无心磨削成圆理论分析及常见缺陷排故

王山城

摘 要：无心外圆磨削（以下简称无心磨削）是一种能适应大批量生产的高效率磨削方法，磨削过程中工件中心不定，从磨削原理上讲，没有正确的调整以及工件磨削过程不充分，无心磨削是得不到真圆的。文章从磨削原理入手，对无心磨削的常见缺陷进行了分析，并提出了解决办法。

关键词：无心磨削；中心高；托板顶角；导轮倾角

1 无心磨削的基本原理

1.1 无心磨削的特点

1.1.1 工件两端不打中心孔，不用顶针支承工件。工件“自由”地放置于定位夹具中，磨削过程中工件中心不定，工件由全部磨削面承受磨削力，磨削余量相对较少。

1.1.2 无心磨削不能磨轴向带槽沟的工件。磨削带孔的工件时，不能纠正孔的轴心线位置，工件的同轴度较低。

1.1.3 机动时间与上、下料时间重合，易于实现磨削过程自动化，生产效率高。

1.1.4 在无心磨削过程中，工件中心的位置变化大小取决于工件磨削前的原始误差、工艺系统刚性、磨削用量及其他磨削工艺参数。

1.1.5 工件运动的稳定性、均匀性取决于机床传动链、工件形状、导轮及支承的材料、磨削用量及其他磨削工艺参数。

1.1.6 机床的调整时间较长，对调整机床的技术要求也较高。

1.1.7 无心磨削易实现强力磨削、高速磨削、宽砂轮及多砂轮磨削，并易实现磨削过程的自动化。

1.2 无心磨削过程

1.2.1 导轮转速、倾角与工件转速的关系。在无心磨削中，导轮的直径尺寸和转速都比磨削轮要小。工件与导轮之间的磨擦力较大，所以工件被导轮带动并与导轮成相反方向旋转，同时为了满足贯穿法磨削的要求，导轮轴心线在垂直面内倾斜一个α角。通常精磨时取α=1°30′～2°30′；粗磨α=2°30′～4°

1.2.2 工件在磨削过程中的状态。工件置于导轮及托板之间，以导轮工作面上的C点和托板工作面上的B点定位，借助于横向进给运动使工件与磨削轮接触进行磨削加工。磨削轮对工件的径向作用力■g、切向作用力■g，合力■g=■g+■g。导轮对工件的法向作用力■b、切向作用力■b，合力■b=■b+■b。上述各力在工件磨削加工过程中始终保持着平衡状态。

1.3 无心磨削的成圆分析

工件无心磨削的加工面就是定位基面，工件在磨削前的原始圆度误差及磨削后的表面圆度误差都会反映为定位误差，影响工件的外圆精度。

2 无心磨削常见缺陷及消除措施

2.1 工件产生圆度误差

影响工件圆度误差的主要因素包括有力学、几何学及具体加工条件等各方面。

2.1.1 工件中心高对圆度误差的影响。从成圆理论分析可知，当工件中心高h=0时，无法改善奇次谐波，工件在这种条件下磨削产生棱圆。一般条件下，高次奇次谐波不易生成和残留。最常见的棱圆度为三、五、七、九……等低次谐波。

工件中心高对椭圆度的影响，与棱圆度相反。

对棱圆度及椭圆度，一般存在一个最优中心高度。在该中心高度，奇次、偶次谐波同时得到改善，且受力条件较好。最优中心高度随不同加工条件而异。

2.1.2 托板顶角对工件圆度误差的影响。托板顶角与中心高一起决定了工件最易残留的棱圆度谐波次数，而且某些角度对一定的单一奇次谐波消除能力最大。75°托板对消除七边棱圆度有效。消除三、五边棱圆度选取45°托板。60°托板对消除九边棱圆度有效。因为60°托板生产中使用的最多，故九边棱圆度在生产中很少出现。

2.1.3 其他影响因素

影响圆度误差还有以下因素：（1）导轮未修圆或工作过久，已失去正确的几何形状，需要修圆导轮，修到无断续声即可；（2）磨削轮磨钝，及时修整磨削轮；（3）托板太薄或顶面倾斜角过大时，及时更换托板；（4）磨削轮或导轮平衡不好，应仔细平衡两轮并重新修整。

2.2 工件有锥度

2.2.1 前导板向导轮方向倾斜，引起工件前部直径偏小；或后导板向导轮方向倾斜引起工件后部直径偏小。调整前后导板，使与导轮母线平行，且在同一直线上。

2.2.2 磨削区域形状不正确：磨削轮和导轮的表面已磨损时，需要重新修整磨削轮和导轮。

2.2.3 当导轮局部过度磨损或托板局部磨损太大，都可能引起工件轴线倾斜，从而产生锥度。

2.3 工件产生圆柱度误差

工件有圆柱度误差是因为在磨削过程中，工件中心的实际运动轨迹偏离理论运动轨迹直线，工件在水平面内转动及导轮修整不正确等。应根据具体情况进行修整。

2.4 工件产生细腰形或腰鼓形

2.4.1 工件产生细腰形的原因及解决办法如下：（1）前后导板均偏向于磨削轮一侧，工件进入或退出磨削区域时呈倾斜状态，磨削轮端角将工件中部磨去较多。调整前后导板至正确位置。（2）导轮修整呈中间凹下状，切入法磨削时磨削轮修整成中间凸出，均导致工件呈细腰形。正确修调导轮和磨削轮，消除凹凸现象。

2.4.2 工件产生腰鼓形的原因及解决办法如下：（1）前后导板均偏向于导轮，工件倾斜进入磨削区，使前端磨去较多；工件将退出磨削区时，使后端磨去较多。需正确调整前后导板。（2）前后导板均低于导轮外圆表面，工件进入磨削区时，会被导轮将其前端抬起，使工件向磨削轮倾斜进入；当工件退出磨削区时，也会使工件倾斜，尾部向磨削轮翘起，使工件两端磨去较多，呈腰鼓形。应正确调修前后导板。（3）导轮表面修整成中间凸起或磨削轮表面修整成中间凹下（切入法磨削），均使工件磨成腰鼓形。正确修调两轮，消除导轮和磨削轮表面的凹凸现象。

2.5 工件表面有缺陷

2.5.1 振纹

产生振纹的原因：磨削量过大，磨削区域过短。磨削区域的形状主要取决于导轮所处的空间位置，导轮、砂轮的几何形状等几个方面：（1）导轮在垂直面内的倾角。导轮在垂直面内的倾角是改变导轮所处空间位置的主要因素，选择原则一般是：粗磨选用=230′～4；精磨选用=130′～230′。（2）导轮形状不正确，就不能充分发挥磨轮全部有效宽度的磨削作用，在磨削过程中，工件与导轮的实际接触线与理想的接触线相差较大，引起工件中心过大的波动，产生磨削振纹。

我们用近似理想双曲面代替导轮的理想双曲面，并且近似认为导轮与工件的接触线为直线，可得导轮理想双曲面的方程式为：

X2+Z2-tg2α0（Y+h0/sinα0）2=a2（1）

式中：

α0：导轮修整角；ho：金刚石位移量；a：双曲面的喉截面半径。

从上面的方程式中不难看出，导轮双曲面的形状与导轮修整角a0、金刚石位移量h0有关，因此，合理调整α0及h0可获得理想的双曲面形状。

2.5.2 表面擦伤。磨削表面的擦伤痕迹很浅，一般只有在较强灯光下才能看见。擦伤发生在精磨（t=0.005～0.02）条件下，且多发生在磨削区域后部。

采取下列措施，可解决工件表面擦伤问题：（1）在砂轮、导轮修整后，将托板表面冲洗干净；（2）托板工作面要仔细修磨，修磨后要严格去磁，以防吸附铁屑秽物；（3）使用的冷却液要保持清洁；（4）选择合适的磨削用量，精磨时磨量不宜过小。

3 结束语

因此，无心磨削对机床调整的技术要求较高，其调整和参数选择也不是简单的公式化，而是需要理论与实践的有机结合，需要经过长期的生产实践反复摸索和总结，这就要求我们在今后的工作中更深入的学习，以适应各种无心磨削加工的需要。

参考文献

[1]王玉昆.无心外圆磨削原理[J].机械工业出版社，2009.

[2]李伯民，赵波.现代磨削技术[J].机械工业出版社，2003（1）.