磨削技术理论第五章.

5磨削机理•5.1引言•磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材料干涉的结果。磨粒切刃与工件的干涉与砂轮地貌、砂轮与工件的几何以及运动关系有关。本章将讨论磨粒与工件的干涉机理。•已有很多不同的方法来收集证据研究磨粒与工件的干涉。一种方法是研究磨屑以获得其产生的理由，因此扫描电镜是一个非常重要的工具。另一个方法是测量不同条件下的磨削力和磨削功率，这里一个重要的参数就是比磨削能，它是指去除单位体积工件材料所消耗的能量。这个参数的重要性在于各种磨粒－工件的干涉机理必须满足能量守恒定理，比磨削能取决于不同的磨削条件。更直接地观察二者的干涉是用单颗磨粒或类似磨粒的刀具作切削试验。当然这些结果只有在试验条件能准确地模拟砂轮磨粒状况下才是有效的。•5.2磨屑•一般认为金属磨削过程类似于车削和铣削，其金属材料是通过剪切过程去除的。这个提法是基于70年前人们在显微镜下观察到了类似切屑的磨削碎片。以下是磨削AISI1065钢的SEM照片。•从显微镜下可以看出磨屑与切屑非常近似。第一张图片是普碳钢磨屑的SEM照片，卷曲的磨屑与车削和铣削的切屑非常相似，只是由于切刃形状和干涉深度差异造成磨屑的尺寸和形状不很规则。磨屑有与其它加工方式相同的很细的节状结构。节状切屑是因局部热塑性变形引起材料剪切抗力减小形成的。第二张图片是其放大图，节间距约为0.5μm，比车削切屑稍细一些，这是因为磨削是典型的负前角加工，另外由于磨削速度很快，造成磨削的成屑变形更接近于绝热剪切。•第一张图片示出的另外两种磨屑是短块切屑和球形切屑，前者是因磨粒极大的负前角造成工件材料经历了类似被挤出的过程而后膨胀形成的，这实际上是一个沿切削方向发生在磨粒前端的压挤－膨胀过程，也含有与普通车削相似的剪切作用。•第三张图片所示为球形切屑，它是中空的，具有极细的枝状微结构，这表明球形切屑经历了一个极快的融化和固化阶段。在磨削过程中融化不是必需的。极小的热切屑在空气中发生了氧化反应。球形中空结构是由于熔融卷曲切屑的表面张力效应形成的。磨屑的氧化使其形成火花束从砂轮中射出。火花在无氧条件下是观察不到的，火花的颜色和密度取决于工件材料。•5．3磨削力、磨削功率和比磨削能砂轮磨削工件就产生了磨削力。对于切入磨削（无论是平面磨削或是外圆磨削），砂轮对工件的总磨削力可分解为切向力和径向力两部分。对于往复磨削还应附加上一个平行于砂轮主轴的磨削力分量。磨削功率P可表为：•式中“＋”号表示逆磨，“－”号表示“顺磨”。tFnFaF)(wstvvFP•因一般情况下比小得多，所以功率可简化为：•对于多数磨削情况，上式关系均成立。与纵向进给速度和横向进给速度相关的功率部分一般可不计。wvsvstvFP•由磨削功率和加工条件可推得基本参数比磨削能，它是指去除单位体积金属所消耗的能量（此参数与比磨除功率相同，即去除单位体积金属所消耗的功率），比磨削能由下式得到：•wQPu•上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材料体积，与磨削参数有关。由于•此处b指磨削宽度。比磨削能的重要意义在于它可反映磨粒与工件的干涉机理和干涉程度，另外还可反映出加工过程参数，而且对机床功率需求估计也有重要作用。采用国际单位，比磨削能可表示为“Joul/mm3”(J/mm3)，此时去除率单位为“mm3/s”，功率为“瓦特”；bvdabvQfbvdvFuabvvFufwstwst或•5.4普通磨粒砂轮磨削机理•5.4.1尺寸效应及其能量•系统地测量磨削力和比磨削能始于20世纪50年代初，当时发现比磨削能比其它切削方式要大得多，而且降低和以减小未变形切屑厚度时比磨削能更大。•所谓比磨削能是指磨除单位体积工件材料所需要的能量。wva•Merchat在1945年推导出经典的成屑理论模型，并开始推广应用于各种金属材料的切削过程。由Merchat的理论，当切屑沿前刀面滑动时会产生极薄的剪切区，一般切削条件下剪切消耗成屑能的75％左右，而刀具与切屑的摩擦耗去了25％。尽管人们也观察到了其它的一些效应，但这个模型始终可给出成屑的准确描述。•人们一直试图采用类似于其它的切削过程模型来解释磨削的有关问题。对切刃形状进行一些假设，估计成屑过程中的塑性变形剪切应力，但这个结果大大高于真实的金属磨削流动应力。精磨中未变形切屑厚度很小，由此计算出的高的剪切应力意味着高的比磨削能。•为解释这一反常现象，提出了“尺寸效应”理论。它认为薄的未变形切屑厚度对应的高流动应力的原因在于剪切的小体积金属包含位错缺陷的概率较小。但位错理论应用于金属切削却表明剪切区具有极高的位错密度，这在透射显微镜观察精磨切屑时所证实。这似乎是对“尺寸效应”理论的质疑。•另一个限制传统成屑理论应用于磨削过程的原因是其比磨削能太大。几乎所有的能量均转化为热，由于高切速和大应变，磨削成屑很快，整个过程金属是绝热的，这意味着没有足够的时间把塑性流动产生的大量热在变形过程中传导出去。在绝热条件下单位体积的塑性变形能应限制在可将其从一般条件下转化为熔融态的情况之内。单位体积熔融能可从手册液态熔点到室温的焓查出。•对于铁，单位体积的熔化能为10.5J/mm3，这个数值也适用于钢。磨削钢的比磨削能一般为20～60J/mm3。更高的比磨削能仅可能在精磨中出现。在磨削中如果塑性变形能高于熔化能则难以令人信服。•5.4.2滑擦力和滑擦能•金属去除是通过成屑实现的，但更多的磨削能不是通过成屑消耗的。磨粒磨钝的小平面在工件表面滑动而不去除工件材料但消耗了能量。每个小平面最初是在磨削前的修整中得到的。在磨削中小平面粘结部分金属而逐渐发出光亮且通过磨耗磨损进一步扩大。下图示出磨钝平面粘结金属的情况，许多磨粒还带着一些切屑。扩大的砂轮磨损平面在一定程度上通过自锐或磨粒从结合剂中脱落形成新切刃。•磨削过程中磨损小平面产生的沿磨削方向的细纹表明磨削能的一部分是由磨粒在工件上的滑动消耗的，二者的直接关系可由磨削力与砂轮磨钝的程度表达出来。对于一定的机床结构，如下图所示法向力和切向力随磨损面积A的增加而增加。对于给定的工件材料，通过改变砂轮硬度、修整条件、累积金属去除量来观察磨削力和磨损平面的关系变化。对于钢工件（左图），磨削力随磨损面积直线上升，当达到某一临界点后，直线斜率产生突变，工件出现了烧伤；而对于非金属材料（右图）则未出现中间直线斜率不一致的情况。••平面切入磨削中砂轮的法向力和切向力•金属材料非金属材料•在上图及其它类似发现的基础上，可以将磨削力和比磨削能认为是由切削和滑擦两个部分引起的。图中磨削力和纵轴A＝0处的交点与切削部分有关，而超出这个截距的磨削力值则与滑擦有关。因此有：sltcttFFF,,slncnnFFF,,•这里是由于切削引起的切向力和法向力，是由于滑擦引起的切向力和法向力。作为一个典型磨粒的情况如下图所示。cnctFF,,和slnsltFF,,和•对于钢工件而言滑擦力和磨粒磨损面积成正比关系，这表明工件与磨粒磨损平面间平均接触压力和摩擦系数的关系：•这里是工件和磨损平面的实际接触面积，可表为磨削区面积（接触弧长×磨削宽度b）和砂轮磨损表面积比的乘积，即acttApFF,acnnApFF,aAA2/1)(ecaadbAAlbA＝•由此可得磨削力公式为AadbpFFectt21,AadbpFFecnn21,•在这个模型框架下可估计表征磨损平面和工件接触关系的两个特征量和，综合上述公式可得到：ctcntnctcntcttcnacnnFFFFFFFFFFApFF,,,,,,,11即p•对于给定的磨削条件，是常数。因此的关系图应是一条直线，斜率为。下图给出了平面磨削碳钢的一个证例，在这里磨削力的变化取决于修整条件，精细修整会产生大的磨损面积，促使磨削力增大。最初的斜率表明摩擦系数=0.4。超过转折点后，斜率发生了改变，发生了磨削烧伤。cnctFF,,和ntFF和1•将公式对微分，可得磨粒磨损面与工件的平均接触压力的关系为•滑擦能的概念可使我们把砂轮硬度和修整条件对磨削力的影响进行定量描述。高硬度砂轮和细修整会使得磨粒磨损面积增大，滑擦力也正比增大（砂轮硬度和修整条件对砂轮锋利程度的影响讨论见第4章）。同样磨削液对磨削力的影响主要表现在其对磨损面积的影响。21/adbdAdFpen＝AadbpFFecnn21,A•5.4.3耕犁和成屑能比磨削能中去除因滑擦引起的部分就是比切削能，可由下式计算：•分子是切削功耗，分母是单位体积金属去除率。切削力相当于完全锋利的砂轮即A＝0的情况。abvvFuwsctc,•如图示出磨削高碳钢时单位宽度去除率与比切削能的关系。即使使用不同的磨粒（30＃－120＃）结果也一样。在低磨除率下，比切削能非常高，但随着磨除率的提高比切削能快速降低至一个最小值13.8J/mm3。•为了获得象上图的结果经历了一个长的艰苦的试验阶段。对于每个点为了获得切向力都要磨削力力与磨损面积之间的关系，此处得到了一种工件材料在不同去除率下的值。但是试验证实对于不同的材料从低碳钢到高速工具钢在同一磨除率下其比切削能几乎相同，其值大约为。考虑到工件材料硬度的差别很大，这个结果确实令人惊奇。3/40mmJuc•在上图中即使减去了滑擦能，仍然还有尺寸效应。在低磨除率下对应于薄的未变形切屑厚度，比切削能很大。这个数值不能以传统的成屑模型来解释。这说明实际上只有部分比切削能与切屑成形有关，对于剩下的能量应当至少还有一种机理来解释。•另一种与磨粒切削过程有关的机理就是耕犁。耕犁使工件材料变形而不是去除。我们通常认为耕犁就是磨粒把前方的工件材料犁起推向两侧，它也包括磨粒切刃下的工件材料的塑性变形。•磨粒切削中的滑擦、耕犁现象•耕犁变形是在磨粒切入工件之初就发生了。当磨粒切刃经过磨削区，切深从零增加到最大值时，最初是弹性接触，对总能量没有贡献，而后才是对工件的耕犁即塑性变形。一般来讲切屑形成只是在切刃进入工件达到某一临界值之后才发生。影响的因素包括切刃的锐利程度、方向、前角和摩擦系数。•利用临界切深的概念可以解释“尺寸效应”。即当单颗磨粒的切削深度低于临界切深时，磨粒只进行滑擦或耕犁作用，即此时不产生切屑而只消耗能量，所以导致比磨削能的上升。mh'h'h•由单颗磨粒未变形切屑厚度几何尺寸可知，增大和都可以增大未变形切屑体积。因此在达到临界值之前耕犁量少于切屑产生时的耕犁量。较高去除率下相对少的耕犁可减小比耕犁能。作为一个极限情况，比耕犁能接近于零而最小的比切削能相当于成屑能（常数）。实验结果表明了成屑能为13.8J/mm3，比耕犁能和去除率成反比，另外单位宽度切向耕犁力为：wva1N/mm',pltF•基于上述原因，顺磨会减少甚至会消除最初的耕犁，因为每个切刃与工件的干涉切深都是从最大切深开始的。这可以解释为什么顺磨磨削力一般略小于逆磨。但是二者的差别要比耕犁力部分小，这说明顺磨中仍然存在一定的耕犁。•总之，比磨削能包括成屑能、耕犁能和滑擦能：•其中只有比成屑能真正用于材料去除，它是需要的最小磨削能。按前所述，成屑能13.8J/mm3，仍然比金属切削的比切削能高得多，而且和其它金属加工方式的能量及其负荷需求不同的是，最小比磨削能对材料的合金成分及其热处理状况不敏感。例如对于退火低碳钢磨削时的最小比磨削能与淬硬合金钢磨削以及淬硬高速工具钢磨削基本相同。slplchuuuu•为了解释磨削中的这一反常现象，有必要比较最小比磨削能和被磨去金属熔化能的大小。因为约75％的成屑能与剪切有关，剩下的25％与切屑－刀具摩擦有关，这表明剪切比能为10.4J/mm3（13.8×75％＝10.35)，此值基本等于铁的单位体积熔化能。这个结果归因于磨削成屑中大变形和绝热条件的存在，这已在前面讨论过。磨粒切刃具有60°或更大的负前角。由传统的成屑理论知道，这么大的负前角必然引起极大的剪切应变，这也已被正交切削的模拟磨削试验结果所证实。在极高的速度下引起的大应变塑性变形实际上是绝热的。•即便是大应变的绝热变形，塑性变形能也不应