磨削工艺-磨削机理与磨削机和参数-ch3

磨削机理与磨削几何参数栗正新教授河南工业大学2012.5Grindingmechanismandgeometry磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院2Outlook磨削加工方法种类常用磨削加工运动参数磨削中的磨粒磨削机理磨削几何学参数磨削性能表征参数磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院3磨削加工方法分类磨削加工磨削加工固定磨粒加工固结磨具加工振动磨削砂轮磨削珩磨超精磨削电解磨削涂附磨具加工叶轮磨削砂带磨削自由(游离)磨粒加工研磨抛光滚磨喷射加工磨料流加工弹性抛射加工页布(纸)加工磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院4磨削加工方法分类-参考车削加工车削加工磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院5磨削加工方法分类-参考车削加工车削加工磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院6磨削加工方法分类-参考车削加工刀具几何角度①主偏角κr基面中测量的主切削刃与假定进给运动方向之间的夹角称为主偏角。②刃倾角λs切削平面中测量的主切削刃与过刀尖所作基面之间的夹角称为刃倾角。③前角γO正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角称为前角。④后角αO正交平面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角称为后角。⑤副偏角κr‘基面中测量的副切削刃与假定进给运动方向之间的夹角称为副偏角。⑥副后角αO’副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角称为副后角。⑦楔角βO正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角称为楔角βO=90o-（γO+αO）⑧刀尖角εr基面中测量的主、副切削刃之间的夹角称为刀尖角。εr=180o－（κr+κr‘）刀具几何要素-三面二韧一尖（1）前刀面A）切屑流出时经过的刀面称为前刀面。（2）后刀面Aα与过渡表面相对的刀面称为后刀面（也称主后刀面）。（3）副后刀面Aα′与已加工表面相对的刀面称为副后刀面。（4）（主）切削刃S前刀面与后刀面汇交的边缘称为（主）切削刃。在切削加工过程中，它承担主要的切削任务。（5）副切削刃S′前刀面与副后刀面汇交的边缘称为副切削刃。它承担少量的切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已加工表面。（6）刀尖刀尖是主、副切削刃的连接部位，或者是主、副切削刃的交点。大多数刀具在刀尖处磨成一小段直线刃或圆弧刃，也有一些刀具主、副切削刃直接相交，形成尖刀尖。切削运动了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。切削运动分为主运动和进给运动。主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速度高、消耗功率大。进给运动是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。合成运动是当主运动与进给运动同时进行时，这两个运动的合成运动。切削要素包括切削用量和切削层参数。切削用量三要素1)切削速度：切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬时速度2)进给量：在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。3)背吃刀量（切削深度）：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量，单位为mm，也就是工件待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将背吃刀量称为切削深度。磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院7磨削加工-按加工对象分类磨削加工-按砂轮与工件的相对运动关系分类往复式和切入式磨削加工-按砂轮与工件干涉处的运动线速度方向磨削加工方法分类平面磨削外圆磨削内圆磨削无心磨削自由磨削杯形砂轮端面磨VWVS顺磨VWVS逆磨磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院8磨削加工方法分类磨削加工Thetypesofworkpiecesandoperationstypicalofgrinding:(a)cylindricalsurfaces,(b)conicalsurfaces,(c)filletsonashaft,(d)helicalprofiles,(e)concaveshape,(f)cuttingofforslottingwiththinwheels,and(g)internalgrinding磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院9磨削加工方法分类磨削加工-无心磨Centerless-GrindingOperations磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院10磨削加工方法分类磨削加工ProcessCharacteristicsMaximumdimension(m)*SurfaceFlatsurfacesonmostmaterials;productionratedependsontablesizeandautomation;laborskilldependsonpart;productionrateishighonvertical-spindlerotary-tabletype.ReciprocatingtableL:6RotarytableD:3CylindricalRoundworkpieceswithsteppeddiameters;lowproductionrateunlessautomated;laborskilldependsonpartshape.WorkpieceD:0.8RollgrindersD:1.8UniversalgrindersD:2.5CenterlessRoundworkpiece;highproductionrate;lowtomediumlaborskill.WorkpieceD:0.8InternalBoresinworkpiece;lowproductionrate;lowtomediumlaborskill.HoleD:2HoningBoresandholesinworkpiece;lowproductionrate;lowlaborskill.SpindleD:1.2LappingFlatsurfaces;highproductionrate;lowlaborskill.TableD:3.7UltrasonicmachiningHolesandcavitiesofvariousshapes,particularlyinhardandbrittlenonconductingmaterials.—*Largercapacitiesareavailableforspecialapplications.L=length;D=diameter.磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院11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工件磨粒磨屑磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院12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。磨削机理和磨削几何参数磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院13•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磨削机理和磨削几何参数磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院14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、磨粒切刃的分布磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院15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倍磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院16•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削机理和磨削几何参数磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院17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。磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院18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磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院19二、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磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院20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磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院21igiwγγKSKSVsVsDhxA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磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院22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。磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院23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。磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院24•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磨削机理和磨削几何参数磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料