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1、1第第8章章 高效及超精密磨削高效及超精密磨削8.1 高效磨削高效磨削8.2 缓进给磨削缓进给磨削8.3 高效深切磨削磨削高效深切磨削磨削8.8其他磨削工艺简介其他磨削工艺简介8.1 高效磨削n 高速磨削高速磨削是通过是通过提高提高砂轮线速度来达到砂轮线速度来达到提高提高磨削磨削去除去除率和磨削质率和磨削质量的工艺方法。量的工艺方法。l一般砂轮线速度一般砂轮线速度高于高于45m/s时就属高速速磨削。时就属高速速磨削。n高速磨削有如下优点：高速磨削有如下优点：磨粒的未变形切削焊度减小，磨削力下降。磨粒的未变形切削焊度减小，磨削力下降。砂轮磨损减少，提高砂轮寿命。砂轮磨损减少，提高砂轮寿命。在在磨
2、磨粒最大未变形切削厚度不变条件下，可加大磨削深度或工件粒最大未变形切削厚度不变条件下，可加大磨削深度或工件速度，提高磨削效率。速度，提高磨削效率。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。以改善表面质量及减小尺寸和形状误差。n高速磨削存在离心力大，易导致砂轮破裂，需要开发高强度砂轮，高速磨削存在离心力大，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要求机床有足够功率、刚度及精度和安全防护措施。8.1.高效磨削高效磨削228.1 高效磨削8.1.1 高速磨
3、削原理高速磨削原理n高速磨削在下列情况下应用：高速磨削在下列情况下应用：CBNCBN砂轮的要求砂轮的要求 为充分发挥为充分发挥CBNCBN砂轮的磨削性能，提高磨削速度，砂轮的磨削性能，提高磨削速度，CBNCBN砂轮使用寿命长，砂轮使用寿命长，磨削耐用性磨削耐用性是普通砂轮的是普通砂轮的50010005001000倍倍，延长，延长砂轮修整时间间隔，达到高效率化，为普通砂轮的砂轮修整时间间隔，达到高效率化，为普通砂轮的10001000倍。倍。在单位宽度上金属磨除率在单位宽度上金属磨除率 一定条件下，即磨削深度一定条件下，即磨削深度a ap p及工件速及工件速度度 一定的条件厂，砂轮速度一定的条件厂
4、，砂轮速度 提高意味着增加单位时间内通过提高意味着增加单位时间内通过磨削区的磨粒数磨削区的磨粒数,导致单颗磨粒的切深减少。切屑变薄，切屑截面积导致单颗磨粒的切深减少。切屑变薄，切屑截面积减少，因此，有效磨粒的磨削力随之降低减少，因此，有效磨粒的磨削力随之降低(法向磨削力法向磨削力f fn n、切向磨削、切向磨削力力F FT T)，磨料磨损速度下降提高了砂轮的耐用度，磨削层厚度变薄，磨料磨损速度下降提高了砂轮的耐用度，磨削层厚度变薄，减少了磨削表面微观不平度，提高了磨削表面质量。减少了磨削表面微观不平度，提高了磨削表面质量。在不改变磨削表面粗糙度的条件下，提高砂轮速度在不改变磨削表面粗糙度的条件
5、下，提高砂轮速度 ，加大磨削深，加大磨削深度及工件速度，提高单位宽度金属磨削率度及工件速度，提高单位宽度金属磨削率 。在逆磨中，由于磨削。在逆磨中，由于磨削速度是砂轮速度与工件速度之和，所以速度是砂轮速度与工件速度之和，所以提高工件速度，则磨削速度提高工件速度，则磨削速度增加。这种情况亦叫高速强力磨削。增加。这种情况亦叫高速强力磨削。38.1.1 高速磨削原理高速磨削原理n 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.未变形磨削层以度从切削长度 在外圆切入磨削时，单颗磨粒末变形切削长度ls及未变形切削的平均厚度 计算式为:
6、48.1.1 高速磨削原理高速磨削原理l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。由于 不受影响，所以 提高对 影响不大。但在去除一定工件体积时，增加 ，单位时间内通过磨削区的磨粒数增加，所以未变形切削厚度减少。58.1.1 高速磨削原理高速磨削原理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（）的影响如图81所示。由图可知，在 一定时，提高，均下降，系统变形减少，光磨时间缩短。68.1.1 高速磨削原理高速磨削原理 、对变形量的影响如图8-2所示 在 、一定下，降低，变形量降低，无火花磨削时间t（s）缩短，零件形状和尺寸误差降低。78.1
7、.1 高速磨削原理高速磨削原理3磨削速比n 因vsvw，故砂轮磨削速度主要取决于vs，所以高速磨削可以认为是提高砂轮速度vs的方法。采用高速磨削，无论是提高加工质量还是增大磨削效率，或二者同时得以提高，都取决于在增大vs的同时如何选定vw，可由砂轮速度与工件速度vw的比值，即速度比q值决定，在ls及 公式中均与 有关。在一定 时vs提高，小，下降，变形量小，尺寸、形状精度高表面质量好。单位宽度金属磨除率随vw 增加而增加.n 高效率、高精度磨削时,确定vs、vw、的模式如图83所示，给出P点，使vs、vw、和q变化时，随着vs、vw、的增减可决定q的增减。88.1.1 高速磨削原理高速磨削原理
8、n把速度变化范围分成四个象限，在第象限，vs、vw同时增加，有一vs、vw等线，把象限分成a、b两部分，同理，第象限亦存在vs=vw，分成a、b两部分。在a、b部分q增加，b、a部分q减少，象限vs增加，vw减少则q减少；象限vs减少，vw增加q增加，由于高速磨削必须增加砂轮速度vs，所以高速磨削速度必须在第、象限内。98.1.1 高速磨削原理高速磨削原理n当vs一定增加vw，磨削效率增加，但vw增加引起q减少，切屑形状加大，从而加工质量恶化。若vw一定，增加vs，则摩擦效率儿乎不发生变化，q增加，切屑形状变小，则加工精度得到提高。n根据这一分析，为保证高效率、高精度，则高速磨削速度应选在第象
9、限内，特别是沿着第象限的等速度比线选择，即速度比一定，vs、vw都增加保持切削厚度一定，加工质量一定，加工精度不会恶化，加工效率又得到提高，这是使用高效磨削的原则。108.1.1 高速磨削原理高速磨削原理4磨削热 在磨削中工件受到磨削热影响，最高温度发生在工件表向上。工件表面上最高温度的近似计算公式如下：118.1.1 高速磨削原理高速磨削原理n由上式可知，砂轮速度vs增大，工件表面温度上升。对于一定工件材质及给定速度比q，则温升是金属磨除率的函数。不管砂轮速度增加多大只要速度比q一定，则高的金属磨除率必定造成高温。当金属磨除率增大则传入工件的热分配比cw略有减少。图84给出了工件速度vw、砂
10、轮速度vs对工件表面温度的影响。nvw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，其工件友曲湿度变化不大。但vw 越过40m/min时，128.1.1 高速磨削原理高速磨削原理 在增大时，未变形磨削层厚度增大，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，导致工件表面粗糙度恶化。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
11、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。138.1.1 高速磨削原理高速磨削原理5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。n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，切屑变簿，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。148.1.2 高速磨削砂轮8.1.2 高速磨削砂轮1.高速磨削砂轮应力分析n 磨削中在砂轮上的作用力
12、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。n 在砂轮任意半径r处的应力可分解为切向应力 与径向应力 ，图85是砂轮离心力所产生的应力及应力分布图，从砂轮中取一单元体，根据力平衡原则得158.1.2 高速磨削砂轮 设应力边界条件为 ，并将应力应变关系代入，则得应力 、168.1.2 高速磨削砂轮n一般高速砂轮宽度与砂轮半径之比 ，可用上两式计算 和 17n图8-5b给出了砂轮应力分布，从图中看出 ，对于砂轮因离心力破坏而言力 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
13、究应力分部有如下特点：(1)无孔砂轮，在砂轮中心处，(2)在 时，切向力 总足大于径向力 ，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。8.1.2 高速磨削砂轮18n为防止砂轮破坏，队预先验算砂轮强度。砂轮强度的计算，可根据最大应力理论或平均应力理论进行。在r=ri时，求得最大切应力为：2提高高速砂轮强度的途径 主要途径
14、是提高砂轮结合剂强度，以提高砂轮的抗拉强度，减少砂轮孔径，对砂轮孔壁处进行补强。(1)提高砂轮结合列强度 在陶瓷结合剂中加人硼、锂、钡、钙等可使结合剂强度提高。(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。8.1.2 高速磨削砂轮19 3简速砂轮的防护 高速磨削的动能很大，外圆磨削时达294199392266J。因此，为防止砂轮破裂对人身、设备的损伤必须予以防护，主要防护措施是在机床上设置砂轮防护罩。4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
15、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。8.1.2 高速磨削砂轮20n 一般将油与水混合采用水包油或油包水两种形式，水包油形式足以水为分散相，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。
16、较强的气流不能使磨削液进入济削区。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。气流挡板示意图如图87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。气流踏板的上档板及两侧门板均可调。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。8.1.2 高速磨削砂轮21n 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。8.1.2 高速磨削砂轮228.2 缓进给磨削8
17、.2 缓进给磨削n 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，达到高的金届磨除率zw及精度、粗糙度要求高的目的。n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；外圆磨削的深切缓进给磨削亦得到应用。与普通磨削的区别在于磨削深度va大(va=130mm)和工件的低速进给 fa(fa=5300mmmin)。n缓进给磨削适宜加工韧性材料(如镍基合金)和淬硬材料的加工，加工各种型面及沟槽。可部分取代车与铣削的加工。8.2.1 缓进给磨削机n 由于缓进给的大切深、缓进给速度，使切
18、屑形状、磨削力、磨削热及加工表面完整性等方面均与普通磨削不同。连续修整深切缓进给磨削与其他磨削比较见表81238.2 缓进给磨削248.2.2 砂轮与工件接触弧长度及接触时间8.2.2 砂轮与工件接触弧长度及接触时间n 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。n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
19、系，如图88所示，从图个可知，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va为1.28mm时，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。258.2.2 砂轮与工件接触弧长度及接触时间n缓进给磨削单颗磨粒的tc约为普通磨削所需时间舶7倍，即普通磨削单颗磨粒所切除的金屑量比缓进给磨削单颗磨料的切除量大7倍，所以普通磨削中作用在单颗磨粒上的磨削力增大，磨耗磨损随之增大。268.2.3 磨削力8.2.3 磨削力 GWerner的研究所建立
20、的缓进给磨削力数学模型为：278.2.3 磨削力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。288.2.4 磨削温度8.2.4 磨削温度n 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。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
21、时间过程中，以较低的速度向工件流动。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。8.2.5 砂轮磨损n砂轮磨损是由机械应力与热应力造成的，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。298.2.6 表面完整性8.2.6 表面完整性1.表面粗糙度n 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8-9给出了缓进给磨削表面粗糙度与速度比q的关系。初磨状态取决于砂轮修整状
22、况，速比增大，粗糙度下降。30 2.磨削表面烧伤n 缓进给磨削的磨削温度虽不高，但因磨削深度ap大砂轮与工件接触面积大当磨削液的注入压力及流量不足、冲洗压力低及砂轮选择不当时，也会在接触区发生不同程度的烧伤。C.R.Shaft研究认为发生烧伤时，法向磨削力增大，切向磨削力减少。n这种现象的产生是由于磨削液由核状沸腾向薄膜沸腾跃迁所致。磨削液在较高温度下成核状沸腾时，气泡增长，热量向气泡表面散发，磨削液散热系数急剧增大。在薄膜沸腾时，工件表面完全被一层薄的蒸膜所覆盖，热传迎至磨削液只能经过薄膜按传导对流及辐射方式行，导热能力急剧下降。因缓进给磨削的磨削能大，热流量增大。增大的热流量将传递给磨削液
23、及工件。n 初期，热流传给磨削液的部分远比传入工件的要多。当比磨削能显著增大时，在接触弧中某一点的温度急剧上升，就可使接触区的磨削液从核状沸腾转变为薄膜沸腾，该点的热流传给磨削液的量急剧减少，使工件上该点温度达到烧伤温度，导致工件出现烧伤点。318.2.6 表面完整性n另外，温度急速上升时，形成的热膨胀会明显增大。热膨胀量增大当大于有效磨削深度时，则使磨削力增大。工件上某点温度一旦超过烧伤温度，热膨胀就会对磨削力有显著影响。在缓进给磨削中，即使比磨削能及传入工件的热量不变，在磨削液减少情况下，亦可出现烧伤，磨削温度急剧升高，法向磨削力增大。328.2.6 表面完整性n Y.ParuKawa等认
24、为在发生烧伤后，缓进给磨削的法向力呈现三种形式，如图8l0a为发生烧伤后，法向磨削力Fn有所增大，但由于材料软化，Fn又减少，因热膨胀，又使Fn急剧增加。b图为烧伤后，Fn持续减少，其原因主要是材料软化比材料膨胀占主导作用。c图由于材料软化与膨胀反复进行，造成Fn波动。338.2.6 表面完整性3.残余应力n 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a
25、p、vw增加都使残余应力增大。348.2.7 缓进给磨削中温升控制8.2.7 缓进给磨削中温升控制n 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轮及采用开槽砂轮改善冷却条件等措施。超软大气孔砂轮使砂轮与工件的实际接触面积减少，可大大降低摩擦热，超软砂轮可保持磨粒处于锐利状态。亦使磨削热降低。若将高压大流量磨削液冲洗大气孔砂轮，通过气孔将磨削液带入磨削区，并在离心力作用下磨削液进入磨削区，进行热交换后又被气孔带出磨削区，使磨削温度下降。358.2.7 缓进给磨削中温升控制n开槽砂轮如图8-11示，开槽砂轮与工件接触面积减少，磨削液通过槽内压
26、入磨削区，并改变磨削液流动方向，提高冷却效果，降低磨削温度。还可以在砂轮端面上开环形槽，再打孔通过圆柱面上螺旋槽，使磨削液直接进入磨削区。n在离心力作用下，磨削区可得到压力饺大的磨削液。如日本在205mm x 5mm电镀陶瓷结合剂砂轮开出2mm宽的槽，槽数120条，开槽率达37，其磨削性能良好，尤其在大切深磨削氯化硅陶瓷时效果更佳。砂轮开槽较多，磨削力下降，砂轮寿命提高。在缓进给磨削中亦可安装挡板来改变砂轮回转时的气流状态，改善磨削区的冷却润滑，从而降低温度，抑制了温升。也有采用超声波清洗砂轮气孔的办法来抑制温升。368.2.8 缓进给磨削过程中砂轮连续修整8.2.8 缓进给磨削过程中砂轮连续
27、修整n 砂轮连续修整是20世纪80年代缓进给磨削中最大的一项技一术进步。所谓连续修整系指边进行磨削边将砂轮再成形和修整的方法。修整时金刚石修整滚轮始终与砂轮接触。使砂轮始终处于锐利状态，有利于提高磨削精度。它是采用专门的连续修整磨床，其原理见图8-12，磨削时，由于工件尺寸逐渐减少，需砂轮相应地切入工件，修整滚轮亦应改变切入速度对砂轮进行修整，这样使修整滚轮相对砂轮的位置发生了变化。则由修整磨床实现其位置调整。378.2.8 缓进给磨削过程中砂轮连续修整n连续修整砂轮减省了修整时间，提高磨削效率；比磨削能儿乎保持不变，磨粒锐利程度几乎不变，对保持工件形状和尺寸十分有利，尤其对长形工件磨削，不再
28、受砂轮磨损的影响使工件的磨削长度不受砂轮磨损的限制。n同时，修整的砂轮在单位时间内去除量大，对工件热影响小，工件精度一致性好。其磨削力也会降低，使磨削过程趋于稳定，从而可避免烧伤工件。连续修整也有它自身缺点，如金刚石滚轮成本高，占用CNC装置的一个坐标用于控制并监视滚轮进给，使磨头功率增加及滚轮、砂轮损耗大，为克服砂轮损耗大的问题，在完善连续修整方法的同时，研究间断修整方法，能有效地减少砂轮与金刚滚轮的磨损。间断修整对表面粗糙度度和加工精度有一定影响，但对粗磨来讲间断修磨是一种行之有效效办法。修整用量见表8-2.388.2.8 缓进给磨削过程中砂轮连续修整398.3 高效深切磨削(HEDG)8
29、.3 高效深切磨削(HEDG)n HEDG(High Efficinc Deep Grinding)工艺是德国居林公司在20世纪80年代初期研制开发成功的，是高速磨削与缓进给磨削的进一步发展，认为是现代磨削技术的高峰nHEDG以切深0.130mm，工件速度vw0.510mmin，此砂轮速度vs80200ms的条件进行磨削，其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的金属切除率，又能达到加工表面高质量。n用高效深切磨削工艺加工出的工件，其表而粗糙度可与普通磨削相当，而其磨除率比普通磨削高1001000倍。因此，在许多场合，可以替代铣削、拉削、车削等加工技术。住复磨削、缓进给磨
30、削、高效深切磨削方法工艺参数的对比列于表83。408.3 高效深切磨削(HEDG)418.3.1 高效深切磨削原理8.3.1 高效深切磨削原理n在蠕动微进给磨削中，工件进给速度低，生产效率较低能量转换的慢接触弧长，磨粒所经历的时间长，能量的一部分缓慢地传导给工件、易引起工件表面烧伤。n 高效深切磨削与缓进给磨削相反，其加工中的能量在短时间内转化为热被传散，为降低热能量传给加工零件，工作台快速进给(即工件进给速度快)。砂轮高速转动，工件快速进给，砂轮很快与磨削区脱离，热量主要传散到切屑与磨削液。n图813是HEDG磨削的金属去除率Zw、工件进给速度vw与接触区温度的关系，在三种磨削深度 ap(3
31、、6、9mm)情况下，金属磨除率Zw 增加，即工件速度增加，温度下降，比磨削能增加，接触区温度则下降。随磨削深度ap增加，温度有一定的上升倾向，工件表面温度增加，但总的趋势是随vw、Zw增加磨削工件表面温度下降，CBN砂轮磨削温度较Al2O3砂轮磨削温度低得多。428.3.1 高效深切磨削原理n 砂轮线速度vs增大HEDG的必要的提条件。砂轮速度vs与工件表面的温度关系如图814所示。该图用Al2O3、电镀CBN两种砂轮在不同砂轮速度vs下。工件表层温度变化情况。伴随砂轮速度vs达到100ms，工件表面温度上升；CBN砂轮vs增大到100ms，工件表面温度下降，趋于稳定。Al2O3 砂轮约在1
32、00ms，工件表面温度下降。其原因是砂轮线速度vs增加的初期，摩擦力增加，所以工件温度增加，砂轮速度再增加，未变形切削厚度减小，磨粒微刃与工件接触频率增加，其摩擦力增加。工件表面温度持续上升，vs再继续增加，则工件表面温度下降。CBN砂轮磨削温度较Al2O3砂轮磨削温度低得多。438.3.1 高效深切磨削原理n 砂轮线速度增加接触面上温度下降的原因，可用“接触层的理论”说明。为了说明这一问题，首先要理解温度平衡的概念。磨粒微刃和工件开始接触，微刃切入工件，所产生的切屑温度和表面温度都伴随着磨粒微刃接触弧长度的增加而增加。磨粒微刃接触部的温度达到切屑的平衡温度的最大值。n图815表示接触层温度随
33、砂轮速度变化的曲线，接触层的温度达到平衡温度，接触区就达到最高温度。砂轮与工件接触面的表层叫接触层。切屑的厚度与接触层厚度相同这一层温度可达1000一1800，这是由于HEDG磨削砂轮速度vs增加，在给定的时间内，磨粒微刃接触数量与切削刃的运动量成正比，这就使得HEDG产生较长的切削轨迹和较紧密的磨削轨迹。砂轮接触的有效磨粒刃数多，产生热量多，所以磨粒接触微刃部的快速产生高温，研究表明，磨粒微刃产生的热向接触层扩散的热量，多于直接进入工件内的热量。448.3.1 高效深切磨削原理n图816表示从工件表面向内部热传递的等温曲线。这是用高额电子束将钢制零件表面加热到熔点，接触而积为直径1mm的圆，
34、用200wmm2能量，在11.1ms的加热结果，热扩散到接触面上的热量多于进入工件个体内的热量n这一模拟结果可适用于HEDG。加工中热源相当于高频电子束热源，可以想象每个磨粒微刃的切削热扩散到接触层上热多于进入工件材料内部的热，同时，热向水平力向扩散，在利于邻近微粒的切屑形成过程，导致摩擦力下降。458.3.1 高效深切磨削原理n去除接触层所需的时间可用下述公式计算。如平均磨削深度ap6mm，金属磨除率为Zw100ms，砂轮线速度为vs400mm，砂轮直径dw400mm，则接触弧长lc 接触层当量agc(即切屑当量厚度)因此1mm宽的接触层的体积vw为 因此接触层的体积vw与金属磨除率Zw之比
35、，等于去除某个接触层所需时间tc468.3.1 高效深切磨削原理n在其他参数一定时，金属磨除率Zw为1000mm3(mms)时，则磨除接触层所需的时间tc仅为0.049ms。n高效深切磨削中切除接触层所需时间较缓进给磨削快200020000倍，在这样短的时间内热量流向工件的可能性很小，接触层产生的热量主要存留于切屑之中而被带走。通过接触层向工件内传散热量主要决定于两个因素：一是接触层厚度，二是温度。接触层(接触层厚度是变化的)体积、温度和材料的比热三者之积即为接触层的热量。478.3.1 高效深切磨削原理n 在砂轮速度增大到某点接触层的温度达到最高点，这时容易生成切屑。超过这点，砂轮速度再增大
36、，接触层高温切屑形成加快，不再导致摩擦力增加。接触层达到平衡温度(约10001800)后，其热量加速向外扩散，但vs增加，接触层的厚度减少，保持了接触层平衡温度不变。接触层厚度越小，伴随着高温被加工零件所吸收的能量越小，换句话说、接触层越薄，磨削后接触层下边一层温度越低于平衡温度。接触层下边一层的温度在增大之前，接触层被切除，所以磨削表面层温度低，避开了烧伤温度。n工件的金属切除率增加，其磨削力和能量的比则不增加。HEDG比缓进给磨削所消耗的能量减少，不足缓迟给磨削所消耗虽的10。其原因是，HEDG工艺工件进给速度大，未变形切屑变厚，生成切屑所消耗的能量显著减少。488.3.1 高效深切磨削原
37、理n图8-17表示工件进给速度vw、金属切除率Zw、与工件表面温度的关系。工件表面存在一临界温度(图中A、B点)，小于A点时，所对应的Zw、vw增大。缓进给磨削工件表面没有烧伤，在A、B之间所对应的Zw、vw，工件表面有最高的温度，超过发生烧伤的临界温度，这个范围内进行缓进给磨削，工件表面易发生烧伤。n越过B点增Zw、vw，工件表面温度低于烧伤的临界温度，进行磨削，工件表面不发生烧伤，HEDG的Zw、vw大于缓进给磨削，所以工件表面温度低得多，跳过发生烧伤的临界温度。498.3.2 HEDG的磨削力n 磨削加工金属切除率挺高，大量的切屑要停留在砂轮表面上，堵塞砂轮、为了正常磨削，应正确选择砂轮
38、浓度及磨削用量，保证砂轮转转一周所生成的切屑体积应小于扩砂轮容屑空间，砂轮堵塞后，使磨削液迅速消除(冲沉)下来，n防止切屑堵塞的措施之一是使用气孔砂轮。气孔率增加，其磨削效率降低，加工表面粗糙度增加，砂轮表面层强度下降、则是不利的。8.3.2 HEDG的磨削力 1.砂轮速度vw对磨削力影响n 图8-18是用直径400mm，厚8mm的电镀CBN砂轮，两种粒度号为252#、427#，浓度号均为200；磨削15MnCr，HV170，磨削深度ap10mm，Zw50mm3(mms)工件速度，vw5mms，乳化液条件下，砂轮速度对磨削力的影响。随vs的增加Fn、Ft均下降。粒度252#的CBN砂轮比粒度4
39、27#砂轮磨削的磨削力显著增加，切向力Ft比法向力(径向力)小。508.3.2 HEDG的磨削力2磨削加工金属磨除率Zw及工件速度vw对磨削力的影响 采用与图8-18同样直径，厚2mm的砂轮，粒度为151号及25号。乳化液砂轮速度vs120mm，ap=6mm情况下，考察Zw与vw对磨削力的影响结果示于图8-19。磨粒粒度号小的CBN砂轮(151#)有较大的磨削法向切削力Fn和较小的Ft。518.3.2 HEDG的磨削力3.磨料粒度对磨削力的影响n图8-20是CBN粒度变化对磨削力的影响，在中等粒200#有最小的磨削力，小于或大于粒度200#，磨削力均有较大的值。只些使用中等粒度能满足电镀CBN
40、砂轮的金属磨除率与法向磨削力的关系表达为下式：n使用粒股252#的砂轮，其法向磨削Fn为528.3.2 HEDG的磨削力n 使用粒度151#的砂轮 式中的K为与单位磨削力Ce有关的系数n磨削法法向力随磨除率Zw增加，Fn、Ft均增加；磨削深度ap增加，Fn、Ft亦增加。538.3.3 HEDG对机床的要求8.3.3 HEDG对机床的要求n 高效深切磨削具有加工时间短（一般为0.1-10s)，高的磨削力，砂轮高速回转，要求机床具有高的平衡性，控制磨削液向砂轮充分供给砂轮能自动修整。n满足上述诸条件，磨床必须具有下列条件：主轴应有较高的转速；主轴应有合适的支承；机床控制要适当：机床应有高的刚度及坚
41、固的结构；磨削液应有合理的供给系统；合理的砂轮修整系统n磨床满足上述要求，就可以实施HEDG工艺。一般HEDG要求的机床主轴驱动动力大于缓进给磨削的36倍，如用直径400mm的砂轮，至少需要用50kw功率。548.8其他高效磨削工艺简介8.8其他高效磨削工艺简介8.8.1快速短行程磨削n 快速短行程磨削是住复磨削，采用比普通磨削高得多的速度，短得多的往复行程进行磨削，亦称高速往复磨削。它与缓进给磨削相比，是一种具有更高效率和精度的新磨削工艺。它既能达到普通住复式磨削的精度，又能获得比缓进结磨削更高的效率。n快速行程磨削适合于短工件的磨削，如长10mm左右零件的磨削加工，它的行程仅稍大于工件长度
42、。工作台的最大往复运动频率达400双行程/min。由于行程速度快(可达3.8ms)，工作台换向行程很小，一般仅为0.5mm。从而大大减少厂工作台换向时间。n由于快速短行程磨削时工作台速度比普通磨削高23倍，使磨粒切入深度增加。用这种方法可对工件表面造成脆性破坏，从而提高磨削加工的金属磨除率尤其适合于加工脆性材料的高效磨削。快速短行程磨削还克服了缓进给磨削砂轮接触弧大的缺点。进给次数多、行程短，可在给定的时间内大大提高金属切除率。558.8.1快速短行程磨削n 德国生产的Super Rubino44型快速短行程磨削机床，具有较高的机电一体化水平。机床各运动都用直流调速电动机驱动，用短行程螺旋齿形
43、带传动，可精确地确定工作台行程换向点。这种齿形带既具有平行带的优点，又有链条的优点。工作中传动不打滑，不需润滑，传动效率达99，不发热。该机床的砂轮系统采用CNC控制装置，可任意编程，控制砂轮修整。目前快速短行程磨削新工艺还没有广泛推广。8.8.2 大气孔宽砂轮磨削工艺n宽砂轮磨削也是一种高效磨削，它靠增大磨削宽度来提高磨削效率。一般外因磨削砂轮的宽度仅50mm左人，16宽砂轮外圆磨削砂轮宽度可达300mm，平面磨削砂轮宽度可达400mm，无心磨削砂轮宽度可达8001000mm。在外圆和平面磨削中一般采用切人磨削法，而无心磨削除用切入法外，还采用通磨，宽砂轮磨削工件精度可达h6，表面粗糙度可达
44、及Ra0.63 m。宽砂轮磨削有以下特点：n(1)适应于大批量零件磨削加工，如花键轴、麻花钻、电机轴、缝纫机的上轴与下轴。生产率可成倍提高。(2)砂轮经成形修整进行成形磨削。一次切入磨削成形且保证零件成形精度。568.8.2 大气孔宽砂轮磨削工艺(3)由于砂轮宽度大，则磨削面积大，故磨削力大，磨削功率消耗大，产生的热量多。(4)为保证零件的加工质量，宽砂轮磨削的关键在于沿砂轮宽度方向向上的磨损是否均匀，它直接影响被磨工件的精度和表面质量。因此砂轮硬度不仅在圆周方向均匀性要好，且在轴向均匀性要更好。(5)宽砂轮磨削的机床要有足够的刚度及足够的功率。砂轮电动机功率Peb/10(KW),b为砂轮宽度
45、(mm)。n为减少宽砂轮磨削热，提高磨削效率，将普通砂轮更换大气孔宽砂轮进行高效磨削。大气孔宽砂轮中采用陶瓷结合剂使砂轮中形成密布的气孔，气孔周边有效磨刃容屑槽扩大，致使有效磨刃更为锋锐，能切下较厚的切削层，且砂轮与工件的接触面积减少，导致摩擦力下降，所以大气孔宽砂轮的磨削效率提高。由于气孔存在，磨削液能渗入气孔中，带入磨削区的磨削液多，使磨削热较易传散。减少工件的热变形，相应的地降低了工件尺寸误差。578.8.3 多砂轮磨削工艺n如在M7130G/GB高效卧轴矩台平面磨床上加工规格为550mm x125mm的45钢工件，采用砂轮为1A350 x63 x127-WA46L5-35ms的大气孔砂
46、轮，机床磨头电动机额定功率为7.5kw.大气孔砂轮比普通砂轮磨削降低能耗达20以上。垂直进给量可达0.40.06mm(普通平磨仅为(0.02mm)，其磨削效率达100.由于磨料铰锋锐其磨屑变形力摩擦力均较普通砂轮磨削降低，单位宽度金属切除率提高20。磨削热亦下降，工件热变形小，加工精度提高。8.8.3 多砂轮磨削工艺n技工件要求，可使用多片砂轮排列成相应的间隔，各砂轮同时横向切人工件，完成工件表面的磨削加工。如用多砂轮磨削曲轴主轴颈，工件在一次装夹中磨削，提高了曲轴各轴颈的同轴度与生产效率，可减少磨床数量及占地面积。适用于曲轴、凸轮轴等的加工。n多砂轮磨削要求同组砂轮硬度切削性能，磨损应基本一
47、致；任何一片砂轮需修整时，同组砂轮需同时修整，以保证工件加工尺寸精度：由于多片砂轮同时进行磨削，应提高工件系统的刚度如使用自动跟踪中心架，以保证各轴颈尺寸精度及同轴度。588.8.4 恒压力(定力)磨削工艺8.8.4 恒压力(定力)磨削工艺n 恒压力(定力)磨削是切人磨削的一种类型。是砂轮与工件之间保持预选的压力。与定进给磨削相比其特点示于表8-9。59n恒压力力控制磨削方法有挂机械重锤、差动液压缸、电气机械组合等。图8-30为差功液压缸结构的定力控制磨削。n由快速液压缸快速引进到上件接近砂轮时，转换为差动液压缸推动。继续向砂轮快速趋近，以消除空程。工件抵触砂轮后，即以选定的压力作粗磨；达到预
48、定尺寸即发出信号，转换为较低压力的粗磨；当杠杆下端撞头碰到行程挡块时，停止进给，由时间继电器控制作无进给光磨；最后头架决速退回。由于定力控制磨削难以实现微量进给的稳定性因此磨削时常仍采用定进给磨削 n对特定上件的最佳磨削压力可通过试验确定。为了淮确控制磨削力，需采用静压或滚动导轨以减少摩擦力。60n在内圆磨削中磨杆是刚性最差的环节。在定进给切入磨削中，随着砂轮钝化，磨削力增加，使磨杆的弯曲情况不断变化，所以孔的锥度随之改变难以避免工件尺寸分散大和几何精度不稳定的缺点。n定力控制内圆磨削磨杆变形为定值，可使磨头预先转过一定角度来补偿，以消除锥度误差。内圆磨削时，砂轮与工件接触区比外圆磨削大，当磨
49、削比压是定值时，切人力就比外圆磨削大，其最佳值可由试验确定。618.8.5 冷风磨削工艺8.8.5 冷风磨削工艺n 为改善磨削加过程因使用大量磨削液时，磨削液的飞溅、腐臭变质、对人身及环境的污染与浸蚀。日本开发了风冷与水冷磨削工艺技术。冷风磨削工艺技术系统。n如图8-31所示。用-30的冷风由喷嘴喷向磨向区，并喷微量的润滑油。冷风是空气压缩机、干燥机、冷冻机、热交换机组成的冷风供给装置，制成-30的冷风，以1000Lmin的风量及附加微量植物油与冷风混合向磨削区供给，微量植物油起润滑作用。628.8.6 单点磨削工艺n冷风磨削试验在外圆磨床上进行，使用CBN砂轮，磨削淬火处理后的铬钼钢，直径5
50、0mm的工件。砂轮线速度vs80ms。单位宽度砂轮磨除率zw9mm3ms，砂轮磨损量下降。但冷风供给系统造价较高，能量消耗较大。冷风喷出后噪声较大且易使磨屑飞溅。为改善冷风磨削的不足，用微量磨削液替代冷风进行冷却。这种磨削液中不含氯化物、硫、油份等。n并用微量植物油进行润滑，该磨削液的流量是原水基磨削液的110lI00，约为0.1l100。这种工艺方法称为ECOLOG磨削加工工艺技术。在GL4AE磨床上磨削铬钼钢工件。砂轮速度vs45ms，倾斜式磨头进行切入磨削，其磨削结果为圆度误差达0.6 m，表面粗糙度只Rz达2.2 m.8.8.6 单点磨削工艺n 将车削、铣削概念用于磨削，在CNC磨床上