第三章 精密切与超精密磨料加工.doc

第三章 精密与超精密磨料加工
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。
精密和超精密磨料加工可分为固结磨料和游离磨料两大类，如图所示。
【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。
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。
固结磨具：用磨料(磨削材料)与结合剂制成的具有一定形状和一定磨削能力的工具.
涂覆磨具：是将磨料用粘接剂均匀地涂敷在纸、布、化纤或其他复合材料等基底上的磨具。】
磨削是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。 砂轮的高速转动是主运动，进给运动由工件和砂轮的直线运动来完成，磨削时需要使用大量的切削液。
【磨削的类型：
平面磨削：零件上各种位置的平面，如互相平行的平面、互相垂直的平面和倾斜成一定角度的平面（机床导轨面、V形面等），都可用磨削进行加工。磨削后平面的表面粗糙度的Ra值在0.2～0.8之间，尺寸可达IT5～IT6，对基面的平行度可达0.005～0．01mm／500mm。
周边磨削特点是砂轮与工件接触面小，磨削力小，排屑和冷却条件好，工件的热变形小，而且砂轮磨损均匀，所以工件的加工精度高。但是砂轮主轴悬臂工作，限制了磨削用量的选择，生产率较低。端面磨削特点是砂轮与工件接触面大，主轴轴向受力，刚性较好，所以允许采用较大的磨削用量，生产率较高。但是端面磨削磨削力大，发热量大，排屑和冷却条件较差，工件的热变形较大，而且砂轮磨损不均匀，所以工件的加工精度较低。
外圆磨削：主要在外圆磨床上进行，用以磨削轴类工件的外圆柱、外圆锥和轴肩端面，通常作为半精车后的精加工。
1、纵磨法 磨削时，工件作圆周进给运动，同时随工作台作纵向进给运动，使砂轮能磨出全部表面。每一纵向行程或往复行程结束后，砂轮作一次横向进给，把磨削余量逐渐磨去 。可以磨削很长的表面，磨削质量好。特别在单件、小批生产以及精磨时，一般都采用纵磨法。
2、横磨法（切入磨法） 采用横磨法，工件无纵向进给运动。采用一个比需要磨削的表面还要宽一些（或与磨削表面一样宽）的砂轮以很慢的送给速度向工件横向进给，直到磨掉全部加工余量。横磨法主要用于磨削长度较短的外圆表面以及两边都有台阶的轴径。
3、深磨法 特点是全部磨削余量（直径上一般为0.2～0.6mm）在一次纵走刀中磨去。磨削时工件圆周进给速度和纵向送给速度都很慢，砂轮前端修整成阶梯形或锥形。深磨法的生产率约比纵磨法高一倍，能达到IT6级，表面粗糙度的Ra值在0.4～0.8之间。但修整砂轮较复杂，只适于大批、大量生产，磨削允许砂轮越出被加工面两端较大距离的工件。
4、无心外圆磨削法 工件放在磨削砂轮和导轮之间，下方有一托板。磨削砂轮（也称为工作砂轮）旋转起切削作用，导轮是磨粒极细的橡胶结合剂砂轮。工件与导轮之间的摩擦力较大，从而使工件以接近于导轮的线速度回转。无心外圆磨削在无心外圆磨床上进行。无心外圆磨床生产率很高，但调整复杂；不能校正套类零件孔与外圆的同轴度误差；不能磨削具有较长轴向沟槽的零件，以防外圆产生较大的圆度误差。因此，无心外圆磨削多用于细长光轴、轴销和小套等零件的大批、大量生产。
内圆磨削: 内圆磨削除了在普通内圆磨床或万能外圆磨床上进行外，对大型薄壁零件，还可采用无心内圆磨削；对重量大、形状不对称的零件，可采用行星式内圆磨削，此时工件外圆应先经过精加工。
内圆磨削由于砂轮轴刚性差，一般都采用纵磨法。只有孔径较大，磨削长度较短的特殊情况下，内圆磨削才采用横磨法。
与磨外圆磨削相比，内圆磨削有以下一些特点：
(1)磨内圆时，受工件孔径的限制，只能采用较小直径的砂轮。内圆磨削砂轮需要经常修整和更换，同时也降低了生产率。
(2)砂轮线速度低，工件表面就磨不光，而且限制了进给量，使磨削生产率降低。
(3)内圆磨削时砂轮轴细而长，刚性很差，容易振动。因此只能采用很小的切入量，既降低了生产率，也使磨出孔的质量不高。
(4)内圆磨削砂轮与工件接触面积大，发热多，而切削液又很难直接浇注到磨削区域，故磨削温度高。
（5）内圆磨削的条件比外圆磨削差，所以磨削用量要选得小些，另外应该选用较软的、粒度号小的、组织较疏松的砂轮，并注意改进操作方法。
无心磨削:　一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。磨削时，工件不用顶尖定心和支承，而是放在砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交1°～6°时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，这称为贯穿磨削。贯穿磨削只能用于磨削外圆柱面。采用切入式无心磨削时，须把导轮轴线与砂轮轴线调整成互相平行，使工件支承在托板上不作轴向移动，砂轮相对导轮连续作横向进给。切入式无心磨削可加工成形面。无心磨削也可用于内圆磨削，加工时工件外圆支承在滚轮或支承块上定心，并用偏心电磁吸力环带动工件旋转，砂轮伸入孔内进行磨削，此时外圆作为定位基准，可保证内圆与外圆同心。无心内圆磨削常用于在轴承环专用磨床上磨削轴承环内沟道。】
砂轮是由磨料加结合剂用烧结的方法而制成的多孔物体。其中磨料承担切削任务，具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和韧性，并有较锋利的棱角；结合剂的作用是将磨粒粘合在一起，使砂轮具有必要的形状和强度；气孔:结合剂没有填满磨料之间的全部空间，因而有气孔存在。
【砂轮种类繁多。
按所用磨料可分为普通磨料（刚玉和碳化硅等）砂轮和天然磨料和超硬磨料（金刚石和立方氮化硼砂轮等）砂轮； 　　
按形状可分为平形砂轮、斜边砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮等；按结合剂可分为陶瓷砂轮、树脂砂轮、橡胶砂轮、金属砂轮等。砂轮的特性参数主要有磨料、粘度、硬度、结合剂、形状、尺寸等。】
【磨削的特点：
1）砂轮是由磨料和结合剂结合而成的特殊多刃磨具，砂轮表面每平方厘米上约有60～1400颗磨料，每颗磨粒相当于一个刀齿。不但可磨削铜等软材料，还可加工淬火钢、硬质合金等硬材料以及超硬材料。
2）砂轮线速度一般35m/s左右，磨削时除了对工件表面有切削作用外，还有强烈的挤压和摩擦作用，在磨削区瞬时温度高达1000℃以上。
3）砂轮经修正，可形成极细微的刃口以切除工件表面极薄的金属层。
4）磨削加工能获得极高的加工精度和极细的表面粗糙度，磨削通常可达到Ra 1.25～0.16µm，镜面磨削粗糙度Ra0.01µm光滑表面。
5）砂轮在磨削时，部分磨钝的磨粒在一定条件下能自动脱落或崩碎，从而使砂轮保持良好的磨削性能。】
第一节 精密磨削
精密磨削是指加工精度为1～0.1µm、表面粗糙度达到Ra0.2～0.01µm的磨削方法，表面粗糙度达到0.01µm以下，表面光泽如镜的磨削方法，称为镜面磨削。
一、精密磨削机理
⑴ 微刃的微切削作用
在精密磨削中，通过较小的修整导程和修整深度来精细地修整砂轮，使磨粒具有较好的微刃性（即磨粒产生微细的破碎，而且形成细而多的切削刃）。这种砂轮磨削时，同时参加切削的刃口增多，深度减小，微刃的微切削作用形成了小粗糙度值的表面。
⑵ 微刃的等高切削作用
微刃是由砂轮的精细修整形成的，分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多，等高性好（即细而多的切削刃具有平坦的表面），使得加工表面的残留高度极小，因而形成了小的表面粗糙度值。
⑶ 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用
砂轮修整后出现的微刃切削开始比较锐利，切削作用强，随着磨削时间的增加微刃逐渐钝化，同时等高性得到改善。这时切削作用减弱，滑擦、挤压、抛光作用增强。磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度值。在同样的磨削压力下，单个微刃受的比压小，刻划深度小。
二、磨削用量
三、精密磨削砂轮
影响砂轮性能的因素主要是砂轮的磨料、砂轮的粒度和砂轮的结合剂。
1、砂轮磨料
【砂轮磨料:有天然磨料、人造磨料两种。天然磨料由于价格昂贵、含杂质多、性质不均匀，因此，主要用人造磨料做砂轮。生产中使用的磨料有氧化物（刚玉类）系、碳化物系和超硬磨料。
氧化物系（刚玉类）磨料：比碳化物系磨料强度、韧性好，但硬度差。因此，用于磨削各种钢类工件；
碳化物系磨料：用于磨削铸铁类、黄铜、软青铜、铝及硬质合金等硬脆工件。
金刚石是最硬的磨料，适于加工硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬质材料。但不宜加工铁族金属，因为它与Fe在高温下化学稳定性差，易磨损。
立方氮化硼（CBN）硬度仅次于金刚石，但抗热冲击性、抗弯强度比金刚石好得多，可用于磨削高硬度高强度钢等材料。立方氮化硼易与水反应，生成氨和硼酸，故在磨削时不易用含水的磨削液】
精密磨削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，因为刚玉磨料韧性较高，能保持微刃性和等高性。在刚玉磨料中，单晶刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。而碳化硅磨料韧性差，颗粒呈针片状，修整时难以形成等高性好的微刃，磨削时，微刃易产生细微碎裂，不易保持微刃性和等高性，主要应用于有色金属加工。
2、砂轮粒度
【粒度：粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类。对于颗粒尺寸大　　于40μm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40μm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后的数值代表微粉最大尺寸。如W20表示微粉的磨粒的直径在20～14um。
磨粒粒度号越大越细，微粉粒度号越小越细。
加工表面粗糙度值越大 →选用越粗的磨料；加工表面粗糙度值越小→选用越细的磨料；砂轮速度高或与工件接触面大时用粗磨料；磨软材料用粗磨料，磨硬材料用细磨料】
砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。粗粒度砂轮经过精细修整形成微刃，以微切削作用为主；细粒度砂轮经过精细修整形成半钝态微刃，与工件表面的摩擦抛光作用比较显著，可得到质量更高的加工表面和砂轮耐用度。
3、砂轮结合剂
将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。有树脂结合剂（强度高、弹性好，很适用于切断、开槽等高速磨削。但其耐热性、耐蚀性差、气孔率小，易糊塞、磨损快、易失去廓形。用于磨窄槽,切断用砂轮,高速砂轮,镜面磨砂轮）、陶瓷结合剂（耐热、耐蚀、耐潮、气孔率大、保持廓形好，最常用 。但其性脆，韧性及弹性较差，不能承受侧面弯扭力，有宜用于切断砂轮。除薄片砂轮外,能制成各种砂轮）和金属结合剂（抗张力强度高，型面保持性好，有一定韧性，但自锐性差，主要用于制造金刚石砂轮，粗、精磨硬质合金，以及磨削与切断光学玻璃、宝石、陶瓷、半导体等材料。）三种，以树脂类应用广泛。对粗粒度砂轮，可用陶瓷结合剂。金属类、陶瓷类结合剂是目前超精密加工领域中研究的重要方面。
四、精密磨削中的砂轮修整
砂轮使用一段时间后会出现磨损，使磨削温度升高，磨削力增大，甚至引起振动，产生噪音，加工质量恶化等。为此，对砂轮应及时进行修整。
砂轮耐用度：砂轮相邻两次修整间的磨削时间，用T表示。对于精加工，也可用相邻两次修整间磨削加工工件数作为砂轮耐用度。
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10～15mm/min，修整深度为2.5μm/单行程；修整导程（纵向进给）和修整深度越小，工件表面粗糙度值越低。但修整导程过小，容易烧伤工件，产生螺旋形等缺陷。修整深度一般为0.05mm即可恢复砂轮的切削性能。精修次数2～3次，光修次数1次单行程。光修为无修整深度修整，一般为1次单行程，主要是为了去除砂轮表面个别突出微刃，使砂轮表面更加平整。
五、超精密磨削
超精密磨削是指加工精度在0.1µm以下，表面粗糙度在Ra0.025µm以下的砂轮磨削方法。这时磨粒去除切屑极薄，磨粒将承受很高的应力，其切削刃表面受到高温高压作用。对于普通材料的磨粒，在这种高剪应力作用下，磨粒很快磨损或崩裂，以随机的方式不断形成新的切削刃，虽然使连续磨削成为可能，但不易获得较低表面粗糙度的表面。因此要采用人造金刚石、立方氮化硼等高硬度磨料砂轮。
镜面磨削是属于精密磨削和超精密磨削范畴的加工，是指加工表面粗糙度达到Ra0.02~0.01μm、表面光泽如镜的磨削方法。
超精密磨削的机理正在探讨中，它于普通磨削的不同主要是切削深度极小，是超微量切除，除微量切削作用外，可能还有塑性流动和弹性破坏等作用。
六、超硬磨料砂轮磨削
超硬磨料砂轮磨削主要是指用金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮加工硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等高硬度、高脆性材料。
【金刚石微粉砂轮磨削主要是基于微切削作用的微量去除来达到低表面粗糙度值，是一种采用固结微粉磨料进行精密加工的新方法。
金刚石微粉砂轮在磨削时，其主要机理是微切削，磨粒具有很大的负前角和较大的切削刃钝圆半径，一般前角可达γ0=-45o，切削刃钝圆半径可达rn=100μm，因此，在切削过程中有磨屑形成、耕犁(隆起)，滑擦(滑动和摩擦)等现象。】
超硬磨料砂轮磨削的特点为：
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。金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿色碳化硅砂轮的1/4～1/5。
4）磨削效率高。这是由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比。但超硬磨料砂轮有难度较大的修整问题。
5）综合成本低。虽然金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮比较昂贵，但其寿命长，加工效率高，工时少，综合成本低。
1、超硬磨料砂轮磨削工艺
2、超硬磨料砂轮修整
修整是整形和修锐的总称。
整形是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。
修锐是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。
普通砂轮的整形和修锐一本是合二为一进行的，而超硬磨料砂轮的整形和修锐则是分为前后两步进行。这是因为整形和修锐的目的和要求不同所致，即整形是为了获得理想的砂轮几何形状，修锐是为了提高磨削性能。
超硬磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下几类：
（1）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。
（2）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。
（3）软钢磨削整形法
低碳钢磨削整形：低碳钢磨削整形的特点是修整效率及修整精度较低、 磨粒脱落较多、 整形质量不稳定。
（4）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。
特点用该法修锐树脂结合剂 砂轮时 ,初始磨损较大 ,磨削比较低。
（5）喷射法
利用高压液体和磨粒的运动达到去除砂轮表面结合剂的目的。是一种高效修锐方法 ,可在短时间内获得满意的修锐效果。配合金刚石滚轮整形可减少金刚石滚轮的磨损。
（6）电加工法
（7）电解修整法
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。
【ELID磨削：使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。
使用ELID磨削具有以下几个特点：①磨削过程具有良好地稳定性；②金刚石砂轮不会过快磨耗，提高了贵重磨料的利用率；③磨削过程具有良好的可控性；④有效地实现了镜面磨削，大大减少了先进陶瓷零配件的表面残留微裂纹。】
（8）电火花修整法
电火花修整过程中，砂轮高速旋转，被修整砂轮接脉冲电源的正极，工具电极接脉冲电源的负极，以磨削乳化液为工作液，且工作液由磨床的冷却液喷嘴直接注入到被修整砂轮和工具电极之间，然后利用砂轮和工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀除金属结台剂，使超硬磨粒有效地暴露出来，从而达到整形和修锐的目的。
电火花修整特点：①可进行在位、在线修整，易保证磨削精度；②操作方便；③适用于任何以导电材料作为结合剂的砂轮；④修整力小，适合小直径和极薄砂轮的修整；⑤可方便地实脱对成型砂轮的快速、高精度修整。
此外，相对其他砂轮修整方法电火花修整还具有成本低、易实现、工艺参数少、便于调节等优点。
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。
（9）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。
超声振动修锐的特点：一方面， 由于超声波具有能量激波特性， 可使磨料破碎并增强磨料对砂轮结合剂的切削和研蚀作用； 另一方面， 超声波经过液体时会产生所谓 “空压” 作用，促使悬浮液渗入被修砂轮表面的细微裂纹中， 进一步加剧结合剂的破除， 起到修锐砂轮的作用。