磨削与砂轮选择及应用技巧

（一）磨削

磨削是内外圆柱表面精加工的主要方法，它还可以加工圆锥表面和平面，也可用来加工螺纹、花键、齿轮等特殊、复杂的成形表面。它可进行各种材料，包括淬火钢、高强度合金钢、硬质合金等坚硬材料的加工。磨削加工可以经济地达到尺寸精度IT6和表面粗糙度Ra值为1.25～0.32μm。磨削的工艺范围很广，可以划分为粗磨、精磨、精密磨及镜面磨削。粗磨后工件精度可达IT8～IT9，表面粗糙度Ra值为10～1.25μm；精磨后工件精度可达IT6～IT8，表面粗糙度Ra值为1.25～0.63μm；精密磨后工件精度可达IT5～IT6，表面粗糙度Ra值为0.63～0.16μm；镜面磨削的表面粗糙度Ra值可达0.01μm。由此可见，磨削加工能够有效地提高零件的加工精度和获得较小的表面粗糙度值。随着科学技术的迅速发展，磨削在一定条件下，还可作为高效率的加工手段之一。所以，磨削已逐步成为从粗加工到超精密加工，范围十分广阔的加工方法，在机械制造业中的地位日益重要。

1.磨削运动

不同种类的磨削加工，运动的数目和形式也有所不同，如图3-55所示。

（1）主运动　砂轮的高速旋转运动称为主运动。砂轮的圆周线速度称磨削速度，用vs表示，单位为m/s，可按下式计算：

图3-55　磨削时的运动

式中　ds——砂轮直径（mm）；

ns——砂轮转速（r/s）。

（2）径向进给运动　砂轮相对工件沿径向的运动，称径向进给运动。工作台每双（单）行程内工件相对砂轮径向移动的距离，称径向进给量，用fr表示，单位为mm/d·str（当工作台每单行程作进给时，单位为mm/str）。当作连续进给时，用径向进给速度vr表示，单位为mm/s。fr通常又称磨削背吃刀量ap。一般情况下，fr=0.005～0.02mm/d·str。

（3）轴向进给运动　工件相对于砂轮沿轴向的运动，称轴向进给运动。工件每转一转，工件相对于砂轮的轴向移动距离，称轴向进给量，以fa表示，单位为mm/r。有时还用轴向进给速度va表示，单位为mm/s。一般情况下fa=0.2～0.8mm/r。

（4）工件圆周进给运动　内外圆磨削时工件的回转运动，称为工件圆周进给运动。工件回转外圆线速度为圆周进给速度，用vw表示，单位为m/s，可用下式计算：

式中　dw——工件直径（mm）；

nw——工件转速（r/s）。

外圆磨削时，若vs、vw、fa同时具有且连续运动，则为纵向磨削。若无轴向进给运动，即fa=0，则砂轮相对于工件作连续径向进给，称为横向磨削（或切入磨削）。

内圆磨削与外圆磨削运动相同，但因砂轮的直径受工件孔径尺寸的限制，砂轮轴刚性较差，切削液也不易进入磨削区，因而磨削用量较小，磨削效率不如外圆磨削高。

2.磨削特点

（1）磨削速度高　一般在30～50m/s，是车、铣削速度的10～20倍。磨削区短时间内，大量地发热，温度很高，瞬时温度可达1000℃，将引起加工表面物理力学性能改变，甚至产生烧伤和裂纹。

（2）冷硬程度大、能量消耗大　磨粒的切削刃和前后（刀）面的形状极不规则，顶角在105°左右，前角为很大的负值，且后角小，钝圆半径也较大，会使工件表面材料经受强烈挤压变形。特别是磨粒磨钝后和进给量很小时，金属变形更为严重，因而磨削单位面积时削耗的能量较一般切削加工高得多，约是其他加工方法的10～30倍，冷硬程度也大。

（3）单个磨粒的切削厚度极小　磨削时，磨粒的切削厚度可小到几个微米，故易于获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值。

（4）背向磨削力大　由于多数磨粒切削刃具有极大的负前角和较大的刃口钝圆半径，致使背向磨削力远大于切向磨削力，加剧工艺系统的变形，造成实际磨削背吃刀量常小于名义磨削背吃刀量，影响加工精度和磨削过程的稳定性。

（5）磨粒有自砺作用　磨粒在磨削力作用下，会产生开裂和脱落，形成新的锐利刃，称为磨粒的自砺作用，这对磨削加工是有利的。

（6）砂轮表面磨粒的分布差别很大　砂轮表面磨粒分布是随机的，各磨粒在磨削过程中的作用差别很大，有的磨粒无切削作用，这直接影响磨削表面质量，且使磨削过程复杂化。

3.提高磨削生产率的方法

目前，提高磨削效率大体有以下几条途径：一是缩短辅助时间，如自动装卸工件、自动测量及数字显示、砂轮自动修整及补偿。二是发展新的磨料，提高砂轮寿命。三是改变磨削用量及增大磨削面积，如高速磨削、强力磨削、恒压力磨削、宽砂轮磨削以及多片砂轮磨削等。下面就第三方面的途径作一简要介绍。

（1）高速磨削　一般来讲，只要砂轮线速度高于45m/s时都可称为高速磨削。高速磨削是提高磨削生产率和加工质量的重要途径之一。如果使高速磨削与宽砂轮、多片砂轮等高效能磨削工艺相结合，效率将更高。

1）高速磨削的特点

①提高生产率。砂轮速度提高后，单位时间内进入磨削区的磨粒数目成比例地增加，此时如果保持每颗磨粒切去的切削厚度与普通磨削时一样，则进给量可以成比例地增加，磨削时间就可以相应缩短。

②提高砂轮寿命。砂轮速度提高后，如果进给量仍与普通磨削相同，则每颗磨粒切去的切削厚度减小，每颗磨粒所承受的切削负荷也就减小。这样每颗磨粒的切削能力可相对地提高，从而使每次修整砂轮后可以磨去更多的金属。

③减小工件表面粗糙度值和提高加工精度。由于每颗磨粒的切削厚度变薄，表面切痕深度减小，表面粗糙度可以降低。另外作用在工件上的法向磨削力也相应减小，故可提高加工精度。

2）高速磨削砂轮。砂轮速度提高后，作用在砂轮上的离心力将与砂轮速度的平方成比例地增加，因此，必须增加砂轮本身的强度，以防止其破裂，这是实现高速磨削的重要条件。一般在陶瓷结合剂中加入适量的含硼氧化物，可以使结合强度增加。在使用时，必须遵照砂轮的标志速度，绝对禁止超速使用，以免砂轮破裂，发生事故。另外，为了更好地发挥高速磨削的性能，对于高速磨削所用砂轮的磨料、粒度、硬度等，必须合理地进行选择。

（2）强力磨削　强力磨削是采用较高的砂轮速度，较大的磨削背吃刀量（一次可达6mm以上）和较小的进给量，直接从毛坯或实体材料上磨出加工表面的方法。它可以代替车削和铣削，而效率比车削和铣削要高得多。强力磨削的特点是磨削力和磨削热比高速磨削显著增加，因此对机床的要求除了增加电动机功率，加固砂轮防护罩，增加冷却液供应和防止飞溅，合理选择砂轮外，机床还必须有足够的刚性。

（3）宽砂轮磨削　一般圆周磨削砂轮宽度仅在50mm左右，而宽砂轮磨削是通过加大砂轮宽度（根据工件的长度决定）来成倍地提高生产率。

图3-56所示是高速宽砂轮磨削示意图，砂轮线速度60m/s，砂轮宽279mm，用切入磨削法，完成磨削时间4.5min，尺寸公差0.025mm。砂轮与工件倾斜15°，可以减少转角处砂轮的磨损。

（4）多片砂轮磨削　它也是利用增加磨削面积，以提高磨削效率的一种有效措施。在一台机床上安装几片砂轮可根据零件形状而定。图3-57是采用多片砂轮磨削曲轴轴颈的示意图，其优点是减少了零件的安装次数，增大了磨削面积，还能减少机床数量，节省劳动力，提高零件轴颈的同轴度。

图3-56　宽砂轮磨销

图3-57　多片砂轮磨削曲轴

（5）砂带磨削　砂带磨削是用粘满砂粒的环形带状布（即砂带）作为切削工具的一种加工方法。它也是多刀多刃连续进行切削的一种加工方式。其主要优点是，磨粒几乎垂直基底排列，排列均匀，容屑空间大，砂带周长较砂轮大得多，因而散热时间长，受空气冷却作用强，因此生产率特别高；一般砂带磨床都有快速更换砂带装置，也不像砂轮磨削存在砂轮易磨损问题，还可省去修整砂轮的时间；砂带磨削比较安全，即使断裂也不会靠成人身事故。但是砂带磨削的精度目前还略低于砂轮磨削的精度，对于阶梯孔和不通孔也不能加工。

4.无心磨削

无心磨削是对外圆柱表面进行精加工的一种方法。其工作原理如图3-58所示。图a是无心磨床简图。图b是工作原理图。无心磨削时，工件处于磨轮与导轮之间，下面用托板支承。磨轮轴心线水平放置，导轮的轴向截面轮廓通常修整成双曲线，轴心线倾斜一个不大的角度λ。这样，导轮的圆周速度vD可以分解为两个分量，即带动工件旋转的分量vw和使工件作轴向（纵向）进给运动的分量va。

式中　λ——导轮和磨轮交叉角，一般粗磨时λ=3°～6°；精磨时λ=1°～3°。

无心磨削的方法主要有贯穿法（纵向进给磨削，工件从砂轮与导轮之间通过）和切入法（横向进给磨削）。

图3-58　无心磨削原理

a）外形　b）工作运动

无心磨削突出的特点就是圆度误差大，易产生棱圆形状（三棱、五棱或其他奇数棱圆形）误差，如图3-59所示。这种形状因它各处的直径相同，用千分尺测量直径时测不出来，不能进入与它精密配合的孔内。产生棱圆的主要原因是加工时以外圆表面本身为基准，由于工件毛坯表面的不圆，使工件在磨削时中心线的位置不稳定而产生的。

无心磨削的加工精度可达IT5～IT6，表面粗糙度Ra值可达1.25～0.32μm，生产率很高，对于大量生产，容易将多台机床连接起来，实现自动化。但是无心磨削对工件相互位置精度（如同轴度、垂直度）不能提高，当圆度要求高于0.002～0.003mm时也不易达到，此外有键槽或带有纵向平面的轴也不能用无心磨削加工，一般主要用于加工批量较大的细长轴、无中心孔的短轴及特定的锥销和台阶轴等。

图3-59　三棱圆形(www.xing528.com)

（二）磨床

所有以磨料磨具（如砂轮、砂带、油石、研磨剂等）为工具进行切削加工的机床，都属于磨床类机床。

1.M1432B型万能外圆磨床

图3-60　万能外圆磨床的外形图

1—床身　2—头架　3—工作台　4—内圆磨头　5—砂轮架　6—尾座　7—脚踏操纵板

（1）机床的用途　图3-60所示为M1432B型万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱或圆锥的外圆和内孔，也能磨削阶梯轴的轴肩和端平面。工件最大磨削直径为320mm。这种磨床属于普通精度级，精度可达圆度5μm，表面粗糙度Ra值可达0.16～0.32μm，通用性较大，但自动化程度不高，磨削效率较低，适用于工具车间、机修车间和单件、小批生产车间。

（2）机床的运动　图3-61分别表示在万能外圆磨床上磨削外圆柱面、长圆锥面、切入式磨削短圆锥面和磨削内锥孔的情况。由图可知为了实现磨削加工，机床应具有以下运动：

1）砂轮旋转运动。这是磨削加工的主运动，用转速ns或线速度vs表示。

2）工件旋转运动。这是工件的圆周进给运动，用工件的转速nw或线速度vw表示。

3）工件纵向往复运动。工件沿砂轮轴向的进给运动，是磨出全长所需要的运动，用fa表示。

4）砂轮横向进给运动。沿砂轮径向的切入送给运动，用fr表示。

图3-61　万能外圆磨床上典型加工示意图

（3）机床的机械传动系统　M1432B型万能外圆磨床的运动由机械和液压联合传动。工作台的纵向往复运动、砂轮架的快速进退和周期自动切入进给及尾座顶尖套筒的缩回为液压传动，液压传动具有运动和换向平稳、无级调速、易于实现自动化控制等优点，其余运动都是机械传动。其机械传动系统图如图3-62所示。

2.无心外圆磨床

无心外圆磨削示意图如图3-63所示。

无心磨削的特点是：工件2不用顶尖支承或卡盘夹持，置于磨削砂轮1和导轮3之间并用托板4支承定位，工件中心略高于两轮中心的连线，并在导轮摩擦力作用下带动旋转。导轮为刚玉砂轮，它以树脂或橡胶为结合剂，与工件间有较大的摩擦因数，线速度在10～50m/min左右。工件的线速度基本上等于导轮的线速度。磨削砂轮1采用一般的外圆磨砂轮，通常不变速，线速度很高，一般为35m/s左右，所以在磨削砂轮与工件之间有很大的相对速度，这就是磨削工件的切削速度。

图3-62　M1432B型万能外圆磨床机械传动系统图

为了避免磨削出棱圆形工件，工件中心必须高于磨削砂轮和导轮的连心线。这样，使工件在多次转动中逐步被磨圆。

图3-63　无心磨削示意图

1—磨削砂轮　2—工件　3—导轮　4—托板

3.内圆磨床

内圆磨床有普通内圆磨床、无心内圆磨床和行星内圆磨床等多种类型，用于磨削圆柱孔和圆锥孔。按自动化程度分，有普通、半自动和全自动内圆磨床三类。

内圆磨削一般采用纵磨法，如图3-64所示。头架安装在工作台上，可随同工作台沿床身导轨作纵向往复运动，还可在水平面内调整角度位置以磨削圆锥孔。工件装夹在头架上由主轴带动作圆周进给运动。内圆磨砂轮由砂轮架主轴带动作旋转运动，砂轮架可由手动或液压传动沿床鞍作横向进给，工作台每往复一次，砂轮架作横向进给一次。

砂轮装在加长杆上，加长杆锥柄与主轴前端锥孔相配合，如图3-64b所示，可根据磨孔的不同直径和长度进行更换。砂轮的线速度通常在15～25m/s左右，这种磨床适用于单件小批生产。

图3-64　纵磨法

（三）砂轮

砂轮是磨削加工使用的切削工具，它是由很多磨粒用粘结材料结合在一起经烧结而成的多孔体，如图3-65所示。砂轮的特性由磨料、粒度、结合剂、硬度及组织等参数决定。

（1）磨料　磨料是构成砂轮的基本材料，必须具有高硬度、耐热性、耐磨性和相当的韧性，还应有比较锋利的棱角。常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系三大类。

氧化物系磨料的主要成分为氧化铝（Al2O3）。碳化物系磨料的主要成分有碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）。高硬磨料系主要有人造金刚石（TR）和立方氮化硼（CBN）等。

（2）粒度　粒度是指磨料颗粒尺寸的大小程度。粒度号以每英寸筛网长度上筛孔的数目来表示，粒度号越大，表示颗粒越细。微细磨粒（微粉）用实际尺寸表示粒度粗细，如W40表示它的基本颗粒尺寸为40～28μm，“W”表示微粉。

图3-65　砂轮的结构

1—磨粒　2—结合剂3—气孔

（3）结合剂　结合剂的作用是将磨粒粘合在一起。结合剂的性能决定了砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性和耐热性。

（4）硬度　砂轮的硬度是指在砂轮的磨粒磨削时从砂轮表面脱落的难易程度。硬度高，磨粒不易脱落；砂轮软，磨粒容易脱落。

砂轮的硬度取决于结合剂的粘结能力与其在砂轮中所占比例的大小，而与磨料的硬度无关。同一种磨料，可以做出不同硬度的砂轮。

砂轮的硬度应根据工件材料的性质及磨削要求来选择。磨削硬材料时，磨粒容易磨钝，应选择较软的砂轮；磨削软材料时，磨粒不易变钝，应采用较硬的砂轮，以充分利用磨粒的切削能力，延长砂轮的寿命；磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金）及薄壁、薄片零件时，为避免工件烧伤或变形，应选较软砂轮；精磨或成型磨削时，为了在较长时间内，能保持砂轮的形状，应选择较硬的砂轮。

（5）组织　砂轮的组织是指砂轮中磨粒、结合剂和孔隙三者体积的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，孔隙越小，砂轮的组织越紧密；反之，则组织疏松，见图3-66。

图3-66　砂轮的组织

a）紧密　b）中等　c）疏松

砂轮组织的疏密，影响磨削加工的生产效率和工件表面质量。组织紧密的砂轮，磨粒之间的容屑空间小，排屑困难，砂轮易被堵塞，但砂轮单位面积上磨粒数目多，易保持形状，并可获得较小的表面粗糙度值，适用于成型磨削和精密磨削。

磨削区面积大（如端磨）或薄壁件磨削时，应选择组织疏松的砂轮，因为其容屑空间大，砂轮不易堵塞，工件表面不容易烧伤，也不易变形。当所磨材料软而韧（如银钨合金）或硬而易裂（硬质合金）时，最好采用大孔隙砂轮。

（6）砂轮的形状、用途　为了适应在不同类型的磨床上磨削各种不同形状和尺寸工件的需要，砂轮需制成不同的形状和尺寸。表3-12列出了砂轮的名称、代号和用途。

表3-12　常用砂轮名称、代号、断面简图和用途

（续）