磨削外圆表面

4.3.1　磨削外圆表面

一、砂轮的平衡

砂轮的质心与其回转中心不重合时会造成砂轮不平衡，产生的原因主要是砂轮的制造误差和在法兰盘上的安装所产生的误差。砂轮高速回转时不平衡引起很大的惯性力，会使工艺系统产生振动，降低磨削质量，损坏主轴和轴承，严重时导致砂轮破裂而发生事故。因此，砂轮安装后必须进行平衡。一般采取静平衡方式，在平衡架上进行。其方法如下：

1.先将平衡心轴装入法兰锥孔中，并用螺母锁紧。然后将安装好平衡心轴的砂轮轻放在平衡架与圆柱导轨轴线垂直。

2.拆下法兰盘上的全部平衡块，并清除环形槽内的污垢。

3.让砂轮在圆柱导轨上做缓慢滚动，砂轮不平衡，会在轻、重连线的垂直方向做来回摆动，当摆动停止时，砂轮较重部分必然在砂轮下方。此时，在砂轮上方轻点处做一记号，如图4-22（a）所示的A点。

4.在砂轮较重的下方装一块平衡块1，并使记号A仍在原位不动，然后在对称于A的两侧，装上另外两块平衡块2和3（如图4-22（b）所示），同样保持A点位置不变。

5.将砂轮转90°，使A点处于水平位置（如图4-22（c）所示），若不平衡，可移动平衡块3，A点较轻，平衡块3向A靠拢，A点较重，平衡块3远离A点。

图4-22　砂轮静平衡方法

6.再将砂轮转180°，使A点处于如图4-22（d）所示的位置，检查砂轮平衡状况，若不平衡用步骤5的方法移动平衡块2。

7.将5、6步骤结合起来反复调整，直至平衡。如果砂轮在其他任何位置都能静止，说明砂轮已经平衡。

一般新安装的砂轮必须进行两次静平衡。第一次平衡后，砂轮安装在机床上进行修整，由于砂轮外形误差和安装误差，经修整后，原先的平衡被破坏，所以必须进行第二次平衡。

二、砂轮的修整

砂轮在工作一段时间以后，砂轮的工作表面会钝化。砂轮钝化后应及时修整，恢复砂轮的切削性能和正确几何形状，以保证加工质量。目前，生产中应用最广泛的一种修整方法是车削法。它与车削外圆相似，修整时当磨粒碰到金刚钻坚硬的尖角，就会碎裂或整个脱落，在砂轮表面产生新的微刃。

1.修整工具

（1）大颗粒金刚石其硬度最高，寿命长，价格昂贵，一般是焊在特制的刀杆上形成修整工具，如图4-23（a）所示。

（2）片状金刚石是采用较小颗粒金刚石，用粉末冶金烧结固定于基体上，其使用性能与大颗粒金刚石相似，粗磨工序时，作为修整工具更为合适，其形状如图4-23（b）所示。

图4-23　修整工具

2.修整工具的安装要求

（1）修整工具在修整器中安装必须牢固，伸出长度应尽量短。

（2）保证金刚石棱角不磨钝，每次安装要将修整工具转动一个角度。

（3）金刚石顶尖与砂轮的接触点应低于砂轮旋转轴线1～2mm（如图4-24（a）所示），同时在水平方向与砂轮端面倾斜5°～15°。（如图4-24（b）所示），这样才能保证修整的稳定性，修整效果较好。

图4-24　修整工具的安装位置

3.修整用量

不同的修整用量对砂轮的切削性能、工件表面粗糙度、生产效率、砂轮寿命等均有较大的影响。

在修整时，背吃刀量（pa）大，进给速度快，修出的砂轮表面粗糙；背吃刀量小，进给速度减低，则修出的砂轮表面平整光滑，微刃的等高性也好。一般修整用量如下：

粗磨时：pa =0.02～0.04mm，进给速度0.4m/min。

精磨时：pa=0.005～0.0l5mm，进给速度0.2m/min。

在修整精磨砂轮时，还需在无吃刀的情况下做一次进给，以提高修整质量。

三、磨削方法

外圆磨削一般是根据工件的形状大小、精度要求、磨削余量的多少和工件的刚性等来选择磨削方法。常用的磨削方法有纵向磨削法、横向磨削法、阶段磨削法和深度磨削法四种。

1.纵向磨削法

磨削时，工件转动（圆周进给）并和工作台一起作直线往复运动（纵向进给），当每一纵向行程或往复行程终了时，砂轮按要求的磨削深度作一次横向进给，在多次往复行程中磨去全部磨削余量，这种磨削方法称为纵向磨削法（如图4-25所示）。它的特点是：

（1）由于横向进给量较小，因而磨削力小，磨削热少，工件加工精度高，表面粗糙值较小。

（2）由于纵向行程往复一次时间较长，横向进给量又小，故生产效率较低。

在日常生产中，纵向磨削法应用得最广泛，更适合细长轴的磨削。

2.横向磨削法

磨削时，工件不作纵向往复运动，砂轮作连续的横向进给，直到工件余量全部切除为止。这种磨削方法称为横向磨削法（如图4-26所示）。

图4-25　纵向磨削法

图4-26　横向磨削法

横向磨削法的特点是：

（1）生产效率较高，适合于成批生产。

（2）可根据成形工件的几何形状，将砂轮外圆修整为成形面，直接磨出成形表面。

（3）砂轮与工件有较大的接触面积，磨削发热量大，容易使工件表面退火或烧伤，因此，磨削时，切削液供给必须充分。

（4）砂轮连续横向进给，工件所受压力较大，容易变形，不适于磨削细长的工件。

（5）用横向磨削法，砂轮容易塞实和磨钝，故应经常修整砂轮。

3.阶段磨削法（又称综合磨削法）

它是把工件分成若干小段，采用横向磨削法逐段进行粗磨，留0.03mm～0.05mm的精磨余量。最后用纵向磨削法精磨至图样要求。分段粗磨时，相邻两段间要有1.5mm的重叠，以保证各段外圆衔接好（如图4-27所示）。这种磨削方法适用于磨削余量多、刚性好的工件。因此，磨削长度不宜太长，通常以分成2～4段进行横向磨削为宜。

图4-27　阶段磨削法

4.深度磨削法（阶梯磨削法）

采用较大的磨削深度，用较小的纵向进给量，在一次纵向进给中磨去工件大部分或全部的磨削余量，这种磨削方法叫做深度磨削法（如图4-28所示）。这种方法适用于磨削余量多、刚性好、精度要求较低的工件。

图4-28　深度磨削法

为了改善砂轮前侧受力状况，使砂轮磨损均匀，也可将砂轮修整成阶梯形或较小的斜度，如图4-29所示。阶梯砂轮左侧一个或几个台阶起粗磨作用，最后一个台阶起精磨作用。阶梯砂轮的台阶数及磨削深度由工件长度和磨削余量来确定，其原则是最后精磨台阶的长度应大于砂轮宽度的一半，以保证加工的工件质量。

图4-29　阶梯磨削法

深度磨削法的特点：

（1）砂轮的负荷比较均匀，可提高砂轮的使用效率和寿命，但砂轮的总寿命缩短少。

（2）粗、精磨在二次行程中完成，缩短了进给次数，提高了生产效率。

图4-30　磨削用量

四、磨削用量

1.磨削用量的选择

在磨削过程中，砂轮的圆周速度、工件的圆周速度、工件的纵向进给速度、砂轮的横向或垂直进给量（磨削深度）等，统称为磨削用量（如图4-30所示）。磨削用量选择是否适当，对工件的加工精度、表面粗糙度和生产效率将产生直接影响。其选择原则是：在保证加工质量的前提下，以获得最高的生产效率和最低的生产成本。

在磨削用量中，除砂轮的圆周速度外，其他项目及其意义视磨削不同而异。下面以外圆磨削为例，说明磨削用量各要素的含义。

（1）砂轮圆周速度0ν（又称磨削速度，单位：m/s）

砂轮外圆表面上任一磨粒在单位时间内所经过的磨削路程，称为砂轮圆周速度。计算公式为：

式中，0D——砂轮直径，单位是mm；

　n₀——砂轮转速，单位是r/min。

选择原则是：在砂轮强度和机床刚度、功率及冷却措施允许的条件下，尽可能提高砂轮的圆周速度。外圆磨削和平面磨削的磨削速度在30～35m/s。磨削速度对磨削质量和生产率有直接影响。

（2）工件圆周速度wν（又称圆周进给，单位：m/min）

工件被磨削表面上任意一点，在每分钟内所走过的路程，称为工件圆周速度。它也是指圆柱面磨削时工件待加工表面的线速度。计算公式为：

式中，d_w——工件外圆直径，单位是mm；

　n_w——工件转速，单位是r/min。

工件圆周速度比砂轮圆周速度低得多，一般为5～30m/min。

在实际生产中，工件直径是已知的，加工时通常需要确定工件的转速wn（单位：r/min），为此可将上式变换为：

所以，工件圆周速度是按工件直径选取的，小直径的工件磨削时转速高些，大直径的工件磨削时转速低些。以M1432B型万能外圆磨床为例，工件的转速可按表4-1所示来选择。

表4-1　工件转速的选择

（3）纵向进给量f

磨外圆时，工件每转一转相对砂轮在纵向移动的距离（单位：mm/r），称为纵向进给量。纵向进给量的选择，主要根据磨削方式、工件材料、磨削性质等确定。一般选择如下：

粗磨时：　　　　f=（0.3～0.8）B

精磨时：　　　　f=（0.15～0.3）B

式中，B——砂轮宽度，单位是mm。

　纵向进给量与纵向速度间有以下关系，即

式中，v_f——工作台纵向速度，单位是m/min；

　n_w——工件转速，单位是r/min。

（4）横向进给量a_p（又称磨削深度，单位：mm）

外圆磨削时，在每次行程终了时，砂轮在横向进给运动方向上移动的距离，称为横向进给量。计算公式为：

式中，D——横向进给前工件的直径，单位是mm；

　d——横向进给后工件的直径，单位是mm。

横向进给量的选择，主要是根据磨削方式、工件刚度、磨削性质、工件材料、砂轮特性确定。磨削深度大，生产率高，但对磨削精度和表面粗糙度不利。通常外圆磨削的横向进给量小，一般选择如下：

粗磨时：a_p=0.02～0.05mm；

精磨时：a_p=0.005～0.01mm。

精磨时为了提高工件精度，减小表面粗糙度值，在精磨的最后阶段，可在不进刀的情况下，光磨几次，使磨削火花减小甚至消失。

五、磨削步骤（如图4-31所示）

图4-31　光滑轴

1.准备工作

（1）按工件长度决定尾座的位置，并固定在工作台上；

（2）在工件的一端（小台阶外圆处）装上大小合适的夹头暂时固定，在工件顶尖孔中加润滑油（一般为黄油），将工件安装在两顶尖之间；

（3）调整夹头位置，使拨杆能带动工件旋转并紧固；

（4）砂轮转速按（m/s）计算，取磨削速度0v在30～35m/s；

2.调整工作台行程

（1）启动机床，试运行10min左右；

（2）调整工作台行程挡铁位置，使砂轮超出工件端面，其超出距离为砂轮宽度的1/3左右。

3.粗磨φ35外圆

（1）由公式（r/m）及参考表4-1、表4-2所示的值，决定工件旋转速度；

表4-2　工件圆周速度　　　　（单位：m/min）

（2）工件每转一周，工作台进给量为砂轮宽度的2/3B～3/4B，按此调整好纵向进给速度；

（3）使砂轮快速前进，当砂轮刚刚触到工件外圆表面立即停止，手动砂轮架，将刻度对准零位；

（4）打开切削液阀门，使切削液流出，将工作台作自动进给；

（5）横向进给量选择为0.02～0.05mm，粗磨外圆；

（6）使砂轮快速后退，用外径千分尺检查尺寸及圆柱度，并逐步找正工件圆柱度误差，只允许顺锥；

（7）粗磨外圆，留0.02～0.05mm作为精加工余量。

4.精磨φ35mm外圆

（1）由公式及表4-1、表4-2所示的值，决定工件旋转速度；

（2）工件每转一周，工作台进给量为砂轮宽度的1/8B～1/4B，按此调整好纵向进给速度；

（3）横向进给量选择为0.005～0.01mm，并经常测量，同时根据刻度进行磨削；

（4）最后，往复2～3次，磨削至没有火花出现为止。

5.检查

检查质量合格后取下工件放到指定地点。

六、注意事项

（1）要求学生在光轴磨削练习中，合理选择磨削用量，掌握工作台的找正方法，学会使用纵向磨削法。

（2）调整上工作台找正工件圆柱度时，调整螺钉的转动量不宜过大，应微量转动调整螺钉。

（3）调整工件圆柱度前，砂轮应退离工件远一些（大于50mm 快速进退量），以防砂轮与工件相撞。

（4）上工作台调整后，砂轮应在工件最大尺寸处吃刀（指所磨的长度内），不能从小尺寸处吃刀，以免工作台纵向移动后，火花越来越大，影响磨削精度，甚至产生事故。

（5）要注意有些机床调整螺钉的旋向与其他机床相反，如M131W万能外圆磨床，调整螺钉顺时针转动，上工作台却逆时针转动，在调整时注意查看。

（6）为防止工件发热变形，保证工件的精度和表面粗糙度，磨削时必须浇注充足的切削液。