磨削设备及基础知识

第一节　磨削设备及基础知识

一、磨床

磨床类机床是指用磨料磨具（砂轮、砂带、油石、研磨剂）为工具进行切削加工的机床。磨削加工是一种多刀多刃的高速切削方法，主要用于各种零件特别是淬硬零件的精加工。随着磨料磨具和高效磨削工艺的发展，以及磨床结构性能的不断改进，磨床的应用已经从精加工逐步发展到粗加工领域。

为了适应磨削加工表面、结构形状、尺寸大小和生产批量等不同的各种零件的需要，磨床的种类非常多，主要有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床、刀具刃具磨床、研磨机、珩磨机、抛光机以及各种专门化磨床等。

（一）外圆磨床

1．M1432A型万能外圆磨床

M1432A型万能外圆磨床是普通精度级万能外圆磨床。它主要用于磨削IT6～IT7级精度的圆柱形、圆锥形的外圆和内孔，还可磨削阶梯轴的轴肩、端平面等。磨削表面粗糙Ra值在1．25～0．08μm之间。M1432A型万能外圆磨床主参数是最大磨削直径。这种机床通用性较好，但生产率较低，适于小批量生产。

（1）机床的主要组成部分

M1432A型万能外圆磨床的外形图，如图7－2所示，其主要组成部分如下：

1—床身　2—头架　3—工作台　4—内磨装置　5—砂轮架　6—尾座　A—脚踏操纵板

图7－2　M1432A型万能外圆磨床

①床身　磨床的基础支承件，在它上面装有工作台、砂轮架、头架、尾座等部件，使它们在工作时保持准确的相对位置。床身的内部用作储存液压油的油池。

②头架　用于安装和夹持工件，并带动工件旋转。

③工作台　由上下两层组成。上工作台可绕下工作台在水平面内回转一个角度（±10°），用以磨削锥度较小的长圆锥面。工作台上装有头架和尾座，它们随工作台一起作纵向往复运动。

④内磨装置　主要由支架和内圆磨具两部分组成。内圆磨具是磨内孔用的砂轮主轴部件，它做成独立部件，安装在支架的孔中，可以很方便地进行更换。

⑤砂轮架　用于支承并传动高速旋转的砂轮主轴。当需磨削短锥面时，砂轮架可以在水平面内调整至一定角度（±30°）。

⑥尾座　和头架的前顶尖一起支承工件。

（2）磨床主要部件结构

①砂轮架　砂轮架如图7－3所示，由壳体、砂轮主轴组件、传动装置与滑鞍等组成。当主轴高速旋转时，在轴瓦与主轴颈之间形成三个楔形压力油膜，将主轴悬浮在轴承中心而呈纯液体摩擦状态。调节球头螺钉的位置，即可调整轴承的间隙，通常间隙应保持为0．01～0．2mm。当砂轮轴受外界载荷作用而产生径向移动时，在偏移方向处楔形缝隙变小，油膜压力升高，而相反方向的楔形缝隙增大，油膜压力减小。砂轮主轴定位（如图7－3，A－A）。主轴右端轴肩2靠在止推滑动轴承环3上，以承受向右的轴向力，向左的轴向力则可通过装于带轮上六个小孔内的六根小弹簧5及六根小滑柱4作用在止推滚动轴承上。小弹簧的作用可给止推滚动轴承以预加载荷。

1—主轴　2—轴肩　3—滑动轴承环　4—滑柱　5—弹簧　6—球头销　7—法兰　8—砂轮9—平衡块　10—钢球　11—螺钉　12—滑鞍　13—止推销　14、16—床身　15—垫板　17—丝杆螺母　18—定位销　19—壳体　20—油窗

图7－3　M1432A型万能外圆磨床砂轮架

砂轮的圆周速度很高，为了保证砂轮运动平衡，所以装在主轴上的零件都要经过仔细平衡。平衡砂轮的方法是：先将砂轮夹紧在砂轮法兰7上，法兰7的环形槽中安装有三个平衡块9，通过调整平衡块9的位置，使砂轮及法兰处于静止平衡状态；然后将平衡好的砂轮及法兰装在砂轮架主轴上。砂轮架壳体19用T型螺钉紧固在滑鞍12上，它可绕滑鞍上定心圆柱销18在±30°范围内作调整。磨削时滑鞍带着砂轮架沿垫板15上的滚动导轨作横向运动。

②内磨装置　内圆磨具装配图如图7－4所示，内圆磨具支架如图7－5所示。内磨装置在砂轮架上以铰链连接方式安装在砂轮架前上方，使用时翻下，（如图7－5所示）；不用时，翻向上方。该内圆磨具主轴支承采用4个D级精度的角接触轴承，前后各两个。它们用弹簧3预紧，预紧力大小用主轴后端螺母来调节。当主轴热膨胀伸长或者轴承磨损，弹簧能自动补偿，并保持稳定的预紧力，使主轴轴承的刚度和寿命得以保证。轴承用锂基润滑脂润滑。当磨削内孔长度改变时，接杆1可以更换。

1—砂轮接长杆　2、4—挡圈　3—弹簧

图7－4　M1432A型万能外圆磨床内圆磨具

③头架　头架由壳体、头架主轴及其轴承、工件传动装置与底座等组成，如图7－6所示。头架主轴10支承在四个D级精度的角接触轴承上，靠修磨挡圈4、5和8的厚度，对轴承进行预紧，以保证主轴部件的刚度和旋转精度。双速电动机经塔轮变速机构和两组带轮带动工件转动，使转动平衡。主轴上带轮12采用卸荷机构，使主轴免受带张力的作用，有利于保证加工精度。带的张紧分别靠传动转动轴支座及上偏心套和移动电动机座实现。

④尾座　尾座的功能是利用安装在尾座套筒上的顶尖（后顶尖），与头架主轴上的前顶尖一起支承工件，实现准确定位。M1432A型万能外圆磨床尾座结构，如图7－7所示。

尾座利用弹簧力顶紧工件，以便磨削过程中工件因热膨胀而伸长，可自动进行补偿，避免引起工件的弯曲变形和顶尖孔的过分磨损。利用手把8转动丝杠4，使螺母7左右移动（螺母7因受一端嵌在体壳5长槽中的销子6的限制，不能转动），改变弹簧3的压缩量，可调整顶尖对工件的顶紧力。尾座套筒的退回可以手动，也可以液动。

图7－5　M1432A型万能外圆磨床内圆磨具支架

图7－6　磨床头架结构

2．其他类型外圆磨床

（1）无心外圆磨床

在无心外圆磨床上磨削外圆表面，不需要在工件上打中心孔，工件装卸简单省时；用贯穿法磨削时，加工过程可连续不断地进行；工件支承刚度好，可用较大切削用量进行磨削，而磨削余量可较小（没有因中心孔偏心而造成的余量不均现象），故生产率较高。

（2）普通外圆磨床

普通外圆磨床和万能外圆磨床在结构上的区别是：普通外圆磨床的砂轮架和头架都不能绕垂直轴线调整角度，主轴头架也不能转动，没有内圆磨具，因此工艺范围较窄，只能磨外圆柱面和锥度较小的锥面。但由于主要部件的结构层次少、刚性好，可采用较大的切削用量，因此生产率较高。

（二）其他类型磨床简介

1．平面磨床

根据磨削方法和机床布局不同，平面磨床主要有以下四种类型：卧轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床，立轴矩台平面磨床和立轴圆台平面磨床。其中前两种磨床用砂轮的周边磨削，砂轮主轴为水平布置（卧式）；后两种磨床用砂轮端面磨削，砂轮主轴为竖直放置。目前生产中应用最广的是卧轴矩台和立轴圆台两种平面磨床。

图7－7　M1432A型万能外圆磨床尾座结构

卧轴矩台平面磨床图，如图7－8所示。这种机床的砂轮主轴通常是用内连式异步电动机带动的。往往电动机轴就是主轴，电动机的定子就装在砂轮架3的壳体内。砂轮架3可沿滑座4的燕尾导轨作间歇的横向进给运动（手动或液动）。滑座4和砂轮架3一起沿立柱5的导轨作间歇的竖直切入运动（手动）。工作台2沿床身1的导轨作纵向往复运动（液压传动）。

卧轴矩台平面磨床采用周边磨削，磨削时砂轮和工件接触面积小，发热量少，冷却和排屑条件好，可获得较高的加工精度和较小数值的粗糙度，且工艺范围较宽。除了用砂轮的周边磨削水平面外，还可用砂轮的端面磨削沟槽、台阶等垂直侧平面，故较适用于多品种生产的机械加工车间、修理车间和工具车间等。

1—床身　2—工作台　3—砂轮架　4—滑座　5—立柱

图7－8　卧轴矩台平面磨床

立轴圆台平面磨床外形图，如图7－9所示。砂轮架3的主轴也是由内连式异步电动机直接驱动。砂轮架3可沿立柱4的导轨作间歇的竖直切人运动，圆工作台旋转作圆周进给运动。为了便于装卸工件，圆工作台2还能沿床身导轨纵向移动。立轴圆台平面磨床由于采用端面磨削，砂轮与工件的接触面积大。同时参与磨削的磨粒多，且为连续磨削，没有工作台的换向时间损失，故生产率较高。但磨削时发热量大，冷却和排屑条件差，且工艺范围较窄，主要用于成批大量生产中磨削一般精度的工件或粗磨铸、锻毛坯件。

在平面磨床上装夹工件，除形状复杂以及由非磁性材料制造的工件需采用特殊夹具外，凡是由钢、铸铁等磁性材料制造，具有平行平面的工件，一般都采用电磁吸盘。

2．内圆磨床

内圆磨床主要用于磨削各种内孔（包括圆柱形通孔、盲孔、阶梯孔以及圆锥孔等）。某些内圆磨床还附有磨削端面的磨头。内圆磨床的主要类型有普通内圆磨床、无心内圆磨床和行星式内圆磨床。

为了满足成批和大量生产的需要，现在大部分普通内圆磨床设计为半自动或全自动的。

二、砂轮

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。随着磨料、结合剂及砂轮制造工艺等的不同，砂轮的特性差别很大，影响砂轮特性主要有5个参数：磨料、粒度、结合剂、硬度、组织。

（一）砂轮的组成和特性

1．磨料及其选择

1—床身　2—工作台　3—砂轮架　4—立柱

图7－9　立轴圆台平面磨床

砂轮中的磨粒材料称为磨料。磨料担负着切削工作，它主要承受着挤压、摩擦和高温的作用，所以磨料应具有高硬度、高耐热性、一定的韧性和化学稳定性。制造砂轮的磨料主要是人造磨料，按成分一般分为氧化物、碳化物和超硬材料三类。磨料的选择主要与零件材料及其热处理方法有关。氧化物类磨料的主要成分是刚玉，它适用于磨削韧性材料，如碳钢、合金钢、高速钢等；碳化物类磨料的主要成分是碳化硅，它适用于磨削脆性材料，如铸铁、青铜和硬质合金等；超硬材料类磨料主要有人造金刚石和立方氮化硼，其中金刚石主要用于磨削硬质合金、石材、陶瓷、光学玻璃等脆性材料；立方氮化硼主要用于磨削淬火硬化钢及镍基合金等硬而脆的材料。

常用磨料的名称、代号、性能及用途参见表7－1。

表7－1　常用磨料性能及适用范围

2．粒度及其选择

粒度指磨料的平均尺寸的大小。通常以磨粒能通过的筛网的网号来表示磨粒的粒度，粒度号数越大，颗粒越细，尺寸越小。如60号粒度是指磨粒刚可通过每英寸（1in＝25．4mm）长度上有60个孔的筛网。当磨粒的直径小于40μm，称为微粉，它的粒度以微粉的尺寸大小来表示，粒度号数越小，颗粒越细，如粒度号为W28的微粒尺寸为28μm。磨料粒度对磨削生产力和零件的表面粗糙度都有很大的影响。其选择也主要与加工表面粗糙度和生产率有关：

粗磨加工时，应选用颗粒较粗的砂轮，以提高生产率，一般选为36＃～60＃。

精磨加工时，应选用颗粒较细的砂轮，以减小表面粗糙度。一般为80＃～120＃。

工件材料软时，为避免砂轮气孔堵塞，应选颗粒较粗的砂轮，反之则选较细颗粒的砂轮。砂轮与工件接触面积大时，也应选用颗粒较粗的砂轮，以避免磨削温度过高，使工件表面烧伤。常用磨粒的粒度及适用范围参见表7－2。

表7－2　常用磨粒粒度及尺寸

3．结合剂及其选择

结合剂是砂轮中粘结分散的磨粒使之成形的材料。砂轮能否耐腐蚀，能否承受冲击和经受高速旋转而不致破裂，主要取决于结合剂。常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂和金属结合剂（常用青铜）四大类，它们的代号、性能和适用范围参见表7－3。

表7－3　常用结合剂的种类和使用范围

注：树脂结合剂抗碱性差，冷却液中含碱量超过1．5%时，砂轮强度将显著下降，其次是耐热性差，当磨温超过180℃时，结合剂会被烧毁，使磨粒过早脱落。

4．硬度及其选择

砂轮的硬度是指砂轮上磨料在磨削力的作用下脱落的难易程度，它与磨料本身的硬度无关。砂轮越硬，磨料黏结越牢，就越难脱落。砂轮的硬度与磨料的硬度是两个完全不同的概念，砂轮的硬度主要决定于结合剂的粘结能力及含量。硬度相同的磨料，可以制成不同硬度的砂轮。

砂轮的硬度等级名称及代号参见表7－4。

表7－4　砂轮的硬度等级名称及代号

由上述可知，正确选择砂轮硬度十分重要。下面介绍选择砂轮硬度的几个原则：

（1）工件材料越硬，应选越软的砂轮；反之，选越硬的砂轮。但是对有色金属等很软的材料，为避免磨削时堵塞砂轮，则选用较软的砂轮。

（2）磨削接触面积较大时，应选较软的砂轮。

（3）精磨和成形磨削时，应选较硬的砂轮。

（4）薄壁零件及导热性差的零件，应选较软砂轮。

（5）砂轮的粒度较大时，应选较软的砂轮。

5．组织及其选择

砂轮的组织，是指磨粒、结合剂、气孔三者体积上的比例关系，是它反映出砂轮结构的松紧程度。砂轮的组织号是用磨粒所占砂轮的百分比来表示的。号数越小，磨粒在砂轮体积中所占的比例越大，则组织越紧密，反之，则组织越疏松。

砂轮组织的级别及适用范围参见表7－5。

表7－5　砂轮的组织号和适用范围

6．砂轮的形状尺寸及其选择

砂轮通常制成不同的形状和尺寸，并已标准化，以适应不同形状和尺寸零件的磨削加工。常见砂轮的形状如图7－10所示。常用砂轮代号及其用途参见表7－6。

图7－10　砂轮的形状

表7－6　常用砂轮的形状、代号及用途

（二）砂轮的标志

为了便于识别砂轮的全部特性，一般在砂轮的端面上都会印有标志。按照国家标准GB／T2484－1994《普通磨具代号和标记》中的规定，磨具标志的书写顺序是：磨具形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高线速度。例如某砂轮上的标志为：

1－350×25×75－A60N5V－40m／s，

表示该砂轮为平形砂轮（代号“1”），外径350mm，厚度为25mm，内径为75mm。磨料为棕刚玉（代号为“A”），粒度号为“60”，硬度为“中2”，组织号为“5”，结合剂为陶瓷，允许的最高的圆周速度为40m／s。

（三）砂轮的安装、平衡和修整

1．砂轮的安装

砂轮工作时转速很高，安装前应先仔细检查是否有裂纹，有裂纹的砂轮不允许使用；再检查砂轮内孔与法兰轴套配合的松紧是否适度。直径较大的砂轮要用法兰盘装夹，在法兰盘端面与砂轮之间应放置弹性材料制成的衬垫。安装时，要擦净各零部件；紧固时要采用对角逐步拧紧，以保证砂轮受力均匀，注意不要用力过猛。最后，将砂轮连同法兰盘一起装入主轴。

2．砂轮的平衡

砂轮的制造误差和在法兰盘上安装所产生的安装误差，会使得砂轮的质心与其旋转中心不重合而造成砂轮不平衡。砂轮在安装使用前，如不经过平衡，在高速旋转时会产生很大的惯性力使磨床产生振动，不仅降低磨削质量，严重时还会损坏主轴及轴承，甚至有导致砂轮碎裂的危险。因此，砂轮安装后必须进行平衡。一般采取在平衡架上进行静平衡的方式，如图7－11所示。

3．砂轮的修整

新砂轮在使用前要用金刚石对其表面进行修整，修出一层，使其露出磨粒的刃口；砂轮在磨削零件一段时间后，磨粒逐渐变钝，随后部分脱落，新露出的磨粒以锋利的棱角继续切削，而未脱落的磨粒继续变钝，磨屑将会堵塞砂轮表面的间隙。这样，不仅影响磨削质量，产生刺耳的噪声，还大大降低了生产效率。因此磨钝的砂轮应及时进行修整。修整砂轮一般用金刚石笔“车削”砂轮工作面，修整层厚度为0．01mm左右。如图7－12所示为修正金刚石的工作位置。

1—支架　2—心轴　3—平衡块　4—法兰盘

图7－11　砂轮的静平衡

图7－12　砂轮修整时金刚石的工作位置

三、磨削基础知识

（一）磨削用量

以外圆和内圆磨削为例，磨削用量包括：工件圆周速度、磨削速度、轴向进给量、径向进给量。

1．工件圆周速度（w）

指工件被磨削表面上任一点在单位时间内所走过的路程，单位为m／min。其计算方法如下：式中d_w——工件被磨削表面的直径（mm）；

　n_w——工件转速（r／min）。注：对平面磨削则有：

式中v_w——工件圆周平均速度（m／min）；

　　L——工作台行程（mm）；

　　n_tab——工作台往返频率（min^－1）。

2．磨削速度（v_s）

指在进行磨削加工时，砂轮外圆的线速度，也即时砂轮圆周速度。单位为m／s，其计算方法如下：

式中d_s——砂轮直径（mm）

　　n₀——砂轮的转速（r／min）

3．轴向进给量（f_a）

指工件每转一圈沿本身轴线方向移动的距离，单位为mm，其值比砂轮宽度B小，一般为：

粗磨时，f_a取较大值，精磨时则取较小值。

4．径向进给量（f_p）

是指砂轮在横向进给运动方向（即径向）每次移动的距离，也就是每一次行程的磨削深度。粗磨外圆时，f_p＝0．01～0．04mm，精磨外圆时，f_p＝0．0025～0．015mm。

（二）磨削加工的工艺特点

1．磨削加工的精度高。

磨削是靠砂轮上磨粒的刃口进行切削，而磨粒刃口锋利，磨床又能进行微量进给，因此，能切下很薄的一层金属，其精度等级能达IT7～IT5，表面粗糙度R_a值为0．8～0．1μm；镜面磨削可达IT4，表面粗糙度Ra值可达纳米级（1nm）。

2．能对高硬度的材料进行加工。

由于砂轮磨粒具有很高的硬度，所以，能加工如淬火钢、硬质合金等各种切削刀具等难加工材料。

3．磨削的温度高。

磨削是一种高速切削方法，砂轮相对于零件做高速旋转运动，一般砂轮的线速度可以达到30m／s，产生的切削热多，加之砂轮的导热性差，所以磨削区的瞬时磨削温度可达1000℃。高温可使零件变形、烧伤或机械性能下降。为了减少高温对加工质量的影响，在磨削时要大量使用切削液。磨削钢件时，广泛采用的切削液是苏打水或乳化液。

4．磨粒具有自砺作用。

砂轮表面上的磨粒在磨削力的作用下，会产生开裂和脱落，使新的锐利的磨粒参与切削，这就是磨粒的自砺作用。