砂帶磨削

由此可見,砂帶磨削的加工機理是同于砂輪磨削又有別于砂輪磨削的一種更為復(fù)雜的形式，這是分析了解砂帶磨削機理的理論基礎(chǔ)和根本出發(fā)點。

2.單顆磨粒的磨削過程

砂帶磨削是由大量的垂直定向排列在砂帶表面的磨粒切刃來完成的。每個磨粒均可近似看作一把微型刀具，因而研究這些單顆磨粒的磨削過程是研究整個砂帶磨削的基礎(chǔ)。

砂帶表面的磨粒從微觀來看，就象一種刀尖為圓弧，刃角為鈍角或鈍圓的切削刀具。其圓弧半徑由幾微米到幾十微米，大小與磨粒的材質(zhì)和粒度有關(guān)。由于磨粒的這種幾何特性，在磨削時，切削深度小(切屑厚度薄)，一般在O.005~0.05mm左右。所以絕大多數(shù)磨粒切削刃是在大負前角條件下對工件進行切削。這與機床刀具切削過程一樣，工件材料在磨粒切削刃的擠壓、摩擦作用下產(chǎn)生變形轉(zhuǎn)為切屑，形成加工表面。砂帶的彈性接觸特征使磨粒切削刃的切削過程大致可以分為擠壓、滑擦、耕犁、切削四個階段，如圖所示。最初磨粒擠入工件，由于切入深度小于磨粒刃尖圓弧半徑，形成很大的負前角，工件表面僅發(fā)生彈性變形。隨著切入深度增大，磨粒對工件表面的壓力逐漸增大，開始壓入工件，工件表面由彈性變形開始過度到塑性變形。磨粒繼續(xù)擠壓，摩擦加劇，熱應(yīng)力劇增，在工件表面耕犁出溝痕，溝痕兩邊金屬滑移隆起突出。工件材料塑性變形不斷增加。當(dāng)切入深度繼續(xù)增加時，被推擠的金屬層明顯滑移。推擠壓力超過工件材料強度后形成切屑從前刀面流出，切離工件表面。加工材料不間，磨粒切削過程四個階段在整個磨削過程中所占比例也不一樣。

磨削過程是磨粒切削刃切削金屬的過程，它同機床刀具切削一樣，被磨削金屬也經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、切削形成等過程，并有大量的磨削力和磨削熱產(chǎn)生。磨削過程中由于磨粒形狀及分布狀態(tài)不一，砂帶表面的磨粒存在實際參加磨削的有效磨粒少于其磨粒總數(shù)的情況。因而同一時間內(nèi)磨粒對金屬的擠壓、滑擦、耕犁和切削作用的大小不同，所得到的效果亦不同。甚至同一顆磨粒的不同部位以及同一部位在不同的加工時間里所起的作用也不同，可見砂帶的磨削是十分復(fù)雜的。特別是磨粒切刃的負前角切削過程，切削條件很差，各階段的劇烈擠壓使磨削表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，而且大量塑性變形的金屬不是成為切屑流出，而是仍保留在已加工表面，所以加工表面的硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，殘余應(yīng)力較大。由于磨粒的高速運動，加之磨粒切刃較鈍，在磨削區(qū)造成較大的摩擦和彈性、塑性變形，磨削過程中會有較大的熱量產(chǎn)生，導(dǎo)致磨削區(qū)工件表面溫度上升，將引起工件表面層發(fā)生變化。特別是在砂帶磨粒磨損嚴(yán)重時，磨削摩擦加劇，產(chǎn)生大量的磨削熱，使工件表層溫度急劇上升，導(dǎo)致表層金屬發(fā)生組織變化〈如燒傷、裂紋、熱應(yīng)力等)。這也正是為什么使用砂帶磨削有時仍會燒傷工件表面的一個原因。從微型刀具―― 磨粒的幾何結(jié)構(gòu)看，其負前角大，后角小，特別是砂帶彈性磨削這一特點使磨粒在磨削時對工件產(chǎn)生的擠壓作用很強，遠遠大于切屑分離時的拉伸作用。在磨削垂直方向上，磨粒兩側(cè)的金屬都受到較強烈的擠壓，所以導(dǎo)致較大的殘余壓縮應(yīng)力形成。此外，工件表面在磨粒擠壓，滑擦，耕犁等綜合作用下，產(chǎn)生的塑性形變會引起晶格歪曲、畸變、金屬密度降低、比容增加，也會形成表面殘余壓應(yīng)力，下層形成拉應(yīng)力。所以綜合以上分析可知，砂帶在磨削時，磨削力及塑變因素引起工件表面常常呈殘余壓應(yīng)力。這對零一些可靠性要求很高的零件加工(如飛機葉片、發(fā)電機轉(zhuǎn)軸等)是極其重要的。

所以，歸納起來，砂帶磨削的機理可以這樣總結(jié):由于砂帶表面磨粒分布均勻、等高性好、尖刃外露、切刃鋒利，切削條件比砂輪磨粒好，使得砂帶磨削過程中，磨粒的耕犁和切削作用大，因而材料切除率大、效率高。

由于砂帶的彈性接觸狀態(tài)，使得砂帶磨粒對工件表面材料的擠壓和滑擦作用大，因而磨粒有很強的研磨、拋光作用，磨削表面質(zhì)量好。

由于砂帶磨粒容屑空間大，磨屑堵塞造成摩擦加劇的可能性減少，由此產(chǎn)生的熱量少;由于砂帶與工件接觸弧長較大，單顆磨粒受力較小而且均勻;砂帶磨粒切刃鋒利，磨削時材料變形小，所產(chǎn)生的熱量相應(yīng)也小，再加上砂帶周長長，散熱性好，因而砂帶在整個磨削過程中產(chǎn)生的磨削力和產(chǎn)生的磨削熱相對于砂輪來說就低得多，磨削溫度低，故有"冷態(tài)"磨削之稱。

.砂帶磨削的加工機理 :

砂帶磨削是砂帶這一特殊形式的磨削工具，借助于張緊機構(gòu)使之張緊，和驅(qū)動輪使之高速運動，并在一定壓力作用下，使砂帶與工件表面接觸以實現(xiàn)磨削加工的整個過程。

廣義地講,砂帶磨削與砂輪磨削同樣都是高速運動的"微刃切削刀具"――磨粒的微量切削而形成的累積效應(yīng)，因而其磨削機理大致上也是相同的。但由于砂帶本身的構(gòu)成特點和使用方式不同，使砂帶磨削不論是在磨削加工機理方面，還是其綜合磨削性能方面都有別于砂輪磨削，這主要表現(xiàn)在:

1、砂輪磨削是剛性接觸磨削，而砂帶磨削則是彈性接觸磨削，而且即使是在使用無彈性的鋼制接觸輪的情況時也是如此，因為組成砂帶的基材、粘結(jié)劑都具有一定的彈性，更何況大多數(shù)情況下都采用有彈性的橡膠作接觸輪。

正因為如此，砂帶磨削除了具有砂輪同樣的滑擦、耕犁和切削作用外，還有磨粒對工件表面的擠壓作用，并使之產(chǎn)生塑性變形、冷硬層變化和表層撕裂，以及由于摩擦使接觸點溫度升高，而引起的熱塑性流動等綜合作用。所以，從這點來看，砂帶磨削同時具有磨削、研磨和拋光的多重作用。而這也正是砂帶磨削表面質(zhì)量好的原因。

另一方面，由于砂帶的這種彈性磨削特點，還使砂帶在磨削區(qū)域內(nèi)與工件接觸的長度比砂輪大，同時參加磨削的磨粒數(shù)目多，單顆磨粒所受載荷小，且均勻，磨粒破損小。而使整個砂帶的磨耗比(磨削材料去除量與砂帶磨粒消耗量之比稱為磨削比，而磨削比的倒數(shù)就稱為磨耗比)比砂輪要小得多。

2、砂輪的磨粒在磨削表面上的分布是雜亂無章的，很不規(guī)則，實際磨削時，磨粒都是以較大的負前角、小后角甚至負后角的刃口進行切削，切削條件很惡劣。砂帶則不同，砂帶的磨料是專門制造的，磨粒的幾何形狀常呈長三角體，并多采用靜電植砂等一系列先進工藝制作，磨粒的大小和分布均勻，等高性好，并且是尖刃朝外的形式植于砂帶基材表面上，露出復(fù)膠層的部分較多。因而，砂帶的磨粒比砂輪的磨粒鋒利，切削條件較好，磨削時材料變形小，切除率高，磨削力和隨之產(chǎn)生的磨削熱小，磨削溫度低。

3、砂輪磨粒間充滿了結(jié)合劑，容屑空間很小。而砂帶磨粒間容屑空間一般至少比砂輪大10倍，加之磨粒等高性好，因而砂帶磨粒的有效切削面積大，切削能力比砂輪強，并且磨屑可隨時直接帶走，很少殘留在砂帶表面造成堵塞，而不會由此增加摩擦發(fā)熱，磨削區(qū)域溫度低。

4、砂帶的周長從設(shè)計角度來看，可以遠遠超過砂輪的周長，這就使得砂帶在磨削時既有良好的散熱區(qū)域，又可以通過砂帶的懸空部分〈即不與接觸輪、張緊輪、壓磨板等接觸的部分〉在運行時的振蕩，將粘在砂帶上的磨屑自然抖掉，進一步減少磨粒被填塞的現(xiàn)象，從而減少摩擦發(fā)熱，這也是砂帶磨削溫度低的一個原因。

砂帶磨削經(jīng)過近三十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一項較完整且自成體系的新的加工技術(shù)。因其加工效率高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強、使用成本低、操作安全方便等特點而深受用戶青睞。在國外，砂帶磨削技術(shù)已有了很大的進步，其加工對象和應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，它幾乎能加工所有的工程材料，從一般日常生活用具到大型宇航器具無所不可應(yīng)用，并已成為獲取顯著經(jīng)濟效益的一種重要手段。其作為一種加工技術(shù)之所以受到人們?nèi)找鎻V泛的重視，得到迅速發(fā)展，是因為它具有以下一些重要的特點:

砂帶磨削屬于軟性磨削方式，是一種具有磨削、研磨、拋光多種作用的復(fù)合加工工藝。

砂帶上的磨粒比砂輪磨粒具有更強的切削能力，所以其磨削效率非常高。砂帶磨削效率高表現(xiàn)在它的切除率、磨削比(切除工件重量與與磨料磨損重量之比)和機床功率利用率三個方面都很高。到2012年，已知的砂帶磨削對鋼材的切除率已達到700mm3/mm·s,甚至超過了車削或銑削等。砂帶的磨削比大大超過了砂輪，高達300:1，甚至400:1，而砂輪才30:1。砂帶磨床的功率利用率，遠在砂帶磨削發(fā)展初期就已達到80%，領(lǐng)先于其它機床，而今則高達96%，相比之下，砂輪磨床只有52%，銑床57%，車床65%，所以砂帶磨削還是一種很好的節(jié)能加工技術(shù)。

砂帶磨削工件表面質(zhì)量高。這除了因其具有磨削、研磨和拋光的多重作用外，還因為:相對砂輪磨削而言，砂帶磨削有"冷態(tài)磨削"之稱，即磨削溫度低，工件表面不易出現(xiàn)燒傷等現(xiàn)象。

砂帶磨削系統(tǒng)震動小且穩(wěn)定性好。由于砂帶本身質(zhì)量輕，其磨削工藝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)易于控制，所有的回轉(zhuǎn)部件(如接觸輪、驅(qū)動輪、張緊輪等)磨損極小，不會出現(xiàn)象砂輪那樣的動不平衡因素。

此外，砂帶的彈性磨削效應(yīng)能夠大大減輕或吸收磨削時產(chǎn)生的震動和沖擊。磨削速度穩(wěn)定，砂帶驅(qū)動輪不會象砂輪一樣越磨直徑越小速度越慢。

砂帶磨削工件表面質(zhì)量高主要表現(xiàn)在表面粗糙度值小，殘余應(yīng)力狀態(tài)好，以及表面無微觀裂紋或金相組織變化等現(xiàn)象。從表面粗糙度來看，砂帶磨削到2012年已可達Ra0.01mm，達到了鏡面磨削的效果，而對于粗糙度值在Ra0.1mm以上的情況,則非常容易達到。砂帶磨削工件表面殘余應(yīng)力多呈壓應(yīng)力狀態(tài)，其值一般在-60~-5Kg/mm²，而砂輪磨削則多是張應(yīng)力，所以砂帶磨削非常有利于強化工件表面，提高工件疲勞強度。

砂帶磨削精度高。由于砂帶制作質(zhì)量和砂帶磨床生產(chǎn)水平的提高，砂帶磨削早已跨入精密和超精密加工的行列，最高精度已達到0.1mm以下。

砂帶磨削成本低。這主要表現(xiàn)在:

砂帶磨削設(shè)備簡單。與砂輪磨床相比，砂帶磨床簡單得多，這主要是因為砂帶質(zhì)量輕，磨削力小，磨削過程中震動小，對機床的剛性及強度要求都遠低于砂輪磨床。

砂帶磨削操作簡便，輔助時間少。不論是手動還是機動砂帶磨削，其操作都非常簡便。從更換調(diào)整砂帶到被加工工件的裝夾，這一切都可以在很短的時間內(nèi)完成。

砂帶磨削比大，機床功率利用率高，切削效率高。這使得切除同等重量或體積的材料所消耗的工具和能源費用減少，占用時間短。

砂帶磨削非常安全，噪音和粉塵小，且易于控制，環(huán)境效益好。

由于砂帶本身質(zhì)量很輕，即使斷裂也不會有傷人的危險。砂帶磨削不象砂輪那樣脫砂嚴(yán)重，特別是干磨時，磨屑構(gòu)成主要是被加工工件的材料，很容易回收和控制粉塵。由于采用橡膠接觸輪，砂帶磨削不會象砂輪那樣形成對工件的剛性沖擊，故加工噪音很小，通常<70dB。由此可見，從環(huán)保角度來看砂帶磨削也是十分值得推廣的。

砂帶磨削工藝靈活性大、適應(yīng)性強。這表現(xiàn)在:

砂帶磨削可以十分方便地用于平面、內(nèi)、外圓和復(fù)雜曲面的磨削。設(shè)計一臺砂帶磨頭裝置作為功能部件可以裝在車床上進行車后磨削，也可以裝在刨床上使用，同時還可以設(shè)計成各種專用的磨床。利用砂帶磨削的這種特性能夠很容易地解決一些難加工零件，如超長、超大的軸類和平面零件的精密加工。

砂帶的基材、磨料、粘結(jié)劑均有很大的選擇范圍，能適應(yīng)各種用途的需要。砂帶的粒度、長度和寬度也有各種規(guī)格，并有卷狀、環(huán)狀等多種形式可供選用。

對同一種工件，砂帶磨削可以采用各種不同的磨削方式和工藝結(jié)構(gòu)進行加工。

砂帶磨削的應(yīng)用范圍極其廣泛砂帶優(yōu)越的磨削性能和靈活的工藝特性決定了它具有極其廣泛的應(yīng)用范圍，從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)，砂帶磨削幾乎遍及所有領(lǐng)域。其應(yīng)用形式之多樣，范圍之廣泛是其它任何一種加工方法所不能比擬的。具體表現(xiàn)在:

砂帶磨削幾乎能磨削一切工程材料。除了砂輪磨削能加工的材料外，其還可以加工諸如銅、鋁等有色金屬和木材、皮革、塑料等非金屬軟材料。特別是砂帶磨削的"冷態(tài)"磨削效應(yīng)使之在加工耐熱難磨削材料時更顯出獨特的優(yōu)勢。