1、第八章 高效及精密磨削技术高速磨削缓进给磨削高速深切磨削精密、高精密、超精密磨削工艺2022-5-151镜面磨削加工工艺电解磨削其他高效磨削工艺简介2022-5-1528.1 高速磨削u 高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削去除率和磨削质量的工艺方法。一般砂轮线速度削去除率和磨削质量的工艺方法。一般砂轮线速度高于高于45m/s45m/s时就属于高速磨削。时就属于高速磨削。u 高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变, ,日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造技术之
2、一。国际生产工程学会技术之一。国际生产工程学会( CIRA)( CIRA)将高速磨削技将高速磨削技术确定为面向术确定为面向2121世纪的中心研究方向之一。世纪的中心研究方向之一。2022-5-153u 高速磨削的优点高速磨削的优点 磨粒的磨粒的未变形切屑厚度未变形切屑厚度减小，减小，磨削力磨削力下降。下降。 砂轮磨损砂轮磨损减少，提高砂轮寿命。减少，提高砂轮寿命。 在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下，加大磨削在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下，加大磨削 深度或工件的速度，提高深度或工件的速度，提高磨削效率。磨削效率。 切削变形程度小，磨粒残留切痕深度减小，磨削厚度切削变形程度小，磨粒残留切
3、痕深度减小，磨削厚度变变 薄，还可以改善表面质量及减小尺寸和形状误差。薄，还可以改善表面质量及减小尺寸和形状误差。 高速磨削离心力大，易导致砂轮破裂，需要开发高强度高速磨削离心力大，易导致砂轮破裂，需要开发高强度砂轮砂轮, ,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。2022-5-1548.1.1 8.1.1 高速磨削原理高速磨削原理 高速磨削是高速磨削是提高磨削精度、表面质量提高磨削精度、表面质量的有效方法，又是的有效方法，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。
4、题作一讨论。1. 1. 未变形磨削层厚度及切屑长度未变形磨削层厚度及切屑长度 在外圆切入磨削时，单颗磨粒末变形切屑长度在外圆切入磨削时，单颗磨粒末变形切屑长度l ls s及未变形及未变形切屑的平均厚度切屑的平均厚度 计算式为计算式为: :gaswwsspswswsrwsgpssssvd dlavddvv daavlvl wsrswsvvvd式中：磨粒平均间距；切入进给速度；-工件速度；砂轮速度；d工件直径；砂轮直径。2022-5-155从上述二式中可知，从上述二式中可知， 增加，增加， 、 均增加均增加( (因因 小，所以小，所以影响程度不大影响程度不大) )， 增加增加, , 、 均下降。在
5、去除一定工件均下降。在去除一定工件体积时，增加体积时，增加 ，单位时间内通过磨削区的磨粒数增加，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。所以未变形切削厚度减少。wvgaslwvsvgaslsv2022-5-1562.2. 磨削力磨削力 砂轮速度砂轮速度 及单位宽度金属磨除率及单位宽度金属磨除率 对单位磨削宽对单位磨削宽度上磨削力（度上磨削力（ ）的影响如图）的影响如图8-18-1所示。由图可知，所示。由图可知，在金属去除率在金属去除率 一一 定时，定时， 提高，提高， 均下降，系统变形均下降，系统变形减少。减少。svwzntFFsvntFF2022-5-1573. 3. 磨削
6、热磨削热 在磨削中工件受到磨削热的影响，最高温度发生在工件在磨削中工件受到磨削热的影响，最高温度发生在工件表面上。工件表面上最高温度的近似计算公式如下：表面上。工件表面上最高温度的近似计算公式如下：maxw ms rwAc qvvavww22p3cm cc0.7 0.9qcmsm/ sc /);mAkgm2式 中 ：受 热 面 积 （） ；传 入 工 件 的 热 比 例 ，； -单 位 时 内 单 位 面 积 的 热 量 （ J/（） ） ； -导 热 率 （ W/(m K); -热 扩 散 率 ，=（） ；体 积 质 量 密 度 （2022-5-158n 图图8-48-4给出了工件速度给出了
7、工件速度v vww、砂、砂轮速度轮速度v vs s对工件对工件表面温度表面温度的影响。的影响。由图中可以看出，由图中可以看出，v vww在在40m/min40m/min前，增大前，增大v vww 工件表面工件表面温度显著下降。超过温度显著下降。超过40m/min40m/min后，后，再增大再增大v vww，工件表面温度几乎不，工件表面温度几乎不变化。变化。v vs s增大，其工件表面温度增大，其工件表面温度变化不大。但变化不大。但v vww 越过越过40m/min40m/min时，再增大时，未变形磨削层厚时，再增大时，未变形磨削层厚度增大，因而使磨削力增大，则度增大，因而使磨削力增大，则砂轮磨
8、粒破碎，脱落会变得严重砂轮磨粒破碎，脱落会变得严重起来，砂轮磨损加剧，导致工件起来，砂轮磨损加剧，导致工件表面质量恶化。表面质量恶化。2022-5-159n 综上所述，可以认为存在着工件速度的临界速度。其原综上所述，可以认为存在着工件速度的临界速度。其原因是：当因是：当q q8080时，砂轮处于磨碎与脱落的范围，使总磨时，砂轮处于磨碎与脱落的范围，使总磨削能减少。当削能减少。当q q120120时，砂轮自锐作用较差，因而使磨削时，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损伤的临界速度范围
9、。可以参考后存在着跳过引起工件热损伤的临界速度范围。可以参考后面面HEDGHEDG关于关于v vs s、v vww对工件温度的影响。对工件温度的影响。2022-5-15104 4砂轮磨损与表面粗糙度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，磨削表面质量好。削力下降，磨削表面质量好。u 在一定金属切除率条件下，在一定金属切除率条
10、件下，v vs s增加，砂轮径向磨损增加，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量降低，表面粗糙度得到改善，发生颤振的金属磨除体积积v vww增大，提高了磨削效率。增大，提高了磨削效率。v vs s增加，切屑变薄，则工增加，切屑变薄，则工件表面上磨痕深度变小，表面上残留凸峰变小，表面粗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。糙度得到改善。2022-5-15118.1.2 8.1.2 高速磨削砂轮高速磨削砂轮1.1. 高速磨削砂轮应力分析高速磨削砂轮应力分析u 磨削中在砂轮上的作用力有磨削中在砂轮上的作用力有磨削力、热应力、夹紧力和离心磨削力、热应力、
11、夹紧力和离心力。高速磨削中造成砂轮破损的力。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。主要因素是砂轮自身的离心力。离心力与砂轮速度离心力与砂轮速度v vs s的平方成比的平方成比例增大。受离心力影响，砂轮受例增大。受离心力影响，砂轮受到很大应力。到很大应力。 2022-5-1512应力应力 r r , , t t的计算式如下：的计算式如下： 222222222231()()83131()()830.20 0.25ssirsssssitssssisiwvrrrKgrrwvvrrrKgvrrvrrrr式中：砂轮泊松比，陶瓷结合剂砂轮约为； K-砂轮孔径与外圆半径之比，即K=; 砂轮外圆半
12、径； 砂轮内孔半径。u 一般高速砂轮宽度与砂轮半径之比一般高速砂轮宽度与砂轮半径之比 b bs s/r/rs0.5s0.5 ，可用，可用上两式计算上两式计算 r r 和和 t t 。2022-5-1513u右图给出了砂轮的应力分布情况，右图给出了砂轮的应力分布情况，从图中看出从图中看出 t t r r，对于砂轮因离，对于砂轮因离心力破坏而言，力心力破坏而言，力 t t的大小是非常的大小是非常重要的。重要的。n不同的不同的 比值，砂轮应力分布比值，砂轮应力分布不同，经研究应力分部有如下特点：不同，经研究应力分部有如下特点： (1) (1)无孔砂轮，在砂轮中心处，无孔砂轮，在砂轮中心处， t t
13、= = r rsirrK 图图8.68.6 砂轮应力分布情砂轮应力分布情况况(2)(2)在在r ri i 0 0 时，切向力时，切向力 总足大于径向力，总足大于径向力， t t的最大值在的最大值在砂轮孔壁处。砂轮孔壁处。(3)(3)在相同的任意半径处，在相同的任意半径处，K K值越大的砂轮，其径向应力值越大的砂轮，其径向应力越大。应尽量采用越大。应尽量采用K K值小的砂轮值小的砂轮2022-5-1514n 经过上述分析可知，离心力引起砂轮破坏，应主要考经过上述分析可知，离心力引起砂轮破坏，应主要考虑虑切向应力切向应力，砂轮孔壁处应有较大的强度，所以可根据此，砂轮孔壁处应有较大的强度，所以可根据
14、此采取补强剂采取补强剂( (如树脂如树脂) )，以增强砂轮孔壁处的强度，以经受，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。时，砂轮即破裂。2022-5-15152 2提高高速砂轮强度的途径提高高速砂轮强度的途径 主要途径是提高砂轮结合剂强度，以提高砂轮的抗拉强主要途径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。度，减少砂轮孔径，对砂轮孔壁处进行补强。 (1) (1) 提高砂轮结合剂强度提高砂轮结合剂强度 在陶瓷结合剂中加入硼、锂、在陶瓷结合剂中加入硼、锂、
15、钡、钙等可使结合剂强度提高。钡、钙等可使结合剂强度提高。(2)(2)补强砂轮补强砂轮 图图8-68-6是各种补强是各种补强砂轮，图砂轮，图a a是砂轮内部增加金屑丝是砂轮内部增加金屑丝或玻璃纤维网，图或玻璃纤维网，图b b是增加砂轮孔是增加砂轮孔壁的厚度，图壁的厚度，图c c是孔区使用细粒磨是孔区使用细粒磨削，图削，图d d是砂轮孔区浸渍树脂，图是砂轮孔区浸渍树脂，图e e是孔区镶嵌金属环。是孔区镶嵌金属环。2022-5-15163. 3. 高速磨削的磨削液及供给方式高速磨削的磨削液及供给方式 (1) (1)磨削液磨削液 常用常用水基及油基磨削液水基及油基磨削液，在同一砂轮速度，在同一砂轮速度
16、下，油基磨削液的金属去除率高于水基磨削液。砂轮速下，油基磨削液的金属去除率高于水基磨削液。砂轮速度度v vs s愈高，油基的效果愈好。但油基磨削液冷却性差，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，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，应避免与防止工件表面烧伤。所以， 工件表面温度应低，工件表面温度应低，要求磨削液的冷却作用要足够。要求磨削液的冷却作用要足够。 一般将一般将油与水混合油与水混合，采用水包油或油包水两种形式，采用水包油或油包水两种形式，水包油形式是以水为分散相，油为连续相；油包水是以水
17、包油形式是以水为分散相，油为连续相；油包水是以油为分散相，水为这续相。通常将油为分散相，水为这续相。通常将2626的水混入油中形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，表面粗糙度得到改善。粗糙度得到改善。2022-5-1517(2)(2)供给方式供给方式 高速磨削时，砂轮回转表面生成较强高速磨削时，砂轮回转表面生成较强气流气流。经测试，砂轮两端部气流体压力最大。砂轮速度提高一倍，经测试，砂轮两端部气流体压力最大。砂轮速度提高一倍，则气流压力将提高则气流压力将提高2.532.53倍。较强的气流不能使磨削液进倍。较强的气流不能使磨削
18、液进入磨削区。入磨削区。 解决这一问题可采用解决这一问题可采用气流挡板气流挡板、高压磨削液高压磨削液及及加大磨削液流量加大磨削液流量等办等办法。气流挡板示意图如图法。气流挡板示意图如图8-78-7所示，所示，将其安装喷油嘴上方，使气流经挡将其安装喷油嘴上方，使气流经挡板改变流动方向，破坏气流流入磨板改变流动方向，破坏气流流入磨削区。气流挡板的上挡板及两侧挡削区。气流挡板的上挡板及两侧挡板均可调。板均可调。2022-5-1518n 用用加大磨削液压力加大磨削液压力的方法，可以加大磨削液的流速，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。加大磨冲破磨削区砂轮表面的气膜
19、，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，工件表面温升降削液压力，可提高金属磨除率及磨削比，工件表面温升降低。低。n 磨削液流量增大后，使磨削区温度降低，可提高金磨削液流量增大后，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，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砂轮与工件之间产生的楔形压力增加楔形压力增加，使磨削功率增大。，使磨削功率增大。2022-5-15198.2 缓进给磨削u 缓进给磨削是一种高效的磨削加工工艺方法，它缓进给磨削是一种高效的磨削加工工艺方法，它是采用是采用增大磨削深度、降低进给速度、形
20、成砂轮与工增大磨削深度、降低进给速度、形成砂轮与工件有较大的接触面积件有较大的接触面积A As s（As=lAs=ls sa ap p）及高的速度比）及高的速度比q q（q=vq=vs s/v/vww），达到高的金属磨除率，达到高的金属磨除率z zww及精度、粗糙度及精度、粗糙度要求高的目的。要求高的目的。u 缓进给磨削也称作深切缓进给强力磨削或蠕动磨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；现在已成为一种加削。在平面磨削中占有主导地位；现在已成为一种加工工韧性材料韧性材料（如镍基合金）和（如镍基合金）和淬硬材料淬硬材料的有效方法，的有效方法，特别适用于加工各种特
21、别适用于加工各种型面和沟槽型面和沟槽。其最理想的状况是，。其最理想的状况是，原来需要经过成型铣削、倒角、热处理和精磨几道工原来需要经过成型铣削、倒角、热处理和精磨几道工序完成的工作，采用缓进给磨削，一道工序就可以完序完成的工作，采用缓进给磨削，一道工序就可以完成。成。2022-5-1520 缓进给磨削与普通磨削的缓进给磨削与普通磨削的差别在于，砂轮的差别在于，砂轮的磨削深度磨削深度大大（1-30mm1-30mm）和工件的）和工件的进进给速度低给速度低（5-5-300mm/min300mm/min），工件的最），工件的最终轮廓成形精度高。终轮廓成形精度高。 由于工件速度低，在磨由于工件速度低，在
22、磨削时显示出对工件成型表面削时显示出对工件成型表面的形状精度保持性比普通磨的形状精度保持性比普通磨削好。削好。2022-5-15218.2.1 8.2.1 砂轮与工件接触弧长度及接触时间砂轮与工件接触弧长度及接触时间u 缓进给磨削速比大，单颗磨粒切下切屑薄而长，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砂轮与工件接触弧长度l lc c大，普通磨削接触弧长仅几毫大，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米，缓进给磨削砂轮与工件接触弧长l lc c达几厘米达几厘米。接触。接触弧度弧度l lc c大，消耗较大的磨削能，缓进给磨削所需要的能大，消耗较大的磨削能，缓进
23、给磨削所需要的能量约是普通磨削的量约是普通磨削的8 8倍。倍。u 当缓进给磨削选用与普通磨削相同的砂轮直径与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的延续时间与磨削深度a ap p是函数关系，如图是函数关系，如图8-88-8所示。所示。2022-5-1522从图中可知，缓进给磨削与普通磨削有相同的金属切除率从图中可知，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
24、所切除的金属体时，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积应是相同的。如平面缓进给磨削深度a ap p为为1.28mm1.28mm时，时，单颗磨粒切除一定金属体积所需时间单颗磨粒切除一定金属体积所需时间t tc c为为2000s2000s。普通平面。普通平面磨削深度磨削深度a ap p = = 0.020.02 mmmm时，切除相同体积的金属所需的时时，切除相同体积的金属所需的时间要短得多。间要短得多。2022-5-15238.2.2 8.2.2 磨削力磨削力G GWernerWerner的研究所建立的缓进给磨削力数学模型为：的研究所建立的缓进给磨削力
25、数学模型为：2 11wnnp scsZFKa dvnwKssc式中：与工件、砂轮规格和磨粒微刃分布特 性、冷却润滑条件等有关系数 Z单位时间单位砂轮宽度金属磨除率； v砂轮速度； d砂轮当量直径； 指数，与砂轮工件材料有关。 2022-5-1524n 试验表明，指数试验表明，指数 仅在仅在 范围内变化，范围内变化， 增大增大 ，磨削力减小；增大工件速度磨削力减小；增大工件速度v vww、磨削深度、磨削深度a ap p及砂轮当量直及砂轮当量直径时，磨削力均增大。径时，磨削力均增大。n 磨削力随工件速度磨削力随工件速度v vww减少而减少。缓进给法向磨削力约减少而减少。缓进给法向磨削力约为普通磨削
26、的为普通磨削的2424倍。在缓进给磨削中，磨削深度中倍。在缓进给磨削中，磨削深度中a ap p对对磨削力影响程度大于普通磨削。磨削力影响程度大于普通磨削。l 同普通磨削一样，缓进给磨削砂轮磨粒有一个开始磨损同普通磨削一样，缓进给磨削砂轮磨粒有一个开始磨损至钝化的过程，这使磨削过程的效率随磨削时间的增加而至钝化的过程，这使磨削过程的效率随磨削时间的增加而降低，而磨削力则随着时间的增加而增加，其影响情况如降低，而磨削力则随着时间的增加而增加，其影响情况如图图8-98-9所示。所示。0.512022-5-1525图图8-9 8-9 磨削力与磨削时间的关系磨削力与磨削时间的关系 从图中可以看出，在磨削
27、过程中，磨削力约有从图中可以看出，在磨削过程中，磨削力约有40S40S的持续的持续增加过程，固将磨削时的磨削力保持在砂轮新修整后的水增加过程，固将磨削时的磨削力保持在砂轮新修整后的水平上，可以使缓进给磨削发生烧伤以前的金属切除量大大平上，可以使缓进给磨削发生烧伤以前的金属切除量大大增加。因此，缓进给磨床最好具有增加。因此，缓进给磨床最好具有连续修整砂轮连续修整砂轮的装置。的装置。2022-5-15268.2.3 8.2.3 磨削温度磨削温度u 在普通磨削中，随切深增大，在普通磨削中，随切深增大， 工件进给速度减少，磨工件进给速度减少，磨削温度明显上升；而在缓进给磨削中，削温度明显上升；而在缓进
28、给磨削中，随磨削深度增大、随磨削深度增大、进给速度减少，磨削温度有明显下降进给速度减少，磨削温度有明显下降。u 由于缓进给磨削中工件速度由于缓进给磨削中工件速度v vww很小很小(v(vww10mm/s )10mm/s )，接触弧长区接触弧长区l lc c很大很大(l (lc c20mm)20mm)，进入工件热量为稳定热流，进入工件热量为稳定热流量，在较长的持续时间过程中，以较低的速度向工件流动。量，在较长的持续时间过程中，以较低的速度向工件流动。工件表面的温度随工件表面的温度随a ap p增大及增大及v vww减少而逐渐减少，并向工件减少而逐渐减少，并向工件扩展，磨削热被磨屑带走的热量较多。
29、扩展，磨削热被磨屑带走的热量较多。2022-5-15278.2.4 8.2.4 砂轮磨损砂轮磨损 砂轮磨损是由机械应力与热应力造成的。与普通磨砂轮磨损是由机械应力与热应力造成的。与普通磨削相比，缓进给磨削中，由于磨粒受的磨削力小，砂削相比，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。损亦较小、有利于保证工件成形面的精度。图图8-10 8-10 砂轮上有效磨粒所受力的大小与砂轮磨损的关系砂轮上有效磨粒所受力的大小与砂轮磨损的关系2022-5-15288.2.5 8.2.5
30、表面完整性表面完整性1.1. 表面粗糙度表面粗糙度 缓进给磨削砂轮与工件接触弧长度缓进给磨削砂轮与工件接触弧长度l lc c大，速度比大，大，速度比大，单颗磨粒承受的磨削力小，随磨削时间单颗磨粒承受的磨削力小，随磨削时间t ta a延长，砂轮磨损延长，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。图缓慢。图8-118-11给出了速度比与表面粗糙度之间的关系。给出了速度比与表面粗糙度之间的关系。2022-5-15292.2.磨削表面烧伤磨削表面烧伤 在缓进给磨削时比磨削能较大，固加工表面的热损伤是考在缓进给磨削时比磨削能较大，固加工
31、表面的热损伤是考虑的主要问题。图虑的主要问题。图8-128-12表示工件产生烧伤时，测量到的三表示工件产生烧伤时，测量到的三种类型的法向力。种类型的法向力。图图8-12 8-12 缓进给磨削产生烧伤时法向磨削力的变化情况缓进给磨削产生烧伤时法向磨削力的变化情况2022-5-1530u 在图在图a a的情况下，发生烧伤时，法向力在微量增加后接着的情况下，发生烧伤时，法向力在微量增加后接着减小，然后急剧地连续增加，这有可能是由于工件因磨削热减小，然后急剧地连续增加，这有可能是由于工件因磨削热变软后的热膨胀造成的。变软后的热膨胀造成的。u在图在图b b中，当发生烧伤时，法向力减小，磨削力持续处于中，
32、当发生烧伤时，法向力减小，磨削力持续处于低水平，这有可能是由于工件膨胀所产生的力的增加为材料低水平，这有可能是由于工件膨胀所产生的力的增加为材料变软减小的力所抵消。变软减小的力所抵消。u图图c c表示热波动的情况，这有可能是由于热膨胀和热软化反表示热波动的情况，这有可能是由于热膨胀和热软化反复进行产生的。复进行产生的。2022-5-15313.3.残余应力残余应力 缓进给磨削所形成的工件表面残余应力是挤光效应、压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
33、变形引起的，基光效应作用占主导，残余应力主要是塑性变形引起的，基本上是压应力。增大磨削深度本上是压应力。增大磨削深度a ap p及工件速度及工件速度v vww，均使单颗，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，热效应亦增加，a ap p的影响显著，所以的影响显著，所以a ap p、 v vww增加都使残余增加都使残余应力增大。应力增大。2022-5-1532u 用用X X射线测量第射线测量第类类残余应力，即宏观应力残余应力，即宏观应力 。根据根据 X X 射线应力测量原射线应力测量原理，只要测出试样表面理，只要测
34、出试样表面某个方向的表面层中不某个方向的表面层中不同取向晶粒的某同一晶同取向晶粒的某同一晶面的间距变化面的间距变化, ,就可按下就可按下式算出该方向上的残余式算出该方向上的残余应力值应力值残余应力的一种测量方法：残余应力的一种测量方法：X X射线法射线法2022-5-15332022-5-15348.2.7 8.2.7 缓进给磨削中温升控制缓进给磨削中温升控制 控制缓进给给磨削中的温升，可采用控制缓进给给磨削中的温升，可采用大流量磨削液大流量磨削液进行进行冷却、采用冷却、采用超软大气孔组织砂轮超软大气孔组织砂轮、采用、采用高压磨削液高压磨削液冲洗砂冲洗砂轮及采用轮及采用开槽砂轮开槽砂轮改善冷却
35、条件等措施。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，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。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，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。温度下降。2022-5-15352022-5-1536 开槽
36、砂轮如右图示，开槽砂轮与工件开槽砂轮如右图示，开槽砂轮与工件接触面积减少，磨削液通过槽内压入磨接触面积减少，磨削液通过槽内压入磨削区，并改变磨削液流动方向，提高冷削区，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。螺旋槽，使磨削液直接进入磨削区。 离心力作用下，磨削区可得到压力较大的磨削液。如日离心力作用下，磨削区可得到压力较大的磨削液。如日本在本在205mm x 5mm205mm x 5mm电镀陶瓷结合剂砂轮开出电镀陶瓷结合剂砂轮开出2mm2m
37、m宽的槽，宽的槽，槽数槽数120120条，开槽率达条，开槽率达3737，其磨削性能良好，尤其在大，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。下降，砂轮寿命提高。图图8-14 8-14 开槽砂开槽砂轮轮2022-5-15378.2.8 8.2.8 缓进给磨削过程中砂轮连续修整缓进给磨削过程中砂轮连续修整 所谓连续修整是指所谓连续修整是指边进行磨削边将砂轮再成形和修整的边进行磨削边将砂轮再成形和修整的方法方法。修整时金刚石修整滚轮始终与砂轮接触，使砂轮始。修整时金刚石修整滚轮始终与砂轮接触，使砂轮
38、始终处于锐利状态，有利于提高磨削精度。它是采用专门的终处于锐利状态，有利于提高磨削精度。它是采用专门的连续修整磨床，其原理见图连续修整磨床，其原理见图8-158-15。 磨削时，由于工件尺寸逐磨削时，由于工件尺寸逐渐减少，需砂轮相应地切入渐减少，需砂轮相应地切入工件，修整滚轮亦应改变切工件，修整滚轮亦应改变切入速度对砂轮进行修整，入速度对砂轮进行修整， 这这样使修整滚轮相对砂轮的位样使修整滚轮相对砂轮的位置发生了变化，则由修整磨置发生了变化，则由修整磨床实现其位置调整。床实现其位置调整。2022-5-1538n 连续修整砂轮，节省了修整时间，提高磨削效率；比磨连续修整砂轮，节省了修整时间，提高
39、磨削效率；比磨削能几乎保持不变，磨粒锐利程度几乎不变，对保持工件形削能几乎保持不变，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，不再受砂轮磨损状和尺寸十分有利，尤其对长形工件磨削，不再受砂轮磨损的影响，使工件的磨削长度不受砂轮磨损的限制。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。趋于稳定，从而可避免烧伤工件。n 连续修整也有它自身缺点
40、，如金刚石滚轮成本高，占用连续修整也有它自身缺点，如金刚石滚轮成本高，占用CNCCNC装置的一个坐标用于控制并监视滚轮进给，使磨头功率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。增加及滚轮、砂轮损耗大。2022-5-1539u HEDG (High Efficiency Deep Grinding) HEDG (High Efficiency Deep Grinding) 工艺是德工艺是德国居林公司在国居林公司在2020世纪世纪8080年代初期研制开发成功的，是高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，认为是现代磨削技速磨削与缓进给磨削的进一步发
41、展，认为是现代磨削技术的高峰。术的高峰。u HEDG HEDG以切深以切深0.130mm0.130mm，工件速度，工件速度v vww0.510m0.510mminmin，砂轮速度，砂轮速度v vs s80200m80200ms s的条件进行磨削，的条件进行磨削，其工艺特征是其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度度，既能达到高的金属切除率，又能达到加工表面高质，既能达到高的金属切除率，又能达到加工表面高质量。量。 8.3 8.3 高效深切磨削高效深切磨削2022-5-1540u 用高效深切磨削工艺加工出的工件，其表而粗糙度可用高效深切磨削工艺加工出
42、的工件，其表而粗糙度可与普通磨削相当，而其与普通磨削相当，而其磨除率磨除率比普通磨削高比普通磨削高10010001001000倍。倍。因此，在许多场合，可以替代铣削、拉削、车削等加工技因此，在许多场合，可以替代铣削、拉削、车削等加工技术。住复磨削、缓进给磨削、高效深切磨削方法工艺参数术。住复磨削、缓进给磨削、高效深切磨削方法工艺参数的对比列于表的对比列于表8383。2022-5-15418.3.1 8.3.1 高效深切磨削原理高效深切磨削原理 在缓进给磨削中，工件进给速度低，生产效率较低，在缓进给磨削中，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，能量能量转换的慢
43、，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。的一部分缓慢地传导给工件、易引起工件表面烧伤。 高效深切磨削与缓进给磨削相反，其加工中的能量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量被传散。由于在短时间内转化为热量被传散。由于砂轮高速转动，工砂轮高速转动，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。切屑与磨削液。 图图8-138-13是是HEDGHEDG磨削的金属去除率磨削的金属去除率Z Zww、工件进给速度、工件进给速度v vww与接触区温度的关系。与接触区温度的关系。
44、2022-5-1542在三种磨削深度在三种磨削深度 a ap p(3(3、6 6、9mm)9mm)情况下，金属磨除率情况下，金属磨除率Z Zww 增加，即工件速度增加，增加，即工件速度增加，温度下降，比磨削能增加，温度下降，比磨削能增加，接触区温度则下降。接触区温度则下降。 随磨削随磨削深度深度a ap p增加，增加， 温度有一定的温度有一定的上升倾向，工件表面温度增上升倾向，工件表面温度增加，但总的趋势是随加，但总的趋势是随v vww、 Z Zww增加磨削工件表面温度下降。增加磨削工件表面温度下降。2022-5-1543u 砂轮速度砂轮速度VsVs增大时增大时HEDGHEDG的必要前提条件。
45、砂轮速度与工件表面温的必要前提条件。砂轮速度与工件表面温度的关系如下图所示。该图用度的关系如下图所示。该图用AlAl2 2O O3 3、电镀、电镀CBNCBN砂轮在不同砂轮速度下砂轮在不同砂轮速度下磨削时，工件表层温度变化情况。磨削时，工件表层温度变化情况。u 伴随砂轮速度伴随砂轮速度v vs s达到达到100m100ms s，工件，工件表面温度上升；表面温度上升；CBNCBN砂轮砂轮v vs s增大到增大到100m100ms s ，工件表面温度下降，趋于稳定。，工件表面温度下降，趋于稳定。 AlAl2 2O O3 3 砂轮约在砂轮约在100m100ms s ，工件表面温度下降。，工件表面温度
46、下降。其原因是砂轮线速度其原因是砂轮线速度v vs s增加的初期，增加的初期，摩擦摩擦力增加力增加，所以工件温度增加。砂轮速度再，所以工件温度增加。砂轮速度再增加，增加，未变形切削厚度减小，未变形切削厚度减小，磨粒微刃与磨粒微刃与工件接触频率增加，其摩擦力增加，工件工件接触频率增加，其摩擦力增加，工件表面温度持续上升。表面温度持续上升。 当当v vs s再继续增加，超再继续增加，超过某一特定的速度，则工件表面温度下降。过某一特定的速度，则工件表面温度下降。2022-5-1544u 砂轮线速度增加，接触面上温度下降的原因，可用砂轮线速度增加，接触面上温度下降的原因，可用“接触层理论接触层理论”说
47、明。说明。砂轮与工件接触面的表层叫接触层砂轮与工件接触面的表层叫接触层，接触层的厚度与磨屑厚度，接触层的厚度与磨屑厚度相当。磨粒微刃和工件开始接触，微刃切入工件，所产生的切屑温度相当。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。触部的温度达到切屑的平衡温度的最大值。u 图图8-158-15表示接触层温度随砂轮速度变化的曲线，接触层的温度表示接触层温度随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。这一层温度
48、可达达到平衡温度，接触区就达到最高温度。这一层温度可达1000-1000-18001800。2022-5-1545u 这是由于这是由于HEDGHEDG磨削砂轮速度磨削砂轮速度v vs s增加，在给定的时间内，磨粒微刃接增加，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，这就使得触数量与切削刃的运动量成正比，这就使得HEDGHEDG产生产生较长的切削轨迹较长的切削轨迹和和较紧密的磨削轨迹较紧密的磨削轨迹。砂轮接触的有效磨粒刃数多，产生热量多，所以。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磨粒接触微刃部的快速产生高温，研究表
49、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。层扩散的热量，多于直接进入工件内的热量。u 图图8-16 8-16 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，接触而积为直径束将钢制零件表面加热到熔点，接触而积为直径1mm1mm的圆，用的圆，用200w200wmmmm2 2能量，在能量，在11.1ms11.1ms时的加热结果，热扩散到接触面上的热量多于进时的加热结果，热扩散到接触面上的热量多于进入工件本体内的热量。入工件本体内的热量。2022-5-1546u 经计算，高效深磨中，金属切除率
50、经计算，高效深磨中，金属切除率Z Zww为为1000mm1000mm3 3/(mms)/(mms)时，磨除接触层所需的时间仅为时，磨除接触层所需的时间仅为0.049ms0.049ms，较缓进给磨削快，较缓进给磨削快200020000200020000倍。在这样短的时倍。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：一是决定于两个因素：一是接触层接触层厚度，二是厚度，二是温度温度。u 砂轮速度增大到某点，接触
