1.1 磨削特点

磨削特点在很大程度上取决于所用的工具——砂轮。磨削用的砂轮是由磨粒、结合剂及气孔组成的，也就是说砂轮的体积是这三者之和，即

式中 VS—— 砂轮的体积；

VK—— 磨粒体积；

VB—— 结合剂体积；

VP—— 气孔体积。

若用PK、PB及PP分别代表磨粒、结合剂及气孔体积所占砂轮体积的百分率，则

PK+PB+PP=100%

如图1-1所示为砂轮中磨粒、结合剂和气孔三元结构，磨粒、结合剂和气孔的体积百分率随砂轮粒度和硬度的要求而异。图中标出了砂轮可以制造的极限范围，即

PKmax=68%；PKmin=40%

PBmax=24%；PBmin=5%

PPmax=55%；PPmin=17%

在此范围之外，应采用特殊工艺制造砂轮。

由于制造砂轮用的磨粒晶体的生长机理不同或制粒过程的破碎方法不同，磨粒的形状很不规则。磨粒形状不易测量，可用形状系数Kφ表示，即

式中 φp—— 磨粒的实际形状；

φi—— 近似规则的几何形状；

WP—— 磨粒实际重量；

Wi—— 与磨粒材料相同的球体重量。

棕刚玉和黑碳化硅的形状系数比白刚玉和绿色碳化硅的大，这说明它们更近似于椭球的形状。从宏观上看，磨粒形状可分别用长（l），宽（b），高（h）来表示，如图1-2（a）所示。磨粒切削刃的特征参数为顶锥角2θ及尖端圆弧半径ρg，如图1-2（b）所示，其大小与磨粒尺寸有一定关系。如图1-3所示为氧化铝磨粒顶锥角2θ、尖端圆弧半径ρg与磨粒尺寸b的关系。实际上每颗磨粒有多少个顶尖，就有多少个顶锥角，按统计规律知顶锥角为80°～145°。顶锥角2θ < 90°的磨粒尖角所占比例增多，表示以正前角切削的磨粒的概率加大，所以，顶锥角2θ所占的比例是非常重要的，它关系到磨粒的切削性能，而2θ < 90°所占百分比与磨粒尺寸有关。

用统计方法证实了以下规律：

① 2θ 随磨粒尺寸增大而增大，在磨粒尺寸b=20～70μm范围内，2θ从90°增至100°，而在磨粒尺寸b=70～420μm范围内，2θ从100°增至110°；

② ρg随磨粒尺寸增大而增大，在 b=30～420μm范围内，ρg几乎是线性地从3μm增至28μm；

③ 刚玉磨料的顶锥角2θ 和尖端圆弧半径ρg要比碳化硅磨粒的大些，如表1-1所示。

另外，由于砂轮结构及制造工艺方面的原因，磨粒在砂轮中的位置分布是随机的，在x、y、z坐标空间内的分布状态如图1-4所示，沿xy坐标平面即砂轮外层工作平面；沿平行于 yz 坐标平面所截取的磨粒轮廓图即所谓砂轮工作表面形貌图。由图1-4中可以看出磨刃间距λs及磨粒切削刃尖端距砂轮表面的距离 zs均不一定相等，因而在磨削过程中有的切削刃是有效的，而有的切削刃则是无效的。即使是有效的切削刃，其切削截面积的大小也不会相同。

根据上述分析，可将磨削特点归纳如下：

① 由于在不同粒度和硬度的砂轮上，每平方厘米砂轮表面上的磨粒数约为60～1400颗，所以砂轮工作磨粒数较多。但是，工作磨粒中仅有一部分起切削作用，有一部分只在工件表面上划出沟痕，还有一部分仅与工件表面发生摩擦。根据砂轮特性及工作条件的不同，有效磨粒数约占砂轮表面总磨粒数的10%～50%。

② 磨刃的前角γg是负前角，一般，γg= -60°～-15°。根据H.Opitz等人的研究结果可知，刚玉砂轮经修整后的平均磨刃前角，经过一段时间磨削后（V′w=500mm3/mm)，由于机械-热磨损的缘故，使磨刃前角的平均值变动为，如图1-5所示，而且磨刃前角的分散范围减小。这样大的负前角仍能切出连续型切屑。如图1-6所示为使用白刚玉砂轮（WA60KV）在 vs=30m/s、vw=8m/min、ap=0.01mm条件下磨45钢时所得的磨屑形式，磨屑有细长切屑、挤裂状连续型切屑及被高温熔成的球状屑。如图1-7所示为使用绿色碳化硅砂轮（GC46KV）在 vs=30m/s、vw=8m/min、ap=0.01mm条件下磨削TC9钛合金时所得的磨屑形状，磨屑呈片状，挤裂较严重。

③ 一颗磨粒切下的切屑体积很小，切屑厚度大约为10-4～10-2mm，切下的切屑体积也不过10-5～10-3mm3，这比铣削时铣刀盘的每个刀齿所切下的切屑体积小得多，约为铣削时的1/50000～1/40000。根据尺寸效应原理知，在磨粒切屑厚度非常小的情况下，单位磨削力很大。由实验得出磨削、微量铣削及车削条件下的比切削能 e（切屑内部剪切所需的能量）与切削厚度a的关系，如图1-8所示，切削厚度越小，比切削能越大。比切削能e与切削厚度a的关系为

式中k—— 常数。

④ 磨削速度 vs很高，一般 vs=15～80m/s，因此，磨粒与被加工材料的接触时间极短，约为10-6～10-4s。在极短时间内产生的大量磨削热使磨削区产生高温（400～1000℃），因而容易烧伤工件，产生有害的残余拉应力，甚至产生裂纹。另外，磨削高温也会使磨粒本身发生物理-化学变化，造成氧化磨损和扩散磨损等，减弱了磨粒的切削性能。

⑤ 磨削加工的力比值（法向磨削力 Fn与切向磨削力 Ft之比）较大，一般 Fn/Ft≈3，而车削的Fn/Ft比值只有0.5左右。