精密与超精密加工技术 第三章 精密磨削和超精密磨削

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1、精密与超精密加工技术第三章 精密磨削与超精密磨削1.精密和超精密磨削概述 2.精密磨削 3.超硬磨料砂轮磨削 4.超精密磨削 5.精密和超精密砂带磨削本章内容3.1 精密和超精密磨削概述金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。一、精密和超精密磨料加工分类43.1 精密和超精密磨削概述精密和超精 密磨料加工固结磨 料加工固结磨具砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超 精加工涂覆磨具砂带磨削砂带研磨

2、游离磨 料加工精密研磨精密抛光游离磨料加工5研磨原理图抛光原理图传统方法：研磨和抛光精密和超精密砂轮磨削精密和超精密砂带磨削固结磨料加工6将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度， 再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，加工精度0.1m，Ra0.025 0.008m。精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.025 0.008m。粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。

3、粒度分为磨粒和微粉两 类。对于颗粒尺寸大于 40m的磨料，称为磨粒。用筛选法 分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度内的孔眼数 来表示。如60 # 的磨粒表示其大小刚好能通过每英寸长度 上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40m的磨料，称为 微粉。用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号 ，其W后的数值代表微粉的实际尺寸。如W20表示微粉的 实际尺寸为20m。 砂轮磨削砂带磨削7普通磨料碳化物系 碳化硼 碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石 天然 人造立方氮化硼二、精密和超精密砂轮磨料磨具l 磨料及其选择83.1 精密和超精密磨削概述l 磨料粒度及其选择l 结合剂及其选择 l 组织和浓度及其选择

4、l 硬度及其选择 l 磨具的强度 l 磨具的形状和尺寸及其基体材料1.磨具在形状和尺寸上易于保持 ，使用寿命高，磨削精度高；2.磨料本身磨损少，可较长时间 保持切削性，修整次数少，易 于保持精度；3.磨削时，一般工件温度较低， 可减小内应力、裂纹和烧伤等 缺陷；4.能加工各种高硬的难加工材料 ，可磨削陶瓷、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。超硬磨料优越性磨料显微硬 度（HV ）抗弯 强度 /MPa抗压强 度/Mpa热稳定 性/超硬 磨料 系金刚 石天 然8600- 10600210- 4902000700- 800人 造300立方氮化 硼7300- 9000300

5、800- 10001250- 1350普通 磨料 系碳化 物系碳 化 硼4150- 90003001800700- 800碳 化 硅3100- 340015515001300- 1400刚玉系1800- 245087.275712009二、精密和超精密砂轮磨料磨具3.1 精密和超精密磨削概述普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨料的含量用浓度表示。 成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨 选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密 磨削选用细粒度、低质量浓度，甚至低于25%。将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。 常用：树脂结合

6、剂、陶瓷结合剂和金属结合剂分为磨料与微粉。粒度选择根据加工要求、被加工材料、磨料材料决定。 被加工表面粗糙度、被加工材料、生产率最重要。多选用180240 普通磨料、170 /200 325 /400 超硬磨料的磨粒和各种粒度的 微粉。l 磨料及其选择l 磨料粒度及其选择l 结合剂及其选择 l 组织和浓度及其选择 l 硬度及其选择 l 磨具的强度 l 磨具的形状和尺寸及其基体材料10二、精密和超精密砂轮磨料磨具3.1 精密和超精密磨削概述普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。 超硬磨具无硬度项指标。高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和 尺寸。超硬模具一

7、般由磨料层、过渡层和基 体三部分组成； 基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨具多 采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具采用铝及 合金或电木；陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷。l 磨料及其选择l 磨料粒度及其选择l 结合剂及其选择 l 组织和浓度及其选择 l 硬度及其选择 l 磨具的强度 l 磨具的形状和尺寸及其基体材料涂 覆 磨 具工 作 条 件基 底 材 料形 状耐 水干 磨复 合纸棉 布化 纤 布塑 料 膜盘 状页 状卷 状环 状带 状三、精密和超精密涂覆磨具l 涂覆磨具及分类常用：砂纸、砂布、砂带、砂盘、砂布页轮和砂布套113.1 精密和超精密磨削概述l 涂覆磨料及粒度 l 粘接剂 l 涂覆方法12三、

8、精密和超精密涂覆磨具3.1 精密和超精密磨削概述l 涂覆磨具及分类 l 涂覆磨料及粒度 l 粘接剂 l 涂覆方法棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化 铁、人造金刚石等。 涂覆磨料的粒度无论磨粒还是微粉，都用P字粒度号表示。又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。 可分为：粘结膜、底胶、覆胶 动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨和油磨。 树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂等。用于难磨材料 或复杂形面的磨削或抛光。 高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。重力落砂法涂覆法静电植砂法13三、精密和超精密涂覆磨具3.1 精密和超精密磨削概述l 涂覆磨具及分类

9、l 涂覆磨料及粒度 l 粘接剂 l 涂覆方法3.2 精密磨削l 微刃的微切削作用l 微刃的等高切削作用 l 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用14精磨磨削：加工精度为10.1m、表面粗糙度达到Ra0.20.025m的磨削方法，又称为小粗糙度磨削。多用于机床主轴、轴承、滚动导轨、量规等精密加工。一、精密磨削机理靠砂轮的精密修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后，被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度小，加上无火花磨削阶段的作用，获得高精度和小表面粗糙度表面。二、精密磨削砂轮选择 精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则。 磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好；其中单晶刚玉最好，白

10、刚玉、铬刚玉应用最普遍。 砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。 结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛光作用。 砂轮选择见附表3-5所示。153.2 精密磨削三、精密磨削时砂轮的修整砂轮的修整用量有修整速度、修整深度、修整次数和光修次数。修整速度（纵向进给量）为1015mm/min，修整深度为2.5m/单行程，精修次数23次，光修次数1次单行程。163.2 精密磨削砂轮修整是精密磨削的关键之一，有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等。四、精密磨床精密磨削要在精密磨床上进行。精密磨床应满足的要求：1、高几何精度：主要有砂轮主轴回转精度和导轨平直度，以保证工件的几何形

11、状精度要求，主轴轴承一般采用动压和动静压组合轴承。控制：主轴的径向跳动1m，轴向圆跳动2-3m。2、低速进给运动的稳定性：要求无爬行和冲击现象，能平稳工作。特殊设计液压系统，采取排除空气、低流量节流阀、工作台导轨压力润滑。3、减少振动1）电动机的转子应进行动平衡，电动机与砂轮架之间进行隔振；2）砂轮要进行动平衡：安装后采用便携式动平衡仪表。3）精密磨床最好安装在防振地基上或加上防振垫。173.2 精密磨削一般为50100mm/min或0.060.5mm/r。过高会使表面 粗糙度增大，产生烧伤、螺旋形等缺陷，反而不好。五、精密磨削用量l 砂轮速度一般在1530m/s。过高，则切削作用增强抛光作用

12、减弱， 对表面粗糙度不利，磨削热增加，机床容易振动，反而不好。一般在612m/min。过高则振动，过低则烧伤和螺旋形，都不 好。l 工件速度l 工件纵向进给量l 横向进给量（吃刀量）一般取0.62.5m/单行程（不超微刃高度）l 横向进给次数一般约23次（单行程）（磨削余量2-5m）l 光磨（无火花磨削）光磨次数的确定主要是让磨床有关部件的弹性变形得以充分恢复，磨粒的 微刃性的微切削、摩擦、抛光等作用得以充分发挥。粗粒度砂轮精细修整 后，光磨次数采用58次;细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025 次。3.2 精密磨削金刚石砂 轮、CBN砂轮193.3 超硬磨料砂轮磨削一、超硬磨料砂轮磨削特

13、点1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石材、有色金属及其合金、耐热合金钢等。立方氮化硼砂轮磨削时，热稳定性好，化学惰性强，不易与铁素元素产生亲和作用和化学反应，加工黑色金属时，有较高的耐磨性。2）磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。如金刚石砂轮的磨削力只有绿色碳化硅砂轮的1/4-1/5。4）磨削效率高。加工硬质合金及非金属硬脆材料时，金刚石砂轮效率较高；加工耐热钢、钛合金等时，CBN砂轮效率更高。5）加工成本低。磨具寿命长、工时短、效率高。203.3

14、 超硬磨料砂轮磨削整形对砂轮进行微量切削，使砂轮达到所要求的一定精度的几何形状，并使磨料尖端细微破碎，形成锋利的磨削刃。要求高效率和高砂轮几何形状。修锐去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出于结合剂之外，形成切削刃。要求好的磨削性能。二、超硬磨料砂轮修整超硬磨料砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的重要问题和技术难题，直接影响被磨工件的加工质量、生产率和成本。修整通常包括整形和修锐两个过程。213.3 超硬磨料砂轮磨削l 车削法用单粒天然金刚石笔、聚晶金刚石笔，修整片等车 削金刚石砂轮达到修整目的。修整精度和效率较高 ，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低。22修整方法的分类：安装

15、在刀架上的金刚石刀具通常在垂直和 水平两个方向各倾斜约515；金刚石与 砂轮的接触点应低于砂轮轴线0.52mm，修整时金刚石并作均匀的低速进给移动。 要求磨削后的表面粗糙度越小，则进给速 度应越低，如要达到Ra0.160.04m的表面 粗糙度，修整进给速度应低于50mm/min。 修整总量一般为单面0.1mm左右，往复修整 多次。粗修的切深每次为0.010.03mm，精 修则小于0.01mm。二、超硬磨料砂轮修整3.3 超硬磨料砂轮磨削l 磨削法l 软钢磨削整形法l 金刚石滚轮修整法l 滚压挤轧法l 喷射法l 电加工法l 超声波振动修整法电解修锐法 电火花修整法气压喷砂法 液压喷砂法用普通磨料

16、砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料 磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂， 致使超硬磨粒就会脱落。该方法效率和质量都较好，但普通砂 轮、砂块磨损迅速，是目前最为广泛采用的修整法。l 磨削法23杯形砂轮修整器二、超硬磨料砂轮修整3.3 超硬磨料砂轮磨削l 软钢磨削整形法单滚轮法双滚轮法用超硬磨料砂轮磨削 软钢，利用磨削时形 成的长切屑来刮除结 合剂。该法效率低， 质量不稳定。24二、超硬磨料砂轮修整3.3 超硬磨料砂轮磨削l 金刚石滚轮修整法采用电镀或粉末冶金等方法把大量金刚石颗粒镶嵌在钢质滚轮表面制成的金刚石滚轮，以一定转速旋转(藉以降低滚轮与砂轮的相对速度)，对高速旋转的砂轮表面产生磨削和辗压作用，使砂轮获得与滚轮型面吻合的锋利工作表面。金刚石滚轮制造复杂、造价高，但经久耐用、修整效率高，适于在大批量生产中修整磨削特殊成形表面(如螺纹、齿轮和涡轮叶片榫齿等)的砂轮。25二、超硬磨料砂轮修整3