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1、高效及精密磨削技术高速磨削缓进给磨削高速深切磨削精密、高精密、超精密磨削工艺镜面磨削加工工艺电解磨削其他高效磨削工艺简介.1 高速磨削u 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45m/s时就属于高速磨削。u 高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变,日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造 技术之一。国际生产工程学会( CIRA)将高速磨削技 术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。u 高速磨削的优点 磨粒的未变形切屑厚度减小，磨削力下降。 砂轮磨损减少，提高砂轮寿命。 在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下，加大磨削 深度或工件的速度，提高
2、磨削效率。 切削变形程度小，磨粒残留切痕深度减小，磨削厚度变 薄，还可以改善表面质量及减小尺寸和形状误差。高速磨削离心力大，易导致砂轮破裂，需要开发高强度砂轮,要求机床有足够功率、刚度及精度和安全防护措 施。.1.1 高速磨削原理 高速磨削是提高磨削精度、表面质量的有效方法，又是增 加磨削效率的有效方法。下面对高速磨削过程中的基本问题 作一讨论。1. 未变形磨削层厚度及切屑长度在外圆切入磨削时，单颗磨粒末变形切屑长度ls及未变形 切屑的平均厚度 计算式为:从上述二式中可知， 增加， 、 均增加(因 小，所以 影响程度不大)， 增加, 、 均下降。在去除一定工件体积时，增加 ，单位时间内通过磨削
3、区的磨粒数增加，所以未变形切削厚度减少。2. 磨削力砂轮速度 及单位宽度金属磨除率 对单位磨削宽度 上磨削力（ ）的影响如图8-1所示。由图可知，在 金属去除率 一 定时， 提高， 均下降，系统变形减 少。3. 磨削热在磨削中工件受到磨削热的影响，最高温度发生在工件表面上。工件表面上最高温度的近似计算公式如下：n 图8-4给出了工件速度vw、砂 轮速度vs对工件表面温度的影响 。由图中可以看出，vw在 40m/min前，增大vw 工件表面温 度显著下降。超过40m/min后， 再增大vw，工件表面温度几乎不 变化。vs增大，其工件表面温度 变化不大。但vw 越过40m/min时，再增大时，未变
4、形磨削层厚度 增大，因而使磨削力增大，则砂 轮磨粒破碎，脱落会变得严重起 来，砂轮磨损加剧，导致工件表 面质量恶化。n 综上所述，可以认为存在着工件速度的临界速度。其原因是：当q80时，砂轮处于磨碎与脱落的范围，使总磨 削能减少。当q120时，砂轮自锐作用较差，因而使磨削温度上升。但有的研究认为，在高速磨削机理研究中发现 存在着跳过引起工件热损伤的临界速度范围。可以参考后 面HEDG关于vs、vw对工件温度的影响。4砂轮磨损与表面粗糙度 n 在普通磨削中砂轮磨损的主要原因是磨粒磨耗磨损 及磨粒的破损与脱落。高速磨削中，由于未变形磨屑层 厚度较小，磨粒不易破损与脱落，砂轮耐用度增加，磨 削力下降
5、，磨削表面质量好。u 在一定金属切除率条件下，vs增加，砂轮径向磨损量降低，表面粗糙度得到改善，发生颤振的金属磨除体 积vw增大，提高了磨削效率。vs增加，切屑变薄，则工件表面上磨痕深度变小，表面上残留凸峰变小，表面粗 糙度得到改善。.1.2 高速磨削砂轮1. 高速磨削砂轮应力分析u 磨削中在砂轮上的作用力有磨削力、热应力、夹紧力和离心 力。高速磨削中造成砂轮破损的 主要因素是砂轮自身的离心力。 离心力与砂轮速度vs的平方成比例增大。受离心力影响，砂轮受 到很大应力。应力r ,t的计算式如下： u 一般高速砂轮宽度与砂轮半径之比 bs/rs0.5 ，可用上 两式计算r 和t 。u右图给出了砂轮
6、的应力分布情况 ，从图中看出 t r，对于砂轮因离心力破坏而言，力t的大小是 非常重要的。n不同的 比值，砂轮应力分布 不同，经研究应力分部有如下特点 ：(1)无孔砂轮，在砂轮中心处， t =r图8.6 砂轮应力分布情 况(2)在ri 0 时，切向力 总足大于径向力，t的最大值在砂轮孔壁处。 (3)在相同的任意半径处，K值越大的砂轮，其径向应力 越大。应尽量采用K值小的砂轮n 经过上述分析可知，离心力引起砂轮破坏，应主要考虑切向应力，砂轮孔壁处应有较大的强度，所以可根据此 采取补强剂(如树脂)，以增强砂轮孔壁处的强度，以经受切向应力的作用。最大切向应力达到砂轮的单向抗拉强度 时，砂轮即破裂。2
7、提高高速砂轮轮强度的途径主要途径是提高砂轮结轮结 合剂剂强度，以提高砂轮轮的抗拉强度，减少砂轮轮孔径，对对砂轮轮孔壁处进处进 行补补强。(1) 提高砂轮结轮结 合剂剂强度 在陶瓷结结合剂剂中加入硼、 锂锂、钡钡、钙钙等可使结结合剂剂强度提高。(2)补强砂轮 图8-6是各种补强砂 轮，图a是砂轮内部增加金屑丝或 玻璃纤维网，图b是增加砂轮孔壁 的厚度，图c是孔区使用细粒磨削 ，图d是砂轮孔区浸渍树脂，图e是孔区镶嵌金属环。3. 高速磨削的磨削液及供给方式 (1)磨削液 常用水基及油基磨削液，在同一砂轮速度下，油基磨削液的金属去除率高于水基磨削液。砂轮速 度vs愈高，油基的效果愈好。但油基磨削液冷
8、却性差，在高速磨削中易产生油雾及着火，从工件温升角度考虑 ，应避免与防止工件表面烧伤。所以， 工件表面温度应 低，要求磨削液的冷却作用要足够。一般将油与水混合，采用水包油或油包水两种形式，水包油形式是以水为分散相，油为连续相；油包水是 以油为分散相，水为这续相。通常将26的水混入油中形成油包水的乳化液。油包水的磨削液的磨削比高，表 面粗糙度得到改善。(2)供给方式 高速磨削时，砂轮回转表面生成较强气流。经测试，砂轮两端部气流体压力最大。砂轮速度提高一 倍，则气流压力将提高2.53倍。较强的气流不能使磨削液进入磨削区。解决这一问题可采用气流挡板、高压磨削液及加大磨削液流量等 办法。气流挡板示意图
9、如图8-7所示，将其安装喷油嘴上方，使气流经 挡板改变流动方向，破坏气流流入 磨削区。气流挡板的上挡板及两侧 挡板均可调。n 用加大磨削液压力的方法，可以加大磨削液的流速，冲破磨削区砂轮表面的气膜，达到冷却润滑作用。加大磨削液压力，可提高金属磨除率及磨削比，工件表面温升降 低。n 磨削液流量增大后，使磨削区温度降低，可提高金属磨除率及磨削比，改善磨削质量。但随磨削液流量增大， 砂轮与工件之间产生的楔形压力增加，使磨削功率增大。.2 缓进给磨削u 缓进给磨削是一种高效的磨削加工工艺方法，它是采用增大磨削深度、降低进给速度、形成砂轮与工件 有较大的接触面积As（As=lsap）及高的速度比q（ q
10、=vs/vw），达到高的金属磨除率zw及精度、粗糙度要求高的目的。 u 缓进给磨削也称作深切缓进给强力磨削或蠕动磨削。在平面磨削中占有主导地位；现在已成为一种加工 韧性材料（如镍基合金）和淬硬材料的有效方法，特 别适用于加工各种型面和沟槽。其最理想的状况是， 原来需要经过成型铣削、倒角、热处理和精磨几道工 序完成的工作，采用缓进给磨削，一道工序就可以完 成。缓进给磨削与普通磨削的差别在于，砂轮的磨削深度 大（1-30mm）和工件的进给 速度低（5-300mm/min），工件的最终轮廓成形精度高 。由于工件速度低，在磨削时显示出对工件成型表面 的形状精度保持性比普通磨 削好。.2.1 砂轮与工件
11、接触弧长度及接触时间u 缓进给磨削速比大，单颗磨粒切下切屑薄而长， 砂轮与工件接触弧长度lc大，普通磨削接触弧长仅几毫 米，缓进给磨削砂轮与工件接触弧长lc达几厘米。接触 弧度lc大，消耗较大的磨削能，缓进给磨削所需要的能 量约是普通磨削的8倍。u 当缓进给磨削选用与普通磨削相同的砂轮直径与砂轮速度时，缓进给磨削砂轮转一周中每颗磨粒与工 件接触长度大，延续的时间较长。单颗磨粒接触工件 的延续时间与磨削深度ap是函数关系，如图8-8所示。从图中可知，缓进给磨削与普通磨削有相同的金属切除率 时，在砂轮一周中，两者砂轮上单颗磨粒所切除的金属体 积应是相同的。如平面缓进给磨削深度ap为1.28mm时，
12、单 颗磨粒切除一定金属体积所需时间tc为2000s。普通平面磨 削深度ap = 0.02 mm时，切除相同体积的金属所需的时间要短得多。.2.2 磨削力GWerner的研究所建立的缓进给磨削力数学模型为：n 试验表明，指数 仅在 范围内变化， 增大 ， 磨削力减小；增大工件速度vw、磨削深度ap及砂轮当量直径时，磨削力均增大。n 磨削力随工件速度vw减少而减少。缓进给法向磨削力约 为普通磨削的24倍。在缓进给磨削中，磨削深度中ap对磨削力影响程度大于普通磨削。l 同普通磨削一样，缓进给磨削砂轮磨粒有一个开始磨损至钝化的过程，这使磨削过程的效率随磨削时间的增加而 降低，而磨削力则随着时间的增加而
13、增加，其影响情况如 图8-9所示。图8-9 磨削力与磨削时间的关系从图中可以看出，在磨削过程中，磨削力约有40S的持续增加过程，固将磨削时的磨削力保持在砂轮新修整后的水 平上，可以使缓进给磨削发生烧伤以前的金属切除量大大 增加。因此，缓进给磨床最好具有连续修整砂轮的装置。.2.3 磨削温度u 在普通磨削中，随切深增大， 工件进给速度减少，磨削温度明显上升；而在缓进给磨削中，随磨削深度增大、 进给速度减少，磨削温度有明显下降。u 由于缓进给磨削中工件速度vw很小(vw10mm/s )，接触弧长区lc很大(lc20mm)，进入工件热量为稳定热流量，在较长的持续时间过程中，以较低的速度向工件流动。
14、工件表面的温度随ap增大及vw减少而逐渐减少，并向工件扩展，磨削热被磨屑带走的热量较多。.2.4 砂轮磨损砂轮磨损是由机械应力与热应力造成的。与普通磨削相比，缓进给磨削中，由于磨粒受的磨削力小，砂轮 形面的径向磨损比普通磨损要小得多、砂轮边棱磨损亦较小、有利于保证工件成形面的精度。图8-10 砂轮上有效磨粒所受力的大小与砂轮磨损的关系.2.5 表面完整性1. 表面粗糙度缓进给磨削砂轮与工件接触弧长度lc大，速度比大，单 颗磨粒承受的磨削力小，随磨削时间ta延长，砂轮磨损不严重，砂轮地貌变化小，因而零件表面粗糙度变 化较缓慢。图8-11给出了速度比与表面粗糙度之间的关系。2.磨削表面烧伤在缓进给
15、磨削时比磨削能较大，固加工表面的热损伤是考 虑的主要问题。图8-12表示工件产生烧伤时，测量到的三种 类型的法向力。图8-12 缓进给磨削产生烧伤时法向磨削力的变化情况u 在图a的情况下，发生烧伤时，法向力在微量增加后接着减小，然后急剧地连续增加，这有可能是由于工件因磨削热变软后的热膨胀造成的。u在图b中，当发生烧伤时，法向力减小，磨削力持续处于低水平，这有可能是由于工件膨胀所产生的力的增加为材料变 软减小的力所抵消。u图c表示热波动的情况，这有可能是由于热膨胀和热软化反复进行产生的。3.残余应力缓进给磨削所形成的工件表面残余应力是挤光效应、压粗效应、热效应及热比容变化效应等综合作用的结果。挤 光效应作用占主导，残余应力主要是塑性变形引起的，基 本上是压应力。增大磨削深度ap及工件速度vw，均使单颗形粒的磨削厚度增加，加剧压粗效应大于挤光效应，同时 热效应亦增加，ap的影响显著，所以ap、 vw增加都使残余应力增大。u 用X射线测量第类残余应力，即宏观应力 。根据 X 射线应力测量原理，只要测出试样表 面某个方向的表面层中 不同取向晶粒的某同一 晶面的间距变化,就可按下式算出该方向上的残 余应力值残余应力的一种测量方法：X射线法.2.7 缓进给磨削中温升控制控制缓进给给磨削中的温升，可采用大流量磨削液进行冷却、采用超软大气孔组织砂轮、采用高压磨削液冲洗砂
