GRINDING磨床

▦磨床的种类

◎什么是磨削

• 什么是磨削以高速旋转的砂轮为工具，用砂轮中又硬又细的每一颗磨粒一点一点地磨去工件材料的加工。在机械加工的分类中，它不同于用刀具切削的切削加工，属于“磨粒加工”中把磨粒固结在砂轮上使用的“固结磨粒加工”，与珩磨、超精加工、砂带磨削同类。与研磨、抛光（布轮）那样把磨粒散放使用的加工（游离磨粒加工）有所区别单一资料·仅供参考^[1][2]
• 与切削的区别 ①：切削刃多而小每个切削刃（磨粒）都很小，一次切下的量（切屑）也极小，所以比切削更容易获得好的表面粗糙度和尺寸精度。砂轮由磨粒、结合剂、气孔 3 部分构成，气孔是切屑的容身之处^[1][3]
• 与切削的区别 ②：线速度高砂轮线速度约为 10〜80 m/s，是切削刀具的几倍到几十倍。虽然每个切屑很小，加工效率却很高单一资料·仅供参考^[1]线速度的上限由各砂轮的最高使用线速度决定
• 与切削的区别 ③：硬材料、脆材料也能加工磨粒是非常硬的矿物质颗粒，所以淬火钢、硬质合金、陶瓷等刀具难以切削的材料也能加工。使用金刚石或 CBN 磨粒，还能磨削硬质合金、陶瓷和玻璃^[1][3][4]
• 与切削的区别 ④：自锐作用（刃口自行恢复）使用过程中磨粒刃尖变钝，磨削阻力增大，磨粒会破碎或脱落，露出新的刃尖和气孔。只要运转良好，就不用像刀具那样重新刃磨，锋利度能够持续（即则武所说的“正常形态”）^[1][5]
• 与切削的区别 ⑤：磨削点温度高磨削点的温度可能超过 1000 ℃，是磨削烧伤、磨削裂纹的原因。这是以用磨削液充分冷却和润滑为前提的加工^[1][6]
• 与切削的区别 ⑥：使用高速旋转体的危险砂轮高速旋转，万一破裂会造成严重事故。单一资料·仅供参考^[1]
• 磨削的适用场合想以高品质、高精度精加工淬火钢、硬质合金等硬材料时。即使是发动机零部件这类批量产品，磨削也常常安排在机械加工的最后工序。轴承的滚道面、液压零件、轴等，尺寸、圆度、表面粗糙度以 µm 为单位起作用的零件是典型例子^[7][1][8]

◉砂轮的 5 个要素与标记的读法

• 磨削砂轮由磨粒（切削刃）、结合剂（保持磨粒）、气孔（切屑的容身之处）3 个要素构成。性能由磨粒的种类、粒度、结合度、组织、结合剂这 5 项决定^[3][19]
• 大致来说，A 系（A、WA、PA、SA、CX）和 CBN 用于黑色金属，C 系（C、GC）和金刚石用于有色金属（硬质合金等）和非金属^[3][4]“金刚石容易与铁反应，所以不用于黑色金属”这一理由，在本次参考的资料中并没有写

磨粒的种类

• 粒度粒度是磨粒的大小。数字越小越粗，越大越细。则武的标记中，220 号以下用 F 表示，240 号起用 # 表示；JIS 中分 8〜3000 号。F36 左右的粗粒主要用于去毛刺、切断等自由磨削，比 F46 更细的粒度主要用于需要尺寸精度和表面粗糙度的机械磨削。粒度与表面粗糙度的关系并不固定^[3][19]F 的范围划分，以及 F36/F46 的区别使用，仅见于则武。
• 结合度结合度（砂轮的硬度）是保持磨粒的力的强弱。用 A（最软）〜Z（最硬）的字母表示，通过结合剂的量来调节（越多越硬）^[3][19]
• 组织组织是用数字表示磨粒在砂轮总体积中所占的比例（磨粒率）。数字越小，磨粒越多、气孔越少，称为“密”；数字越大则为“疏”。在则武的表中，组织 0 的磨粒率为 62 %，组织 14 为 34 %（每 1 号相差 2 %）^[3][19]吴砥石的标记为 1（密）〜14（疏）

结合剂

• V 陶瓷烧结黏土、长石等陶瓷原料来结合磨粒（则武 900〜1300 ℃，吴砥石 1200 ℃ 左右）。保持力强，不易变形，质量稳定。是精密磨削的主力，广泛用于平面、内圆、外圆、无心、工具磨削等。也有超硬磨料（CBN、金刚石）用的^[3][20]
• B 树脂（树脂结合剂）酚醛树脂等在 200 ℃ 左右固化。比陶瓷结合剂弹性好，能吸收冲击，强度高，所以用于高速的自由磨削、切断、粗磨，以及无心磨削、轧辊磨削等^[3][20]
• R 橡胶弹性很好。用于无心磨削的导轮（调整砂轮）^[3][20]
• M 金属主要原料是青铜系等金属粉末。保持力和保形性高，寿命长。用于超硬磨料，加工玻璃、陶瓷等硬而脆的材料^[3][20]
• P（则武）／EP（吴砥石） 电镀用镍等电镀把磨粒只固定一层在基体上。磨粒外露多，锋利。也可以制作成形砂轮^[3][20]

试着读读标记

• 例“1号 305×25×76.2 WA 60 K 7 V 33m/s”（则武）＝ 1 号平形、外径 305 × 厚 25 × 孔径 76.2 mm、白刚玉、粒度 60、结合度 K、组织 7、陶瓷结合剂、最高使用线速度 33 m/s。吴砥石的例子“305×32×127 32A 60 K 8 V 1 A”，依次为 尺寸、磨粒、粒度、结合度、组织、结合剂、形状、边缘形状^[3][19]结合剂代号后面的字母、数字是各厂家自己的规定。

作用硬度与选择方法

• 同一块砂轮，随条件不同，既可能“作用得硬”，也可能“作用得软”。单颗磨粒的切入深度 g 越大，磨粒受的负荷越大，越容易脱落（作用得软）；越小则越容易磨平（作用得硬）。使其作用得软的方向：砂轮线速度调慢、工件线速度调快、切入量加大、砂轮直径减小、工件直径减小（内圆磨削相反）。只要工件线速度与砂轮线速度之比 v/V 相同，作用硬度就不变单一资料·仅供参考^[5]
• 接触弧越长，砂轮作用得越硬，所以卧轴平面磨削要选比外圆磨削更软的砂轮，立轴平面磨削要选再软一些的砂轮单一资料·仅供参考^[5]
• 容易出现磨削烧伤的工作，要选重视锋利度的规格：结合度偏软、粒度偏粗、气孔多（多气孔）的砂轮，或热导率好的超硬磨料（CBN）砂轮。不过砂轮的寿命往往会变短^[21][6][22]
• 若出现脱粒（磨粒脱落过多导致表面粗糙），则向更硬的结合度、提高磨料浓度（集中度）的方向调整^[23][5]
• 则武公开了按材质（碳素钢、合金钢的未淬火材/淬火材、工具钢、不锈钢、铸铁、硬质合金等）和磨削方式（外圆、平面、卧轴、扇形块、缓进给）划分的标准砂轮磨料、粒度、硬度选择表（目录 vol.3 p.76，网站上的选择表）单一资料·仅供参考^[3]

✦修形与修锐

• 修形（整形）是消除安装在机床上的砂轮外圆跳动，使其与回转中心同心，修正走样的形状，并按加工要求成形。修锐（修整）是磨去钝化、堵塞的工作面，使结合剂后退，整理磨粒的突出量和切削刃，并去除表面的粘附物。普通砂轮往往用同一道作业兼顾两者，而超硬磨料砂轮不易磨损，所以分开评价^[3][24][25]

• 从切屑来判断切屑也能反映砂轮的状态。钢材磨削锋利时呈带状（流状），铸铁等脆性材料磨削锋利时呈粉状（剪切型），钢材磨削不锋利时呈粉状（撕裂型）。堵塞、钝化时，切屑受热熔化成球状（熔融型）单一资料·仅供参考^[5]
• 修整器普通砂轮的修整，使用嵌有 1 颗金刚石（单粒）或多颗金刚石（多粒）的修整器，以及烧结或电镀的修整器。用方柱形人造金刚石的修整器，其尖端的磨损面积不变，精度稳定。陶瓷结合剂 CBN 砂轮使用滚轮修整器（旋转的金刚石滚轮），其旋转方向和线速度比也是条件之一^[3][21][16]
• 修整条件的影响修整决定锋利度和表面粗糙度。导程（砂轮每转一圈修整器的进给量）加快、切入量加大，磨粒上会形成大的切削刃，锋利度提高、不易烧伤，但表面变粗。放慢、减小则表面变细，但更接近钝化。使用滚轮修整器时，顺铣比逆铣、线速度比越接近 1，越偏向锋利一侧^[21][3][6]

≈磨削条件与烧伤、振纹

• 砂轮线速度 Vs砂轮外圆周的速度（m/s）。普通砂轮应在最高使用线速度（例如 33 m/s）以下使用。提高线速度，单颗磨粒的切入变小，砂轮作用得更硬，发热增加^[3][5][6]
• 工件线速度（平面磨削中为工作台速度）Vw工件一侧的速度（外圆磨削为外圆周的 m/min、m/s，平面磨削为工作台的 m/min）。公开的实习、实验示例中，平面磨削的工作台速度有 10〜12 m/min、10 m/min、20 m/min^[10][26][27]
• 速度比 q＝Vs／Vw砂轮线速度与工件线速度之比（单位需统一）。比值相同，砂轮的作用硬度就不变。出现磨削烧伤时，应重新审视速度比^[5][22]
• 切入量 ae每次（每个往复、每转）磨去的深度。新潟大学的平面磨削实习中，粗磨自动切入量为 0.015 mm，精磨为 0.005 mm。切入量越大，磨削比越低，越容易烧伤^[10][28][6]
• 纵向进给（外圆）、横向进给（平面）外圆纵向磨削时让工件沿轴向往复，平面磨削时让滑鞍前后进给（间歇进给、连续进给）磨完整个面。平面磨削中，也有工作台左右两端的越程取距工件 30〜50 mm 的例子单一资料·仅供参考^[14][10]
• 光磨（无进给磨削）最后不再切入，继续磨削直到不再出火花。逐步磨去因机床、工件弹性变形而残留的余量，从而提高表面粗糙度和尺寸精度。外圆磨削中，可以表示为工件挠曲导致实际切入量滞后于指令的一阶滞后^[10][7]
• 比磨除率（磨削效率）Q′、Z′砂轮宽度每 1 mm、每 1 秒磨去的体积（mm³/(mm·s)），表示磨削效率。公开资料中的示例：CBN 为 1〜20 mm³/(mm·s)（捷太格特），溶胶-凝胶刚玉砂轮约为 4〜13 mm³/(mm·s)（橡树岭国家实验室）^{[25][29][7][30]}
• 当量磨削厚度 heqQ′ 除以砂轮线速度得到的长度（ae × Vw ÷ Vs）。用来比较磨削严酷程度的指标单一资料·仅供参考^[29]
• 磨削比 G磨去的工件体积 ÷ 损耗的砂轮体积。直接关系到砂轮寿命和成本。提高磨除率会使其下降。磨除率相同时，加快工作台速度比增大切入量能得到更大的磨削比^[25][28][31]

磨削烧伤与磨削裂纹

• 磨削烧伤磨削烧伤是指磨削热使表面温度升高，形成氧化层而变色。轻微时呈稻草色，温度升高后依次变为淡黄、褐色、红褐色、紫色、蓝色。淬火钢上还会出现二次淬火层、回火层之类的金相组织变化。即使看不出来，也可能残留加工变质层和拉伸残余应力，可用硝酸酒精等腐蚀来检查^[6][30][22]
• 磨削裂纹磨削裂纹是由磨削热造成的热应力，以及组织变化引起的体积变化所产生的微细裂纹。含碳量越高的钢越容易出现，回火不足也是原因。可用渗透探伤（着色检查）、磁粉探伤来检查单一资料·仅供参考^[6]

烧伤、裂纹的主要原因

• 砂轮线速度过快^[21][6]
• 切入量、余量大（重磨削）^[21][6]
• 工件转速、工作台速度慢（在相同磨除率下，“快而薄”地磨更不易烧伤）^[30][6][31]
• 钝化、堵塞（砂轮不锋利），修整的切入量不足、进给慢^{[5][21][6][23]}
• 磨削液没有送到磨削点（流量不足、喷嘴位置不对、堵塞）、浓度低、润滑性不足^{[21][6][22][32]}
• 砂轮太硬、太细、太密^[21][6][22]
• 磨削大工件或端面时，接触面积大，磨削液难以送到，所以容易烧伤。单颗磨粒切入小、容易磨平的侧面接触磨削、斜向切入磨削也是如此单一资料·仅供参考^[21]

• 对策的顺序捷太格特推荐的对策顺序：① 检查冷却液喷嘴 → ② 检查修形（修整） → ③ 变更加工条件 → ④ 更换磨削液种类 → ⑤ 更换砂轮规格单一资料·仅供参考^[6]

振纹、尺寸波动、圆度

• 振纹振纹是砂轮与工件之间的振动，使表面出现等间距的条纹、波纹。分为来自外部的强迫振纹（地面传来的振动，电机、泵、进给的振动，砂轮安装跳动、不平衡），和在系统内部发展起来的自激振纹（前一转的波纹在下一转被再生而变大的再生振纹，起因是砂轮磨损、堵塞造成的外圆周不均匀）^[33][30][22]
• 尺寸波动尺寸波动、偏移的主要原因：进给系统的反向间隙、机床热变位、砂轮磨损、补偿值错误、工件的热膨胀（加工时膨胀，停止后收缩）。日本大学的外圆切入磨削实验中，砂轮热膨胀 5.7 µm、工件热膨胀 25.2 µm，比指令多磨了 28.3 µm（加上砂轮磨损 3.4 µm 即可解释）^[14][34]
• 圆度外圆磨削的圆度不良，来源于砂轮、工件、修整器的安装不良或支承部劣化，中心孔不良，尾座的顶紧力，鸡心夹头、卡盘的夹紧，中心架的顶入量，磨削液流量过大（水压使工件挠曲），以及光磨不足等单一资料·仅供参考^[8][14]

💧磨削液与工件的保持

• 磨削油（磨削液）有润滑、清洗、冷却 3 个作用，影响精度、效率和砂轮寿命单一资料·仅供参考^[3]
• 水溶性磨削液有乳化型（矿物油加表面活性剂，稀释后呈乳白色）、可溶型（以表面活性剂为主，近乎透明）、溶液型（以有机胺为主，透明，冷却性和防锈性好）、合成型。此外还有油性（非水溶性）磨削液^[3][6]
• 水溶性磨削液冷却性好，油性磨削液润滑性好。对于磨削烧伤、裂纹，降低磨削阻力比冷却更有效，因此润滑性好的磨削液（矿物油成分多的）更有效^[6][22][21]
• 水溶性磨削液要把原液倒入稀释用水中进行稀释（反过来做可能会凝胶化而难以溶解）。补充液的浓度管理，要结合折光仪测量浓度来进行单一资料·仅供参考^[3]
• 据称，所用的磨削液中能到达磨削点的只有约 1/10。为了不被高速旋转砂轮周围的空气层和雾气顶开，要把喷嘴正确对准砂轮与工件接触的点，并调好流量和压力^[32][6]“约 1/10”这一说法仅见于 UNITED GRINDING。
• 外圆磨削时，磨削液流量过大，砂轮与工件之间的动压会使工件挠曲，圆度变差单一资料·仅供参考^[8][7]
• 电磁吸盘的工作面上有黄铜、树脂制的隔磁片，因此要选用不易腐蚀它们的磨削油单一资料·仅供参考^[12]

工件的夹持

• 电磁吸盘（平面磨削）工件要隔着隔磁片，跨放在 N 极和 S 极之上。工件厚度为磁极间距（节距）的 2〜4 倍时最容易吸住，吸附面的边长宜在节距的 3 倍以上。吸力随材质、厚度、面积和表面粗糙度变化很大，薄的工件吸力弱单一资料·仅供参考^[12]
• 工件的放置方法用抹布擦净吸盘面和工件，去除毛刺后，把工件放在吸盘大致中央，长边与工作台的运动方向平行。有变形的工件，要让中间凹陷的一面朝下吸附，并确认吸牢单一资料·仅供参考^[10]
• 顶尖与拨动夹头（外圆磨削）工件两端的中心孔由头架和尾座的顶尖支承，用拨动夹头（鸡心夹）带动旋转。中心孔的精度、异物，尾座的顶紧力，以及拨动夹头的不良都会影响圆度。用卡盘夹持时要注意夹紧量和位置；细长工件要注意中心架（防振托架）的顶紧量与平衡单一资料·仅供参考^[8][14]
• 托板与导轮（无心磨削）工件不固定，由磨削砂轮、托板（支承刀板）和导轮三点支撑并使其转动。导轮提供旋转（贯穿式磨削时还提供进给）^[15][17]

⚙平面磨削的作业准备

1. 擦净吸盘面，去除工件毛刺并擦净
2. 把工件放在吸盘中央，长边与工作台运动方向平行并吸附，确认吸牢（如有变形，中间凹陷的一面朝下）
3. 起动液压泵和砂轮主轴，用手动进给把工件移到砂轮下方
4. 用工作台挡块设定行程（左右越程为距工件 30〜50 mm）
5. 使工作台左右移动（约 10〜12 m/min），平稳地下降砂轮，使其接触工件表面
6. 开启磨削液，用自动切入（粗磨 0.015 mm）和自动横向进给粗磨整个表面
7. 精磨以 0.005 mm 的切深磨到指定尺寸，最后光磨
8. 停止工作台，关闭吸盘励磁，确认砂轮已停止转动后再取下工件。测量厚度（6 处）和平行度

依据新潟大学的实习步骤整理^[10]

!常见失误

• 更换了砂轮或砂轮形状已走样却不修形／砂轮已钝化、堵塞仍继续磨削 → 烧伤、振纹、表面粗糙度不良单一资料·仅供参考^[6][23][24]
• 磨削液喷嘴没有对准磨削点、浓度偏低 → 烧伤、裂纹^[6][32]
• 省略光磨或光磨时间过短 → 弹性变形造成的欠磨量使尺寸、圆度、表面粗糙度不稳定^[10][7][8]
• 不预热机床，在尺寸还因受热变动时就精加工／工件还热时就测量 → 尺寸偏差^[14][34]
• 用不是为侧面使用而设计的砂轮侧面磨削、超过最高使用线速度 → 违反法规，且有砂轮破裂的危险

故障的原因与对策（19 项）以及安全、法规，请见 磨床的保全与安全。

↗学习顺序

1. 安全与砂轮的使用防护罩、试运转（开工时 1 分钟以上，更换砂轮时 3 分钟以上）、最高使用线速度、禁止侧面使用、敲击音检查。更换砂轮须先接受特别教育
2. 会读砂轮标记把 WA 60 K 7 V 这样的标记拆开，按磨粒、粒度、硬度（结合度）、组织、结合剂来读
3. 用平面磨床加工平行板吸盘的使用、行程设定、粗磨与精磨的切深、光磨、厚度与平行度的测量
4. 通过修形、修锐改变砂轮的锋利程度改变修整器的进给和切深，亲身体验表面粗糙度、锋利程度和烧伤倾向会如何变化
5. 分辨砂轮的状态与切屑根据脱粒、堵塞、钝化以及切屑的形状来判断砂轮的状态
6. 外圆磨削：顶尖作业与纵向磨削、切入磨削中心孔、拨动夹头、尾座顶紧力，以及粗磨→精磨→细磨→光磨的循环
7. 用数值思考条件计算线速度、速度比、Q′、磨削比，做到能从条件出发解释烧伤、振纹和尺寸波动的原因
8. 进入专业磨削内圆磨削、无心磨削、超硬磨料（CBN、金刚石）砂轮、齿轮磨削

由 Kezuriba 编辑部整理编排。

ƒ常用公式

改变条件会怎样

公开资料中的数值

• 钢的平面磨削中，约 80 % 的磨削热流入工件，流入磨粒和切屑的各不超过 10 %。导热率高的碳钢中在 90 % 以上，导热率低的 SUS304 中低于 80 %。砂轮线速度和工件速度的影响较小，切深越大，流入工件的比例越小^[35][36]比例的数值（80 %、90 %）仅来自上田等人（g26）。“砂轮线速度和工件速度的影响小，去除深度增加时流入工件的比例减小”与大阪大学奥山的研究（g27）一致。g26 正文把 90 % 以上的钢写作 S45C，结论却写作 S55C，论文内部的表述不一致
• 磨削点的温度有时会超过 1000 ℃单一资料·仅供参考^[1]
• 捷太格特的外圆切入磨削（CBN #120、集中度 200，φ400 mm，Vs 120 m/s，SCM415H 渗碳淬火 HRC60，φ68 mm，乳化液 30 L/min）：Vw 0.53 m/s 时，Z′ 20 mm³/(mm·s) 出现了二次淬火层（5、12 时不出现）。Vw 1.77 m/s 时，Z′ 20 在实验中也没有出现（解析中会轻微出现）单一资料·仅供参考^[30]
• 则武的外圆斜切入磨削（CBN 砂轮 φ380，SCM435 淬火 HRc48，φ100）：常规产品在磨削效率 10 mm³/s 时出现了肉眼可见的烧伤。特殊涂层砂轮在 25 mm³/s 时出现烧伤单一资料·仅供参考^[21]产品对比试验。磨削效率的单位是 mm³/s（不是按宽度计算）
• 捷太格特振纹预测的验证条件：外圆切入磨削，Z′ 1 mm³/(mm·s)，CBN #120、集中度 200，φ160 mm，Vs 119 m/s，SCr420 渗碳淬火 HRC64，φ32 mm，Vw 0.50 m/s，切入 φ0.3 mm。圆度：解析 0.40 µm，实验 0.54 µm单一资料·仅供参考^[30]
• 捷太格特挠曲补偿的试验：铬钢（渗碳淬火）φ29 mm、宽 20 mm，顶尖间距 270 mm，工件刚性 4.4 N/µm（低刚性部位）、13.8 N/µm（高刚性部位），陶瓷结合剂 CBN #120、集中度 150、φ120 mm，Vs 80 m/s，Vw 0.4 m/s，粗磨 Z′ 8.4 mm³/(mm·s)，乳化液（稀释 20 倍）单一资料·仅供参考^[7]
• 52100 钢（HRC58〜60）的外圆切入磨削（φ16 in 陶瓷结合剂砂轮，Vs 6000 sfpm ≒ 30.5 m/s，磨削宽度 0.5 in）中，比磨削能为 7.1〜13.3 hp·min/in³（≒ 19〜36 J/mm³），随 Q′ 增大而下降单一资料·仅供参考^[25]
• 日本大学的外圆切入磨削：砂轮热膨胀 5.7 µm，工件热膨胀 25.2 µm，砂轮磨损 3.4 µm，实际多切入量 28.3 µm单一资料·仅供参考^[34]
• 所用的磨削液中，能到达砂轮与工件接触区的约为 10 %单一资料·仅供参考^[32]
• 稳定磨削时，切削刃的弹性滑擦深度约为 0.2 µm，材料的去除以切削为主单一资料·仅供参考^[36]

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