机械制造技术基础课件4.4磨削加工.ppt

,第七章 磨削加工,本章要点,磨削加工应用及特点,磨具的特征和选用,磨削加工类型,,,,,先进磨削技术,第七章 磨削加工,机械制造基础,,7-1 概述,7-1.1 磨削加工的应用和特点,磨削加工的应用,磨削加工是用磨具（如砂轮）以较高的线速度对工件表面进行精加工和超精加工的切削加工方法，常见的磨削加工方式如图7—1所示。,7-1.1 磨削加工的应用和特点,可以完成内外圆柱面、平面、螺旋面、花键、齿轮、导轨和成形面等各种表面的精加工。它除能磨削普通材料外，尤其适用于—般刀具难以切削的高硬度材料的加工，如淬硬钢、硬质合金和各种宝石等。磨削加工精度可达IT6－IT4，表面粗糙度Ra值可达1.25～0.02 m。,7-1.1 磨削加工的应用和特点,磨削加工的特点,能经济地获得高的加工精度和小的表面粗糙度。,砂轮磨料具有很高的硬度和耐热性，因此，能够磨削一些硬度很高的金属和非金属材料。,磨削速度大、磨削温度高。磨削时砂轮的圆周速度可达35～50m/s ，温度可达800～1000C，有时甚至高达1500C。,径向磨削分力较大。,砂轮有自锐性。,磨削一般用于精加工，随着磨削工具和机床的发展，现在磨削已可作为从粗加工到超精加工，范围很广的加工方法。,7-1.2 磨削运动和磨削用量,由于砂轮转动只起基本切削作用，而不参与形成工件表面，因此还需有相应的形成母线及导线的形成运动和切入运动。以外圆纵向磨削为例其磨削用量相应有：c，w、fa、ap四项。,磨削速度c ：一般情况砂轮的圆周速度不超过35m/s，高速砂轮的c为50～80m／s。,工件圆周进给速度w ：,,轴向进给量fa ：一般粗磨钢件时fa=(0.4～0.6)B，精磨钢件时fa=(0.2～0.3)B，式中B为砂轮宽度。,径向进给量fr（磨削深度aP）：粗磨时取aP=0.01~0.06mm，精磨时取aP =0.005~0.02mm。,第七章 磨削加工,机械制造基础,,7-2 磨具的特征和选用,7-2.1 普通磨具,1、普通磨具的类型 所谓普通磨具是指用普通磨料制成的磨具，如刚玉类磨料、碳化硅类磨料和碳化硼磨料制成的磨具。普通磨具按照磨料的结合形式分为固结磨具、涂附磨具和研磨膏。根据不同的使用方式，固结磨具可制成砂轮、油石、砂瓦、磨头、抛磨块等；涂附磨具可制成纱布、砂纸、砂带等。研磨膏可分成硬膏和软膏。,7-2.1 普通磨具,,2. 砂轮的特性及其选择 砂轮是用各种类型的结合剂把磨料粘合起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成的，具有很多气孔，用磨粒进行切削的磨削工具。因此，砂轮由磨料、结合剂及气孔所组成。它的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬度和组织五个因素所决定。,7-2.1 普通磨具,（1）磨料 普通砂轮所用的磨料主要有刚玉类、碳化硅类和高硬磨料类，按照其纯度和添加的元素不同，每—类又可分为不同的品种。表7—1列出了常用磨料的名称、代号、主要性能和用途。,7-2.1 普通磨具,（2）粒度 粒度是指砂轮中磨粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类，磨料颗粒尺寸大于40m的称为磨粒；磨料尺寸小于40m称为微粉。,7-2.1 普通磨具,（3）结合剂 砂轮的结合剂将磨粒粘合起来，使砂轮具有一定的强度、气孔、硬度和抗腐蚀、抗潮湿等性能。常用结合剂的名称、代号、性能和适用范围见表7—3。,7-2.1 普通磨具,（4）硬度 砂轮的硬度是指磨粒在外力作用下从其表面脱落的难易程度。也反映磨粒与结合剂的粘固程度。砂轮硬表示磨粒难以脱落，砂轮软则与之相反。,砂轮硬度的选用原则是：工件材料越硬，应选用越软的砂轮。磨削接触面积较大时，磨粒较易磨损，应选用较软的砂轮。半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮；但精磨和成形磨削时，为了较长时间保持砂轮轮廓，需用较硬的砂轮。,7-2.1 普通磨具,（5）组织 砂轮的组织系指磨粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系，用来表示结构紧密和疏松程度。砂轮的组织用组织号的大小来表示，把磨粒在磨具中占有的体积百分数(即磨粒率)称为组织号。砂轮的组织号及使用范围见表7—5。,7-2.1 普通磨具,3. 砂轮的形状、尺寸与标注 为了适应不同类型的磨床上磨削各种形状工件的需要，砂轮有许多形状和尺寸。常见的砂轮形状、代号、用途见表7—6。,,7-2.1 普通磨具,砂轮的标记印在砂轮的端面上，其顺序是：形状代号、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂、线速度。例如：平形砂轮，外径300mm，厚度50mm，孔径75mm，棕刚玉，粒度60，硬度L，5号组织，陶瓷结合剂，最高工作线速度35 m/s的平形砂轮，其标记为： 砂轮 1-300×50×75-A60L5-V-35 m/s GB 2484-94,7-2.2 超硬磨具,超硬磨具是指用金刚石、立方氮化硼等以显著高硬度为特征的磨料制成的磨具，可分为金刚石磨具、立方氮化硼磨具和电镀超硬磨具。超硬磨具一般由基体、过渡层和超硬磨料层三部分组成，磨料层厚度为1.5～5 mm，主要由结合剂和超硬磨粒所组成，起磨削作用。,7-2.2 超硬磨具,1、金刚石砂轮 主要用于磨削超高硬度的脆性材料，如硬质合金、宝石、光学玻璃和陶瓷等，不宜用于加工铁族金属材料。,2、立方氮化硼砂轮 由于立方氮化硼砂轮的化学稳定性好，加工一些难磨的金属材料，尤其是磨削工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金钢等具有独特的优点。,3. 立方氮化硼油石,4. 电镀超硬磨具 电镀超硬磨具的结合剂强度高，磨料层薄，砂轮表面切削锋利，磨削效率高，不需修整，经济性好。主要用于形状复杂的成型磨具、小磨头、套料刀、切割锯片、电镀铰刀以及用于高速磨削方式之中。,第七章 磨削加工,机械制造基础,,7-3 磨削加工类型,7-3.1 外圆磨削,1. 外圆磨削的加工类型,外圆磨削是用砂轮外圆周面来磨削工件的外回转表面的磨削方法。如图7—2所示，它不仅能加工圆柱面，还能加工圆锥面、端面、球面和特殊形状的外表面等。磨削精度等级一般可达 IT6～IT5，表面粗糙度Ra＝1.25～0.08m。,7-3.1 外圆磨削,2. 外圆磨削方式,外圆磨削按照不同的进给方向可分为纵磨法和横磨法两种方式。,（1）纵磨法,（2）横磨法,采用纵磨法每次的横向进给量少，磨削力小，散热条件好，并且能以光磨次数来提高工件的磨削精度和表面质量，是目前生产中使用最广泛的一种方法。,要求砂轮的宽度比工件的磨削宽度大，一次行程就可完成磨削加工的全过程，所以加工效率高，同时它也适用于成形磨削。,7-3.1 外圆磨削,3. M1432B型万能外圆磨床,它主要用于磨削IT7~IT6级精度的内外圆柱、圆锥表面，阶梯轴的轴肩,端平面等，磨削表面粗糙度Ra值为1.25~0.08m。,7-3.2 内圆磨削,1. 内圆磨削方法,普通内圆磨削方法见图7－4，砂轮高速旋转作主运动nc，工件旋转作圆周进给运动nw，同时砂轮或工件沿其轴线往复作纵向进给运动fa，工件沿其径向作横向进给运动fr。磨削精度等级一般可达IT7~IT6，表面粗糙度Ra＝1.25～0.63m。,7-3.2 内圆磨削,2. 内圆磨削机床,7-3.2 内圆磨削,3. 内圆磨削特点,与外圆磨削相比，内圆磨削有以下一些特点： （1）磨孔时砂轮直径受到工件孔径的限制，直径较小。小直径的砂轮很容易磨钝，需要经常修整或更换。 （2）为了保证正常的磨削速度，小直径砂轮转速要求较高，目前生产的普通内圆磨床砂轮转速一般为10000～24000 r/min，有的专用内圆磨床砂轮转速达80000～100000 r/min。 （3）砂轮轴的直径由于受孔径的限制比较细小，而悬伸长度较大，刚性较差，磨削时容易发生弯曲和振动，使工件的加工精度和表面粗糙度难于控制，限制了磨削用量的提高。,7-3.3 平面磨削,平面磨削精度等级一般可达IT7~IT5，表面粗糙度Ra=0.8~0.2m。,1. 平面磨削方式,（1）周边磨削 生产率低、加工精度较高。,（2）端面磨削 生产率高、磨削质量比周边磨削时较差。,7-3.3 平面磨削,2. 平面磨削机床,（1）卧轴矩台平面磨床,7-3.3 平面磨削,（2）立轴圆台平面磨床,7-3.4 无心磨削,无心磨削是工件不定中心的磨削，主要有无心外圆磨削和无心内圆磨削两种方式。无心磨削不仅可以磨削外圆柱面、内圆柱面和内外锥面，还可磨削螺纹和其他形状表面。磨削精度等级一般可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra＜1.6m。,1. 工作原理 无心外圆磨削与普通外圆磨削方法不同，工件不是支承在顶尖上或夹持在卡盘上，而是放在磨削轮与导轮之间，以被磨削外圆表面作为基准，支承在托板上，如图7—9所示。,（一）无心外圆磨削,7-3.4 无心磨削,实践证明：工件中心越高，越易获得较高圆度，磨削过程越快。但高出距离不能太大，否则导轮对工件的向上垂直分力会引起工件跳动。一般取h＝(0.15—0.25)d，d为工件直径。,7-3.4 无心磨削,7-3.4 无心磨削,2. 磨削方式,(1)贯穿磨削法(纵磨法),使导轮轴线在垂直平面内倾斜一个角度，这样把工件从前面推人两砂轮之间，它除了作圆周进给运动以外，还由于导轮与工件间水平摩擦力的作用，同时沿轴向移动，完成纵向进给。贯穿磨削适用于磨削不带凸台的圆柱形工件，磨削表面长度可大于或小于磨削轮宽度。磨削加工时一个接一个连续进行，生产率高。,7-3.4 无心磨削,（2）切入磨削法 先将工件放在托板和导轮之间，然后使磨削砂轮横向切入进给，来磨削工件表面。这时，导轮中心线仅需偏转一个很小的角度(约30)，使工件在微小轴向推力的作用下紧靠挡块，得到可靠的轴向定位 。,7-3.4 无心磨削,3. 特点与应用范围,(1)在无心外圆磨床上磨削外圆，工件不需打中心孔，装卸简单省时；用贯穿磨削时，加工过程可连续不断运行；工件支承刚性好，可用较大的切削用量进行切削，而磨削余量可较小（没有因中心孔偏心而造成的余量不均现象），故生产效率较高。如果配备适当的自动卸料机构，可实现自动化。,(2)但无心磨削调整费时，只适于成批及大量生产；又因工件的支承及传动特点，只能用来加工尺寸较小，形状比较简单的零件。,(3)此外无心磨削不能磨削不连续的外圆表面，如带有键槽、小平面的表面，也不能保证加工面与其他被加工面的相互位置精度。,7-3.4 无心磨削,（二）无心内圆磨削,在无心内圆磨床上加工的工件，通常是那些不宜用卡盘夹紧的薄壁、而其内外同心度要求又较高的工件，如轴承环类型的零件。,由于所磨零件的外圆表面已经精加工了，所以，这种磨床具有较高的精度，且自动化程度也较高。它适用于大批大量生产中。,除上述几种磨削类型外，实际生产中常用的还有螺纹磨削、齿轮磨削等方法，在大批大量生产中，还有许多如曲轴磨削、凸轮轴磨削等专门化和专用磨削方法。,第七章 磨削加工,机械制造基础,,7-4 先进磨削技术,7-4.1 精密和超精密磨削,1.精密磨削 是指加工精度为1～0.1m、表面粗糙度达到Ra=0.2～0.01m的磨削方法，而强调表面粗糙度Ra= 0.01 m以下，表面光泽如镜的磨削方法，称为镜面磨削。,精密磨削主要靠砂轮的精细修整，使磨粒在具有微刃的状态下进行加工而得到小的表面粗糙度值。微刃的数量很多且具有很好的等高性，因此能使被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨削的阶段，在微切削、滑挤、抛光、摩擦等作用下使表面获得高精度。,因此，在实际工作中，应选用具有高几何精度、高横向进给精度、低速稳定性好的精密磨床，用粗粒度砂轮(46＃～80＃)，经过精细修整，无火花磨削5～6次单行程，再用细粒度砂轮(240＃～W7)，无火花磨削5～15次，以充分发挥磨粒微刃的微切削作用和抛光作用。,7-4.1 精密和超精密磨削,2.超精密磨削,是指加工精度达到0.1m级、而表面粗糙度在Ra0.01 m以下的磨削方法。加工精度为10-2～10-3m时为纳米工艺。超精密加工的关键是最后一道工序要从工件表面上除去一层小于或等于工件最后精度等级的表面层。,实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制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，以及磨削环境的净化与冷却方式等。。超精密磨削多使用金刚石或CBN（立方氮化硼）微粉磨具。,精密块规、半导体硅片等零件的最后工序常采用超精密研磨，而软粒子研磨和抛光是属于超精密的光整工艺，它通常包括弹性发射加工和机械化学研磨或抛光等两种加工方法。,7-4.2 高效磨削,1. 高速磨削,高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削去除率和磨削质量的工艺方法。一般砂轮线速度高于45 m／s就属高速磨削。,过去由于受砂轮回转破裂速度的限制，以及磨削温度高和工件表面烧伤的制约，高速磨削长期停滞在80 m/s左右。随着CBN磨料的广泛应用和高速磨削机理研究的深入，现在工业上实用磨削速度已达到150～200 m/s，实验室中达到400 m/s，并表现出惊人优异的磨削效果。,7-4.2 高效磨削,(1)高速磨削特点,1）生产率高(一般可提高30％～300％) 。砂轮速度提高后，单位时间进人磨削区的磨粒数成比例地增加，如果还保持每颗磨粒切去切屑厚度与普通磨削相同，则进给量可以成比例加大，磨削时间相应缩短。,2）提高砂轮耐用度和使用寿命（一般可提高75％～150％)。砂轮速度提高后，若进给仍与普通磨削相同，则每颗磨粒切去的切屑厚度减小，每颗磨粒承受的切削负荷下降，磨粒切削能力相对提高，每次修整后砂轮可以磨去更多的金属。,3）能减少工件表面粗糙度值，提高加工精度。因为每颗磨粒切削厚度变小，表面切痕深度浅，表面粗糙度值小，另外作用在工件上的法向磨削力也相应减小，所以又可提高加工精度。,7-4.2 高效磨削,(2)高速磨削对砂轮和机床有如下特殊要求,1）必须注意提高砂轮的强度，按切削速度规范选用砂轮，以免砂轮因离心力而破裂。 2）砂轮主轴的轴承间隙适当加大，冷测为0.04～0.05mm，热态间隙为0.03mm左右。砂轮主轴润滑油采用粘度小的油（汽轮机油加90％煤油）。 3）砂轮电动机功率应提高1.5～3倍，防止振动，高速旋转部件需经仔细平衡，机床静刚度和动刚度要好。 4）砂轮的防护罩应加厚，开口角度减小，以确保安全。,5）改善切削液供给方式。高速磨削时，磨削温度极高，而砂轮周围高速回转形成一股强大气流，切削液不易注入磨削区，为避免工件表面烧伤，应增加切削液的流量和压力，并采用特殊喷嘴。另外还可采用多孔性砂轮（孔隙约占34％～70％），冷却液不是直接注入磨削区，而是从砂轮内部在离心力作用下送人磨削区。,7-4.2 高效磨削,7-4.2 高效磨削,2. 强力磨削,强力磨削又称缓进给大切深磨削，也称深槽磨削或蠕动磨削。它是以较大的磨削深度（可达30 mm）和很低的工作台进给（3～300 mm／min）进行磨削。经一次或数次磨削即可达到所要求的尺寸精度，适于磨削高强度、高韧性材料，如耐热合金、不锈钢等的型面、沟槽等。,目前国外还出现了一种称为HEDG（High Efficiency Deep Grinding）的超高速深磨技术。它在磨削工艺参数上集超高速（达150～250 m/s）、大切深（0.1～30mm）、快进给（0.5～10m／min）于一体，采用立方氮化硼砂轮和计算机数控，其工效已大大高于普通的车削或铣削。,由于强力磨削功率远大于普通磨削，故应增大电机功率，相应地提高砂轮主轴的刚性和精度。必须采用高压力、大流量的冷却和冲洗措施，要求砂轮具有足够的容屑空间，宜选用大气孔或组织疏松多孔的砂轮。,7-4.3 砂带磨削,1. 砂带磨削设备及砂带,砂带磨削设备比较简单，可自行设计制造或将购买的砂带磨头安装到通用机床刀架上进行磨削加工，亦可在专用砂带磨床上进行磨削。,7-4.3 砂带磨削,2. 砂带磨削特点,1）弹性磨削。不易使零件表面产生“变形”和烧伤等现象，能获得较低的表面粗糙度值(Ra=0.2～0.04m)。,2）冷态切削。采用高速砂带磨削，工件吸收的热量不到10％，磨过的表面仍然较冷，且磨粒容屑空间大，散热条件好。,3）切速稳定。接触轮(压轮)长时间运转磨损极小，所以砂带在整个有用寿命中，可以长期以恒定速度进行切削。,4）效率高。由于砂带构造上的特点，切削时几乎每颗磨粒均参加切削活动，效率比一般磨削高5～20倍。,5）适应性强。可以磨削圆柱面、圆锥面、长管及线材的外圆，各种平面、曲面、特殊型面、部分齿轮表面乱螺杆等。,其缺点是砂带消耗较快，砂带磨削不能加工小直径孔、盲孔，也不能加工阶梯外圆和齿轮。,7-4.4 磨削自动化,1. 数控磨床,数控磨床在20世纪90年代才真正进入普及实用期。利用磨削加工中心(GC)具有的数控功能，进行三轴同时控制，可磨削加工三维复杂表面，实现磨削加工的复合化与集约化，其主要技术内容如下：,(1)控制功能：除具有其他数控设备高性能的数控系统以外，高精密伺服技术是重要环节，采用完全数字式伺服系统使机床在高精度高速(如：56 m／min)送进时达到0.1 m的控制。该类机床的分辨率(最小输入单位)一般小于0.001 mm。,7-4.4 磨削自动化,(2)机械结构：①砂轮轴。主轴高速化、高刚性、高精度化。磨床主轴的高速化采用空气轴承及磁力轴承支承，特别是磁力轴承的优点在超高速磨削中引人注目。②导轨。高性能的磨床导轨主要采用油静压导轨和空气静压导轨。,(3)热变形对策：热变形对策是进行高精度化、系统自动化磨削加工中的主要技术，一般采用减少发热、隔离、热对称结构、应用低膨胀材料、环境恒温控制、控制软件等措施。,(4)砂轮、工件的自动交换：包括砂轮(工具)高精度自动交换，砂轮自动修整和整形技术，工具寿命判定及磨损补偿；工件高精度自动交换。,7-4.4 磨削自动化,2、磨削加工智能化,磨削过程是一个多变量影响过程，对其信息的智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要基础。目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、砂轮及磨削参数合理选择、磨削过程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面。,近几年来，磨削过程建模、模拟和仿真技术有很大的发展，并已达到实用水平。在磨削过程智能监测方面，声发射技术应用较多，它与力、尺寸、表面完整性微观参数的测量相结合，通过“中性网络”和“模糊推理”对磨削过程已能提取全面的在线信息，已用于过程监测与控制。此外，神经网络系统、自适应控制、磁力轴承轴心偏移实施补偿、分子动力学计算机仿真等均有一定的发展。,7-4.4 磨削自动化,