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1、第4章磨削理论 内容提要 4 1磨削加工的概念4 2磨削运动与磨削要素4 3磨削过程4 4磨削力及磨削功率4 5磨削温度4 6砂轮的磨损与修整本章思考题 4 1磨削加工的概念 一 磨削加工的定义磨削加工是磨粒加工方法的一种 广义的磨削加工是指采用固定磨粒工具进行的加工 狭义的切削加工是指使用高速旋转的平行砂轮 以微小的切削厚度进行精加工的一种方法 随着超硬磨料和其他新磨料的出现及磨削制造技术的提高 磨削加工的能力和范围正在扩大 各种新磨削工艺的应用 磨削不仅是一种精密加工方法 而且是一种高效的加工方法 1 砂轮磨粒切削刃是非常硬的矿物质2 磨粒切削刃的前角是负前角3 砂轮是由很多非常细小的切削
2、刃组成的多刃刀具4 磨粒切削的速度非常快5 磨粒切削刃具有自锐作用6 磨削易于对砂轮进行修行修锐7 在断续切削中的磨削力的变化非常小8 磨削点的温度很高 二 磨削的特点 4 2磨削运动和磨削要素 4 2 1磨削运动 1 主运动 砂轮的旋转运动 主运动速度vc 砂轮外圆的线速度 1 金属材料切除率 4 2 2磨削要素 b 单位砂轮宽度切除率 a 每秒金属切除量 2 砂轮与加工表面的接触弧长 平面磨削时的接触弧长 3 砂轮的等效直径等效直径的概念 将接触弧长相等时外圆 或内圆 的砂轮直径换算成假想的平面磨削时的直径 外圆磨削砂轮的等效直径 内圆磨削砂轮的等效直径 砂轮与加工表面的接触长度同时影响参
3、加磨削的磨粒数目及磨粒负荷 而且影响磨屑的容纳和排除 以及冷却条件的改善 等效直径的概念是为了比较内 外圆磨削和平面磨削方式的特点而提出的 通过等效直径可以分析内 外圆磨削和平面磨削这三种磨削方式中的磨削条件的关系 通过上述两个等效直径的公式可以看出 当径向进给量 和砂轮直径相同的前提下 内圆磨削的接触弧长最大 平面磨削的次之 外圆磨削的最小 4 单个磨粒的磨削厚度磨削厚度影响磨削力 磨削温度 磨削表面质量以及砂轮的磨损 磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 外圆磨削时每个磨粒的最大切削厚度为 附录接触弧长 等效直径的公式的推导 一 接触弧长 二 砂轮等效直径 三 单个磨粒的切削厚度 4 3磨削过程
4、 一 磨粒的形状特点磨粒的顶尖角通常为90 120 磨粒以较大的负前角进行切削 磨粒的切削刃和前刀面极不规则 磨粒形状 大小各异 一般都有钝圆半径 切削刃排列不规则 呈随机分布状态 4 3 1砂轮表面形貌图及磨粒的形状特点 图4 1磨粒形状 二 砂轮表面形貌图磨粒在砂轮中的位置分布和取向是随机的 每个磨粒有多个切削刃 图34 2所示的是以xy坐标平面与砂轮最外层工作表面接触时 磨粒在xyz坐标空间内的分布状态 以平行于yz坐标面所截取的磨粒切削刃轮廓图 称为砂轮工作表面的形貌图 Lg1 Lg2 在该截面内各磨粒平均中线间的距离 Ls1 Ls2 在该截面内各切削刃之间的距离 Zs1 Zs2 切削
5、刃尖端离砂轮表层顶部平面的距离 砂轮表面形貌图是磨削中的一个重要的研究现象 在磨削过程中他是不断变化的 是磨削时间的函数 其变化取决于磨削条件 通过对其了解 在一定程度上可任预测磨削已加工表面粗糙度的大小 分析和控制磨削过程 图4 2砂轮工作表层磨粒切削刃空间图 4 3 2磨屑的形成过程与磨削阶段 一 磨削过程1 滑擦阶段工件表层产生弹性变形和热应力 2 刻划阶段产生塑性变形沟痕隆起现象和热应力 3 切削阶段切削厚度 切应力和温度达一定值 材料明显滑移形成切屑 图4 3磨粒切削过程 二 磨削阶段 1 初磨阶段由于工艺系统的弹性变形 实际磨削深度小于径向进给量 2 稳定阶段实际磨削深度基本上等于
6、径向进给量 3 清磨阶段工艺系统弹性变形逐渐恢复 实际磨削深度大于零 在无切深情况下增加走大次数 使实际磨削深度趋于零 直到磨削火花消失 图4 4磨削过程的三个阶段 4 4磨削力及磨削功率 4 4 1磨粒的受力情况 图4 5磨削的受力情况 4 4 2磨粒的负前角磨削对磨削力的影响 磨粒的顶尖角多为90 120 其前刀面实际上是一个空间曲面 磨粒有一定的切削刃钝圆半径 磨粒实际上多数是在粒端负前角下切削工作 该负前角多数为 70 89 用负前角的硬质合金刀具模拟磨粒切削工件 1 负前角对切削过程的影响 前刀面之前的金属流分为两路 一路进入刀具下面 一路沿前刀面上升而成为切屑 两路之间有一分流点
7、2 负前角对切削力的影响 法向力大于切向力 切削速度升高 切削力降低 图4 6负前角切削时的金属流动 结论 由于磨粒的负前角 刃端钝圆半径和很小的切削厚度 磨粒对工件的切削条件很差 实际上是划擦 刻划对工件表层产生了很大的塑性变形 达到一定程度后 切屑才能沿前刀面流出 图4 7负前角与切削力的关系 4 4 3砂轮上的磨削力 1 工件有一定的粗糙度 砂轮磨粒是三维分布 磨粒在空间发生磨削作用 磨粒的最大切削深度与最小切削深度在1 2之间变化 该比值由工件原始表面粗擦度以及砂轮 工件粗糙度的比值决定 图4 8磨削力 a 外圆圆磨 b 切入磨 c 平面磨 d 端面磨 3 4 4磨削力对磨削过程的影响
8、 4 4 5磨削功率 功率的确定 比磨削能 图4 9成形磨削时的磨削力与磨削用量的关系 图4 10 砂轮 WA80K10V 工件 中碳钢 单位宽度磨除率 Z 4mm mm s 修整速比 qd 0 5 砂轮速度 vc 30mm s 砂轮半锥角 60 4 5磨削温度 磨削表面的热损伤表现为烧伤及产生热裂纹 一 磨削时的能量消耗1 磨削能量消耗的形式磨粒对工件的切削 滑擦 刻划 切削 磨削消耗的能量 滑擦能 刻划能 切屑形成能 剪切能和摩擦能 研究表明 切屑形成能约45 55 传入工件 刻划能约有75 传入工件 滑擦能约有69 传入工件 2 磨削能量消耗与磨削用量的关系 1 工件进给速度和磨削深度增
9、加 平均单位体积切削能量消耗降低 2 磨粒磨损增加 滑擦能增加 二 磨削温度1 磨削温度的种类 2 磨粒切削温度及其与切削用量的关系 把磨粒切削工件当作一把刀具切削工件 可以测出磨粒切削刃附近的温度分布 即切屑下部及磨粒磨损平面下的工件表面的温度分布 如图4 12所示 图4 11磨削温度的来源 图4 12磨粒切削刃附近工件表面温度分析 由于切屑形成及刻划引起的温度变化 磨粒与工件摩擦时引起的温度变化 两者的叠加切削刃A点下的瞬时温度可达1400 左右 磨削温度的分布规律 1 切削刃上的瞬时温度可达1400 左右 2 单颗粒磨粒的切削温度常常达到金属的熔点 3 对于一定的金属材料 其磨屑形成的温
10、度为一常数 磨粒磨削点的温度与磨削用量的关系 接触面温度与磨削用量的关系 工件表面单位面积上的能量输入 能通量 能通量表征的是工件受热影响区域的深度 三 磨削温度对工件表面的影响1 磨削烧伤 磨削时磨削热引起工件表面温度过高 使加工表面组织 金相组织 发生变化 从而使加工表面的硬度和塑性发生变化 在加工表层瞬间发生的氧化变色现象 即工件表层产生氧化膜的回火颜色 影响磨削烧伤的因素 不同的变质层厚度 呈现不同的烧伤颜色 工件速度增加 工件产生烧伤较晚 砂轮耐用度高 磨粒颗粒较细 工件产生烧伤较早 砂轮耐用度低 反之 磨削钢料时 烧伤产生于磨粒磨损达到一定限度时 研究表明 砂轮上磨损面积超过总工作
11、面积的4 时 就会出现烧伤 磨削烧伤对加工表面的影响 工件表面烧伤的表征是磨削力增加 砂轮磨损率增加和加工表面质量降低 当钢件表面温度超过相变温度 奥氏体化温度A1 时 就会形成奥氏体 随后工件较深处较冷的基体淬硬而得到马氏体硬层 称为二次淬火烧伤 减少磨削烧伤的主要途径 减小磨削深度选用较软砂轮减小砂轮与工件的接触面积与时间选用大气孔砂轮和开槽砂轮 便于冷却液的渗入 磨削烧伤的预报与控制 利用磨削烧伤时的临界状态预报烧伤的发生 由磨削条件对磨削烧伤的影响实验可知 当砂轮速度和接触弧长的乘积达到某一临界值就会发生磨削烧伤 该临界状态为 上式中 临界常数Cb是由工件种材料和砂轮种类决定的 粒度越
12、细 硬度越高 该临界常数越小 不发生烧伤的的条件范围窄 易发生烧伤 2 残余应力 磨削裂纹金属在机械加工和热处理过程中受到外力和内力的作用 当停止这些过程后 仍然存留并平衡在物体内部的内应力称为残余应力 磨削残余应力产生的原因 1 塑性变形的影响 磨粒在工件表面向前移动时 该部分产生塑性变形与塑性流动 磨粒移动过后 工件表面产生的塑性变形使沿表面方向收缩 垂直方向伸长 呈现所谓的 压粗效应 其结果形成拉应力 2 挤光作用的影响 使加工表面产生压应力 3 热应力的影响 切削时 由于强烈的塑性变形和摩擦 使已加工表层的温度比里层高 形成不均匀的温度分布 表层金属膨胀与收缩都受里层金属的阻碍 从而产
13、生热应力 当以加工表面的表层金属高于相变温度后 则表层组织可能发生相变 由于各种金相组织的不同 从而产生残余应力 4 6砂轮的磨损 耐用度与修整 4 6 1砂轮磨损的形式磨粒顶部磨平变钝 磨粒与工件的摩擦 磨粒磨损 扩散磨损与粘接磨损 砂轮糊塞 磨屑嵌入砂轮孔穴而造成堵塞 磨粒显微碎裂 磨粒小部分分裂 磨粒破碎 磨粒大部分分裂 形成新磨刃 磨粒脱落 结合剂破碎 砂轮在与工件接触瞬间磨粒才受磨削力及高温的作用 因此磨粒是在交变作用的机械载荷和热载荷的作用下产生磨损 上述五种磨损形式中 前面三种统称为磨耗磨损 其特征是磨粒被一层一层的磨损掉 后面三种称为破碎磨损 包含了磨粒的破碎及结合剂的破碎 其
14、磨损的强读取决于磨削力的大小以及磨粒和结合剂的强度 4 6 2砂轮磨损原因机械磨损 磨粒与硬质点间的相对滑擦产生 化学磨损 表现为磨粒的氧化 去氧化 氧化 以及在磨削区高温条件下 磨料 工件材料 冷却润滑剂 结合剂之间的化学反应 扩散磨损 在磨削高温条件下 磨粒与工件紧密接触表面原子间的相互扩散现象 粘附磨损 磨屑粘附或堵塞在磨粒上 使砂轮失去切削能力 热应力破碎 磨粒瞬间的急剧升温和急剧冷却 产生的热冲击使砂轮开裂破碎 塑性磨损 磨粒塑性变形 取决于磨粒与工件材料的热硬性 4 6 3砂轮耐用度砂轮耐用度是指砂轮两次修整间的加工时间 精磨时 用磨出的工件数目表示 砂轮达到耐用度的判别标准 砂轮
15、磨损量达到一定数值时会使工件发生颤振 表面粗糙度突然增加 发生表面烧伤 4 6 4砂轮的修整一 修整目的 消除钝化的磨粒和堵塞层 恢复砂轮的切削性能及正确的形状 二 修整方法 1 修整工具不做旋转运动 砂轮旋转 金刚石笔 2 修整工具做旋转运动 有时还做直线运动 金刚石滚轮 3 修整工具是钢或硬质合金的挤压轮 用两个挤压轮来修整砂轮时 二者先对于砂轮的速度大小相等 方向相反 砂轮上磨粒收到二相反的作用力容易脱落 本章思考题 1 比较磨削和单刃刀具切削的异同 2 什么是等效直径 使用等效直径有何意义 3 试比较相同径向进给量 背吃刀量 和相同的砂轮直径条件下外圆 平面 内圆磨削的接触长 接触时间及其对砂轮磨损的影响 4 分析磨削烧伤的原因及解决办法
