磨削的基本原理及其加工能力

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本文作者Stuart Salmon博士美“先进制造科技协会”主席。他认为，磨削加工在很多领域内，不论从技术上或经济上，都可与切削加工相匹敌，有些领域甚至是唯一的加工方法。但目前制造业许多认为磨削加工效率低，不经济，因此尽量不予采用。Salmon认为，产生种想法的主要原因是对磨削原理及其内在潜力缺乏了解。作者撰写本文的目的就是要帮助企业界的有关人士正确理解和运用磨削技术。
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      当今制造业正在急切地寻找替代磨削的方案。一些正在试验用来提高零件生产效率的“新”方案包括：硬切削、干切削、耐磨涂层刀具和高速切削等。

7 E( E8 ]  H. b7 ^2 _' W      但应指出，“高速”两字对磨削并不陌生。砂轮的常规运行表面线速度达1829m/min，高速超硬磨料砂轮的生产实用速度达4572～10668m/min，而实验室里在磨削专用设备上的速度则可达到18288m/min——仅稍低于声速。

) G% r% x1 x8 I3 ~% W- n  G. j      工业界不喜欢磨削的部分原因是对它不了解。超硬磨料和缓进给磨削工艺不论从技术或经济角度看，都可与铣削、拉削、刨削以及某些情况下的车削相匹敌。但制造企业中有很多人，他们的知识停留在传统加工技术水平上，往往对磨削采取排斥的态度。但随着新材料的推进(如陶瓷、晶须强化金属和强化聚合材料、多层金属和非金属的压合材料)，磨削经常是唯一可行的加工方法。
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      如果采用适当的结合剂，就可以使得磨粒在加工过程中的脱落和自砺过程得到控制。并且砂轮变钝或出现粉屑状载荷时，可以在机床上修整。这些优点在其它的加工方法中都是难以做到的。

      砂轮可以使加工表面的公差达到数万分之一的数量级(微米级)，同时还能使表面光洁度和切削纹理达到最佳状态。

' R" p3 {  W- M" X! C7 W2 l6 W      不巧的是，期以来，磨削一直被看作是一种“艺术”。直到最近的40～50年间，通过研究人员持续地对磨削加工过程进行研究，开发了新的、改进的磨料、粘结剂体系和各种磨削液。这些成果的取得，使得磨削加工进入了科学王国。

磨料的种类

+ I; M. z# {! U; [4 M磨料可分为两大类：普通磨料(如氧化铝、碳化硅等)和超硬磨料(金刚石、立方氮化硼等)。

; m8 r* L# Z* A0 k; y4 S- D5 S/ OCBN和金则石比普通磨料更硬、更耐磨，但非常昂贵。同时，超硬磨料是优良的导热体(金刚石的导热性是铜的6倍)，而普通磨料是陶瓷材料，所以是绝热的。
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超硬磨料还具有很高的热扩散性，就是有迅速散热的能力。这一特性使超硬磨料具有“冷切削”的本性。超硬磨料的抗磨性能也大大优于普通磨料，但超硬磨料具备的这些特性也并不意味着它们就适用于所有的磨削工序。
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0 X3 W  k/ T7 r5 j! L% w; e每种磨料都有其最适当的使用领域，所以了解每种磨料的特点十分重要。例如，氧化铝陶瓷磨料——有时称作晶种凝胶(SG)磨料或陶瓷磨料——通常比熔融(普通)氧化铝有更好的抗磨性和形状保持性。但陶瓷磨料也有其最适当的使用领域。

& r, C$ g: @) ]氧化铝：Al2O3是最便宜的磨料。磨削淬硬钢时性能很好，在连续修整的条件下，也能磨削镍基超级合金，Al2O3对各种磨削条件有很好的适应性，如软的和硬的材料，轻切削和重切削等，并能磨出很高的表面光洁度。
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4 j3 E- {% F' ?. S陶瓷氧化铝：陶瓷氧化铝强度很高，所以最适用于每颗磨粒的切削力负荷较高的场合。陶瓷氧化铝在外圆磨削和大平面往复磨削淬硬钢时，其效果很好。但它不适于切削弧线长、单颗磨粒负荷力较小之处，如内圆磨、缓进给磨等。
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但经过“拉伸”改制的陶瓷氧化铝磨粒，甚至在切削弧线长的情况下，也可用于加工粘性的不锈钢、高温合金等，此时磨粒的形状比(长阔比)达到5。
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+ k4 W2 }& X$ U; l/ a0 \1 L3 `. K" R陶瓷氧化铝磨粒的性能可以通过加入部分脆性的熔融氧化铝形成复合磨料砂轮得到改善。此时，需要知道砂轮在工件上的切削弧长度，以便有针对性地确定砂轮配比。

碳化硅：SiC磨料具有天然锋利的形状。适于磨削硬质材料(如硬质合金)。因为其锋利，使它也适于加工很软的材料，如铝、聚合物、橡胶以及低强度钢、铜合金和塑料等软材料。

金刚石：天然和人造金刚石都可用于磨削。金刚石是碳的一种超高硬度形态，因它对铁有亲合性(钢是铁和碳的合金)而形成快速磨损，所以不适于加工黑色金属材料，但金刚石特别适用于有色金属材料、钛、陶瓷和金属陶瓷的磨削加工。

立方氮化硼：CBN像金刚石一样，是一种非常昂贵的磨料。一个超硬磨料砂轮的价格比普通磨料的砂轮要贵50倍以上，但其使用寿命比普通砂轮要高100倍以上，即使磨削最硬的钢，也只有轻微磨损。

, W& c+ p# C/ u# \/ FCBN最适于加工黑色金属材料，特别是在要求长时间保持砂轮形状的场合，如轴承内滚道的磨削。另外，CBN较适于不经常更换砂轮的工序，因为小批量和砂轮更换，在安装时都要修整，这是导致砂轮消耗的主要因素。因为CBN在高温时和水接触要起反应，并加速磨损，所以要用乙二醇或油。

结合剂
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! {% _3 y5 d. }+ t& D1 b5 P% O普通砂轮的结合剂，可以采用陶瓷、树脂或塑料，超硬磨料的结合剂则可用烧结的金属基体或用电镀镍层的办法覆盖到砂轮上。这类砂轮是不渗水的，也无空洞。
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+ |5 I3 G& M4 _  B/ p, K, a金属结合剂和电镀砂轮的磨削液要仔细选择，以防砂轮打滑。打滑时在切削弧处产生的巨大动载液压，会顶举砂轮，导致工件光洁度恶化和加快砂轮磨损。

结合剂和磨料两者的选择密切相关。例如CBN的使用场合一般是要求砂轮在使用期间保持形状不变，并且直至消耗尽才从机床取下。由于CBN的导热性很好，所以用金属结合剂更有利。两者结合起来提供了冷切削的条件。因为切削热通过磨料和砂轮传导，再随冷却液带走的速度，比进入工件要快得多。

金属结合剂有两种形式：电镀和烧结。电镀砂轮是不修整的，它们一开始就制成正确的形状，并一直用至耗尽。烧结金属砂轮通常用电火花修整，然后像电镀砂轮那样装到机床上使用。
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0 d) _7 V  ^# R烧结和电镀砂轮安装到主轴后的径向跳动应小于0.0125mm。对金属结合剂砂轮来说，减小主轴跳动十分重要。因为磨粒从结合剂上伸出的距离很小，若跳动达到0.025mm，则会发生砂轮的一端已负荷太重而造成过度磨损，另一端则负荷很轻而仍很锋利。
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某些电镀砂轮可以制出很小的轮廓圆弧半径(约0.125mm)。但多数电镀砂轮的轮廓圆弧半径大于0.5mm。通常，电镀砂轮运用于高速磨削，而金属烧结砂轮适于磨削陶瓷材料。
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整体金属结合剂砂轮对振动、跳动和冷却液流量等工作条件的适应范围很小。假如磨床、工件和夹具的刚性较差，或老机床的轴承状态不佳，并且机床上没有平衡装置，这种条件下使用电镀砂轮就会导致砂轮寿命、工件光洁度和表面纹理方面的问题。根据机床的振动和稳定性等具体情况，有时采用树脂结合剂砂轮要好一些。树脂结合剂对振动有很强的阻尼能力。当然，树脂砂轮的校正和修整涉及的设备和时间，都会增加成本。

陶瓷结合剂使用最为普遍。由于这种结合剂的砂轮带孔洞，使得切削液能有效地进入磨削弧，并有较大的空洞容纳磨屑。同时，使用金刚石工具可方便地将陶瓷结合剂砂轮修至正确形状和磨锐。

附：普通磨料和超硬磨料适用的被加工材料范围：
: J0 k3 ^' _% P- @8 ?! P氧化铝磨料：淬硬钢、镍基超级合金、高温合金、黑色金属
3 h2 u+ M7 w* y( e陶瓷氧化铝磨料：淬硬钢、镍基超级合金、粘性不锈钢、高温合金
) @9 U7 V0 c' _: u. H1 _碳化硅磨料：硬质合金、铝和钛、橡胶聚合物、铜合金、塑料
金刚石磨料：硬质合金、铝和钛、陶瓷、金属陶瓷
立方氮化硼磨料：淬硬钢、镍基超级合金、黑色金属

砂轮的准备

砂轮的准备包括：安装、平衡、精整和修整。砂轮准备不好，将成为以后很多磨削问题产生的根源。

5 A. X- K2 V# S/ a首先，要按照砂轮制造厂的指导书安装砂轮，保证砂轮在修整前处于较好的原始平衡状态和最小的跳动。
第二，安装时要仔细操作以免碰伤砂轮内孔。砂轮内孔在高速旋转时承受巨大应力，搬运和安装失当往往是砂轮启动时导致爆裂的原因。
第三，安装陶瓷结合剂砂轮时，必须用纸质垫圈。
, S  W6 T2 x. n3 A1 E第四，用平稳的扭矩和松紧度上紧法兰盘。

安装完毕后，砂轮应依次作粗平衡、修整、和精平衡，然后再开始磨削。若砂轮原始状态很不平衡且跳动很大，则常需作附加修整及再平衡。
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砂轮良好的平衡会使磨削表面持续保持良好光洁度，并使寿命延长。同时，正确的修整会使砂轮保持稳定的磨削表面和磨削作用。

砂轮的锋利程度及其形状精度取决砂轮的修整方法。所以，任何时候都要使砂轮修整装置处于良好的工作状态，这对于单点金刚石修整器或电机驱动的金刚石滚轮都一样。
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单点金刚石修正是修整陶瓷结合剂砂轮的常用方法，这种修整方法常会导致砂轮性能不稳定，所以修整的方法和程序要不断作相应的调整。
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4 ?5 {2 s3 z! D! }! e在磨削工件时，典型的方法是：砂轮粗磨一定的加工留量，然后改变修整数，再精磨工件。通常的做法是，粗修砂轮时，金刚石沿砂轮外圆作快速横向进给，而精修时，修正器的横向进给速度大大减慢，以获得光洁的砂轮表面和工件表面。
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一种称为“搭接式”或“部分重叠式”的修整方法，能保证正确、稳定的修整。例如，一直径为406.4mm的砂轮，速度为6000sfm(1828m/min)，单点金刚石修正器的圆弧半径0.254mm作粗磨修整，每个行程的修整量为0.025mm。
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+ ^( Z2 a9 k7 v# O2 j* N一般修正时常用的横向进给速度往往过快，使砂轮表面有一部分修不到。而采用多次行程虽可以使砂轮表面都修到，但表面不平。这种砂轮磨削性能较高，但磨损快而不均匀。
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) |. _$ R: M* @/ M! k  F* G5 v砂轮修整一般在磨削工作速度下进行。唯一的例外是作刮压整形修整时，在300sfm(91.44m/min)的低速下进行。横向进给速度应根据修整器的金刚石尺寸和对砂轮表面的要求而计算确定，一般粗磨采用2～3次搭接，精磨则需4～6次搭接。
( _* H; c* j( a! X% q, {( H修正器横向进给速度的计算:已知金刚石圆弧半径(XB＝0.015″)，金刚石切入量(0.001″)，砂轮转速1400rpm。距离CB计算如下：因XB＝0.015″，CX＝0.015″-0.001″＝0.014″。CB＝0.00735，而AB＝2CB＝0.0147″。这样就得到了金刚石每转的进给节距，保证在砂轮表面不留下未修部分。换算到每分钟的进给速度AB×1400rpm＝20.58ipm。这个速度使金刚石一次修整就覆盖整个砂轮表面。若修整要求二次搭接，则进给速度减半，为10.29ipm。对粗修整较为理想。精修整需4～6次搭接，进给速度要相应减少。如4次搭接时为5.14ipm。

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