3第三章 磨削机理

第三章磨削机理和磨削几何参数磨削与其他切削加工方式的比较工件刀具g切屑g工件磨粒磨屑为了描述磨削加工过程，必须找出一些能明确表征主要的输入或输出参数。表征输入条件的参数有：磨刃几何参数、有效磨刃数、切屑层(末变形)断面尺寸、接触弧长度和砂轮当量直径等。表征输出条件的参数有：材料切除率、砂轮耗损率和磨削比、比法向力、功率消耗和比能以及加工精度和表面完整性指标等。其中：磨刃几何参数、有效磨刃数、切屑层断而尺寸和磨削比等比较重要，称为磨削基本参数。第一节磨粒切削刃的形状与分布一、磨粒切削刃的形状磨粒切削刃的尖端形状对磨粒的磨削能力，磨削精度和磨削表面粗糙度有着重要的影响（圆锥或角锥）球形尖端球形的圆锥尖端平面的圆锥切削刃的形状可直接用显微镜或电子显微镜进行观测，也可以利用表面轮廓仪描绘尖端的形状；或者间接地测定被磨表面上的磨削条痕，然后根据磨粒引起的水平分力值进行推定，以获得切削刃的形状砂轮的组成ωa平均切刃间隔ω和连续切刃间隔a单位长度da砂轮内部的磨粒分布二、磨粒切刃的分布单位面积内存在的切刃数为C，平均的切刃间隔为ω，则Cw1ω对分析磨粒的切入深度和切屑断面积是一个必要的数值在砂轮内部任意切断的单位平面AB上（图2—2）含有Np颗磨粒，磨粒的平均直径为do，那么在1×do的体积内含有的磨粒数ogoPdVdN16326ogPdVNVg是砂轮的组织，即磨粒体积率。一般值0.4～0.5ogPdVNw61'=（1.14～1.15）d0砂轮表面上平均的切刃间隔大约为平均粒径的1.5～2倍第二节磨削机理与磨削过程一、磨削过程磨削加工的特点决定了磨粒与工件的干涉过程不同于一般切削方式：切屑并不是从切削一开始就产生的磨粒与工件的干涉过程可分为以下三个阶段：（1）划擦阶段:砂轮与工件开始接触阶段，磨粒切削刃与工件之间只发生弹性接触。（2）刻划阶段:砂轮与工件开始接触以后，继续以恒定的进给量切入工件。经过滑擦阶段后，磨粒上承受一定大小的法向力，增大到一定值之后，材料表面产生塑性变形。使磨粒前方的材料被挤压而隆起，如犁田的情况，故称之为耕犁作用。这时一般不形成切屑（3）切削阶段：砂轮继续相对于材料表面作进给。使磨粒切入深度增加，达一定数值时，形成切屑。耕犁实际生成曲线实际干涉曲线理论干涉曲线切入深度切削磨粒切刃滑擦磨粒与工件的干涉曲线二、弹性变形过程分析一颗磨粒被作为一个刚体装在弹簧常数为K的弹簧上接触宽度为2a切削刃与工件的相对滑移速度vK：弹簧常数2avig，iw磨粒工件表面干涉角ig，实际干涉角iw从磨粒与工件开始接触到转入塑性变形之间的区域称为弹性变形区.这个转变点叫弹性临界点E理论预测和实验结果表明：1）临界法向力随切削刃与工件的摩擦系数增大而明显降低；随接触宽度增加而呈直线增加；随切削速度增加而减小。2）临界切入深度随切削速度增加而减小；随摩擦系数减小而减小。3）弹性滑移长度随接触宽度增加呈直线增加；随干涉角增加而直线地减小；随弹簧常数的增加而减小；随切削速度的变化无明显影响。弹性滑移长度是摩擦系数的复杂函数；且随磨削液性能的变化而变化。弹性变形有如下基本特征igiwγγKSKSVsVsDhxA段B段三、塑性变形从弹性临界点E到塑性临界点P之间的区域为塑性变形区在切削刃前下方的变形中存在着两个阶段：(a)段中切削刃前下方既有弹性变形，又有塑性变形，其长度非常短。塑性变形的最大部分是在(b)段，其特点是切削刃的耕犁作用只产生沟槽和堆积尚无切屑产生塑性变形的基本特征1)切削刃上方的堆积和前下方的塑性变形是前角γ和摩擦系数μ的函数。较小的前角和摩擦系数使塑性变形程度较小；而较大的前角和摩擦系数则会在磨粒前下方产生大面积的塑性变形。2)发生塑性变形的金属与切削刃前面的接触长度h，在前角γ和摩擦系数μ较小时随前角γ和摩擦系数μ的增大而增加，但在前角γ和摩擦系数μ较大时则随前角γ和摩擦系数μ的增大而减小。3）在刃尖下方的塑性变形深度Dh随前角γ和摩擦系数μ的增加而增加。在磨削中，切削刃和工件的干涉存在着以下几种情况：a)磨粒在整个接触期间只进行弹性滑移；b)磨粒在整个接触期间由弹性滑移到塑性耕犁再转变为弹性滑移离开磨削区；c)磨粒在整个接触期间要经过弹性滑移、塑性耕犁和切削三个过程。切削刃即将离开工件时由于磨粒与工件材料的干涉深度迅速减小，工件又将产生塑性和弹性变形，但这一阶段非常短暂，实际研究中常常不作考虑。第三节磨削几何学参数一、连续切刃间隔a实际参加切削的切刃视为有效切削刃连续切刃间隔是在垂直于砂轮轴的砂轮截面上，磨粒Ⅱ在砂轮圆周方向上，由磨粒Ⅰ向后量得的距离a，称为连续切刃间隔。显然磨粒Ⅱ的尖端比磨粒Ⅰ的尖端，在径向差一个δ值磨粒Ⅱ的最大切入深度gⅡ是DtVVagSW/2因此磨粒Ⅱ成为有效切刃的条件是gⅡ必须有正值,即：gⅡ〉0DtVVaSW2在这个不等式中，左边仅与砂轮表面几何参数有关。右边仅与磨削工艺参数有关这意味着，即使磨具的几何参数不变，有效切刃的数量也会随VS、VW或t的变化而变化。因此，连续切削刃间隔不仅由砂轮本身结构所决定，而且还受磨削用量变化的影响二、磨粒的最大切入深度g(未变形切屑的最大厚度)在磨削过程中，作为切削的最小单元—磨粒，以高速运动和本身的形状对工件进行干涉，其结果是被切除的金属形成独立的切屑而干涉的痕迹留在了工件表面上，形成了微观不平的工件表面轮廓切屑的尺寸包含着十分重要的意义1）切屑的大小决定着切屑和磨粒间的接触面积和作用在整个磨粒上的力，也就是决定着结合剂把持磨粒保持固定位置所需要的力。2）在磨削过程中，当切屑厚度变小时，比磨削能增加3）比磨削能的大小强烈地影响着磨粒尖端的温度、磨除率、工件温度4）最终留在磨削表面上的许多独立划痕的集合，决定着磨削表面的粗糙度和表面完整性5）磨粒上的径向力，随着接触面积的增加而增加，会引起工件变形，破坏工件的加工精度图2—9磨粒最大切入深度与其它因素的关系t砂轮转速VS工件速度Vw前一个有小磨粒的切削轨迹CA后一个有小磨粒的切削轨迹CB未变形切屑CAB未变形切屑CAB的最大厚度AH砂轮速度和工件速度的夹角θ磨粒与工件干涉时砂轮和工件转过的圆心角分别是α、β砂轮与工件的干涉深度t.磨粒的最大切入深度gsinBAAHgswVVaBA由图中几何关系可知:sinsin2cos2cos2dDtdDdD由于砂轮切入深度t比砂轮和工件的直径D和d小得多,因此:θ=sin(α+β)=sinα+sinβDddtDdDDtd2244所以sinα+sinβ=α+β)11(24422dDtdDdtDdDDtd)11(2dDtVVwagS磨粒的最大切入深度的指导意义：ⅰ当VW增大，VS减少时，g将增大。单颗磨粒的切削力也增大，对于软砂轮而言，会引起磨粒脱落加快，或对于硬砂轮来说，则会加快磨粒的钝化速度，从而使磨具的寿命减少。ⅱ最大切屑厚度与连续切刃间隔a成正比。粒度粗而硬度低的砂轮其a值较大，g也就较大。ⅲ砂轮和工件的尺寸也影响着g的大小，当使用小直径的砂轮磨削大直径的工件时,g将变大ⅳ当磨削参数相同时g将依内圆，平面，外圆的顺序变大磨削效率提高ⅴg与成正比，即与比磨除率(VWt)有相同的变化趋势，但随着t的增大，g和比磨除率Z′都会增大，但增大速率不同，Z′快速增长，而g的增幅较小。这为在成型磨削中保持砂轮地表形态和保持较高的磨除率提供了指导方向。缓进给磨削工艺就是在此基础上开发出来的。比磨除率Z′——砂轮的单位宽度在单位时间内磨除的工件材料体积三、切屑弧长(砂轮接触弧长)l一个切刃在一次切削中所产生的切屑，其未经变形的长度称为切屑弧长（图中CB的长度）2422DdDDtdDl)11/(dDt内圆磨削时的d取负值,平面磨削时d为∞,即)11/(dDtliDtls在工件速度较大的情况下)11/()1(dDtVVVlVllSWSW四、磨屑的形状(1)带状切屑在正常磨削中和自锐性良好的情况下，砂轮表面磨粒锐利，由于磨粒具有负前角并且切削速度十分高，常常产生带状切屑。(2)挤裂切屑砂轮表面工作磨粒处于锐利状态下，磨削脆性工件材料时得到这种切屑特别显著(3)单元切屑这种切屑短而不规则并经受了较大的塑性变形。多见于磨粒钝化后或砂轮被堵塞的磨削状态之中(4)积屑瘤在磨削软质材料时砂轮被堵塞时所特有的现象，即切屑时而堆积在砂轮表面时而脱落形成了积屑瘤(5)熔融切屑粉末状切屑在高温下熔融并在飞散过程中球化而成，这种切屑在磨削硬度较高材料中砂轮发生堵塞的磨削状态下最为明显