磨削需要磨料——通常附着在砂轮上——并使用其许多颗粒来切割工件。此过程的变体可用于多种应用。

从表面上看,磨削似乎很简单:一台机器采用带有磨粒的旋转工具(通常是砂轮)并将其应用于工件表面以去除材料。每颗谷物都是它自己的微型切割工具,当谷物变钝时,它们会从工具上撕下,使新的、锋利的谷物突出。

但是对于这种类型的加工,有许多变化、方法和考虑因素,每一种都对使用某些材料的某些应用特别有效。

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研磨原理

在所有形式的磨削中,磨料和加工材料之间会发生三种不同的相互作用。切削发生在磨粒充分暴露以穿透工件材料并卷曲切屑的情况下,并且磨粒、结合剂和工件之间存在足够的间隙以用冷却剂冲洗切屑或通过砂轮作用将其扔掉。当颗粒无法获得足够的穿透力以提升切屑时,就会发生耕作,而是将材料推到磨料边缘的前面。当切削深度不足、间隙不足或磨光后砂轮留在砂轮上导致摩擦或在工件表面产生滑动痕迹时,就会发生滑动。磨削过程控制平衡这三种相互作用以实现所需的参数。

这些相互作用进入了三种主要的商业磨削工艺:粗磨、精密磨削和超精密磨削。粗磨以表面光洁度为代价最大限度地去除金属。它主要用于切割钢坯、打磨焊道光滑以及从铸件上刮取浇口和冒口。额外的表面精加工道次通常在之后进行 - 特别是“火花”道次可以减轻机床上的一些压力,并使用犁来提供更好的表面光洁度和尺寸公差。精密磨削是金属去除和零件尺寸控制之间的中间地带,是蠕动进给磨削、槽磨削和高效深磨削的基础。在超精密磨削中,几乎不会发生实际切削,但是来自非常细晶粒的滑动作用会摩擦工件表面以达到高光洁度。大多数表面精加工工艺,例如研磨和抛光,都是此类磨削的示例。

数百种不同的变量会影响磨料与工件之间的相互作用,但它们通常归结为机床、工件材料、砂轮选择和操作因素。通过设置适合所有四个类别的已知参数的零件运行来平衡这些,提供了逐步参数调整可以改进的基线。

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砂轮

砂轮有两个主要成分:磨粒和结合剂。颗粒和结合剂的相对百分比,以及它们在轮子上的间距,决定了轮子的结构。不同类型的颗粒在不同的项目中效果更好,不同类型和“等级”(即强度)的粘结剂也是如此。广泛的研磨区域需要较粗的粒度和较软的等级,较小的区域需要较细的粒度和较硬的等级以承受更大的单位压力。

直轮是最传统的砂轮类型,磨削面位于砂轮的外围。凹轮是这种形式的变体,具有凹入式中心,可安装在机器主轴法兰组件上。另一种主要类型的车轮形状使用车轮侧面的切割面——这种类型的车轮的名称包括圆柱轮、杯形轮和碟形轮,具体取决于特定的形状。对于这些砂轮,各种形状的固结磨料部分(也称为“段”)组装在一起形成一个连续或间断的侧面砂轮。

操作基础

尽管砂轮的速度以 sfm 或 smm 为单位测量,但砂轮通常以 rpm 为单位。切勿在超过其转速限制的情况下操作砂轮,这一点很重要——大多数专家建议永远不要将砂轮安装在可能超过砂轮极限的机器上。

随着速度的增加,每粒谷物的切割和磨损都会减少。这模拟了更难的成绩。玻璃化粘结剂的最大工作面积为 6,500 平方英尺,有机粘结剂的最大处理面积约为 9,500 平方英尺。更高的速度将需要特制的谷物。

工作速度定义了砂轮通过工件或围绕中心旋转的速度。高工作速度降低了保温性并降低了热损坏的风险。高工作速度和减小砂轮直径都会增加切粒深度,表现得像较软的等级砂轮。

横向距离或横向进给是工件在砂轮表面上移动的距离。将横向距离降低到不超过车轮宽度的四分之一可以提高表面光洁度,但会降低生产率。将横向进给增加到车轮宽度的二分之一或以上可提高生产率,但会降低表面光洁度。

不同类型的磨削使用不同的方法来确定每单位宽度的工件材料去除量,但对于车间来说,一个始终有用的指标是磨削比或 g 比。这是去除的工作量与消耗的车轮体积的比率(或去除的工作量÷磨损的车轮量)。从成本的角度来看,更高的 g 比更好。

磨床的第三张库存照片

磨削类型

磨削操作有多种类型,本文涵盖了六大类型和其中的几个子类型。

外圆磨削是砂轮和工件都旋转的常见磨削类型。工件要么固定并在中心之间驱动,要么由旋转卡盘或夹头驱动,同时支撑在中心。该操作可以通过横向运动(车轮沿零件轴向横向移动)或插入运动(将车轮推入零件)进行。直轮最常用于外圆磨削,常见的外圆磨床有普通外圆(或滚子)磨床、无心磨床和内径或外径磨床。内圆磨削对孔和孔进行内径磨削,在百万分之一英寸内产生尺寸和同心度。砂轮的直径范围往往从半英寸到三英寸。

表面磨削涉及通过将工件送入旋转砂轮下方来磨削平面。与外圆磨削一样,它以两种通用形式运行。工件可以在砂轮下方横向移动并在安装在水平主轴上的砂轮下方来回移动,或者它可以在垂直主轴下方的转台上圆周运动,该主轴在砂轮或磨削段的表面上切割。这种磨削类型的应用可以磨平表面或通过在工件中磨削直通道来引入凹槽。虽然铣削可以完成这些任务,但磨削可以提高表面光洁度,使用更便宜的工具,并允许将轮廓修整到砂轮的轮廓中——这使得它对于非常坚硬或磨蚀的表面更具成本效益。

无心磨削以极小的公差产生圆柱形状。这种类型的磨削通过在三个独立的点支撑工件来消除对中心保持的需要:砂轮、进给轮和工件支撑刀片。实际上没有任何东西可以将工件夹紧到位,因此每个工件都可以自由流动以进行连续生产(也称为“通过式无心磨削”)。砂轮和进给轮同向旋转,工件在它们之间反向旋转。旋转使工件保持向下,而工件支撑刀片(略微倾斜以将工件升高到中心线以上以获得更好的圆柱度)将其支撑起来。工件支撑刀片应始终至少与砂轮宽度一样长。无心磨削也有三种形式。贯穿进给无心磨削用于没有干涉肩部或突起的直圆柱形工件,并且涉及偏置轴进给轮将工件通过砂轮进给到卸料位置。当工件有突起、不规则形状、不同直径或肩部时,进给磨削(也称为切入式无心磨削)是最好的,并且最适用于轮廓和多直径工件。在该子方法中,砂轮上方的进给轮向下进给工件,在磨削过程中没有横向移动。Endfeed 无心磨削可磨削圆锥形圆柱截面,例如 A 和 B 锥形钻头上的刀柄。在这里,进给轮、砂轮和工作刀片以相互固定的关系设置,

缓进给磨削是一种缓慢的单程操作,可在 0.5 到 1 ipm 的低工作台速度下对钢材进行高达 1 英寸的深切。它不适用于传统磨床,但对于与之兼容的磨床,它提供了高生产率和成本效益。蠕动进给磨削是一种具有高马力要求的切入式操作,并且还需要大量切削液靠近辊隙以去除切屑并冷却工件。以每转约百万分之 20 到 60 的速度连续修整——最好使用金刚石滚轮——减少切割时间并保持砂轮锋利。当需要第二次通过时,“清理”工件的深度通常不超过 0.002 英寸。

刮毛是一种粗磨应用,几乎不考虑表面光洁度,可去除不需要的金属。因此,它在卧式和直轴磨床上使用耐用的直和直杯形砂轮,尽管在直角磨床上使用扩口杯形砂轮,各种圆形和方形尖锥和塞子也可以看到使用。典型应用包括去除铸件上不需要的金属;去除瑕疵和裂缝;去除浇口、立管和分型线;粗糙的斜面;磨平重焊缝;并准备表面以进行清洁或涂漆。

切割操作使用砂轮作为激光、磨料水射流、金属锯、摩擦锯和氧乙炔或等离子弧炬的替代品。Norton Abrasives的一项研究证明了砂轮在使用黑色金属材料时的性能优于这些其他方法,并且砂轮对于有色金属材料的速度比普通金属锯的选择更快、成本更低。砂轮提供比锯更多的切割点,并且以每分钟 2 或 3 英里的速度切割同样彻底。切割轮应以尽可能高的速度运行,每英寸轮径对应一马力。如果这被证明是不可能的,请使用较软的车轮。生产作业使用非强化砂轮,非强化虫胶砂轮适用于需要极端多功能性和切割质量的应用。加强型轮与便携式切断、摆动框架、锁定头推入和铸造切割行程操作兼容。

磨床的第四张库存照片

磨削工具钢的注意事项

工具钢磨削不当会影响其性能,不仅会形成导致最终断裂的磨削裂纹,还会形成软化表面区域。燃烧可能只出现在表面轻微,但软化可以在表面下继续(事实上,燃烧可以稍微重新硬化表面,显示出顶部软化,然后变硬,然后再次变软的硬度分布)。由于磨削的机械条件(如冷却液流量、砂轮损坏率、颤振等),烧伤区域的深度和硬度在受影响区域内会有很大差异。

超硬加工

超级磨料是金刚石或 CBN(立方氮化硼)砂轮或磨头。这些磨削极硬材料,CBN 加工硬钢以获得精确的轮廓和光洁度,合成金刚石加工硬质有色金属材料,如碳化钨和金属陶瓷。超级磨料可用于粗加工和表面精加工,具体取决于所涉及的粒度。车轮的芯材也直接影响其性能特点,应根据使用要求进行选择。

修整砂轮

修整和修整砂轮为维修做好准备,并确保磨削操作的正确精度。修整包括使车轮的外围与旋转轴同心,并且可能需要通过在车轮表面形成特殊轮廓来提醒车轮。当修整工具的硬金刚石尖端破坏陶瓷砂轮的粘合柱并破坏晶粒时,修整会改变砂轮的切削作用,去除钝的,使新的锋利。修整还从砂轮面的孔隙中拾取微小的材料,确保它们不会减慢研磨过程并导致烧伤或颤动。

传统的修整轮通过轻微切割同时进行修整和修整,而超级磨料需要使用工具或辊进行修整,并使用玻璃化修整棒单独修整。在修整超级磨料轮之前,在轮面上使用蜡笔 - 该过程应最终消除所有蜡笔痕迹。修整超级磨料需要直接使用陶瓷修整棒(通常是氧化铝或碳化硅,但有时是高性能的诺必德或碳化硼)。

使用中的磨床的第五张库存照片

超精加工

即使使用最细的砂砾,磨削也是一种表面温度较高的操作,会产生峰谷。表面也将是微小的波浪状,带有颤动的痕迹,如果没有放大镜是看不见的,但在高速滚动或滑动时会造成破坏。超精加工将是必要的,以去除表面光洁度峰值,并为未受干扰的母材提供良好的硬度、结构和承重表面。

需要超精加工的零件包括滚柱轴承、减震器杆、滑动叶片泵、活塞销、曲轴轴颈和凸轮凸角。在这个过程中,精加工棒在工件旋转时以非常短的行程快速摆动。当磨料振荡时,工件在杯子或圆柱体下旋转或振荡,产生微细碎屑。该工艺可去除小至 0.5 微米(0.00002 英寸)或大至 20 微米(0.008 英寸)的材料。超精加工也称为微精加工、抛光、短行程珩磨或超珩磨(但绝不只是“珩磨”,这是一个单独的过程)。

在超精加工中测量表面光洁度可以采用两种测针类型中的一种。滑轨测针不能完全代表表面,因为它们可能会放大或消除表面的波纹度,具体取决于几何形状与滑轨测针间距的关系。这些测针最适用于粗糙度评估,可消除波纹和形状误差的因素。无滑轨测针更好地代表表面的波纹和形状,创建更准确的轮廓。

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