磨削原理
發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽：1962
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研究磨具與工件在磨削加工過程中的各種物理現(xiàn)象及其內(nèi)在聯(lián)系的一門學(xué)科。磨削原理的研究內(nèi)容主要包括磨屑形成過程、磨削力和磨削功率、磨削熱和磨削溫度、磨削精度和表面質(zhì)量、磨削效率等，目的在于深入了解磨削的本質(zhì)，并據(jù)以改進(jìn)或創(chuàng)造磨削方法。 磨削原理的研究始于1886年，美國的C.H.諾頓和C.艾倫合作研究砂輪和磨削過程，20年之后制訂出正確選擇砂輪類別和砂輪速度的原則；同時(shí)發(fā)現(xiàn)為了提高磨削效率和精度，必須對(duì)砂輪進(jìn)行平衡，并在磨削過程中正確地修整砂輪(見砂輪修整)和使用切削液。1914～1915年，英國的J.格斯特和美國的G.奧爾登對(duì)磨削用量、磨屑大小和選擇砂輪等問題又作了進(jìn)一步的研究。此后，磨削原理的研究不斷深入。在磨屑形成方面，德國的K.克魯格對(duì)砂輪上磨粒與工件的接觸弧長和影響單顆磨粒的切深的因素進(jìn)行了幾何計(jì)算和研究 在1925年提出了研究報(bào)告。德國的M.庫萊恩和G.施勒辛格爾以及日本的關(guān)口八重吉等人對(duì)磨削力作了研究，在20年代末至30年代先后提出了磨削過程中影響磨削力的諸因素，并使磨削力的測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展。從30年代起，隨著測(cè)量磨削表面溫度實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展 推動(dòng)了有關(guān)磨削熱的理論研究。對(duì)于砂輪磨削性能的理論研究 導(dǎo)致一系列新型高速砂輪的出現(xiàn) 發(fā)展了砂帶磨削。由于金剛石和立方氮化硼磨料的應(yīng)用，磨削原理又得到新的發(fā)展。70年代以來，應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)磨削的微觀過程和超精密磨削的機(jī)理作了深入的分析。
圖1 磨粒的切削過程(局部放大) |
圖2 磨屑的形狀 |
磨屑形成過程 磨粒在磨具上排列的間距和高低都是隨機(jī)分布的，磨粒是一個(gè)多面體，其每個(gè)棱角都可看作是一個(gè)切削刃，頂尖角大致為90°～120°，尖端是半徑為幾微米至幾十微米的圓弧。經(jīng)精細(xì)修整的磨具 其磨粒表面會(huì)形成一些微小的切削刃，稱為微刃。磨粒在磨削時(shí)有較大的負(fù)前角(見刀具)，其平均值為-60°左右。磨粒的切削過程可分3個(gè)階段。①滑擦階段：磨粒開始擠入工件，滑擦而過，工件表面產(chǎn)生彈性變形而無切屑。②耕犁階段：磨粒擠入深度加大，工件產(chǎn)生塑性變形，耕犁成溝槽，磨粒兩側(cè)和前端堆高隆起；③切削階段：切入深度繼續(xù)增大，溫度達(dá)到或超過工件材料的臨界溫度，部分工件材料明顯地沿剪切面滑移而形成磨屑。根據(jù)條件不同，磨粒的切削過程的3個(gè)階段可以全部存在，也可以部分存在。磨屑的形狀有帶狀、擠裂狀和熔融的球狀等，可據(jù)以分析各主要工藝參數(shù)、砂輪特性、冷卻潤滑條件和磨料的性能等對(duì)磨削過程的影響，從而尋求提高磨削表面質(zhì)量和磨削效率的措施。 磨削力和磨削功率 磨削時(shí)磨粒受到工件材料變形的阻力以及磨粒與工件表面間的摩擦力，形成磨削力。磨削力可按工件與磨具的相對(duì)位置分解為切向分力Ft，法向分力Fn和軸向分力Fa。一般法向分力較大，隨著工件材料和砂輪特性的不同，Fn/Ft=1.5～3；當(dāng)采用潤滑性能好的切削液時(shí)，由于摩擦力減少，Fn/Ft可高達(dá)4。軸向分力較小，一般可不予考慮。磨削功率Pm(千瓦)與切向分力F(N)和磨削速度(米/秒)的關(guān)系如下式：Pm=Ft·v/1000。在特定的磨削條件下，都有一個(gè)最佳磨削力區(qū)間，采用該區(qū)間的磨削力加工可獲得較高的金屬切除率、較小的表面粗糙度和較長的砂輪壽命，因此發(fā)展了在磨削過程中使磨削力按預(yù)定數(shù)值保持恒定的控制力磨削技術(shù)。 磨削熱和磨削溫度 磨削過程中所消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟ハ鳠�。試�?yàn)研究表明，根據(jù)磨削條件的不同，磨削熱約有60～85％進(jìn)入工件，10～30％進(jìn)入砂輪，0.5～30％進(jìn)入磨屑，另有少部分以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射形式散出。磨削時(shí)每顆磨粒對(duì)工件的切削都可以看作是一個(gè)瞬時(shí)熱源，在熱源周圍形成溫度場(chǎng)。磨削區(qū)的平均溫度約為400～1000℃，至于瞬時(shí)接觸點(diǎn)的最高溫度可達(dá)工件材料熔點(diǎn)溫度。磨粒經(jīng)過磨削區(qū)的時(shí)間極短 一般在0.01～0.1毫秒以內(nèi)，在這期間以極大的加熱速度使工件表面局部溫度迅速上升，形成瞬時(shí)熱聚集現(xiàn)象 會(huì)影響工件表層材料的性能和砂輪的磨損。 磨削精度和表面質(zhì)量 大多數(shù)情況下磨削是最終加工工序，因此直接決定工件的質(zhì)量。磨削力造成磨削工藝系統(tǒng)的變形和振動(dòng)，磨削熱引起工藝系統(tǒng)的熱變形，兩者都影響磨削精度。磨削表面質(zhì)量包括表面粗糙度、波紋度、表層材料的殘馀應(yīng)力和熱損傷(金相組織變化、燒傷、裂紋)。影響表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂輪表面狀態(tài)(也稱砂輪地形圖)、切削液、工件材質(zhì)和機(jī)床條件等。產(chǎn)生表面波紋度的主要原因是工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。由于磨削熱和塑性變形等原因，磨削表面會(huì)產(chǎn)生殘馀應(yīng)力。殘馀壓應(yīng)力可提高工件的疲勞強(qiáng)度和壽命；殘馀拉應(yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，當(dāng)殘馀拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋。磨削過程中因塑性變形而發(fā)生的金屬強(qiáng)化作用，使表面金屬顯微硬度明顯增加，但也會(huì)因磨削熱的影響，使強(qiáng)化了的金屬發(fā)生弱化。例如砂輪鈍化或切削液不充分，在磨削表面的一定深度內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)回火軟化區(qū)，使表面質(zhì)量下降，同時(shí)在表面出現(xiàn)明顯的褐色或黑色斑痕，稱為磨削燒傷。 磨削效率 評(píng)定磨削效率的指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)所切除材料的體積或質(zhì)量，用mm3/s或kg/h表示。提高磨削效率的途徑有：①增加單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)，如采用高速磨削或?qū)捝拜喣ハ�；②增加每顆磨粒的切削用量，如采用強(qiáng)力磨削。在砂輪兩次修整之間 切除金屬的體積與砂輪磨損的體積之比稱為磨削比(也有以兩者的重量比表示的)。磨削比大，在一定程度上說明砂輪壽命較長。磨削比減小，將增加修整砂輪和更換砂輪的次數(shù)，從而增加砂輪消耗和磨削成本。影響磨削比的因素有：?jiǎn)挝粚挾鹊姆ㄏ蚰ハ鞣至Α⒛ハ魉俣纫约澳チ系姆N類、粒度和硬度等。一般單位法向磨削分力越小或磨削速度越高，則磨削比越大；砂輪粒度較細(xì)和硬度較高時(shí)，磨削比也較大。
