刀具製造技術：刀具磨削基礎知識

一、砂輪的特性和選擇

砂輪是用結合劑把磨粒粘結起來，經壓坯、乾燥、焙燒及車整而成。它的特性決定於磨料、粒度、結合劑、硬度、組織及形狀尺寸等。

1．磨料

磨料是砂輪的主要成分，常用的磨料有氧化物系、碳化物系和超硬磨料系三類。幾種常用磨料的特性及適用範圍參見表2-8。

2．粒度

粒度表示磨料顆粒的尺寸大小。當顆粒尺寸較大時，以其能通過的篩網上每英寸長度上的孔數來表示粒度號，如60#表示磨粒剛能通過每英寸60個孔眼的篩網。粒度號越大，磨粒越細。當磨粒直徑≤40mm時，粒度以實際尺寸大小表示，稱為微粉，如尺寸為28mm的微粉，粒度號為。W後的數字越小，微粉越細。常用磨粒的粒度及適用範圍參見表2-9。

粗磨加工選用顆粒較粗的砂輪，以提高生產效率；精磨加工選用顆粒較細的砂輪，以減小加工表面粗糙度。砂輪與工件接觸面積大時，選用顆粒較粗的砂輪，防止燒傷工件。

3．結合劑

結合劑的作用是將磨粒粘結在一起，形成具有一定形狀和強度的砂輪。常用的結合劑種類有陶瓷結合劑、樹脂結合劑、橡膠結合劑和金屬結合劑（常用青銅）。它們的性能及適用範圍參見表2-10。

表2-8磨料的特性及適用範圍

表2-9常用粒度及適用範圍

表2-10結合劑的種類及適用範圍

4．硬度

砂輪的硬度是指磨粒在磨削力作用下，從砂輪表面上脫落的難易程度。砂輪硬度高，磨粒不容易脫落；反之磨粒容易脫落。砂輪的硬度分七個等級，參見表2-11。

磨削時，如硬輪硬度過高，則磨鈍了的磨粒不能及時脫落，會使磨削溫度升高而造成工件燒傷；若砂輪太軟，則磨粒脫落過快不能充分發揮磨粒的磨削效能。

工件硬度較高時應選用較軟的砂輪；工件硬度較低時，應選用較硬的砂輪；砂輪與工件接觸面較大時，選用較軟砂輪；磨薄壁件及導熱性差的工件時選用較軟的砂輪；精磨和成形磨時，應選用較硬的砂輪；砂輪粒度號大時，應選用較軟的砂輪。

表2-11砂輪的硬度等級名稱及代號

5．組織

砂輪的組織是指磨粒、結合劑、氣孔三者之間的比例關係。磨粒在砂輪體積中所佔的比例越大，則組織越緊密；反之，則組織越疏鬆。砂輪組織的級別及適用範圍參見表2-12。

表2-12砂輪的組織號和適用範圍

用金剛石和立方氮化硼磨料製造的超硬砂輪用濃度來表示砂輪內含有磨粒的疏密程度。濃度的高低用百分比表示，如25%、75%、100%、150%等，100%濃度對應的磨粒含量為0.88g/cm3。金剛石砂輪加工石材、玻璃時選較低濃度，加工超硬合金、金屬陶瓷等難加工材料時選高濃度。立方氮化硼砂輪只用於加工金屬材料，選高濃度較好。成型磨削和鏡面磨削選用高濃度砂輪。

6．砂輪形狀

常用砂輪的形狀、代號和主要用途參見表2-13。

表2-13常用砂輪的形狀、代號及主要用途

在砂輪的端面上一般都印有標誌，用以標示砂輪的特性。例如：，表示該砂輪為平形砂輪（1），外徑為，厚度為，內徑為，磨料為棕剛王（A），粒度號為60，硬度為中軟2（L），組織號為5，結合劑為陶瓷（V），最高圓周速度為。

二、磨削過程

磨削時砂輪表面上有許多磨粒參與磨削工作，每個磨粒都可以看做是一把微小的刀具。磨粒的形狀很不規則，其尖點的頂錐角大多為90°~120°。磨粒上刃尖的鈍圓半徑大約在幾微米至幾十微米之間，磨粒磨損後值還將增大。由於磨粒以較大的負前角和鈍圓半徑對工件進行切削（如圖2-44所示），磨粒接觸工件的初期不會切下切屑，只有在磨粒的切削厚度增大到某一臨界值後才開始切下切屑。磨削過程中磨粒對工件的作用包括滑擦、耕犁和形成切屑三個階段（參見圖2-45）。

（1）滑擦階段磨粒剛開始與工件接觸時，由於切削厚度非常小，磨粒只是在工件上滑擦，砂輪和工件接觸面上只有彈性變形和由摩擦產生的熱量。

（2）耕犁階段隨著切削厚度逐漸加大，被磨工件表面開始產生塑性變形，磨粒逐漸切入工件表層材料中。表層材料被擠向磨粒的前方和兩側，工件表面出現溝痕，溝痕兩側產生隆起，如圖2-45中N—N截形圖所示。此階段磨粒對工件的擠壓摩擦劇烈，產生的熱量大大增加。

（3）形成切屑當磨粒的切削厚度增加到某一臨界值時，磨粒前面的金屬產生明顯的剪切滑移形成切屑。

磨削過程中產生的溝痕兩側隆起現象對磨削表面粗糙度有較大影響。圖2-46所示為隆起量與磨削速度的關係，由圖可知，隨著磨削速度的增加，隆起減小，這是因為在較高磨削速度條件下，工件材料塑性變形的傳播速度遠小於磨削速度，磨粒側面的材料來不及變形。增加磨削速度對減小隆起量是有利的。

三、單顆磨粒的切削厚度

磨粒在砂輪表面上是隨機分布的，且高低不平。為便於分析，現假設磨粒前後對齊並均勻地分布在砂輪的外圓表面上。圖2-47所示為砂輪磨削平面時的情況，當砂輪上的A點旋轉到B點時，工件上的C點在這段時間內就移到B點，圖中面積ABC所包含的材料就被磨削掉了，磨去的最大厚度為BD。如果用e表示砂輪每毫米圓周長上的磨粒數，則

參加切削的磨粒數為，其中弧長以毫米計。單顆磨粒的最大切削厚度可用下式表示

（2-30）

圖2-47中面積可近似看成一直角三角形，由此知

（2-31）

而（2-32）

式中——工件的速度；

——砂輪以速度從A點轉動到B點所花費的時間。

將上式代入式（2-32），整理後得

（2-33）

由圖2-47知

所以

通常＞＞，得

（2-34）

將式（2-31）、式（2-33）和式（2-34）代入式（2-30）得

（2-35）

式中——砂輪的速度（m/s）；

——工件的速度（m/s）；

——徑向進給量（mm）；

——砂輪直徑（mm）。

式（2-35）是在假定磨粒分布均勻的前提下得到的。實際上磨粒在砂輪表面上的分布是極不規則的，不同磨粒的切削厚度可能會相差很大。但仍可從公式（2-35）對影響磨粒切削厚度的各有關因素作出以下定性分析。

1）工件速度和徑向進給量增大時，將增大。

2）砂輪速度和砂輪直徑增大時，將減小。

3）粒度號大（細粒度）的砂輪大，相對較小。

單顆磨粒的切削厚度增大時，磨粒的切削負荷加重，磨削力增大，磨削溫度升高，砂輪磨損加快，工件已加工表面質量將變差。

四、磨削力

磨削力可以分解為三個分力：主磨削力（切向磨削力），切深力（徑向磨削力），進給力（軸向磨削力）。如圖2-48所示。

與切削力相比，磨削力有如下主要特徵：

1）單位磨削力值大，原因是磨粒大多以較大的負前角進行切削。單位磨削力值在以上，而其他切削加工的值均在以下。

2）三向磨削分力中切深力值最大。在正常磨削條件下，與的比值約為。被磨材料塑性越小、硬度越大，值越大。表2-14列出了一組實驗數據。

表2-14磨削時與的比值

五、磨削溫度

1．磨削溫度

由於磨削時單位磨削力比車削時大得多，切除金屬體積相同時，磨削所消耗的能量遠遠大於車削所消耗的能量。這些能量在磨削中將迅速轉變為熱能，磨粒磨削點溫度高達1000~1400℃，砂輪磨削區溫度也有幾百度。磨削溫度對加工表面質量影響很大，須設法控制。

2．影響磨削溫度的因素

（1）砂輪速度提高砂輪速度，單位時間通過工件表面的磨粒數增多，單顆磨粒切削厚度減小，擠壓和摩擦作用加劇，單位時間內產生的熱量增加，使磨削溫度升高。

（2）工件速度增大工件速度，單位時間內進入磨削區的工件材料增加，單顆磨粒的切削厚度加大，磨削力及能耗增加，磨削溫度上升；但從熱量傳遞的觀點分析，提高工件速度，工件表面被磨削點與砂輪的接觸時間縮短，工件上受熱影響區的深度較淺，可以有效防止工件表面層產生磨削燒傷和磨削裂紋，在生產實踐中常採用提高的方法來減少工件表面燒傷和裂紋。

（3）徑向進給量徑向進給量增大，單顆磨粒的切削厚度增大，產生的熱量增多，使磨削溫度升高。

（4）工件材料磨削韌性大、強度高、導熱性差的材料，因為消耗於金屬變形和摩擦的能量大，發熱多，散熱性能又差，故磨削溫度較高。磨削脆性大、強度低、導熱性好的材料，磨削溫度相對較低。

（5）砂輪特性選用低硬度砂輪磨削時，砂輪自銳性好，磨粒切削刃鋒利，磨削力和磨削溫度都比較低。選用粗粒度砂輪磨削時，容屑空間大，磨屑不易堵塞砂輪，磨削溫度就比選用細粒度砂輪低。

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