、应选用中等组织的砂轮。,砂轮材料的选择也很重要。砂轮材料选择适当，可获得满意的表面粗糙度值。氧化物刚玉砂轮适用于磨削钢类零件；碳化物(碳化硅、碳化硼)砂轮适于磨削铸铁、硬质合金等材料；用高硬磨料(人造金刚石、立方氮化硼)砂轮磨削可获得极小的表面粗糙度

42、值，但加工成本很高。此外，磨削液的作用十分重要。对于磨削加工来说、由于磨削温度很高，热因素的影响往往占主导地位。因此，必须采取切实可行的措施，将磨削液送入磨削区。,3.2.3.2 磨削加工后的表面层金属力学物理性能 由于受到磨削力和磨削热的作用，表面金属层的力学物理性能会产生很大变化，最主要的变化是表层金属显微硬度的变化，金相组织的变化和在表层金属中产生残余应力。(1)加工表面层的冷作硬化 机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，统称为冷作硬化(或称为强化)。表层金属冷作硬化的结果会增大金属变形的阻力，减小金属的塑性，金属的物

43、理性质(如密度、导电性、导热性等)也有所变化。金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件金属的冷硬结构本能地向比较稳定的结构转化。这些现象统称为弱化。机械加工过程中产生的切削热将使金属在塑性变形中产生的冷硬现象得到恢复。由于金属在机械加工过程中同时受到力因素和热因素的作用，机械加工后表面层金属的最后性质取决于强化和弱化两个过程的综合。,评定冷作硬化的指标有下列三项：表层金属的显微硬度HV；硬化层深度h()；硬化程度N：N=(HV-HVo)/HVo100%式中 工件内部金属原来的硬度。影响磨削加工表面冷作硬化的因素有下列几项：工件材料性能的影响 分析工件材料对磨削表面冷作硬化的

44、影响，可以从材料的塑性和导热性两个方面着手进行。磨削高碳工具钢T8，加工表面冷硬程度平均可达60-65个别可达100；而磨削纯铁时，加工表面冷硬程度可达75-80，有时可达l40-150。其原因是纯铁的塑性好、磨削时的塑性变形大，强化倾向大；此外，纯铁的导热性比高碳工具钢高，热不容易集中于表面，热化倾向小。,磨削用量的选择 加大磨削深度，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面冷硬倾向增大。加大纵向送给速度，每颗磨粒的切屑厚度随之增大，磨削力加大，冷硬增大，但提高纵向进给速度，有时又会使磨削区产生较大的热量而使冷硬减弱。加工表面的冷硬状况要综合考虑上述两种因素的作用。提高工件转速，会缩短砂

45、轮对工件热作用的时间，使软化倾向减弱，因而表面层的冷硬程度增大。提高磨削速度，每颗磨粒切除的切削厚度变小，减弱了塑性变形程度；磨削区的温度增大，弱化倾向增大。所以，高速磨削时加工表面的冷硬程度总比普通磨削时低。,砂轮粒度的影响 砂轮的粒度越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。冷作硬化的测量主要是指表面层的显微硬度HV和硬化层深度h的测量，硬化程度N可由表面层的显微硬度HV和工件内部金属原来的显微硬度HV0 通过公式计算求得。表面层显微硬度HV的常用测定方法是用显微硬度计来测量，它的测量原理与维氏硬度计相同，都是采用顶角为1360的金刚石压头在试件表面上打印痕，根据印痕的大小决定硬度值。所不

46、同的只是显微硬度计所用的载荷很小，般都只在2N以内(维氏硬度计的载荷约为50-1200N)，印痕极小。加工表面冷硬层很薄时，可在斜截面上测量显微硬度。对于平面试件可按图3.14磨出斜面，然后逐点测量其显微硬度，并将测量结果绘制如图3.14(b)所示图形。斜切角常取为030-230。采用斜截面测量法，不仅可测量显微硬度，还能较准确地测量出硬化层深度h。如图3.14(a)可知,（a）（b）图3.14 在斜截面上测量显微硬度(2)表层金属的金相组织变化 机械加工过程中，在工件的加工区及其邻近的区域，温度会急剧升高，当温度升高到超过工件材料金相组织变化的临界点时，就会发生金相组织变化。在磨削加工中，不

47、仅磨削比特别大且磨削速度也特别高，切除金属的功率也很大。加工中所消耗能量的绝大部分都要转化为热，这些热量中的大部分(约80)将传给被加工表面，使工件表面具有很高的温度。对于已淬火的钢件，很高的磨削温度往往会使表面层金属的金相组织产生变化，使表层金属硬度下降，使工件表面呈现氧化膜颜色，这种现象称为磨削烧伤。磨削加工是一种典型的容易产生加工表面金相组织变化的加工方法，在磨削加工中若出现磨削烧伤现象，将会严重影响零件的使用性能。,磨削淬火钢时，在工件表面层形成的瞬时高温将使表层金属产生以下三种金相组织变化：如果磨削区的温度末超过淬火钢的相变温度(碳钢的相变温度为720)。但已超过马氏体的转变温度(中

48、碳钢为300)，工件表层金属的马氏体将转化为硬度较低的回火组织(索氏体或马氏体)，称为回火烧伤。如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属会出现二次淬火马氏体组织。硬度比原来的回火马氏体高；在它的下层因冷却较慢出现了硬度比原来的回火马氏体低的回火组织（索氏体或马氏体)，这称为淬火烧伤。如果磨削区温度超过了相变温度而磨削过程又没有冷却液，表层金属将产生退火组织，表层金属的硬度将急剧下降，这称为退火烧伤。,改善磨削烧伤的工艺途径：a正确选择砂轮 磨削导热性差的材料容易产生烧伤现象。应特别注意合理选择砂轮的硬度、结合剂和组织。硬度太高的砂轮，砂轮钝化后不易脱落，容易产生烧伤。为避

49、免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有定弹性的结合剂(如橡胶、树脂结合剂)也有助于避免烧伤现象的产生。此外，为了减少砂轮与工件之间的摩擦热，在砂轮的孔隙内浸入石蜡之类的润滑物质，对降低磨削区的温度，防止工件烧伤也有一定效果。,b合理选择磨削用量 现以平磨为例来分析磨削用量对烧伤的影响。磨削深度 对磨削温度影响极大，从减轻烧伤的角度考虑，不宜过大。加大横向进给 对减轻烧伤有好处，为了减轻烧伤，宜选用较大的。加大工件的回转速度，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度 的影响相比小得多；且 越大，热量越不容易传入工件内层，具有减小烧伤层深度的作用。但增大工件速度 会使表面粗糙度值增大，为了弥补这

50、一缺陷，可以相应提高砂轮速度。实践证明，同时提高砂轮速度 和工件速度 可以避免烧伤。从减轻烧伤而同时又尽可能地保持较高的生产率考虑，在选择磨削用量时应选用较大的工件速度 和较小的磨削深度。C改善冷却条件 磨削时磨削液若能直接进入磨削区对磨削区进行充分冷却，将有效地防止烧伤现象的产生。因为水的比热容和汽化热都很高，在室温条件下1mL水变成100 以上的水蒸气至少能带走2512J的热量；而磨削区热源每秒钟的发热量在般磨削用量下都在4187J以下。据此可椎测，只要设法保证在每秒时间内确有2mL的冷却水进入磨削区，将有相当可观的热量被带走就可以避免产生烧伤。,（3）表面金属的残余应力 机加工时，在加工