（机械制造及其自动化专业论文）冷作模具钢cr12mov磨削机理研究.pdf

硕十学位论文 摘要 钢管扩径作为u o e 制管工艺的最后一道工序，也是直缝埋弧焊管生产中产 品得到最后尺寸和精度的关键工艺，它是利用扩径头模块在钢管内扩胀，改善尺 寸精度和达到消除钢管的成型压力和焊接应力。为了适应现场的加工环境，要求 扩径头模块在满足性能、精度等条件下，其表面质量尽可能高。本课题结合上海 宝钢5 撑扩径头研制项目，采用冷作模具钢c r l 2 m o v 为扩径头模块术于料，对扩径 头模块磨削过程中工艺参数进行了选择，并借助a n s y s 有限元软件，分析了精 磨过程中磨削热、磨削力对扩径头表面质量的影响，为扩径头的加工提供理论依 据，对于磨削材料为c r l 2 m o v 的模块工艺参数优化有十分重要的意义。 本文在理论上分析了现场磨削c r l 2 m o v 材料的扩径头模块过程中其磨削参 数对加工表面质量的影响，采用有限元a n s y s 软件，对扩径头模块磨削热、磨 削力对其磨削后表面质量的影响进行模拟仿真。本文的主要工作具体包括： 1 、对c r l 2 m o v 材料的扩径头模块磨削机理进行了分析，并在此基础上作出 对磨削工艺参数的选择，其中包括砂轮的选型、砂轮转速、工件转速、磨削深度 和切削液等的选择。 2 、通过热源法求解磨削区瞬态温度场，获得扩径头模块磨削过程瞬态温度场 的分布，并在此基础上得到了磨削热热应力对扩径头模块表面质量的影响。 3 、通过对磨削力的计算，依据有限元分析，对扩径头模块磨削过程进行了瞬 态动力学分析；并依据不同的磨削参数( 磨削深度、砂轮线速度和工件转速) ，对 磨削后扩径头模块的表面质量进行了比较。在此基础上提出了对扩径头磨削磨削 参数的改进方案，以达到提高现场磨削c r l 2 m o v 扩径头模块表面质量的目的。 关键词：扩径头模块；c r l 2 m o v ；温度场；有限元分析；瞬态动力学分析 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 a b s t r a c t s t e e lp i p ee x p a n d i n gi st h el a s tp r o c e s so fu o e t e c h n o l o g ya n da l s ot h ek e y t e c h n o l o g yo fg e t t i n gf i n a ls i z ea n da c c u r a c yi nt h ep r o d u c i n go fl s a w ( l o n g i u d i n a l s u b m e r g e da r ew e l d e dp i p e ) ，i ti st h eu s eo fe x p a n s i o no fe x p a n d e rt o o lm o d u l ei nt h e s t e e lp i p et oi m p r o v es i z ea c c u r a c ya n de l i m i n a t et h ep r e s s u r ep i p ef o r m i n ga n dw e l d i n gs t r e s so fs t e e lp i p e t om e e tt h eo n s i t ep r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t ，e x p a n d e rt o o lm o d u l er e q u i r e dt om e e tp e r f o r m a n c e ，a c c u r a c ya n do t h e rc o n d i t i o n s ，i t ss u r f a c eq u a l i t y a sh i g ha sp o s s i b l e t h i st h e s i sc o m b i n e dw i t hs h a n g h a ib a o s t e e l5 群e x p a n d e rt o o lr e s e a r c hp r o j e c t ，u s i n gc o l dd i es t e e lc r l 2 m o va sm a t e r i a l sf o re x p a n d e rt o o lm o d u l e ， a n ds e l e c t i n gt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fe x p a n d e rt o o lm o d u l ei nt h eg r i n d i n ga n d c u t t i n gp r o c e s s ，a n da n a l y s i s i n gt h eg r i n d i n gh e a ta n dg r i n d i n gs t r e n g t ht oi n f l u e n c e e x p a n d e rt o o ls u r f a c eq u a l i t yi nt h ea c c u r a c yg r i n d i n gp r o c e s su n d e rt h eh e l po f a n s y s ，p r o v i d e i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r o c e s s i n go fe x p a n d e rt o o l ，f o rg r i n d i n ga n dc u t t i n gm a t e r i a l sc r l 2 m o vi nt h em o d u l et e c h n o l o g yf o rt h eo p t i m i z a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i st h e o r e t i c a la n a l y s i st h eg r i n d i n ga n dc u t t i n gp a r a m e t e r so fi n f l u e n c e f o rw o r k i n gs u r f a c e q u a l i t yi n t h ep r o c e s s i n go fo n - s i t eg r i n d i n ga n dc u t t i n g c r l 2 m o vm a t e r i a le x p a n d e rt o o lm o d u l e u s i n ga n s y ss o f t w a r et os i m u l a t ef o rt h e i m p a c to ft h ee x p a n d e rt o o lm o d u l eg r i n d i n ga n dc u t t i n gh e a ta n dg r i n d i n ga n dc u t t i n g s t r e n g t hf o rt h eg r i n d e da n dc u t t e ds u r f a c eq u a l i t y i n c l u d i n g ： 1 h a v em a d et h ea n a l y s i so fc r l 2 m o vg r i n d i n gm e c h a n i s mf o re x p a n d e rt o o l m o d u l e ，a n ds e l e c t e dt h eg r i n d i n gp a r a m e t e r so nt h i sb a s i s ，i n c l u d i n g t h es e l e c t i o n s o fw h e e lt y p e ，w o r k p i e c es p e e d ，g r i n d i n gd e p t ha n dc o o l a n t 2 h a v es o l v e dt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dt h r o u g ht h em e t h o do f h e a t s o u r c e ，a n do b t a i nt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ee x p a n d e rt o o lm o d u l e ， a n do b t a i nt h ea f f e c to fg r i n d i n gh e a tf o rs u r f a c eq u a l i t yo ft h ee x p a n d e rt o o lm o d u l e 3 t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no fg r i n d i n gs t r e n g t h ，b a s e dt h ea n a l y s i so fa n s y s ， h a v em a d et h ea n a l y s i so ft r a n s i e n td y n a m i c sf o rt h ep r o c e s so fg r i n d i n ge x p a n d e r t o o lm o d u l e ，a n dm a k eac o m p a r i s o nf o rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s h a v ep r o p o s e d i m p r o v e m e n tp r o g r a mf o rg r i n d i n go ft h ee x p a n d e rt o o lm o d u l eo nt h eb a s e s ，i no r d e r t oi m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo fg r i n d i n gc r l2 m o v 硕二e 学位论文 k e y w o r d s ：e x p a n d e r t o o l m o d u l e ；c r l 2 m o v ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ；t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s i i i 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 插图索引 图1 1 扩径头原理图1 图1 25 撑扩径头结构图2 图1 3 待整体组装5 群扩径头模块3 图1 45 撑扩径头组装图3 图2 1 负前角切削时的金属流动一9 图2 2 不同前角切削时的温度对比1 0 图2 3 磨粒的磨削过程1 2 图2 4 几何接触弧长度1 3 图2 5 磨削过程中的磨削力1 4 图2 6 磨粒上的作用力1 5 图2 7 磨粒上的作用力分布图1 5 图3 1 点热源坐标图2 9 图3 2 扩径头模块有限元模型3 9 图3 3 扩径头扇形块划分单元格模型4 0 图3 4 施加对流边界条件4 2 图3 5 扩径头模块截面温度分布图4 2 图3 6 扩径头模块磨削参数一热变形图4 3 图3 7 扩径头模块磨削参数二热变形图4 4 图4 1 载荷时间关系曲线与载荷步4 8 图4 2t = 9 2 s 磨削表面变形图4 9 图4 3t = 1 3 3 s 磨削表面变形图4 9 图4 4t = 2 0 0 s 磨削表面变形图4 9 图4 5t = 3 0 3 s 磨削表面变形图4 9 图4 6 节点位移变化历程4 9 图4 7a 。= 0 0 1 m m 时节点最大位移变化图5 0 图4 8v = 3 5 m s 时节点最大位移变形图5 1 i v 硕十学位论文 附表索引 表1 1c r l 2 m o v 化学成分( w t ) 5 表2 1 磨削力计算公式中的指数值1 7 表2 2 常用砂轮等级2 0 表3 1 常见磨削温度分类及其测量方法2 7 表3 2c r l 2 m o v 材料性能3 1 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 刍了馨磊 日期：劢，年j 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 钾睬办 别谧轹r - _ ，1 研qu 日期：加9 年 日期：2 口，牟 【月1 日 r 月参1 日 顿十 位论立 第1 章绪论 1 1 课题背景及课题意义 随着技术创新与高科技产品的不断涌现，要求零件加工有更高的精度、表面 粗糙度年f 1 表面完整性。磨削 j h _ e 具有加工精度高、表面粗糙度小的特点，始终 是主要的精密和超精密加工方法，它对国防、航空航天及国民经济各高科技领域 巾精密零件的研制具有重要作用是体现一个国家制造技术水平高低和参与国际 市场竞争力的标志，因此受到各工业发达国家的重视。在模具行业中，磨削加l ： 工作量将占模具总的制造工时的2 5 4 5 【”。 大直径直缝埋弧焊管被广泛地j ； j 于石油、天然气、矿浆和煤浆的输送。特别 是对管线安全可靠性要求高( 主要是存人口密聚区、河流、海底和交通要道地区) 、 输送压力高岔有腐蚀介质的管道大多采用此种钢管。大直径直缝埋弧焊管在制造 过程中广泛地应用机械式扩径机扩径作为u o e 制管工艺的虽后一道工序，也 是直缝埋弧焊管生产中产品得到最后尺寸和精度的关键工艺。在钢管生产中，对 焊后的钢管扩径，可以消除变形，改善尺寸精度提高钢管的平直度并消除 残余应力，提高屈服强度。 目前，国内的钢铁企业使用的机械扩径机太多引进国外，如上海宝钢集| ；| 引 进的为德国s m sm e e t 公司的扩径设备。扩径头作为机械式扩径机的关键部件，主 要由扩径头模块、斜块、锥体和t 形条组成，结构原理图见圈il 。 r 蕊蕊惑懋粼尚1 、 轻 l 攀邋闻淤黜一 锥体2t 形条3 斜块 4 模块5 扩径杆 图11 扩径头原理图 a 怍模具钢c t l 2 m o v 府削机理 究 扩径时扩径轩向右运动，带动锥体向右移动，迫使扩径头模块4 圆耶周长 变大，向外扩胀，内锥体的力借助扩径头模块4 圆周方向作用于被扩径钢管内壁 上，从而使与模块4 外圆周相接触的一段钢管得到扩径。 在扩径头部件中，扩径头模块一般为6 1 2 块，并均匀分布在扩径头圆周。 一般扩径头可根据被扩径钢管直径的大小配用不同规格的模块对钢管进行扩径。 钢铁企业加工钢管的舰格是随需求变化的，考虑到供货周期就需要在短时间内配 备不同规格的扩径头模块。进几扩径头模块一般供货周期在1 8 2 6 周，且成本高， 所以，保证设备性能不被降低的情况下，国产化生产扩径头模块尤为重要。 本课题来源于上海宝钢5 。扩径头研制项目，主要针对c r l 2 m o v 材料的扩径 头模块的磨削过程进行重点讨论。图1 2 为5 4 扩径头结构图，此扩径头可配多组 模块，适合壁厚为8 3 2 m r a 的钢管扩径，图中最外圈的1 2 块扩径头模块为其中 组模块。 扣 图125 扩径头结构图 图13 为待整体组装磨削加二i 二5 扩径头模块图，该组模块组装后要求模块收 拢时最小间隙为45 r a m ，扩胀时最大间隙为2 7 8 m m ，扩张后堆大直径为1 2 1 9 r a m 。 此模块材料为冷作模具钢c r l 2 m o v 。在扩径过程中，扩径杆带动锥体最终迫使圆 周方向的扩径头模块扩胀，使扩径头模块作用于待加工钢管内壁上，摄终实现钢 管的扩径。由其工作过程可知，在扩径时，扩径头模块的外表面与较硬的钢管内 表面相互摩擦，因此其表面极易产生疲劳破坏，井需要高的耐磨性和高的硬度 而疲劳强度和耐磨性的好坏与零件的表面粗糙度及其表面层的质量等都有密切的 关系。该组扩径头模块磨削加工前材料热处理硬度为h r c 6 0 6 3 ，且组装后故 给加工带来很大的困难。本课题选取扩径头模块为研究对象，对其最终踌削工艺 过程进行分析，结合有限元仿真软件对磨削过程中的热应力、磨削力导致的表 面变形进行模拟仿真，以此实现对磨削工艺的优化。 图13 待整体组装5 扩径头模块 图145 。扩径款纽装囝 12 国内外扩径头研究现状 赢缝坪弧焊管牛产巾，u o e 成型工艺是目前效率最高，牛产能力最强的成型 技术，具体过程为将经过超声波探伤台格后的钢板沿纵向进行铣边、开玻口，铣 边后的铡扳送入预弯机沿纵向对钢板两边预弯成弧型，将已经进行预弯的钢板先 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨肖q 机理研究 压成“u 形，然后送入模具中压制成“o ”形后进行合缝焊接，最后经过扩径机 扩径。 扩径头模块作为机械扩径机的核心部件，扩径时模块外表面与钢管直接接触， 其寿命对生产影响很大，而其寿命的长短直接跟表面质量的高低有关，这就要求 扩径头材料采用硬度高、耐磨性好的材料。目前，扩径头模块材料大多采用冷作 模具钢c r l 2 m o v 。材料的耐磨性是一方面，扩径头模块最终的加工精度和粗糙度 值也是影响其寿命的一个重要因素，因为扩径头在扩径过程中，模块与钢管接触， 其受到交变载荷的作用，容易产生疲劳破坏。零件抵抗这种疲劳破坏的能力称之 为疲劳强度，其大小直接跟表面质量的高低有关，因此材料为冷作模具钢c r l 2 m o v 的扩径头外表面的磨削加工自然就是最重要的工序，其表面质量的高低直接影响 扩径头模块的使用寿命。 扩径技术出现于2 0 世纪5 0 年代，早期( 即1 9 5 1 年1 9 6 2 年) 焊管扩径大部分 采用水压扩径，1 9 5 7 年美国a 0 s m i t h 公司首先开发了机械扩径机，经过几十 年的研究改进，扩径技术已经发展成熟。德国的s m sm e e r 公司是世界著名的冶 炼和轧制技术研发和设备制造商，其主要从事开发和制造用于管材，型材，有色 金属生产制造业和锻造工业所需的设备和生产线，国内大多钢铁公司从该公司引 进过生产设备，包括机械扩径机。美国的f o n t i j n e g r o t n e s 公司和t o r r a n c e 公司 也在扩径机研制方面有着很成熟的技术。 近年来，国内有几家公司、大学或单位进行或正在进行扩径机扩径头模块的 磨削研究工作。早期有西安重型机械研究所，他们对螺旋焊管的扩径头做了较长 时间的研究；甘肃天水锻压厂也研制过多台扩径机；燕山大学从理论及试验上对 扩径头模块的磨削工艺、参数对制品的影响进行了较系统的研究。现在，国内对 于扩径机扩径头的研究水平跟国外还有一定的差距。 从国内外对扩径机扩径头组建的研究来看，扩径头的关键技术就是如何使扩 径头在扩径行程中保持顺畅，并使扩径头模块在承受交变载荷的过程中保持良好 的耐磨性，这使得扩径头模块的最终加工工序成为整个扩径头的关键环节。高速 磨削和高效磨削是一个复杂的系统工程，是在机床结构及材料、机床设计制造、 主轴系统、进给系统、砂轮及修整系统、磨削液及供给系统、高性能监控系统、 高速磨削机理及工艺等相关技术的基础上综合集成。对冷作模具钢c r l 2 m o v 磨 削机理和磨削加工工艺进行深入的理论分析和试验研究，以期形成较完善的理论 体系，为扩径头模块的磨削加工研究提供基础。 1 3 冷作模具钢c r l 2 m o v 的特点及应用 4 硕士学位论文 1 3 1 冷作模具钢的基本性能 冷作模具钢的耐磨性、韧性、硬度，这三指标可以比较全面地反映其综合性 能。 ( 1 ) 耐磨性模具工作时，表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦，要求模 具的材料能承受机械磨损，即使在承受重载和高速摩擦时，也不至于和被加工工 件的表面之间产生粘附、焊接导致工件表面擦伤，使模具仍能保持其尺寸精度和 表面粗糙度。 ( 2 ) 韧性材料断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力称为韧性。对于受强 烈冲击载荷的模具，如冷作模具钢的冲头、冷镦模具等，模具钢的韧性是十分重 要的考虑因素。 ( 3 ) 硬度硬度是冷作模具钢的主要技术性能指标，模具在工作时必须具有 高的硬度和强度，才能保证其原来的形状和尺寸，一般冷作模具钢，要求其淬火 硬度为h r c 6 0 左右。 1 3 2 冷作模具钢c r l 2 m o v 的特点 根据国家标准钢铁产品牌号表示方法( g b t 2 2 1 2 0 0 0 ) 中规定，c r l 2 m o v 类属于合金工具钢，是广泛用于模具行业的冷作模具钢，具有高淬透性、高耐磨 性和热处理变形小的特点【6 l 。此种钢材对应美国( a s t m ) 牌号为：d 2 ，对应日 本( j i s ) 牌号为s k d l l 。依据g b l 2 9 9 合金工具钢的技术条件，c r l 2 m o v 其化 学成分见表1 1 。 表1 1 c r l2 m o v 化学成分( w to a ) s ispm nc rcvm o 11 0 1 4 5 o 1 5 o 4 0 0 40 0 3o 0 30 3 5 1 2 5 01 7 00 3 00 6 0 c r l 2 m o v 是高碳高铬莱氏体钢，具有高的淬透性，用于制造截面较大、形状 复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具。本课题扩径头模块材料采用该钢 种，热处理淬火温度：1 0 2 0 1 0 4 0 ，冷却介质为油，油冷后空气冷却，淬火硬 度为h r c 6 0 6 3 。 c r l 2 m o v 由于硬度高、强度高，在以上的淬火硬度时其强度可达sb = 2 1 0 0 2 6 0 0 m p a ，按照被加工材料加工性分级规定，淬火钢的硬度和强度均为9 a 级，属 于最难切削的材料；再次，该材料在切削时切削力大，这时会引起振动，要求要 有较好的工艺系统刚性；另外，该种材料的导热系数很低，磨削表面的温度很容 易升高，所以在磨削过程中要尽量避免磨削热所导致的烧伤等情况。 5 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 1 4 本文的研究目标和研究内容 1 4 1 研究目标 1 、选择合适的扩径头模块磨削参数，对磨削过程的磨削要素，包括接触弧长、 磨削长度、磨粒磨削的磨屑厚度及其磨削力进行研究。 2 、建立并采用a n s y s l l 0 有限元分析软件分析材料为c r l 2 m o v 的扩径头 模块的磨削过程。主要分析模拟不同磨削参数磨削过程中磨削热与磨削力对磨削 后零件表面质量的影响。 3 、依据磨削机理研究与模拟仿真，对比分析不同参数所导致的扩径头模块表 面变形量，对磨削工艺提出改进措施，为高质量高效率生产加工磨削扩径头模块 提供理论指导。 1 4 2 研究内容 对c r l 2 m o v 磨削过程温度场和应力场的模拟分析，有两个关键技术： 1 、选择合适的磨削参数，以确定最佳的磨削效果。 2 、建立具有较好的预测精度和较高的动态特性的有限元分析模型。因此，基 于以上两个关键技术确定了本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 磨削用量对磨削后表面粗糙度的影响。依据传统理论及现场加工过程， 优化选择最佳磨削参数。 ( 2 ) 面对磨削过程的多参数化、复杂化，如何利用有限元软件进行建模与仿 真。 1 5 本文的主要工作 本文基于上海宝钢5 撑扩径头项目中c r l 2 m o v 材料的扩径头模块磨削加工， 对c r l 2 m o v 磨削机理进行了深入的研究，分析影响磨削质量的各种因素，尤其 针对影响磨削后表面粗糙度的磨削温度场和应力场做了详细的分析。 参考目前在淬硬钢磨削机理的研究成果，结合现场加工过程，确定最佳的磨 削参数及确定对磨削后表面粗糙度影响最大的因子，由此确定磨削中扩径头模块 表面的单位磨削力。最后，用大型有限元软件( a n s y s1 1 0 ) 对建立的c r l 2 m o v 扩径头模块有限元模型进行分析。 ( 1 ) 分析c r l 2 m o v 磨削机理，并据此为扩径头模块选择磨削参数。包括砂 轮选型、砂轮转速的确定和工件转速、磨削深度、磨削液的选择等。 ( 2 ) 模拟仿真c r l 2 m o v 磨削过程温度场的变化，并对热应力对扩径头模块 表面的变形进行了分析。本研究采用有限元法进行切削过程的物理仿真，对磨削 6 硕_ f 学位论文 区域瞬态温度场进行了模拟仿真，并在此基础上分析了热应力对表面变形的影响。 ( 3 ) 模拟仿真c r l 2 m o v 钢磨削过程磨削力对工件表面变形的影响。基于 c r l 2 m o v 材料的扩径头模块磨削加工，由磨削机理计算磨削过程中模块表面作 用的磨削力，进而利用有限元软件a n s y s 对其中的一个模块进行瞬态分析，分 析不同磨削参数对表面质量的影响，并提出改进措施。 7 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 第2 章基于切削过程仿真的磨削机理分析 磨削时，磨床上相应的机构控制着砂轮，使它与工件接触，逐渐切除工件与 砂轮相互干涉的部分，形成被磨表面。影响磨削过程的因素很多，使得对磨削机 理的研究比切削机理的研究变得更加困难和复杂。为了实现磨削过程的最优控制， 就必须研究磨削加工中输入参数与输出参数之间的相互关系，也就是必须研究磨 削加工过程的物理规律一磨削机理。 为了描述磨削机理，必须找出一些能明确表征输入与输出条件的主要参数。 表征输入条件的有：磨刃几何参数、有效磨粒( 刃) 数、切屑厚度、接触弧长和 砂轮当量直径等。表征输出的主要参数有：材料切除率磨削比、磨削力、加工精 度以及表面完整性等指标。 本章基于切削理论的基本知识，考虑本文主要研究冷作模具钢c r l 2 m o v 磨 削参数对磨削后表面粗糙度的影响，对c r l 2 m o v 磨削过程、接触弧长、磨削力 及其磨削温度场进行简单分析，并针对本课题研究的扩径头模块选择合适的磨削 参数，包括砂轮的选择、砂轮的转速和工件转速、磨削深度等参数的选择。为第 3 章研究磨削热变形、第4 章磨削力对表面质量的影响提供基本理论依据。 2 1 磨削过程的特点 磨削过程是一个复杂的多因素、多变量共同作用的过程。磨削用的砂轮是由 磨料、结合剂经压坯、干燥、烧结而成的疏松体，其中磨料是真正的切削工具。 由于磨粒形状很不规则且在砂轮表面随机分布，磨粒磨削时有很大的负前角和刃 口钝圆半径，并且是在高速下去除微量金属，所以磨削机理与采用金属切削刀具 加工有很大的不同。 2 1 1 有效磨粒数的不确定性 砂轮表面上同时参加切削的有效磨粒数不确定，砂轮工作表面的磨粒数很多， 相当于一把密齿刀具。据统计规律，不同粒度和硬度的砂轮，每平方厘米的磨粒 数约为6 0 1 4 0 0 颗。但是，在磨削过程中，仅有一部分磨粒起作用，另一部分磨 粒只在工作表面刻划出沟痕，还有一部分磨粒仅与工件表面滑擦。根据砂轮的特 性及工作条件不同，有效磨粒约占砂轮表面总磨粒数的1 0 5 0 。 2 1 2 磨粒的大负前角切削 一般认为磨削从本质属于切削加工，磨削过程类似于车削和铣削，单颗磨粒 8 硕士学位论文 可看成一个微型刀具，其磨削切刃的几何尺寸与车削刀具至少差别一个数量级。 磨削过程中，磨粒切入工件的形态与一般切削的形态一样，磨削过程材料去除机 理及能量转化可类比于一般切削过程。磨削时高速运动的磨粒经过滑擦、耕犁后 切入工件，切削层材料明显沿剪切面滑移后形成了短而薄的切屑，即与切削一样， 工件材料是通过剪切过程去除的。但是由于磨粒的顶锥角多为9 0 。1 2 0 。，其前 刀面实际上是一个空间曲面，磨粒磨削时有很大的负前角和刃口钝圆半径。由于 磨粒的钝圆半径与磨削层厚度比值较切削加工时大的多，故磨削时被磨削层的变 形比切削时大的多。 为了考察磨削过程中磨粒负前角切削时的金属流动情况，最直接的方法是用 单颗磨粒或类似磨粒的刀具做切削试验。美国人k o m a n d u r i r 用负前角硬质合金 刀具模拟磨粒，对含少许锰、铬、镍的低碳钢，在a d = o 0 1 0 0 2 5 m m ，切削速度 v 。= 2 0 0 6 0 0 m m i n 的切削条件下进行切削试验，金属流动情况示意如图2 1 所示。 图2 1 负前角切削时的金属流动 前刀面之前的金属流分为两路：一路进入刀具下面，另一路沿前刀面上升而 成为切屑，在前刀面上这两路之间有一个分流点，分流点离刀刃的距离即逆流区 长度随负前角的绝对值而增加。试验证明，在上述切削条件下，最大到一7 5 。的 前角，刀具仍可切出切屑来。在一8 5 。的前角时，刀具仅仅擦过和刻划工件，金 属不能沿前刀面上流出而只有流向两旁的侧向流动，而且有严重的塑性变形。 以上模拟试验证明：由于磨粒具有负前角和较大的钝圆半径，而切削厚度又 薄，故磨粒对工件的切削条件很差，实际上是滑擦、耕犁，产生很大的塑性变形 区后，才形成切屑沿前刀面流出。 此外，负前角切削作为磨削的一个特点，与其它加工方法相比，其对磨削温 度场与磨削区域应力场影响也很大。香港大学的t o n s h o f f ，j p e t e r 等做了不同前 9 片作模且制c r l 2 m o v 磨削帆月h 宄 角的切削实验，罔22 为切削碳钢时不同切削前角对切削温度场的影响从其可 看出，磨削加工作为较大负前角的加工方法，对其温度场的影响也较大。 h = i5 = 圈22 不同前角切削时的温度对比 y 产一4 5 从上圈可清晰看出，刀具负前角从1 5 。到一4 5 。变化中，切削区域最高温度 从1 1 9 4 升高到1 4 5 7 c ，这说明磨削加工较车削、铣削加工在切削过程工件表面 聚集了更多的热量，很容易烧伤工件表面。 2 13 磨削区域温度高 磨削过程中砂轮线速度较高。一般砂轮线速度v s = 1 5 8 0 m s 。因此，磨粒与 被加工材料的接触时问极短，约为1 0 一一1 0 6 s 。在极短时间内产生大量磨削热使磨 削区产生高温( 4 0 0 1 0 0 0 c ) 。因而磨削淬火钢( 如c r l 2 m o v ) 工件易烧伤、产 生残余应力及裂纹。此外，磨削区的高温也会使磨粒本身发生物理化学变化，造 成氧化癌损和扩散磨损等，减弱了磨粒的切削性能。 21 4 磨削过程的尺寸效应 在磨削过程中，磨削层厚度大约为1 04 1 0 。m m ，切下的体积不大丁 硕一i ：学位论文 1 0 3 _ 1 0 巧m m 3 ，约为铣削时每个刀齿所切下体积的1 4 0 0 0 1 5 0 0 0 。在磨粒切屑厚 度非常小的情况下，磨削加工可获得较小的表面粗糙度，但小的切削厚度也使其 比切削力非常大，比能很高。以磨削钢料为例，单位磨削力约在7 0 2 0 0 0 m p a ， 而其它切削加工的单位切削力均在7 0 m p a 以下【2 。据此，美国人m i l t o n c s h a w 提出了磨削过程中的尺寸效应，即指随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。 对于尺寸效应产生的原因，存在不同的认识。德国人p a s h l t y 等应用工件的硬 化理论来解释尺寸效应。m i l t o n c s h a w 认为尺寸效应主要是有金属材料内部的缺 陷所引起的。从金属物理学的角度来看，可以认为小体积金属包含位错缺陷的概 率较小，故薄的切削厚度对应高的流动应力。但位错理论应用于金属切削却表明 剪切区具有高的位错密度，并为用投射显微镜观察精磨切屑所证实。有研究人员 从材料去除时所受的力、切削层的塑性变形、裂纹扩展到断裂这一过程，应用断 裂力学原理对尺寸效应进行分析。金滩指出，磨削中的尺寸效应在一定程度上与 材料的应变率强化效应有关，认为尺寸效应是应变硬化、应变率强化及材料缺陷 等多因素共同作用的结果，在某些条件下，应变率效应起主导作用。 2 1 5 磨削过程三个阶段 从磨粒切入工件开始，磨削过程可分为滑擦、耕犁和切屑三个阶段，由图2 3 ( 磨粒的磨削过程) 所示。第一阶段为滑擦阶段，该阶段内切削刃与工件表面开 始接触，工件系统仅仅发生弹性变形。随着切削刃切过工件表面，进一步发生变 形，因而法向力稳定地上升，摩擦力及切向力也同时稳定增加，即该阶段内，磨 粒微刃不起切削作用，知识在工件表面滑擦。 第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转变为 热。当金属被加热到临界点，逐步增加的法向力超过了随温度上升而下降的材料 屈服应力时，切削刃就被压入塑性基体中。经塑性变形的金属被推向磨粒的侧面 及前方，最终导致表面的隆起。这就是磨削中的耕犁作用，这种耕犁作用构成了 磨削过程的第二阶段。 磨削过程的第三阶段即切屑形成阶段。在滑擦和耕犁阶段中，磨粒并不产生 磨屑。由此可见，要产生磨屑及切下金属，存在着一个临界磨削深度。此外还可 以看到，磨粒切削刃推动于金属材料的流动，使前方隆起，两侧面形成沟壁，随 后将有磨屑沿切削刃前面滑出。 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 图2 ，3 磨粒的磨削过程 2 2表征磨削过程的磨削要素 2 2 1 接触弧长和磨削长度 砂轮与工件磨削时的接触弧长度，是磨削过程中的极其重要的基本参数之一， 他几乎与所有的磨削参数有关系。尤其是它对磨削区的磨削温度、磨削力、砂轮 与工件接触时的弹塑性变形以及被磨工件的表面完整性均有重要影响。关于砂轮 与工件的接触弧长是按几何接触弧长度、运动接触弧长及真实接触弧长来定义的。 1 、几何接触弧长度z ，几何接触弧长度f 。是指几何磨削弧的长度，如图2 4 所示。几何接触弧长度的定义是人们在早期对砂轮与工件接触弧研究时提出的。 该模型是将砂轮和工件视为两个绝对刚性体，由其接触弧模型通过采用几何计算 法可推出砂轮与工件的接触弧长度，并用z 。表示 l g - , f , e e 。 ( 2 - 1 ) 式中： 乞一几何接触弧长度( m m ) ； 口尹一磨削深度( m m ) ； d 。一砂轮当量直径( m m ) 。 硕上学位论文 图2 4 几1 可接触弧长度 2 、砂轮接触弧长度丘随着对磨削接触问题研究的深入，人们逐渐认识到 运动参数对磨削时工件与砂轮的接触弧长度有影响，其接触长度要比几何计算的 z ，长，故考虑运动条件提出了运动接触弧长的定义如下：运动接触弧长度，。是指 运动磨削弧的长度。 多年以来的研究结论表明，发生在磨削区的现象十分复杂，砂轮和工件在磨 削区的弹性变形、塑性变形、热变形以及砂轮表面的磨粒分布的随机性等因素都 对磨削时砂轮与工件的接触长度产生影响，这些影响可使实际得到的接触弧长度 比几何接触弧长度，大1 1 5 2 倍左右，而比仅考虑运动条件的运动接触弧长z 。亦 要大许多，因此为了准确表达磨削机理和参数，提出了砂轮与工件真实接触弧长 度t 的定义。 3 、真实接触弧长度t真实接触弧长度t 是指考虑真实磨削条件下真实磨削 弧的长度。1 9 8 2 年，美国人e s a l j e 在c i r p 上提出了砂轮与工件最大接触面积 的概念乜3 1 ，即砂轮与工件的最大接触面积4 。为磨削最大接触长度z 咖与工件磨削 宽度的乘积。 4 、最大接触弧长度k 最大接触弧长度z 一是指在整个磨削区砂轮外圆周表 面上的磨料与工件的最大干涉长度。 5 、任意接触弧长度t任意接触弧长度t 是指在整个磨削区砂轮外圆周表面 上的磨粒和工件在任一点的干涉长度，可见，两种接触弧长度z 一和乞尽管都是在 真实接触状态中，但含义不同。 2 2 2 磨削力 1 、 磨削力的意义 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及 1 3 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。它不仅是磨床设计的基础，也是磨削 研究中的主要问题，磨削力的大小直接影向磨削精度和表面粗糙度。 为了便于分析问题，磨削力f 可分为相互垂直的三个分力( 见图2 5 ) ，即沿 砂轮切向的切向磨削力f ，沿砂轮径向的法向磨削力e 以及沿砂轮轴向的轴向磨 削力e 。一般磨削中，轴向力只较小，可以不计。由于砂轮磨粒具有较大的负前 角，所以法向磨削力e 大于切向磨削力只，通常e f 在1 5 3 范围内( 称e f 为 磨削力比) ，需要指出的是，磨削力比不仅与砂轮的锐利程度有关，且随被磨材料 的特性不同而不同。例如磨削普通钢时，只f = 1 6 1 8 ；磨削淬硬钢( 如c r l 2 m o v ) 时，只只= 1 9 2 6 ；磨削铸铁时，e f = 2 7 3 2 ；磨削工程陶瓷时，e e = 3 5 。2 2 可见材料愈硬，磨削力比越大，此为e f 的数值还与磨削方式等有关。 图2 5 磨削过程中的磨削力 2 、磨削力的理论公式 磨削力的计算在实际工作中很重要，不论是机床设计还是对磨削机理的研究。 般是用磨削力的计算公式来计算，或者用实验的方法来测定。用实验的方法来 测定，工作量较大，成本高。因此多年来的研究者一直试想通过建立理论模型找 出准确通用的计算公式来解决工程中的问题。现有磨削力计算公式大体分为三类， 一类是根据因次解析法建立的磨削力公式；一类是根据实验数据建立的磨削力计 算公式；另一类是根据因次解析和实验研究相结合的方法建立的通用磨削力计算 公式。 单位面积磨削力是磨削工件时作用在单位切削面积的主切削力，以只表示， 单位为n 朋朋2 。 当磨粒开始接触工件时，受到工件的抗力作用，图2 4 所示为磨粒以磨削深 度a 。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d p 即d f 垂直于磨粒锥面上，从图可以看出，识可分解为侧向力d t 与法向力d n 。 1 4 硕十学位论文 图2 6 磨粒上的作用力 根据图2 6 ，在x x 截面内作用在磨粒上的切削力识可按下式求的： 以= c d ，c o s o c o s 妒 ( 2 - 2 ) 式中 e 一单位磨削力( n m m 2 ) ； d 。一砂轮直径( m m ) ； 口一砂轮半顶锥角； 砂一切削力方向与x 方向的夹角。 担的分布如图2 7 虚线范围所示，设图中磨粒具有一定锥角的圆锥，中心线 图2 7 磨粒上的作用力分布图 指向砂轮的半径，且圆锥母线长度为p ，则接触面积 幽= 丢小i n 嘶 将式( 2 - 2 ) 代入到式( 2 1 ) 得 皿= 五1p 2 c s i n 口c o s 口c o s 妒却 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 冷作模具钢c r l 2 m o v 磨削机理研究 因为 荔二笼：；印 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 5 ) 则得 犯= 吾p 2 c s i n 口c o s 2 口c o s 妒却 饵一j 1p 2 s i n 2 1 9 c o s 日c o s 妒却 因此，可求得作用于整个磨粒上的磨削力如下： = 鹰等d 妒= 0 2 c s i n 20 c o s 0 = f v a s 2 咖讹n 口 气= 鹰筹如署以咖觚内2 三。粕n 口 于是可得到磨削力的计算式 c ；虬气= - 石孑n a f p 叫a g s i n 口 只= 虬= 三虬c 五2 s i n p t a n 口 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 由( 2 8 ) 可解出单位磨削力 2 瓦1+ 志 ( 2 - 9 ) 式中的虬为动态磨刃数，虬= f l s b ，f 为砂轮表面上单位长度静态有效磨刃数， z 。为砂轮