金属磨削基础知识：起源、切削作用和行业见解

在本文中，我们将讨论：- 1. 磨削简介 2. 磨削的起源 3. 磨削中的切削作用 4. 磨削中切削作用的机理 5. 磨削中的温度 6. 砂轮的自锐特性 7. 磨削中的残余应力 8. 砂轮磨损过快的原因 9. 砂轮釉面的原因 10. 操作条件和其他细节。 

内容：

1. 磨削简介
2. 研磨的起源
3. 磨削中的切削作用
4. 磨削中切削作用的机制
5. 研磨温度
6. 砂轮的自锐特性
7. 磨削中的残余应力
8. 车轮磨损过快的原因
9. 车轮上釉的原因
10. 运营条件
11. 磨削过程中切削液的使用
12. 磨削安全
13. 磨削缺陷
14. 研磨的热效应
15. 磨削加工中影响表面粗糙度的因素
16. 磨削中的故障排除

1.磨削简介：

磨削也可以被认为是一种机械加工过程，即去除金属的过程，但体积相对较小。 “磨”的意思是“磨损”、通过“摩擦”或“磨利”而磨损。在磨削中，材料通过旋转的砂轮去除。砂轮的作用与铣刀的作用非常相似。

砂轮是由砂轮内投射磨粒构成的大量切削工具组成。通过在显微镜下检查去除的材料，可以看到尺寸从 0.4 到 0.8 毫米不等的明确细长金属碎片。

如今，磨削主要用于以下目的：

(i) 在完成所有粗加工和热处理操作后，从工件上去除极少量的金属，使其尺寸处于非常接近的公差范围内。因此，它基本上是一种用于产生紧密的尺寸和几何精度的精加工工艺。

(ii) 有时用于获得更好的表面光洁度。

(iii)有时用于加工高速钢刀具或硬质合金刀具难以加工的硬质表面。

(iv)它也可用于磨锐切削工具。

(v) 它还用于磨削螺纹，以获得紧密的公差和更好的光洁度。

(vi) 有时它也适用于更高的材料去除率（磨料加工）。

磨削是生产工作中极其重要的工序之一。与其他切割工艺相比，它具有一定的优势。

一些优点是：

(i) 它非常适合切割淬硬钢等。需要硬表面的零件首先在退火条件下加工成型，根据热处理操作过程中材料的尺寸、形状和翘曲倾向，仅留下少量用于磨削。

(ii) 由于砂轮上有大量切削刃，只能通过磨削操作才能在接触和承载表面处产生理想的极其光滑的光洁度。

(iii) 由于轮子有相当大的宽度，因此没有进给造成的痕迹。

(iv) 可以在很短的时间内实现非常精确的尺寸和更光滑的表面光洁度。

(v) 使用相对便宜的修整模板可以精确地生产复杂的轮廓。

(vi) 在此过程中需要的压力非常小，因此可以用于非常轻的工作，否则这些工作可能会从工具上弹开。这一特性允许在许多磨削操作中使用磁性块来固定工件。

(vii) 磨料具有非常高的硬度；与其他材料相比，它们对热不太敏感，并且可以承受高温。因此，这些可以以更高的切削速度进行加工。由于钝化颗粒的释放和新锋利颗粒的暴露，砂轮具有自锐特性。

(viii) 磨削是在硬化后从材料中去除材料的便捷方法。

(ix)磨削与传统机械加工不同，不需要切穿锻件等的硬皮。

2.研磨的由来：

在早期阶段，“凿子”被认为是去除金属最方便的工具。凿子只有一个切削刃，可以通过它去除更多的材料，但光洁度很差。为了更好地完成材料，人们开始使用锉刀。在锉刀中，有多个切削刃。

使用它，去除的材料更少，但可以获得更好的光洁度。随着技术的进步，凿子被单点切削刀具取代，以控制金属的去除，金属去除的操作可以在车床、插床、铣床等各种机床上进行。

同样，为了控制金属去除量并通过多刃刀具获得更好的光洁度，也采用磨削。磨削工艺可提高部件的几何精度 (± 0.02 mm) 和表面光洁度 (0.1 µm Ra)。

3、磨削时的切削作用：

从图20.1可以看出，砂轮由磨料颗粒、结合材料和空隙组成。突出的磨料颗粒就像切削工具尖端一样，可以去除金属。正确选择的砂轮具有自锐作用。

随着切削的进行，切削刃处的磨料颗粒变钝，最终由于工件材料提供的抵抗切削作用的阻力，这些磨料颗粒沿着解理面破裂。因此产生了新的切割点，其执行进一步的切割动作。

这个过程一直持续到磨料颗粒磨损到粘结水平为止。此时，粘结剂允许剩余的磨损颗粒从砂轮上撕下，露出先前位于砂轮表面下方的新颗粒，并且新颗粒会起到进一步的切削作用。

由于砂轮选择错误或切削条件不当而经常遇到的两个问题是砂轮玻璃和砂轮负载。砂轮磨光是指颗粒磨损至粘合水平并保持太长时间而无法进行有效切割的情况。这是由于使用了硬砂轮（砂轮结合强度强且颗粒太细）造成的。

这个问题可以通过更换砂轮来解决，有时还可以通过改变切削条件来解决。当工件切屑嵌入砂轮切削面时，会发生砂轮负载，从而由于穿透深度减小而降低切削速率。这是由于空隙太小而发生的，可以通过提高轮速或什至使用不同的轮来解决。

因此，为了正确、连续和高效地切割而选择砂轮需要正确选择磨料的类型、颗粒的尺寸、结合剂的类型及其强度以及空隙的尺寸。此外，砂轮的性能还受到工件材料、切削速度、切削深度和进给速率的影响。

金刚石虽然是最硬的材料，但由于其成本较高，其应用受到限制。 Al2O3、SiC 和 B4C 与淬火钢相比具有高硬度，因此可用于通过塑性变形去除金属。值得一提的是，切削刀具材料必须更硬，以便通过塑性变形去除材料，并保持其形状并减少磨损。

由于不可能用这些材料制造通常形状的切削工具，因此使用颗粒形式的材料，即它们以天然形式获得的形式。这些材料（磨料）的颗粒用某种粘合材料粘合成轮状。砂轮表面的磨粒起到切削刃的作用。这些是随机分布和随机定向的。

4.磨削中切削作用的机理：

图20.2（a）显示了磨削过程中晶粒的切削作用。为了简单起见，可以假设所有颗粒都是相同的。

图20.2（b）显示了表面磨削过程中切屑形成示意图的详细视图。发现未切割芯片的横截面近似为三角形，厚度为t，宽度为w。然而，未切割的厚度和宽度各不相同，并且令它们的最大值为tmax和wmax。平均值可能是这些的一半。切屑平均长度l=D/2×θ（D=砂轮直径，θ很小）

如果 f 为进给量（典型值为 0.2 至 0.6 m/sec）且 W =切削宽度（以 mm 为单位），则每单位时间去除的材料总体积 =fdW

一颗芯片的平均体积 =f(1/6) wmax tmax l。

如果 N 是砂轮的转速，ρ =表面密度（以颗粒/mm2 为单位），则砂轮边界上的活性颗粒数量以及单位时间产生的切屑数量 =πNDW ρ。

从这里可以看出，如果 N、D 或 ρ 减小，或者 f 或 d 增大，则砂轮会显得更软，因为 Fav 值会增大，导致磨粒更频繁地脱落。在平面磨削操作中，径向力FR=2F。 （见图20.3）

5、研磨温度：

切割时磨粒尖端会达到非常高的温度。然而，砂轮并没有发生严重的加热，因为这样的高温仅持续很短的时间，并且切割颗粒处的温度梯度非常陡。

近似理论平均芯片/工具界面温度由下式给出：

∴ 对于精磨，可以通过降低砂轮速度和切屑厚度来降低切屑/刀具温度。

对于普通磨削，可以通过降低砂轮转速来降低温度，但不能通过减小切屑厚度来降低温度。事实上，轻精加工可能会导致热损坏。

通过使用磨削液，不仅工件温度降低，砂轮磨损减少，而且砂轮负载较小，从而减少了砂轮修整的频率。但流体并不能防止因瞬间温度过高而对工件表面造成损伤。

6、砂轮的自锐特性：

在砂轮中，切削刀具（刀尖）的形状不规则且随机分布。轮子周边的锋利边缘参与材料去除过程，并逐渐变钝，即磨损（变钝）。由于加工过程中作用在它们上的力更大，它们要么断裂，形成新的锋利切削刃，要么被卡住，其下方的新晶粒暴露出来并参与材料去除。

这一过程赋予砂轮自锐的特性。可以看出，结合剂的强度（称为结合剂的等级）决定了磨粒所能承受的最大力，这是砂轮的一个重要特性。结合力强的轮称为硬轮。

磨削操作中产生的小而热的切屑容易焊接到砂轮或工件上。此外，由于随机磨粒取向，大量晶粒可能具有大的负前角，并且这些晶粒可能会摩擦而不是切削。这些因素使得磨矿过程效率低下，消耗的比能量较高。

7、磨削中的残余应力：

磨削过程中晶粒-碎片界面处的温度达到非常高的值（约1500°C）。由于高温，快速加热和淬火（由于切削液）可能会发生微观结构变化。热效应和机械效应可影响地面约 0.2 毫米的深度。

这将导致产生高残余拉应力，如果这些应力达到高值，则可能会出现表面裂纹。图20.7显示了表面磨削后工件中不同砂轮速度下不同深度处的残余应力如何发生。可以假设研磨温度与单位表面积研磨所消耗的能量成正比，

因此，可以通过降低d、D、ρ或N，或者通过增加f来减少温度和由高磨削温度引起的缺陷。

砂粒与芯片保持接触的时间：

其量级为 0.0001 秒。

发现粮片界面温度为：

其中V =车轮表面速度

R =工作材料的导热系数

ρc =工作材料的体积比热。

8、砂轮磨损过快的原因：

岛轮子太软

二.轮面太窄

三.车轮速度太慢

四.工作速度太快

五、车轮拥挤

六.工件上存在孔或凹槽。

9、车轮打光的原因：

岛轮子太硬

二.颗粒太细

三.车轮速度太快

四.工作速度太慢

v. 装有切屑的轮子

10.运行条件：

正确选择各种操作条件对于任何磨削操作的成功都非常重要。

各种操作条件及其对磨削操作的影响如下：

(i) 轮速：

砂轮转速的增加（进给量恒定）导致单个磨粒去除的切屑尺寸减小，从而减少砂轮的磨损。较高的砂轮速度受到砂轮设计、结合剂类型、磨削操作、磨床功率和刚度等的限制。根据结合剂类型和不同磨削操作，砂轮速度通常在 20 至 40 m/sec 之间变化。

(ii) 工作速度：

工作速度的增加会增加车轮的磨损，但会减少产生的热量。高工作速度受到车轮过早磨损和磨损引起的振动的限制。低工作速度会导致局部过热，从而使硬化工件变形/回火并影响其机械性能。

为了减少车轮磨损，应降低工作速度。如果产生的热量较多，就会发生堵塞，特别是硬轮时，应提高工作速度。外圆磨削时，粗加工操作的工作速度为 11 至 50 m/min，精加工操作的工作速度为 6 至 30 m/min。内圆磨削的工作速度在 15 至 30 m/min 之间变化，表面磨削的工作速度在 8 至 15 m/min 之间变化。

(三) 饲料：

通过增加向下进给或横向进给速率来提高材料去除率，但其结果是更大的砂轮磨损和较差的光洁度，从而影响尺寸和几何精度。

横向进给或交叉进给的增加会增加砂轮的磨损并产生不良的表面。通常磨钢件时其值调整为砂轮宽度的2/3～3/4，磨铸铁工件时调整为砂轮宽度的3/4～5/6。

(iv) 磨削接触面积：

当接触面积较大时（如内圆磨削、表面磨削以及使用小直径砂轮进行较大直径的工件磨削），单位压力较低，为了实现连续自由切削作用，请使用软级砂轮。较粗的砂粒用于在磨粒之间提供足够的切屑间隙。当接触面积较小时，使用更细的砂粒和更硬的砂轮。

11、磨削时切削液的使用：

磨削加工过程中，砂轮与工件接触处会产生大量热量，其中大部分热量传递给工件。磨削液有助于防止工件过度加热并冲洗砂轮。

含有硫或氯添加剂的磨削液有助于降低切削力、改善表面光洁度并延长砂轮的使用寿命。为此，通常使用足量的水基乳液和磨削油（普通中型磨床为 15-20 升/分钟）。

将流体引导至砂轮与工件之间的界面，以便在砂轮与工件之间形成一层低剪切强度的薄膜。使用特殊喷嘴在压力下供应流体，从而因高速而穿透车轮表面周围的空气膜。为了防止细颗粒堵塞砂轮，磨削液经过精细过滤。

12. 研磨安全：

磨削中的任何不安全做法都可能对操作造成危险，应引起特别注意。

各个重要方面是：

(i) 砂轮的安装：

砂轮应正确安装在主轴中并用防护罩封闭。轮孔不应与套筒紧配合。

(ii) 轮速：

最大砂轮速度由砂轮的极限破裂强度决定，并且取决于砂轮所使用的磨料、粒度、结合剂、结构、等级、形状和尺寸。其值由制造商指定，切勿超过。

(iii) 车轮检查：

安装前应检查车轮有无运输损坏、裂纹等缺陷。振铃测试对于玻璃化结合剂来说足够好。健全的轮子，用塑料锤与垂直线呈45°轻轻敲击时，听起来像清晰的金属环，但有裂纹的轮子不会发出响声。

不使用时，轮子应存放在干燥的地方，并将其边缘放在架子上。

(iv) 轮罩：

这些应始终在磨削过程中使用，并定期调整以补偿砂轮磨损。

（五）除尘及卫生防护：

干磨时，应采取措施除去磨削粉尘。机器使用时切勿拆除机器的防护罩。操作人员应佩戴安全装置，保护眼睛和身体免受飞扬的磨料颗粒和灰尘的侵害。

(vi) 滚轮操作：

足够的功率对于磨床至关重要。如果动力不足，车轮就会减速并出现平点，从而使车轮失去平衡。

湿磨时，砂轮不应部分浸入水中，否则会严重使砂轮失去平衡。

13.磨削故障：

由于砂轮选择不正确或磨削条件不正确而导致的两种常见故障是：

(i) 加载和

(ii) 玻璃。

当磨料颗粒之间的空间被被研磨的金属颗粒堵塞时，就会发生负载。因此，颗粒的突出程度不足以促进有效切割。这是由于使用开放式结构砂轮磨削软金属而发生的。通过车轮表面闪亮的外观很容易识别玻璃。

这是由于磨料颗粒变钝并且没有脱离粘结剂而发生的。当轮子对于被研磨的材料来说太硬时，就会发生这种情况。可以通过提高轮子或工作速度来减少玻璃。

还可以结合表面光洁度和特定功率要求来评估砂轮的整体性能。在这种情况下，磨削比等于砂轮磨损量所磨削的材料量与特定磨削功率和试件表面光洁度的乘积之比。

14.磨削的热效应：

磨削过程中，刀具与工件之间会产生大量的热量。大部分热量在工件中消散，其余热量则由砂轮保留。

磨削的两种热效应是：

1、对砂轮的影响：

由于产生热量，产生裂纹，称为磨削裂纹。裂纹垂直于磨痕。

2、对工件的影响：

（一）变色：

表面氧化在 200°C 时发生，产生金属氧化物。这些氧化物具有与母体金属不同的颜色。换句话说，我们可以说这会导致工件变色。由于颗粒钝化而产生热量，导致表面燃烧。

(b) 机械损坏：

由于晶粒锋利，金属表面会形成划痕。

(c)冶金损伤：

由于热量的产生，表面形成脆性裂纹。

(d) 化学损坏：

由于产生热量，形成化学氧化物。

15、磨削作业中影响表面粗糙度的因素：

磨削中的表面粗糙度取决于砂轮（其直径、磨料、硬度、修整、磨损）和磨削条件（砂轮转速、工件速度、纵向进给量、工件直径）。无花果。图 20.14 显示了磨削过程中表面粗糙度随各种参数变化的变化。

16、磨削中的故障排除：

下面给出磨削过程中可能遇到的各种故障及解决方法：

(i) 车轮快速磨损：

这可以通过以下方式解决：

(a) 使用较硬的轮，

(b) 增加轮速，

(c) 降低移动速度和工作速度，并稍微减小切削深度。

(ii) 车轮玻璃：

出现这种情况的原因是不正确的修整、错误的砂轮选择以及使用缓慢的移动和高的工作速度。可以通过保持砂轮锋利、使用较软的砂轮或更粗的砂砾、降低砂轮速度和快速移动、使用更大的进给深度和增加切削深度来解决。

(iii) 颤痕：

这些可以通过以下方式处理：

(a) 正确平衡车轮，

(b) 使用适当的修整工具，

(c) 使用较软的等级或较粗的砂砾，

(d) 通过检查轴承和基础、调整主轴轴承来减少机器振动，

(e) 张紧轮，

(f) 对于大型作业，使用合适的支架或夹具。

(iv) 粗加工：

这可能是由于使用太粗的轮或太软的轮造成的。

(v) 车轮负载：

这可以通过使用较软或多孔结构的轮来解决；使用更锋利的修整器，使用大量清洁的冷却液。由于冷却液不干净，可能会出现不同长度和宽度的不规则痕迹。由于轮缘松动，会出现较深的不规则痕迹。

(vi)工件过热：

出现这种情况是由于车轮选择错误造成的。为了克服这个问题，应使用较软的砂轮并使用足够的冷却液。