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1、姜春晓2005年9月Precision and ultraprecision machining精密和超精密加工技术4/4/20234/4/20233.1 精密和超精密磨削概述 3.2 精密磨削 3.3 超硬磨料砂轮磨削 3.4 超精密磨削 3.5 精密和超精密砂带磨削第3章 精密磨削和超精密磨削4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述一、一、精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固结磨料加工游离磨料加工精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超精加
2、工砂带磨削砂带研磨4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类固结磨料加工固结磨料加工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。精密和超精密砂轮磨削精密和超精密砂轮磨削精密砂轮磨削：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，得加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。精密和超精密砂带磨削精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W
3、28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述一、精密和超精密加工分类一、精密和超精密加工分类游离磨料加工游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料及其选择磨料及其选择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4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨
4、削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具磨料粒度及其选择磨料粒度及其选择多选用180240普通磨料、170/200325/400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。结合剂及其选择结合剂及其选择将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂组织和浓度及其选择组织和浓度及其选择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。4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精
5、密磨削概述二、精密和超精密砂轮磨料磨具二、精密和超精密砂轮磨料磨具硬度及其选择硬度及其选择普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。超硬磨具无硬度项指标。磨具的强度磨具的强度高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。磨具的形状和尺寸及其基体材料磨具的形状和尺寸及其基体材料根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。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。4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆磨具分类涂覆磨具分类涂覆磨具工作条件基底材料形状耐水干磨复合纸棉
6、布化纤布塑料膜盘状页状卷状环状带状4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆磨料及粒度涂覆磨料及粒度棕刚玉、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。粘接剂粘接剂又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨和油磨。和油磨
7、。树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂树脂：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。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。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。4/4/20234/4/2023第1节 精密和超精密磨削概述三、精密和超精密涂覆磨具三、精密和超精密涂覆磨具涂覆方法涂覆方法重力落砂法重力落砂法涂覆法涂覆法静电植砂法静电植砂法4/4/20234/4/2023第2节 精密磨削一、精密磨削机理一、精密磨削机理(1)微刃的微切削作用(2)微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用4/4/20
8、234/4/2023第2节 精密磨削二、精密磨削砂轮选择二、精密磨削砂轮选择4/4/20234/4/2023第2节 精密磨削三、精密磨削时砂轮的修整三、精密磨削时砂轮的修整砂轮修整是精密磨削的关键，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。砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。修整导程（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。4/4/20234/4/2023第2节 精密磨削四、精密磨床四、精密磨床4/4/20234/4/2023第2节 精密磨削五、磨削用量五、磨削用量砂轮速度砂轮速度一般在15
9、30m/s一般在612m/min工作速度工作速度工件纵向进给量工件纵向进给量一般为50100mm/min或0.060.5mm/r横向进给量（吃刀量）横向进给量（吃刀量）一般取0.62.5m/单行程横向进给次数横向进给次数一般约23次（单行程）光磨（无火花磨削）光磨（无火花磨削）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。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削一、超硬磨料砂轮磨削特点一、超硬磨料砂轮磨削特点4/4/20234/4/2023整形整形对砂轮进行微量切削，使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨料尖端细微破碎，形成锋利的磨削刃。
10、修锐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。第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整车削法车削法用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的。磨削法磨削法用普通磨料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。目前最为广泛采用的修整法。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整软钢磨削整
11、形法软钢磨削整形法单滚轮法双滚轮法4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整滚压挤轧法滚压挤轧法用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚，使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整喷射法喷射法碳化硅和刚玉4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整电加工法电加工法电解修整法电解修整法
12、 利用电化学个腐蚀作用蚀除金属结合剂，多用于金属结合剂砂轮的修锐，非金属结合剂砂轮无效。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整电火花修整法电火花修整法电火花放电加工，适用于各种金属结合剂砂轮。若在结合剂中加入石墨粉，可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮。既可整形，又可修锐。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削二、超硬磨料砂轮修整二、超硬磨料砂轮修整超声波振动修整法超声波振动修整法用受激振动的簧片或超声波振动头驱动的幅板作为修整器，并在砂轮和修整器间放入游离磨料撞击砂轮的结合剂，使超硬磨粒突出结合剂。4/4/20234/4/20
13、23第3节 超硬磨料砂轮磨削三、超硬磨料砂轮磨床三、超硬磨料砂轮磨床4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削四、超硬磨料砂轮磨削工艺四、超硬磨料砂轮磨削工艺磨削用量磨削用量磨削速度磨削速度人造金刚石砂轮的磨削速度为1230m/s，立方氮化硼砂轮的磨削速度为4560m/s.磨削深度磨削深度工件速度工件速度一般为1020m/min纵向进给纵向进给速度速度一般在0.451.5m/min磨削深度为0.0020.01mm4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削四、超硬磨料砂轮磨削工艺四、超硬磨料砂轮磨削工艺磨削液磨削液磨削液的作用磨削液的作用磨削液的种类磨削液的种类和组成
14、和组成降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、防锈性、防腐性、防火性、切削性和极压性等油性液：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。水溶性液：成分是水，如乳化液、无机盐水溶液和化学合成液等。金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液，立方氮化硼砂轮磨削时用油性液。4/4/20234/4/2023第3节 超硬磨料砂轮磨削五、超硬磨料砂轮的平衡五、超硬磨料砂轮的平衡静平衡静平衡动平衡动平衡 力矩平衡，用于窄砂轮的平衡，是在一个平面上的平衡。（1）机外静平衡架上平衡（2）机上动态平衡（3）机外动态平衡 力偶平衡，用于宽砂轮和
15、多砂轮轴的平衡，是在一个有一定长度的体上进行力偶平衡。一般在动平衡机上进行。4/4/20234/4/2023第4节 超精密磨削一、超精密磨削和镜面磨削一、超精密磨削和镜面磨削超精密磨削的加工精度达到或高于0.1m，表面粗糙度低于0.025m，是一种亚微米级的加工方法；对于钢、铁材料和陶瓷、玻璃等硬脆材料是一种重要的加工方法。镜面磨削加工表面粗糙度达到0.020.01m，属于精密和超精密磨削范畴。超精密磨削的特点：1）超精密磨床是超精密磨削的关键2）超精密磨削是一种超微量去除加工3）超精密磨削是一个高精度、高稳定 性的系统工程4/4/20234/4/2023第4节 超精密磨削二、超精密磨削机理二
16、、超精密磨削机理磨削加工过程磨削加工过程单颗粒磨削1）磨粒是一颗具有弹性支承（结合剂）的和大负前角切削刃的弹性体。2）磨粒切削刃的切入深度是从零开始逐渐增加，到达最大值再逐渐减少，最后到零。3）磨粒磨削时在工件的接触过程中，开始是弹性区，继而塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区。4）超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。4/4/20234/4/2023第4节 超精密磨削磨削加工过程磨削加工过程 磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表面
17、的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切削深度增加），工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤裂，即进入切削阶段，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后，逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。二、超精密磨削机理二、超精密磨削机理4/4/20234/4/2023第4节 超精密磨削三、超精密磨床三、超精密磨床超精密磨床的特点超精密磨床的特点 （1）高精度 尺寸精度：正负0.25正负0.5 圆度：0.250.1m 圆柱度：25000：0.255000：1m 表面粗糙度：0.0060.01m （2）高刚度 刚度值一般应在
18、200N/m以上 （3）高稳定性 （4）微进给装置 使砂轮获得行程为250m，位移精度为0.020.2m，分辨率达 0.010.1m。（5）计算机数控4/4/20234/4/2023第4节 超精密磨削三、超精密磨床三、超精密磨床超精密磨床的结构超精密磨床的结构 超精密磨床在结构上的发展趋势：超精密磨床在结构上的发展趋势：（1）主轴轴承由动压向动静压和 静压发展，由液体 静压向空气静 压发展。（2）多采用空气静压导轨，也有 采用精密研磨配制 的镶钢滑动导轨。（3）床身、工作台等逐渐采用稳 定性好的天然或人 造花岗岩。（4）整个机床采用对称结构、密 封结构、淋浴结构 等热稳定性措施。4/4/202
19、34/4/2023第4节 超精密磨削三、超精密磨床三、超精密磨床超精密磨削工艺超精密磨削工艺 砂轮线速度：1860m/min 工件线速度：410m/min 工作台纵向进给速度;50100mm/min 磨削深度：0.51m 磨削横进给次数：24次 无火花磨削次数：35次 磨削用量：25m4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削砂带磨削方式砂带磨削方式闭式砂带磨削闭式砂带磨削开式砂带磨削开式砂带磨削采用无接头或有接头的环形砂带环形砂带，通过张紧轮撑紧，由电动机通过接触轮带动砂带高速回转，工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给运动，从而对工件进行磨削。采用成卷砂带成卷砂带，由电
20、动机经减速机构通过卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与工件被加工表面接触，工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给，从而对工件进行磨削。砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削切削区不断出现新砂粒区不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定，磨削效果好一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用4/4/20234/4/2023闭式砂闭式砂带磨削带磨削砂带磨削分类：按砂带与工件接触形式分为接触轮式、支承板（轮）式、自由浮动接触式和自由接触式。按加工表面类型分为外圆、内圆、平面、成形表面等。4/4/20234/4/2023开式砂开式砂带磨削带磨削4/4/20234/4/2
21、023第5节 精密和超精密砂带磨削一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用砂带磨削特点砂带磨削特点1）砂带与工件是柔性接触，磨粒载荷小而均匀，砂带磨削 工件表面质量高，表面粗糙度可达0.050.01m，又称“弹性”磨削。2）静电植砂法是磨粒具有方向性，力、热作用小，有较好 的切削性，有效地减小了工件变形和表面烧伤。工件的 尺寸精度可达50.5m，平面度可达1m。又有“冷态”磨削之称。3）砂带磨削效率高，无需修整。4）砂带制作简单方便，无烧结、动平衡等问题，价格也便 宜，砂带磨削设备结构简单。5）砂带磨削有广阔的工艺性和应用范围、很强的适应性。4/4/20234/4/2023第5
22、节 精密和超精密砂带磨削一、砂带磨削方式、特点和应用一、砂带磨削方式、特点和应用砂带磨削特点砂带磨削特点 砂带研抛加工：开式砂带磨削方式，用细粒度砂粒聚酯薄膜基底砂带。1）接触轮外缘材料为橡胶、塑料时，加工时的抛光作用强；2）接触轮外缘材料为钢铁、铜、胶木时，加工时的研磨作 用强；3）接触轮外缘材料为半软半硬时，加工时研磨、抛光兼有。缺点：缺点：砂带磨削不能加工窄退刀槽的阶梯轴、阶梯孔、盲孔、小孔、齿轮等，对形状和位置精度要求高的也不如精密砂轮磨削。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削二、砂带磨削机理二、砂带磨削机理 砂带磨削时，弹性变形区的面积较大，使磨粒承受的载荷大
23、大减小，载荷值也较均匀，且有减振作用。砂带磨削时材料的塑性变形和摩擦力均较砂轮磨削时减小，力和热的作用降低，工件温度降低。砂带粒度均匀、等高性好，磨粒尖刃向上，有方向性，且切削刃间隔长，切屑不易堵塞，有较好的切削性。砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光的综合作用，是一种复合加工。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削三、精密砂带磨床和砂带头架三、精密砂带磨床和砂带头架砂带磨削头架砂带磨削头架闭式磨闭式磨削头架削头架组成：接触轮（或支撑板）、主动轮、张紧轮、张紧机构、调偏机构、电动机、基座等。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削开式磨开式磨削头架削头架组成：
24、卷带轮、接触轮、砂带轮、电动机、基座等。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削砂带振动磨削砂带振动磨削 开式砂带磨削和振动叠加的复合加工。1)在开式砂带磨削时，振动可弥补工件不能高速运动 时效率下降，使加工效率大大提高。2）振动地叠加可以形成复杂而又不重复地磨削轨迹，形成网状纹，有利于降低表面粗糙度，得到很低的 粗糙度值加工表面。3）可采用干式磨削，加工表面不易出现划痕。4）对宽砂带，沿接触轮轴向振动可使砂带不跑偏和 磨损均匀。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削三、精密砂带磨床和砂带头架三、精密砂带磨床和砂带头架接触轮接触轮4/4/20234/4
25、/2023第5节 精密和超精密砂带磨削三、精密砂带磨床和砂带头架三、精密砂带磨床和砂带头架接触轮的选用原则接触轮的选用原则（1）接触轮的硬度越大，加工表面粗糙度越大；（2）除软质接触轮因超速而发生硬化外，速度高，所 获得的表面粗糙度就低；（3）锯齿形接触轮与表面平滑的接触轮相比，砂带的 使用寿命要长；（4）在加工工件的硬度一定时，硬质接触轮比软质接 触轮的切削量大。其他元件：主动轮、张紧轮及张紧机构、调偏机构、振荡机构。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削四、精密砂带磨削工艺四、精密砂带磨削工艺砂带磨削用量选择砂带磨削用量选择砂带速度砂带速度对闭式磨削，粗磨时为1220
26、m/s，精磨为2530m/s.工件速度工件速度粗磨选2030m/min，精磨选20m/min以下纵向进给量纵向进给量及磨削深度及磨削深度粗磨时，纵向进给量为0.173.00mm/r，磨削深度为0.050.10mm，精磨时，纵向进给量为0.42.00mm/r，磨削深度为0.010.05mm。接触压力接触压力一般选取50300N4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削四、精密砂带磨削工艺四、精密砂带磨削工艺砂带选择及其修整砂带选择及其修整滚压法滚压法对磨法对磨法预磨法预磨法使砂带通过一对有相应间隙的淬火钢制平滑滚轮，砂带受压将凸出磨粒压平而获得等高性。用一细粒度砂带与欲用的新砂带对磨，将其凸出磨粒修整掉。将新砂带使用一段时间后，待砂带处于正常磨损的最佳阶段时备用。4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削四、精密砂带磨削工艺四、精密砂带磨削工艺磨削液与干磨削液与干磨剂的选择磨剂的选择4/4/20234/4/2023第5节 精密和超精密砂带磨削四、精密砂带磨削工艺四、精密砂带磨削工艺砂带磨削砂带磨削的除尘的除尘无论是湿磨还是干磨，无论是在砂带磨床还是在普通磨床上利用砂带磨削头架磨削，都应设有吸尘和集尘装置。4/4/20234/4/2023习题3-14习题3-16课后思考题4/4/20234/4/20234/4/20234/4/2023