外圆表面磨削加工技术探析

1.磨床

（1）磨床的主要类型及应用范围。用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，称为磨床。用油石或磨料作磨具进行磨削加工的机床，称为研磨机床或超精磨削机床，也可统称为磨床。

磨床可以加工各种表面。凡是由车床、钻床、镗床、铣床、齿轮和螺纹加工机床等加工的零件表面，都能够在相应的磨床上进行磨削精加工。此外，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛，所以磨床的类型和品种比其他机床多。磨床的类型有以下几种。

①为适应磨削不同的零件表面发展的通用磨床，包括普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、普通内圆磨床、行星内圆磨床以及各种平面磨床、齿轮磨床和螺纹磨床等。

②为适应提高生产率要求发展的高效磨床，包括高速磨床、高速深切快进给磨床、低速深切缓进给磨床、宽砂轮磨床、多砂轮磨床以及各种砂带磨床。

③为适应磨削特殊零件发展的专门化磨床，包括曲轴磨床、凸轮轴磨床、轧辊磨床、花键磨床、导轨磨床以及各种轴承滚道磨床等。

此外，还有各种超精加工磨床和工具磨床等。

（2）M1432B 型万能外圆磨床。M1432B 型万能外圆磨床（见图3-20）属于普通精度的万能外圆磨床，其工艺范围较宽，除了能磨削外圆柱面和外圆锥面外，还可磨削内孔和台阶面等。

①M1432B 型万能外圆磨床的组成和作用。

a.床身。床身用以支承磨床其他部件。床身上面有纵向导轨和横向导轨，分别为磨床工作台和砂轮架的移动导向。

b.头架。头架主轴可与卡盘连接或安装顶尖，用以装夹工件。头架主轴由头架上的电动机经带传动及头架内的变速机构带动回转，实现工件的圆周进给，共有25～224 r/min的6级转速。头架可绕垂直轴线逆时针回转0°～90°。

c.砂轮架。砂轮架用以支承砂轮主轴，可沿床身横向导轨移动，实现砂轮的径向（横向）进给。砂轮的径向进给量可以通过手轮3 手动调节。安装于主轴的砂轮由一独立电动机通过带传动使其回转，转速为1 670 r/min。砂轮架可绕垂直轴线回转-30°～+30°。

d.工作台。工作台由上、下两层组成，上层可绕下层中心轴线在水平面内顺（逆）时针回转3° （6°），以便磨削小锥角的长锥体工件。工作台上层用以安装头架和尾座，工作台下层连同上层一起沿床身纵向导轨移动，实现工件的纵向进给。纵向进给可通过手轮11 手动调节。工作台的纵向运动由床身内的液压传动装置驱动。

图3-20　M1432B 型万能外圆磨床

1—床身；2—头架；3—横向进给手轮；4—砂轮；5—内圆磨具；6—内圆磨头；7—砂轮架；8—尾座；9—工作台；10—挡块；11—纵向进给手轮

e.尾座。套筒内安装尾顶尖，用以支承工件的另一端。后端装有弹簧，利用可调节的弹簧力顶紧工件，也可在长工件受磨削热影响而伸长或弯曲变形的情况下便于工件装卸。装卸工件时，可采用手动或液动方式使尾座套筒缩回。

f.内圆磨头。其上装有内圆磨具5，用来磨削内圆。它由专门的电动机经平带带动其主轴高速回转（10 000 r/min 以上），以实现内圆磨削的主运动。不用时，将内圆磨头翻转到砂轮架上方，磨内圆时翻下。

②机床的运动和传动。为了完成各种加工，机床必须具备以下运动。

a.主运动（no）。磨外圆时为砂轮的回转运动；磨内圆时为内圆磨具砂轮的回转运动。

b.进给运动。工件的圆周进给运动（nw），即头架主轴的回转运动；工作台的纵向进给运动（fa），即采用液压传动，以保证运动的平稳性及实现无级调速和自动往复运动，也可手动调整工作台位置；砂轮架的横向进给运动，每当工作台完成一个纵向往复运动，由机械传动机构使砂轮架横向移动一个位移量（控制磨削深度），为步进运动。

此外，机床还有两个辅助运动：砂轮架横向快速进退和尾座套筒缩回，以便装卸工件。这两个运动都采用液压传动。

（3）无心外圆磨床。无心外圆磨床是一种生产率很高的精加工机床。无心外圆磨床进行磨削时，工件不是支承在顶尖上或夹持在卡盘中，而是直接置于砂轮和导轮之间的托板上，以工件自身外圆为定位基准，其中心略高于砂轮和导轮的中心连线。磨削时，导轮转速nt与砂轮转速no相比较低，由于工件与导轮（通常用橡胶黏合剂制作，磨粒较粗）之间的摩擦较大，所以工件以接近于导轮转速回转（nw），从而在砂轮与工件间形成很大的速度差，据此产生磨削作用。改变导轮的转速，便可以调整工件的圆周进给速度。

图3-21所示为无心外圆磨床外观简图，其主要由床身、砂轮架、砂轮修整器、导轮修整器、座架和支座等主要部件组成。

图3-21　无心外圆磨床外观简图

1—床身；2—砂轮修整器；3—砂轮架；4—导轮修整器；5—转动体；6—座架；7—微量进给手柄；8—回转底座；9—滑板；10—快速进给手柄；11—支座

无心磨床所磨削的工件，尺寸精度和几何精度都较高，且有很高的生产率。如果配备自动上下料机构，则很容易实现单机自动化，适用于大批量生产。

2.砂轮

砂轮是磨削加工的主要工具，它是由磨料和黏合剂构成的疏松多孔物体，如图3-22所示。磨粒、黏合剂和空隙是构成砂轮的三要素。随着磨料、黏合剂及砂轮制造工艺的不同，砂轮特性差别很大，对磨削加工的精度及生产率等有着重要的影响，必须根据具体情况选用。

（1）砂轮的特性。砂轮的特性由磨料、粒度、黏合剂、硬度及组织等五个方面的因素决定。

①磨料。磨料是制造砂轮的主要原料，在磨削中担负主要的切削工作。磨料必须具备高硬度、高耐热性、耐磨性和一定的韧性，如表3-5所示。

图3-22　砂轮结构

表3-5　常用磨料的性能与用途

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②粒度。粒度表示磨料颗粒的大小。砂轮的粒度对磨削加工生产率和工件表面质量影响较大。一般来说，粗磨时，应选用粗粒度的砂轮，以保证较高的生产率；精磨时，选用细粒度砂轮，以减小磨削表面的表面粗糙度值；磨软而黏的材料，应选用粗粒度的砂轮，以防工作表面堵塞；磨削脆、硬材料，则应选用细粒度砂轮。粒度的选用如表3-6所示。

③黏合剂。用于黏合磨粒，制成各种不同形状和尺寸的砂轮。黏合剂的性能决定了砂轮的强度、耐冲击性、耐腐蚀性、耐热性和使用寿命。常用的黏合剂有陶瓷黏合剂、树脂黏合剂、橡胶黏合剂和金属黏合剂等，其中以陶瓷黏合剂应用最广。黏合剂的性能与用途如表3-7所示。

④硬度。砂轮的硬度是指在磨削力作用下磨粒脱落的难易程度。如磨粒容易脱落，则表明砂轮硬度低，反之则表明砂轮硬度高。砂轮的硬度与磨粒的硬度是两个不同的概念，硬度相同的磨粒，可以制成不同硬度的砂轮。

表3-6　粒度的选用

表3-7　黏合剂的性能与用途

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砂轮硬度的选择，对磨削质量、磨削效率和砂轮损耗都有很大影响。一般来说，磨削较硬的材料，应选用较软的砂轮；磨削较软的材料，应选用较硬的砂轮。磨削有色金属时，应选用较软的砂轮，以免切屑堵塞砂轮；在精磨和成形磨削时，应选用较硬的砂轮。砂轮硬度代号如表3-8所示。

表3-8　砂轮硬度代号

⑤组织。砂轮是由磨粒、黏合剂和气孔构成的，这三部分体积的比例关系，在工程中常称为砂轮的组织。砂轮的组织及其用途如表3-9所示。

表3-9　砂轮的组织及其用途

（2）砂轮的形状。常用砂轮的形状、代号及主要用途如表3-10所示。

表3-10　常用砂轮的形状、代号及主要用途

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（3）砂轮的平衡、安装与修正。

①砂轮的安装。由于砂轮工作时的转速很高，而砂轮的质地又较脆，因此，必须正确地安装砂轮，以免砂轮碎裂飞出，造成严重的设备事故和人身伤害。安装砂轮时，应根据砂轮形状、尺寸的不同而采用不同的安装方法，常用的安装方法如图3-23所示。其中，图3-23（a）、（b）所示为用台阶法兰盘安装砂轮；图3-23（c）所示为用平面法兰盘安装砂轮；图3-23（d）所示为用螺母垫圈安装砂轮；图3-23（e）、图3-23（f）所示为内圆磨削用砂轮的安装；图3-23（g）所示为内圆磨削用粘接法安装砂轮；图3-23（h）所示为筒形砂轮的安装。

图3-23　砂轮的安装

砂轮安装前必须仔细检查砂轮的外形，不允许砂轮有裂纹和损伤。装拆砂轮时必须注意压紧螺母的螺旋方向。在磨床上，为了防止砂轮工作时压紧螺母在磨削力的作用下自动松开，对砂轮轴端的螺旋方向作如下规定：逆着砂轮旋转方向转动螺母是旋紧，顺着砂轮旋转方向转动螺母为松开。

②砂轮的平衡。砂轮的重心与旋转中心不重合称为砂轮的不平衡。在高速旋转时，砂轮的不平衡会使主轴振动，从而影响加工质量，严重时甚至使砂轮碎裂，造成事故。所以砂轮安装后，首先需对砂轮进行平衡调整。平衡砂轮是通过调整砂轮法兰盘上环形槽内平衡块的位置来实现的，如图3-24所示。

③砂轮的修正。新砂轮或使用过一段时间后的砂轮，磨粒逐渐变钝，砂轮工作表面空隙被磨屑堵塞，最后使砂轮丧失切削能力。所以，砂轮工作一段时间后必须进行修正，以便磨钝的磨粒脱落，恢复砂轮的切削能力和外形精度。修正砂轮的常用工具是金刚笔。修理砂轮时，金刚笔相对砂轮的位置如图3-25所示，以避免笔尖扎入砂轮，同时也可保持笔尖的锋利。

图3-24　砂轮平衡

1—砂轮套筒；2—心轴；3—砂轮；4—平衡块；5—平衡轨道；6—平衡架

图3-25　砂轮的修正

3.外圆磨削加工方法

外圆磨削可以在普通外圆磨床、万能外圆磨床或无心磨床上进行。常用的磨削方法有轴向磨削法、径向磨削法、阶段磨削法和深度磨削法等4 种。磨削对象主要是各种圆柱体、圆锥体、带肩台阶轴、环形工件以及旋转曲面。经外圆磨削后的工件表面粗糙度一般能达到Ra 0.2～0.8 μm，尺寸精度可达IT6～IT7 级。

（1）工件的装夹。

①用前、后顶尖装夹工件。图3-26所示为外圆磨削中最常用的装夹方法。装夹时，利用工件两端的顶尖孔将工件支承在磨床的头架及尾座顶尖间，这种装夹方法的特点是装夹迅速方便，加工精度高。

图3-26　前、后顶尖装夹工件

1—工件；2—头架顶尖；3—尾顶尖；4—尾座；5—头架；6—拨盘；7—拨杆；8—夹头；9—砂轮

②用三爪卡盘或四爪卡盘装夹工件。三爪卡盘适用于装夹没有中心孔的工件，而四爪卡盘特别适用于夹持表面不规则的工件。

③利用心轴装夹工件。心轴装夹适用于磨削套类零件的外圆。

常用心轴有以下几种。

a.小锥度心轴，如图3-27所示。

图3-27　小锥度心轴

b.台肩心轴，如图3-28所示。

图3-28　台肩心轴

1—心轴；2—工件；3—C 型垫圈；4—螺母

c.可胀心轴，如图3-29所示。

图3-29　可胀心轴

1—磨床头架主轴；2—筒夹；3—工件；4—锥套；5—螺钉

（2）外圆的一般磨削方法。

①纵向法。磨削时，工件在主轴带动下做旋转运动，并随工作台一起做纵向移动，当一次纵向行程或往复行程结束时，砂轮需按要求的磨削深度再做一次横向进给，这样就能使工件上的磨削余量不断被切除，如图3-30所示。纵向法磨削的特点是：精度高、表面粗糙度值小、生产效率低。其适用于单件小批量生产及零件的精磨。

图3-30　纵向法

②横向法（切入磨法）。磨削时，工件只需与砂轮做同向转动（圆周进给），而砂轮除高速旋转外，还需根据工件加工余量做缓慢连续的横向切入，直到加工余量全部被切除为止。横磨法的磨削特点是：磨削效率高，磨削长度较短，磨削较困难，如图3-31（a）所示。横磨法适用于批量生产，用于磨削刚性好的工件上较短的外圆表面。

③阶段磨削法。阶段磨削法又称综合磨削法，是横向法和纵向法的综合应用，即先用横向法将工件分段粗磨，相邻两段间有一定量的重叠，各段留精磨余量，然后用纵向法进行精磨，如图3-31（b）所示。这种磨削方法既保证了精度和表面粗糙度，又提高了磨削效率。

④无心外圆磨削法。无心外圆磨削是在无心外圆磨床上进行的一种外圆磨削。无心外圆磨削时，工件不定中心自由地置于磨削轮和导轮之间，由托板和导轮支承，工件被磨削外圆表面本身就是定位基准面，其中起磨削作用的砂轮称为磨削轮，起传动作用的砂轮称为导轮（见图3-32）。导轮由橡胶黏合剂制成，其轴线在垂直方向上与磨削轮成θ角，带动工件做旋转和纵向进给运动。

无心磨削时，磨削轮以大于导轮75 倍左右的圆周速度旋转，由于工件与导轮间的摩擦力大于工件与磨削轮间的摩擦力，所以工件被导轮带动并与它成相反方向旋转，而磨削轮则对工件进行磨削。无心磨削后工件的精度可达IT6～IT7 级，表面粗糙度达Ra 0.2～0.8 μm。

在无心外圆磨床上磨削工件的方法主要有贯穿磨削法、切入磨削法和强迫贯穿法。

a.贯穿磨削法。磨削时，工件一面旋转一面纵向进给，穿过磨削区域，工件的加工余量需要在几次贯穿中切除。此种方法用于磨削无阶台的外圆表面，如图3-33所示。

图3-31　横向法与阶段磨削法

（a）横向法；（b）阶段磨削法

图3-32　无心外圆磨削

1—磨削轮；2—工件；3—导轮；4—托板

图3-33　贯穿磨削法

工件的纵向进给速度等于导轮的纵向分速度，工件的圆周速度等于导轮切线方向的分速度。

导轮的倾斜角增大时，工件纵向进给速度增大，生产率提高，而工件的表面粗糙度变大，通常精磨时取θ=1°30′～2°30′，粗磨时取θ=2°30′～4°。每次贯穿的吃刀量粗磨时取0.02～0.06 mm，精磨时取0.005～0.01 mm。

b.切入磨削法（见图3-34）。磨削时，工件不做纵向进给运动，通常将导轮架回转较小的倾斜角（θ=30°），使工件在磨削过程中有一微小的轴向力，使工件紧靠挡销，因而能获得理想的加工质量。切入磨削法适用于加工带肩台的圆柱形零件或锥销、锥形滚柱等成形旋转体零件。采用切入法时需精细修整磨削轮，砂轮表面要平整，当工件表面粗糙度值超出要求时，要及时修整磨削轮，磨削时，导轮横向切入要慢而且均匀。

图3-34　切入磨削法