特种加工 精密超精密磨料加工

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,精密和超精密磨料加工,一、,精密和超精密加工分类,精密和超精密加工分类,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,精密砂轮磨削,：砂轮的粒度,60,80,，,加工精度,1,m,，,Ra0.025m,；,超精密砂轮磨削,：砂轮的粒度,W40,W50,，,加工精度,0.1m,，,Ra0.025,0.008m,。,精密和超精密,砂带,磨削,精密砂带磨削：,砂带粒度,W63,W28,，加工精度,1m,，,Ra0.025;,超精密砂带磨削,：砂带粒度,W28,W3,，加工精度,0.1m,，,Ra0.025,0.008m,。,第一节 精密磨削,一、精密磨削机理,微刃的微切削作用,微刃的等高切削作用,微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,二、磨削用量,砂轮速度,一般在,15,30m/s,30m/s,一般在,6,12m/min,工件速度,工件纵向进给量,一般为,50,100mm/min,或,0.06,0.5mm/r,横向进给量（吃刀量）,一般取,0.6,2.5m/,单行程,横向进给次数,一般约,2,3,次（单行程）,光磨（无火花磨削）,粗粒度砂轮精细修整后,光磨次数采用,5,8,次,细粒度砂轮精细修整后,光磨次数采用,10,25,次。,不能太高：否则容易烧伤、产生裂纹、降低加工精度。加工机床容易振动,三、精密磨削砂轮,精密磨削所使用砂轮的选择以,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,，单晶刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。,砂轮的,粒度,可选择,粗粒度和细粒度两类,。,结合剂选择,树脂较好,，加入,石墨填料加强摩擦抛光作用。,砂轮的选择,铬刚玉,绿碳化硅砂,四、磨料及其选择,普通磨料与超硬磨料,白刚玉,灰黑,色粉,磨料粒度及其选择,多选用,180,240,磨粒,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,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,。,http:/www.c- 超精密磨削,1,超精密磨削机,理,1,）磨削加工过程,单晶粒磨削,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。,各区形状,2,）单磨粒磨削模型,磨削的力学模型,平面磨削,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。,3,）超精密磨削机理,七、 超硬磨料砂轮磨削,1,超硬磨料砂轮磨削特点,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。,4,）磨削效率高。,5,）综合成本低。,2,、超硬磨料砂轮磨削工艺,1,）磨削液,磨削液的作用,磨削液的种类和组成,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，防止其高温水解。,2,）超硬磨料砂轮磨削工艺,磨削用量,磨削速度,人造金刚石砂轮的磨削,速度为,12,30,m/s,，,立方氮化硼砂轮的,磨削速度为,45,60,m/s.,磨削深度,工件速度,一般为,10,20m/min,纵向进给速度,一般在,0.45,1.5m/min,磨削深度为,0.002,0.01mm,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。,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。,3,、 超硬磨料砂轮的修整,4,、超硬磨料砂轮修整方法,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,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,、,超硬磨料砂轮修整方法,软钢,磨削整形法,单滚轮法,双滚轮法,4,超硬磨料砂轮修整,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,、,超硬磨料砂轮修整方法,修整轮,喷射法,碳化硅和刚玉,4,、,超硬磨料砂轮修整方法,电加工法,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,。,4,、,超硬磨料砂轮修整方法,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,、,超硬磨料砂轮修整方法,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,、,超硬磨料砂轮的修整方法,一、研磨加工的机理,第二节 精密研磨和抛光,1.,研磨时磨料的工作状态,1,）磨粒在工件与研具之间,发生滚动，产生滚轧,效果；,2,）磨粒压入到研具表面，用,露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划,，实现微切削加工；,3,）磨粒对,工件表面的滚轧与微量刻划同时,作用。,属于,游离磨粒切削加工,在,刚性研具上注入磨料,在一定,压力,的作用下,通过,研具与工件之间相对运动,借助磨粒的微切削作用,除去,工件材料达到高的几何精度,和,表面光洁度,的方法,.,其实质就是通过研具与工件之间相互修整，,把研具本身的几何精度部分的复制到工件上,.,2,、,平面研磨使用的研具,1,）特种,玻璃,，在加工平面的金属板上涂一层,四氟乙烯或镀铅和铟,；,优点：,能得到,高精度的平面,缺点：,研具层寿命短,2,）使用,半软质研磨盘或软质研磨盘,优点：,研磨出的表面变质层很小，,表面粗糙度也很小；,缺点：,研磨盘不,易保持平面度,3,、 精密平面的研磨机,二、抛光加工的机理,1,、抛光的机理：,1,）,以磨粒的,微小塑性切削,生成切屑，,但是它仅利用,极少,磨粒强制压入,产生作用。,2,）借助,磨粒和抛光器与工件,流动摩擦,使工件表面的,凸凹变平,。,磨粒含在抛光盘中,2,、,抛光盘,1,）特种,玻璃,，或在表面上涂一层弹性材料或软金属的,金属盘,优点：,能得到,高精度的平面,缺点：抛光盘,层寿命短,2,）使用,半软质抛光盘（铅盘、锡盘）或软质抛光盘（石蜡、沥青等）,优点：,抛光出的表面变质层很小，,表面粗糙度也很小；,缺点：,抛光盘不,易保持平面度,抛光工艺对抛光盘的要求,：,要有高的精度及其精度的保持性,3,、 精密研磨、抛光的主要工艺因素,加工条件：,对残,留有裂纹的硬脆材料,和不产生裂纹的,金属材料,的加工条件不同；,研磨方式：,单面,研磨和双面研磨,；,研磨机：,应能,均匀地加工工件,，,研具磨损要小,并要求能,容易修整精度；,研具和抛光盘：,必须避免因工作面,磨损和弹性变形引起精度下降；,磨粒材料：,微细的磨粒,使用磨粒对工件作用,很浅,的材料,；,加工液：,提供,磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。,抛光盘,抛光法,1,弹性发射加工,最小,切除,可以达到,原子级,，直至切去一层原子，,而且,被加工表面的,晶格不致变形,，能够,获得极小表面,粗糙度和材质极纯,的表面,。加工原理实质,是,磨粒原子的,扩散作用和加速,的,微小粒子弹性射击,的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。,三 非接触抛光,三 非接触抛光,2,浮动抛光,浮动抛光是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固定在高刚度的基座上，,抛光液是由,粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成,，并浸没抛光盘上平面，,驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转,，由于抛光盘的特殊形状、,工件与抛光装置,有足够的相对运动速度,、在两者之间,有充足的微粉磨料液流,，,因此,在工件与抛光盘之间形成流体动压效应，将工件浮起,，在两者之间就能形成了,流体动压液膜。,其间的微粉磨粒在流体压力场和速度场、离心力的作用下，,抛光器不接触工件对工件进行精密抛光加工,.,三 非接触抛光,3,化学机械抛光,在化学机械抛光时，,首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的,氧化剂、催化剂,等,与,工件表面的原子进行氧化反应,，,在工件表面产生一层氧化薄膜,，然后由漂浮在抛光液中的,磨粒通过机械作用将这层氧化物薄膜去除,，使,工件表面重新裸露出来,，再,进行氧化反应,，这样在,化学作用过程和机械作用过程的交替,进行中完成工件表面抛光。,机械作用力,夹持头,抛光垫,抛光液,工件,工作台,利用甲醇抛光砷化镓和磷化铟,课后习题,1,4,、,6,、,8,http:/www.c-砂轮选用的时候，要注意硬度适当，如果太硬，磨钝了的磨粒不及时脱落，会产生大量热量，烧伤工件；砂轮太软，则会使磨粒脱落过快而不能充分发挥作用。,选择砂轮硬度的原则,1.,工件越硬，砂轮越软。,2.,砂轮与工件接触面越大，砂轮选择越软。,3.,精磨和成型磨削时应选择较硬的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。,4.,砂轮硬度选择与粒度大小的关系：粒度越大的砂轮，为避免砂轮被磨屑阻塞，一般要选择较软的砂轮。,5.,工件材料：磨有色金属、橡胶、树脂等较软材料时，应选用较软的砂轮。粒度表示磨粒大小程度。以磨粒刚刚能通过哪一号筛网的网号来表示磨粒的粒度。,网号数是每英寸长度上筛网上的孔眼数。如,60#,粒度是每英寸长度上,60,个孔眼。,当砂轮磨粒的直径小于,40,微米时，这种磨粒叫做微粉。微粉的粒度是以微粉的直径来表示的，以微米为单位，前面加,W,标记。如,W28,是指直径,28,微米的磨粒。砂轮粒度的选择和适用范围：,12-16#,：用于粗磨、荒磨和打磨毛刺的砂轮磨具。,20-36#,：用于磨钢锭，打磨铸件毛刺，切断钢坯，磨电瓷和耐火材料的砂轮磨具。,40-60#,：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等的砂轮磨具。,60-80#,：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等半精磨和精磨的砂轮磨具。,100-240#,：用于精磨、超精磨、珩磨、螺纹磨等。,W10-20,：用于精磨、精细磨、超精磨、镜面磨等。,W7-,更细：用于精磨、超精磨、镜面磨等，制作研磨膏用于研磨和抛光。故你用普通的仪器是不行的。,砂轮是磨削的主要工具，它是由磨料和结合剂构成的多孔物体。其中磨料、结合剂和孔隙是砂轮的三个基本组成要素。随着磨料、结合剂及砂轮制造工艺等的不同，砂轮特性可能差别很大，对磨削加工的精度、粗糙度和生产效率有着重要的影响。因此，必须根据具体条件选用合适的砂轮。,砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂、形状及尺寸等因素来决定，现分别介绍如下。,（,1,）磨料及其选择,磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。常用磨料的名称、代号、特性和用途见表,1,。,表,1,常用磨料,类 别,名 称,代号,特 性,用 途,氧化物系,棕刚玉,A(GZ),含,9196%,氧化铝。棕色，硬度高，韧性好，价格便宜,磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等,白刚玉,WA(GB),含,9799%,的氧化铝。白色，比棕刚玉硬度高、韧性低，自锐性好，磨削时发热少,精磨淬火钢、高碳钢、高速钢及薄壁零件,碳化物系,黑色碳化硅,C(TH),含,95%,以上的碳化硅。呈黑色或深蓝色，有光泽。硬度比白刚玉高，性脆而锋利，导热性和导电性良好,磨削铸铁。黄铜、铝、耐火材料及非金属材料,绿色碳化硅,GC(TL),含,97%,以上的碳化硅。呈绿色，硬度和脆性比,TH,更高，导热性和导电性好,磨削硬质合金、光学玻璃、宝石、玉石、陶瓷、珩磨发动机气缸套等,高硬磨,料系,人造金刚石,D(JR),无色透明或淡黄色、黄绿色、黑色。硬度高，比天然金刚石性脆。价格比其它磨料贵好多倍,磨削硬质合金、宝石等高硬度材料,立方氮化硼,CBN,(JLD),立方型晶体结构，硬度略低于金刚石，强度较高，导热性能好,磨削、研磨、珩磨各种既硬又韧的淬火钢和高钼、高矾、高钴钢、不锈钢,注：括号内的代号是旧标准代号。,（,2,）粒度及其选择,粒度指磨料颗料的大小。粒度分磨粒与微粉两组。磨粒用筛选法分类，它的粒度号以筛网上一英寸长度内的孔眼数来表示。例如,60 #,粒度的的磨粒，说明能通过每英寸长有,60,个孔眼的筛网，而不能通过每英寸,70,个孔眼的筛网。微粉用显微测量法分类，它的粒度号以磨料的实际尺寸来表示（,W,）。各种粒度号的磨粒尺寸见表,2,。,表,2,磨料粒度号及其颗粒尺寸,注：比,14 #,粗的磨粒及比,W3.5,细的微粉很少使用，表中未列出。,磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。,粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度可较大，砂轮不易堵塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般来说，磨粒愈细，磨削表面粗糙度愈好。,不同粒度砂轮的应用见表,3,。,表,3,不同粒度砂轮的使用范围,（,3,）结合剂及其选择,砂轮中用以粘结磨料的物质称结合剂。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要决定于结合剂的性能。常用的结合剂种类、性能及用途见表,4,。,表,4,常用结合剂,注：括号内的代号是旧标准代号。,（,4,）硬度及其选择,砂轮的硬度是指砂轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难易程度。砂轮的硬度软，表示砂轮的磨粒容易脱落，砂轮的硬度硬，表示磨粒较难脱落。砂轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。同一种磨料可以做成不同硬度的砂轮，它主要决定于结合剂的性能、数量以及砂轮制造的工艺。磨削与切削的显著差别是砂轮具有“自锐性”，选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性，希望还锋利的磨粒不要太早脱落，也不要磨钝了还不脱落。,根据规定，常用砂轮的硬度等级见表,5,。,表,5,常用砂轮硬度等级,注：括号内的代号是旧标准代号；超软，超硬未列入；表中,1,，,2,，,3,表示硬度递增的顺序。,选择砂轮硬度的一般原则是：加工软金属时，为了使磨料不致过早脱落，则选用硬砂轮。加工硬金属时，为了能及时的使磨钝的磨粒脱落，从而露出具有尖锐棱角的新磨粒（即自锐性），选用软砂轮。前者是因为在磨削软材料时，砂轮的工作磨粒磨损很慢，不需要太早的脱离；后者是因为在磨削硬材料时，砂轮的工作磨粒磨损较快，需要较快的更新。,精磨时，为了保证磨削精度和粗糙度，应选用稍硬的砂轮。工件材料的导热性差，易产生烧伤和裂纹时（如磨硬质合金等），选用的砂轮应软一些。,（,5,）形状尺寸及其选择,根据机床结构与磨削加工的需要，砂轮制成各种形状与尺寸。表,6,是常用的几种砂轮形状、尺寸、代号及用途。,砂轮的外径应尽可能选得大些，以提高砂轮的圆周速度，这样对提高磨削加工生产率与表面粗糙度有利。此外，在机床刚度及功率许可的条件下，如选用宽度较大的砂轮，同样能收到提高生产率和降低粗糙度的效果，但是在磨削热敏性高的材料时，为避免工件表面的烧伤和产生裂纹，砂轮宽度应适当减小。,表,6,常用砂轮形状及用途,砂轮名 称,简图,代号,尺寸表示法,主要用途,平形砂 轮,P,P,D,H,d,用于磨外圆、内圆、平面和无心磨等,双面凹砂轮,PSA,PSA,D,H,d2d 1,t 1,t 2,用于磨外圆、无心磨和刃磨刀具,双斜边砂轮,PSX,PSX,D,H,d,用于磨削齿轮和螺纹,筒形砂 轮,N,N,D,H,d,用于立轴端磨平面,碟形砂 轮,D,D,D,H,d,用于刃磨刀具前面,碗形砂 轮,BW,BW,D,H,d,用于导轨磨及刃磨刀具,在砂轮的端面上一般都印有标志，例如砂轮上的标志为,WA60LVP400 40 127,，它的含意是：,图,1,砂轮型号,图,2,标志的含义,由于更换一次砂轮很麻烦，因此，除了重要的工件和生产批量较大时，需要按照以上所述的原则选用砂轮外，一般只要机床上现有的砂轮大致符合磨削要求，就不必重新选择，而是通过适当地修整砂轮，选用合适的磨削用量来满足加工要求。,表,2,磨料粒度号及其颗粒尺寸,磨 粒,磨 粒,微 粉,粒度号,颗粒尺寸（,mm,）,粒度号,颗粒尺寸（,mm,）,粒度号,颗粒尺寸（,mm,）,14 #,16001250,70 #,250200,W40,4028,16 #,12501000,80 #,200160,W28,2820,20 #,1000800,100 #,160125,W20,2014,24 #,800630,120 #,125100,W14,1410,30 #,630500,150 #,10080,W10,107,36 #,500400,180 #,8063,W7,75,46 #,400315,240 #,6350,W5,53.5,60 #,315250,280 #,5040,W3.5,3.52.5,注：比,14 #,粗的磨粒及比,W3.5,细的微粉很少使用，表中未列出。,表,3,不同粒度砂轮的使用范围,砂轮粒度,一般使用范围,砂轮粒度,一般使用范围,14 # 24 #,磨钢锭、切断钢坯，打磨铸件毛刺等,120 # W20,精磨、珩磨和螺纹磨,36 # 60 #,一般磨平面、外圆、内圆以及无心磨等,W20,以下,镜面磨、精细珩磨,60 # 100 #,精磨和刀具刃磨等,表,4,常用结合剂,名 称,代号,性 能,用 途,陶瓷结合剂,V(A),耐水、耐油、耐酸、耐碱的腐蚀，能保持正确的几何形状。气孔率大，磨削率高，强度较大，韧性、弹性、抗振性差，不能承受侧向力,V,轮 ,35m/s,的磨削，这种结合剂应用最广，能制成各种磨具，适用于成形磨削和磨螺纹、齿轮、曲轴等,树脂结合剂,B(S),强度大并富有弹性，不怕冲击，能在高速下工作。有摩擦抛光作用，但坚固性和耐热性比陶瓷结合剂差，不耐酸、碱，气孔率小，易堵塞,V,轮 ,50m/s,的高速磨削，能制成薄片砂轮磨槽，刃磨刀具前刀面。高精度磨削。湿磨时切削液中含碱量应,1.5%,橡胶结合剂,R(X),弹性比树脂结合剂更大差，强度也大。气孔率小，磨粒容易脱落，耐热性差，不耐油，不耐酸，而且还有臭味,制造磨削轴承沟道的砂轮和无心磨削砂轮、导轮以及各种开槽和切割用的薄片砂轮，制成柔软抛光砂轮等,金属结合剂,(,青铜、电镀镍,),J,韧性、成型性好，强度大，自锐性能差,制造各种金刚石磨具，使用寿命长,注：括号内的代号是旧标准代号。,表,5,常用砂轮硬度等级,硬度,等级,大级,软,中 软,中,中 硬,硬,小级,软,1,软,2,软,3,中软,1,中软,2,中,1,中,2,中硬,1,中硬,2,中硬,3,硬,1,硬,2,代 号,G,(R 1 ),H,(R 2 ),J,(R 3 ),K,(ZR 1 ),L,(ZR 2 ),M,(Z 1 ),N,(Z 2 ),P,(ZY 1 ),Q,(ZY 2 ),R,(ZY 3 ),S,(Y 1 ),T,(Y 2 ),注：括号内的代号是旧标准代号；超软，超硬未列入；表中,1,，,2,，,3,表示硬度递增的顺序。,