金屬切削加工方法多種多樣，磨削作為金屬加工方式之一，你了解它的工藝特點及應用範圍嗎？
磨削的定義
中文名稱：磨削
英文名稱：grinding
定義：磨具以較高的線速度旋轉，對工件表面進行加工的方法。
如圖1所示。通常把使用磨具進行加工稱為磨床。常用的磨具有固結磨具(如砂輪、油石等)和塗附磨具(如砂帶、砂布等)，磨床按加工用途的不同可分為外圓磨床、內圓磨床和平面磨床等。
圖1 磨削
砂輪的特徵要素
砂輪是由一定比例的硬度很高的粒狀磨料和結合劑壓制燒結而成的多孔物體。磨削時與砂輪的選擇合理與否至關重要。砂輪的性能主要取能否取得較高的加工質量和生產率。決於砂輪的磨料、粒度、結合劑、硬度、組織及形狀尺寸等因素。這些稱為砂輪的特徵要素。如圖2所示。
圖2 砂輪磨削
磨粒的切削過程
（如圖3所示）磨削過程的實質是切削、刻劃和摩擦拋光的綜合作用過程，由此可獲得較小的表面粗糙度值。粗磨時以切削作用為主，精磨時切削作用和摩擦拋光作用同時並存。
（1）砂輪表面突起高度較大和較為鋒利的磨粒，切入工件較深且有切屑產生，起切削作用（圖a）。
（2）突起高度較小和較鈍的磨粒，只能在工件表面刻畫細微的溝痕，工件材料被擠向兩旁而隆起，此時無明顯切屑產生，僅起刻劃作用（圖b）。
（3）比較凹下和已經鈍化的磨粒，既不切削也不刻劃，只能從工件表面滑擦而過，起摩擦拋光作用（圖c）。
圖3 磨粒的磨削過程
磨削工藝的特點
1. 精度高、外表粗糙度小
● 磨削時，砂輪表面有極多的切削刃，並且刃口圓弧半徑較小。磨粒上較鋒利
的切削刃，能夠切下一層很薄的金屬，切削厚度可以小到數微米，這是精密加工必須具備的條件之一。
● 磨削所用的磨床，比一般切削加工機床精度高，剛度及穩定性較好，並且具有微量進給的機構，可以進行微量切削，從而保證了精密加工的實現。
● 磨削時，切削速度很高。當磨粒以很高的切削速度從工件表面切過時，同時有很多切削刃進行切削，每個磨刃僅從工件上切下極少量的金屬，殘留面積高度很小，有利於形成光潔的表面。
● 加工精度為IT7～IT6，表面粗糙度Ra值為0.2～0.8μm。
2. 砂輪有自銳作用
磨削過程中，磨砂輪的自銳作用是其他切削刀具所沒有的一般刀具的切削刃。如果鈍損壞，則切削不能繼續進行，必需換刀或重磨。而砂輪由於本身的自銳性，使得磨粒能夠以較鋒利的刃囗對零件進行切削。實際生產中，有時就利用這一原理進行強力連續磨削以提高磨削加工的生產效率。
磨削過程中，磨粒在高速、高壓與高溫的作用下，將逐漸磨損而變得圓鈍，圓鈍的磨粒，切削能力下降，作用於磨粒上的力不斷增大。當此力超過磨粒強度極限時，磨粒就會破碎，產生新的較鋒利的稜角，代替舊的圓鈍磨粒進行磨削；當此力超過砂輪結合劑的粘結力時，圓鈍的磨粒就會從砂輪表面脫落，露出一層新鮮鋒利的磨粒，繼續進行磨削。
3. 背向磨削力 Fp較大
圖4 總磨削力及其分解
如圖4所示，磨削時砂輪作用在工件的力為總磨削力F。F可分解為三個相互垂直方向的分力，即磨削力Fc 、背向力Fp和進給磨削力Ff。磨削時，由於背吃刀量很小，所以磨削力Fc較小，進給磨削力Fc則更小，一般可忽略不計。但背向磨削力Fp很大。
這是因為砂輪的寬度較大，磨粒又是以很大的負前角切削的緣故。在刀具切削加工中，一般切削力Fc最大，而磨削時是背向磨削力Fp最大，這是磨削加工的一個顯著特點。
影響：Fp作用於砂輪切入方向，砂輪以很大的力推壓工件，加速砂輪鈍化，使砂輪軸和工件均產生彎曲變形，工件易出現圓柱度誤差，直接影響工件的形狀精度和表面質量，如圖5所示。
圖5 磨削加工前後工件形變
解決方法：採用精磨，增加光磨次數，或採用輔助支承，以消除或減少因Fp所引起的形狀誤差。
光磨：工件磨到接近最後尺寸（餘量一般為0.005~0.01mm)時不再吃刀的磨削。光磨可提高工件的形狀精度，降低表面粗糙度。磨削質量隨著光磨次數的增多而提高。
4. 磨削溫度高
磨削速度高，為一般切削加工的1020倍，且為負前角切削，這樣高的切削速度下，磨削時滑擦、刻劃和切削 3個階段所消耗的能量絕大擠壓和摩擦較嚴重。局部轉化為熱量，加上磨粒多，又因為砂輪本身的傳熱性很差，大量的磨削熱在短時間內傳散不出去，磨削區形成瞬時高溫，並且大部分磨削熱將傳入零件。一般有80％切削熱傳入工件（刀具切削低於20％），而且瞬時聚集在工件表層，形成很大的溫度梯度。工件表層溫度可高達1000℃ 以上，而表層1mm以下接近室溫。當局部溫度很高時，表面易產生熱變形，甚至燒傷。因此，磨削時需施加大量切削液，以降低磨削溫度。
5．表面變形強化和殘餘應力嚴重
與刀具切削加工相比，雖然磨削的表面變形強化和殘餘應力層要淺很多，但程度更為嚴重。影響零件的加工工藝、加工精度和使用性能。
解決方法：及時用金剛石工具修整砂輪，施加足夠切削液，增加光磨次數。
磨削的應用
1）外圓磨削：
一般在普通外圓磨床或萬能外圓磨床上進行，外圓磨削有縱、橫、綜合、深磨法等，如圖6所示。
圖6 外圓磨削圖解
縱磨法
?主運動：砂輪高速旋轉
?圓周進給運動：工件旋轉運動；
? 縱向進給運動：工件和磨床工作台的往複直線運動；
? 橫向進給運動：砂輪周期性橫向進給。
?特點：每次磨削量小，磨削力小，產生的熱量少，散熱條件較好。加工精度和表面質量好。適應性強，生產率較低。
? 應用：單件小批生產，精磨，特別是細長軸的磨削。實際中用的最多。
橫磨法
? 切削運動：工件不作縱向移動，砂輪以慢速作連續的橫向進給。
? 特點：生產率高。工件與砂輪接觸面積大，磨削力較大，發熱量多，磨削溫度高，工件易發生變形和燒傷。
? 應用：成批及大量生產，尤其是工件上的成形表面。加工表面不太寬且剛性較好的工件。軸的磨削。
綜合磨法
? 先用橫磨法將工件表面分段進行粗磨，相鄰兩段間有5～10mm的搭接，工件上留下0.0l～0.03mm的餘量，然後用縱磨法進行精磨。
?綜合了橫磨法和縱磨法的優點。
深磨法
? 磨削時用較小的縱向進給量、較大的背吃刀量(一般為0.3mm左右)，在一次行程中切除全部餘量。
? 前端錐面進行粗磨，圓柱部分精磨和修光。
? 應用：大批大量生產中加工剛度較大的工件，且被加工表面兩端有較大的距離，允許砂輪切入切出。
2）在無心外圓磨床上磨外圓
圖7 無心外圓磨削
磨削時，工件放在兩個砂輪之間，下方用托板托住，不用頂尖支持。較小的一個用橡膠結合劑做的，磨粒較粗，稱為導輪；另一個是用來磨削工件的砂輪，稱為磨削輪。 導輪軸線相對於砂輪軸線傾斜一角度，以比磨削輪低得多的速度轉動，靠摩擦力帶動工件旋轉。 工件一方面旋轉作圓周進給，另一方面作軸向進給運動，如圖7所示。
無心外圓磨床特點：
?工件兩端不需預先打中心孔，安裝比較方便；
? 機床調整好之後，可連續進行加工，易於實現自動化，生產效率較高。
?工件被夾持在兩個砂輪之間，不會因背向磨削力而被頂彎，有利於細長軸類零件的磨削。
?無心外圓磨削要求工件的外圓面在圓周上必須是連續的，如果圓柱表面上有較長的鍵槽或平面等，導輪將無法帶動工件連續旋轉，故不能磨削。
? 因為工件被托在托板上，依靠本身的外圓面定位，若磨削帶孔的工件，則不能保證外圓面與孔的同軸度。
? 無心外圓磨床的調整比較複雜。
3） 孔的磨削
可以在內圓磨床上進行，也可以在萬能外圓磨床上進行，它可以加工圓柱孔、圓錐孔和成形內圓面等。 磨削過程：
? 縱磨圓柱孔時，工件安裝在卡盤上旋轉，並沿軸向作往複直線運動；砂輪高速旋轉並作周期性的橫向進給。
? 若磨圓錐孔，只需將磨床的頭架在水平方向偏轉半個錐角。
4） 平面磨削
周磨：利用砂輪的外圓面進行磨削。
? 特點：砂輪與工件的接觸面積小，散熱、冷卻和排屑情況較好，加工質量較高。
? 應用：加工質量要求較高的工件。
? 設備：卧軸平面磨床。
端磨：利用砂輪的端面進行磨削。
? 特點：磨頭伸出長度較短，剛度較好，允許採用較大打磨削用量，生產率較高。但砂輪與工件的接觸面積大，發熱量多、冷卻較困難，加工質量較低。
? 應用：加工質量要求不很高的工件，代替銑削作為精磨前的預加工。
? 設備：立軸平面磨床。
磨削髮展方向
1、高精度、小粗糙度磨削
如精密磨削、超精磨削，鏡面磨削。
要求：磨床精度，運動平穩性，合理的工藝參數，砂輪精細修整。 磨削過程：磨削時，磨粒的微刃在工件表面上切下微細切屑，同時在適當的磨削壓力下，藉助半鈍狀態的微刃，對工件表面產生摩擦拋光作用，從而獲得高的精度和小的表面粗糙度。
2、高速磨削
磨削速度VC≥50m/s的磨削加工。因提高工件速度而增加金屬切除率，生產率提高。由於磨削速度高，單位時間內通過磨削區的磨粒數增多，每個磨粒的切削層厚度將變薄，切削負荷減小，砂輪的耐用度可顯著提高。
由於每個磨粒的切削層厚度小，工件表面殘留面積的高度小，並且高速磨削時磨粒刻劃作用所形成的隆起高度也小，因此磨削表面的粗糙度較小。且高速磨削的背向力相應減小，有利於保證工件(特別是剛度差的工件)的加工精度。
3、強力磨削
以大的背吃刀量和小的縱向進給速度進行磨削，又稱緩進深切磨削或深磨。適用於加工各種成形面和溝槽，特別能有效地磨削難加工材料(如耐熱合金等)。它可以從鑄、鍛件毛坯直接磨出合乎要求的零件，生產率大大提高。高速磨削和強力磨削都對機床、砂輪及冷卻方式提出了較高的要求。
4、砂帶磨削
設備一般都比較簡單。砂帶迴轉為主運動，工件由傳送帶作進給運動，工件經過支承板上方的磨削區，即完成加工。
砂帶磨削的生產效率高，加工質量好，能較方便地磨削複雜形面，因而成為磨削加工的發展方向之一，其應用範圍越來越廣。
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