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123磨削机理磨削力磨削比能磨削机理磨削过程:过渡的切削过程;磨粒和工件材料干涉的结果。磨削力成因:磨削过程中的切削、摩擦、粘附滑擦阶段,磨粒受到的摩擦力作用耕犁阶段,磨粒受到材料变形力和摩擦力切削阶段,磨屑变形对磨粒产生变形抗力,表面工件之间摩擦接触区的结合剂与工件之间摩擦磨削机理磨削过程中存在弹塑性变形,使得磨粒在切削过程中与工件表面生成曲线、理论干涉曲线、实际干涉曲线不能完全重合。如图所示:磨粒工件干涉过程中弹性退让,使得理论干涉曲线较实际干涉曲线更深、实际干涉曲线较表面生成曲线更深。表面生成曲线浅于理论干涉曲线这是导致磨削残留余量、降低磨削精度的原因。磨削力研究意义研究磨削力,主要在于了解清楚磨削过程的一些基本情况,是机床设计和工艺改进的基础,是磨削研究中的主要问题,磨削力几乎与所有的磨削有关系。磨削力与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度以及磨削比能等均有直接的关系,且由于磨削力比较容易测量与控制,通常用磨削力判断磨削状态。因此,磨削力是磨削加工中重要的参数之一。磨削力分析为便于分析问题,磨削力可为相互垂直的三个分力,即沿砂轮切向的切向磨削力Ft,沿砂轮径向的法向磨削力Fn以及沿砂轮轴向的轴向磨削力Fa。一般在磨削中,轴向力Fa较小,可忽略不计。Fn称为法向磨削力Ft称为切向磨削力Fa称为轴向磨削力F=Fn十Ft十Fa磨削力磨削力关系影响因素一般情况,FnFtFa,而法向磨削力与切向磨削力的比值Fn/Ft,称为磨削力比,是加工中一个重要数据,它可间接地说明砂轮工作表面磨粒的锋利程度。因为随着磨粒的钝化,将引起F的急剧增大,使砂轮磨损加快,系统振动增加,噪声加大,工件表面粗糙度上升和表面质量恶化等。所以,它也可作为砂轮耐用度的判断依据之一。磨削普通钢料磨削淬硬钢磨削铸铁磨削陶瓷1.6-1.81.9-2.62.7-3.23.5-22硬脆磨削力的理论公式磨削力与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能有直接关系,并且机床设计工艺改进都需要知道磨削力。一般用磨削力计算公式来估算或者用试验方法来测定(工作量大成本高)。现有磨削力计算公式:根据因次解析法建立的磨削力计算公式根据实验数据建立的磨削力计算公式根据因次解析和实验研究相结合的方法建立的磨削力计算公式单位磨削力计算公式单位磨削力是磨削工件时作用在单位切削面积上的主切削力(即切向切削力),以FP表示,单位为N/mm2。当金刚砂磨粒开始接触工件时,受到工件的抗力作用。图3-22所示为磨粒以磨削深度ap切入工件表面时的受力情况。在不考虑摩擦作用的情况下,切削力dFx垂直作用于磨粒锥面上,其分布范围如图3-22(c)中虚线范围所示。由图3-22(a)可以看出,dFx作用力分解为法向推力dFnx和侧向推力dFtx。两侧的推力dFtx相互抵消,而法向推力则叠加起来使整个磨粒所受的法向力明显增大,所以无论是滑擦、耕犁或切削状态下磨粒所受法向力都大于切向磨削力。这种情况也说明了磨削与切削的特征区别,一般切削加工则是切向力比法向力大得多。单位磨削力计算公式根据上图,在x-x截面内作用在磨粒上的切削力dFx可按下式求得:coscosApxdFdF根据上图,dFx的分布如图c中虚线范围,设图中磨粒为具有一定的锥角圆锥,中心线指向砂轮半径,且圆锥母线长度为ρ,则接触面积为:ddAsin212则可以得到磨削力的计算式:sin42paFNFNFpdtgdttansin2paFNFNFpdngdn则可以得到单位磨削力的计算式:tan4sin212ppntdFFaNF其中为动态的有效磨刃数,,为砂轮表面上的单位长度静态有效磨刃数,为砂轮以工件的接触弧长度,b为磨削宽度。dNbLNNstdsL砂轮接触面上的动态磨刃数的磨削力计算公式关于磨削力计算公式的建立,目前国内外有不少论述。在这里重点介绍G.Wener等建立的磨削力计算公式,该公式考虑了磨削力与磨削过程的动态参数关系。建立磨削力计算公式时,需要两项参数:(1)单位砂轮表面上参与工作的磨刃数;(2)砂轮与工件相对接触长度内的平均切削截面积A。单位砂轮表面上参与工作的磨刃数:2sepswenddavvCAN如图,对于弧任意接触长度ι范围内的动态磨刃数Nd(ι)为:ssepswensdlldavvCAllNlN2d)(砂轮与工件相对接触长度内的平均切削截面积A:12112)(qsepswenlldavvCAlA整个接触弧长度上的法向磨削力大小:dllNlAFlFdlnpns0,整个接触弧长度上的法向磨削力大小:112,sepswepndavvCFFn1n121n-1根据理论分析得出:0≤γ≤1;0.5≤ε≤1.磨削力主要由切削变形力和摩擦力两部分组成。当单颗磨粒切削力与磨屑横断面积近似于正比时,可认为n=1,ε→1,γ→0,则说明磨削力与工件材料厚度(切屑变形)有关,与摩擦力无关。若n=0,α=0,则0.5<γ<1,取ε=0.5,γ=0.5时,磨削力完全来源于摩擦,与磨削变形无关。在实际磨削中,不可能会出现单纯的摩擦和完全切削这两种情况。磨削力由摩擦及切削变形两部分组成。那一部分占有主导地位,则取决于砂轮、工件和磨削条件的综合情况。根据相关文献指导,概括多次试验结果,指数的实际值出于下列范围:0.1≤γ≤0.8;0.5≤ε≤0.95。根据分析,磨削力公式可以写成:22111'sepsweppswpseppendavvCFavvFdaFCF在此公式中,当ρ=1时,可以看成是纯摩擦情况;当ρ=0时,则可以视作纯切削情况;具体的实际加工中参数的取值则根据综合情况而定。在上述的磨削力数学模型包括了切削变形与摩擦力,但没有从物理意义上清楚地区分磨削变形力和摩擦力,没有清楚地表达磨削变形力与摩擦力对磨削力的影响程度,更不能说明磨削过程中磨削力随砂轮钝化而急剧变化的情况。为此,可以直观地将F’n、F’t划分为磨削变形力及摩擦力两项组成:pNAFFFFlspnsncn'''pNAFFFFlsptstct'''21211'01sepswpslddavvcFdllNNF’nc-由磨削变形引起的法向力;F’ns-由摩擦引起的法向力;F’tc-由磨削变形引起的切向力;F’ts-由摩擦引起的切向力;δ——单颗工作磨粒顶面积,即工件与工作磨粒的实际接触面积;——磨粒实际磨损表面与工件间的平均接触压强;p因此,可以得到单位宽度法向磨削力F’n,单位宽度切向磨削力F’t公式:2121'1sepswenpswpndavvCAPavvFF2121'1tan4sepswenpswptdavvCAPavvFF一般设定极限值都根据n取值所得:当n=1时,为纯剪切变形,也就是等于磨屑变形力引起磨削力;当n=0时,为纯摩擦,也就是等于由摩擦而引起的磨削力;因此上式可以直观地反映了磨削力随砂轮磨损而变化的特征。磨削力的尺寸效应磨削力的尺寸效应最早由Milton.C.Shaw和她的学生提出来的。所谓的磨削过程中的尺寸效应(size-effect)是指随着磨粒切深及平均磨削面积的减小,单位磨削力或磨削比能愈大。也就是说,随着切深的减小,切除单位体积材料需要更多的能量。如图给出磨削钢时磨削比能与磨削深度的尺寸效应关系。目前,解释尺寸效应生成的理论有三种:1.Pashlty等人提出的从工件的加工硬化理论解释尺寸效应;2.Milton.C.Shaw的从金属物理学观点分析材料中裂纹(缺陷)与尺寸效应的关系;3.用断裂力学原理对尺寸效应解释的观点。磨削钢时磨削比能和磨削深度的尺寸效应关系工件的加工硬化理论解释尺寸效应用磨削中工件材料加工硬化解释尺寸效应产生机理,是在研究磨削的变形和比能时得出的。磨削时被磨削层比切削时的变形大得多,其主要原因是磨削时磨粒的钝圆半径与磨削层厚度比值较切削加工时大得多的缘故。另外,磨粒切刃有较大的负前角及磨削时挤压作用,加上磨粒在砂轮表面的随机分布,致使被切削层经受过多次反复挤压变形后才被切离。类别比能类别比能车削1-10普通磨削20-60磨削20-200精细磨削60-200切割磨削10-30砂带磨削10-30材料的裂纹缺陷解释磨削力的尺寸效应该理论解释的是,磨削中的尺寸效应,主要是由于金属材料内部的缺陷所引起,当磨削深度小于材料内部缺陷的平均值时,磨削相当于在无缺陷的理想材料中进行,此时切削剪应力和单位剪切能量保持不变;当磨削深度大于材料内部缺陷的平均值时,由于金属材料内部的缺陷(如裂纹等)使切削时产生应力集中,因此随着磨削深度的增大,单位剪应力和单位剪切能量减少,即比磨削能减小,这就是尺寸效应。用金属物理学观点解释尺寸效应尺寸效应可以用金属物理学原理加以说明,因为金属的破坏是由其晶格滑移所致。一般来说,克服原子间的作用力,产生滑移所需的切应力τ=G𝛾式中G-材料的切变模量;γ-切应变由此来得到晶格排列无缺陷的理想材料的强度。可实际的屈服剪应力跟理论计算却有很大的差距,因为多晶体材料,常因晶格排列不整齐存在相当微裂缝的空隙和杂质,这些晶格缺陷在承受载荷时发生应力集中现象。甚至大量错位,所以塑性变形是在比理论切应力小很多的剪应力条件下进行的。材料试验中,采用的试片尺寸约小,晶格缺陷数越小,平均切应力也就增大,并且接近理论值,这就是尺寸效应。用断裂力学原理分析尺寸效应产生机理浙江大学从材料被去除时所受的力、切削层的塑性变形、裂纹扩展到断裂这一过程,应用断裂力学理论来分析尺寸效应的形成。由断裂力学可知,材料的断裂与材料中的裂纹有关,材料强度的降低是由于材料中存在细微裂纹造成的。因此材料的断裂过程实际上就是裂纹的扩张过程。但是不同性质材料其断裂方式却是不同的。因为脆性材料中塑性变形是有限的,使材料断裂的仅为表面能,表面能和断裂能相差不大。但是对于塑性材料来说,材料断裂的表面能要比断裂能小几个数量级。因此研究者认为,在磨削中磨粒对工件材料切削时,其切削过程可以认为是磨粒磨刃对工件材料剪切过程,也就是工件材料沿磨削深度平面的断裂过程,因此由工件表面至磨削深度ap材料被剪断所产生裂纹的大小与磨削深度几乎相同。磨削力的测量方法与经验公式磨削力的测量方法:功率计法电阻应变测力法电容变化法压电晶体法磨削力的理论公式对磨削过程做定性分析和大致估算具有重大作用,但由于磨削加工情况的复杂,磨削力影响因素较多,且目前对磨削机理研究不成熟所以一般采用实验法来确定。功率计法功率计法是根据电动机输入功率来计算切向磨削力的。由于磨床的砂轮轴多由独立的电机直接驱动,因此,可用电功率表实现测磨头电动机的功率PE,然后按照下式计算:式中:𝜂E−电动机传动效率;𝑃E-磨头电动机实测输入功率,KW;𝑛𝑠−砂轮转速;𝑑𝑠−砂轮直径,mm;ssEEtdnPF电阻应变测力法用应变片测定平面磨削力是工业生产中常见的测力方法。其主要原理是将应变片贴在特定的结构上。在磨削过程中,由于结构受到磨削力的作用而变形,因而使得应变片也随之发生形变,导致了应变片本身电阻值的改变,从而改变了电桥的平衡。通过电阻应变仪的转换、放大,则可以测得磨削力。平面磨削应变测力仪以及电路图电容变化法测量磨削力利用电容量的微小变化进行磨削力的测定的例子。在磨削过程中,顶尖受力弯曲时,极板与顶尖之间的间隙将发生变化。若预先在极板和顶尖之间施加一定的电压,电容量就会发生变化,对于这个变化进行放大并
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