（机械工程专业论文）面接触磨削材料去除机理与表面创成研究.pdf

摘要 珩磨作为面接触磨削的典型代表，是超精密加工的首选方法之一。目前对珩 磨的认识正在逐步发展，很多学者认为珩磨在改善孔误差方面之外，还是一种高 效的材料去除手段。同时珩磨往往作为最后一道加工工序，工件的表面质量受到 加工参数和材料去除机理的影响。而工件的表面质量决定了工件的纹理特征和磨 损性能，因此研究其材料去除机理和表面创成有重要意义，而目前此类研究还不 够充分。 本文以磨削过程中磨粒的运动轨迹为基础，建立了单磨粒磨削仿真模型。然 后定义了油石模型，建立了珩磨材料去除仿真模型。模型中模拟了网纹角度、油 石粒度、珩磨压力等因素对材料去除的影响。进而分析了材料去除的主要因素及 其原因。同时建立了面接触磨削表面创成模型。通过大量仿真实验，本文分析了 网纹角度、油石粒度、珩磨压力等因素对工件表面质量的影响。 通过面接触磨削实验台，本文对上述模型进行了实验验证。实验采用的是定 压珩磨实验，主要考虑了时间、网纹角度、油石粒度、珩磨压力等对材料去除和 表面质量的影响。实验中通过对实验结果的分析，提出了在珩磨加工中存在包申 格效应。通过分析油石表面质量，磨损等情况研究了油石的加工性能的变化规律。 同时分析了加工过程中珩磨力的变化。 本文对珩磨加工去除机理和表面创成的研究成果，不仅对提高珩磨加工效 率、优化加工参数、提高工件性能等有重要意义，同时对研磨、砂带磨削等其它 固结磨粒面接触磨削均具有指导意义。 募猢： 面接触磨削材料去除表面创成数学模型实验研究油石磨损 a sat y p i c a lm a c h i n i n gm e t h o do fs u r f a c e c o n t a c t 西n d i n g ，h o n i n gi so n eo ft h e b e s tc h o i c e sf o rm eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g r e c e n t l y ，m a n y r e s e a r c h e r s s v i e w p o i n to fh o n i n gi st h a ti t sa l s oa i le f f i c e n tm a t e r i a lr e m o v a lm a c h i n i n g 丑j e 匝o d b e s i d e si m p r o v i n gt h es u r f a c es t r u c t u r eo ft h ei n n e rh o l e a saf i n i s h i n go p e r a t i o n ，t h e s u r f a c eq u a h t yo fw o r k p i e c ea f t e rh o n i n gi sd e p e n d e do nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r su s e d b e c a u s et h es u r f a c eq u a h t yo fw o r k p i e c ec o u l da f f e e tt h e $ b r f a c es t r u c t u r ea n d t r i b o l o g i c a lp e r f o r m a n c e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a i s ma n d s u r f a c eg e n e r a t i o n h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nt h i ss u b je c ti sn o ts u f f i c i e n t b a s e do nt h eg r a i nm o t i o np a t h s ，t h i st h e s i sp r o p o s e das i n g l eg r a i nm a t h e m a t i c m o d e l t h e nc o m b i n e dw i t hah o n i n gs t o n em o d e l ，ah o n i n gm a t e r i a lr e m o v a lm o d e l i ss e tu p h o n i n ga n g l e , g r a i ns i z e ，a n dh o n i n gp r e s s u r ea r ea n a l y s e di nt h i sm o d e lt o o b t a i nt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tm a t e r i a lr e m o v a l a n das u r f a c eg e n e r a t i o nm o d e l i sa l s o p r o p o s e d t o s t u d yt h e s u r f a c eq u a l i t y b ym e a n so fm a n ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ei n f l u e n c eo fh o n i n ga n g l e ，g r a i ns i z e , a n dh o n i n g p r e s s u r eo ns u r f a c eq u a l i t y , e s p e c i a l l yo ns b r f a c ef o u r , a l e s s t h em o d e l sp r o p o s e di nt h i st h e m sa n dt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa r ev e r i f i e db y e x p e r i m e n t sd i do n ah o n i n gp l a t f o r mm a d eb yo u r s e l v e s i nt i f f st h e s i s ，as e r i e so f c o n s t a n tp r e s s u r eh o n i n ge x p e r i m e n t sw e r ed i dt oa n a l y s et h ei n f l u e n c eo nm a t e r i a l r e m o v a la n ds u r f a c eq u a l i t y i nt h em a c h i n i n gp r o c e s s ，b a u s c h i n g e re f f e c ti sp r o v e d t oe x i s tb ya n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n tr e s u h s b e s i d e s ，s t o n ew e a l a n dh o n i n gf o r c e a r ea l s os t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h er e s u l t si n t h i st h e s i sc a l ln o to n l yb eu s e dt oi n c r e a s et h ep r o c e s s i n g e f f i c i e n c y ，o p t i m m ep a r a m e t e r s ，a n d 砒l a n c et h et r i b o l o g i e a lp e r f o r m a n c e ，b u ta l s o h a v eas i g n i f i c a n tm e a n i n gi nm o r eg e n e r a la b r a s i v ep r o c e s s k e yw o r d s ：s u r f a c e c o n t a c tg r i n d i n g ，m a t e r i a lr e m o v a l ，s u r f a c eg e n e r a t i o n ， m a t h e m a t i cm o d e l ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , t o o lw e a r 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 磨削加工简介 第一章绪论弟一早硒记 磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是人类最早使用的生产技艺方法 】。磨削加工属于精密加工范畴，容易对高硬度的材料进行加工，对被切削过的 钢材进行热处理后，大多采用磨削加工的方法对其尺寸或表面粗糙度等进行进一 步的细致加工【2 】o 其主要特点为： ( 1 ) 加工精度高； ( 2 ) 加工效率高； ( 3 ) 磨粒切削刃有负前角； ( 4 ) 磨粒切削的速度非常快，提高加工效率； ( 5 ) 磨粒磨削刃有自锐作用延长砂轮的寿命； ( 6 ) 磨削易于对砂轮进行修形和修锐； ( 7 ) 在断续切削中的磨削力变化很小； ( 8 ) 磨削点温度很高。 通常按照工具类型进行分类，磨削分为使用固定磨粒加工和使用自由磨粒加 工两类。固定磨粒法包括砂轮加工、砂纸加工、金刚石磨头加工或固定磨粒砂线 切削加工等；自由磨粒加工主要包括研磨、抛光、滚磨喷射加工等【1 捌。 1 1 2 面接触磨削简介 其中随着磨削技术的发展，为了不断提高磨削效率，往往采用很高的砂轮转 速，这就不可避免的要产生大量的磨削热，导致加工变质层的生成，使得加工表 面的耐磨性下降；同时对砂轮的强度、机床主轴系统和机床结构有较高的要求， 这样才能避免高速加工中的砂轮破损和产生过大的震动。为此需要在不增大砂轮 转速的情况下增大磨削面积来提高加工效率，面接触磨削由此产生。主要包括珩 磨、研磨、砂带磨削、成型磨削和部分精整加工，通常被用于改善工件的形状精 度与提高表面质量。而珩磨作为面接触磨削的重要加工方法也逐步进入人们的视 野。其着眼点在于由高效加工中获得更高的几何精度( 圆度、圆柱度和直线度等) 和表面粗糙度p j 。 第一章绪论 珩磨不但可以用于内孔精密加工，而且可以用于外圆、平面和曲面精密加工。 图l 一1 所示为珩磨原理示意图。珩磨加工原理是指将数根珩磨条( 油石) 固定在 珩磨头上，通过涨紧机构( 机械或液压) 使珩磨条压在工件表面上做进给运动，加 工中珩磨头一边做旋转运动，一边做来回往复运动，从而达到提高被加工工件精 度的目的【3 4 j 。为了提高珩磨质量，珩磨头与主轴一般采用浮动连接，或者刚性 连接配用浮动夹具，以减少珩磨机主轴回转中心与被加工孔的同轴度误差对珩磨 质量的影响。珩磨加工是一种多切削刃的精加工方法，当油石在运动过程中，众 多磨粒同时起切削作用，这样每个磨粒就以非常低的接触压力切削工件表面，获 得更好的表面质量【3 j 。珩磨加工主要过程是油石首先将工件表面的高点削去，同 时加工表面的高点也冲击已经钝化的磨粒，使其破碎或脱落，进而重新露出锋利 的磨粒。也就是油石与工件表面不断相互磨削与修整，使得原来的刀痕与残余应 力层被磨去，孔形误差得以校正，油石也随之磨损。之后由点接触变为面接触， 切屑变薄，油石堵塞钝化，切削作用下降然后消失，工件表面的粗糙度也随之降 低，加工变为抛光过程，达到要求尺寸后，油石退出，完成整个加工f 4 1 。 工 图1 1 ( a ) 珩磨涨紧机构示意图 图1 1 ( b ) 珩磨原理示意图 图1 1 珩磨原理示意图 往复运动 由于珩磨加工的复合运动方式，所以在工件的加工表面上会出现网纹，如图 1 - 2 所示，这是珩磨加工特有的。珩磨头在每一往复行程中转数为非整数【4 1 ，因 而它在每一行程的起始位置都与上次错开一个角度，使得每个磨粒在加工表面的 痕迹不会重复，从而形成均匀的网纹。同时由于油石有一定的长度，油石的切削 轨迹与前一转在轴向上有一段重复，保证前后切削轨迹衔接的比较光滑。网纹实 际上就是加工中形成的一些规律排列的沟槽，使得工件在工作的过程中更加易于 储存润滑油，能承受较大的载荷，从而提高了工件的耐磨性。 2 第一章绪论 同时由于接触面积大，珩磨压力较小，切削速度小等特点，使得珩磨加工过 程中产生的发热量很小，残余应力较小，而且一般为有利于提高工件性能的残余 压应力，进而提高加工质量，延长工件的寿命，以上这些都是珩磨加工优越于普 通磨削加工的重要原因。而目前很多研究表明5 ，6 1 ，珩磨是一种能够快速、可靠地 去除一定余量，提高表面粗糙度等级的半精加工和精加工的工艺方法。 油石 工件 图1 - 2 工件表面网纹 综上所述，珩磨加工的主要特点为： ( 1 ) 表面质量好。珩磨可以获得较低的表面粗糙度，r 口一般为0 2 加8 微 米，同时珩磨工件表面存在均匀的交叉网纹，有利于储油润滑。 ( 2 ) 加工精度高。珩磨不仅能获得较高的尺寸精度，还能修正孔在珩磨前 出现的轻微形状误差，如圆度、圆柱度、波纹度等。 ( 3 ) 珩磨效率高。可以同时使用多条油石，超硬磨料油石，提高珩磨头的 往复速度等。 ( 4 ) 珩磨工艺经济，加工范围广。珩磨加工不需要复杂的设备与工装，操 作方便。能加工各种内孔 1 4 】。 1 2 面接触磨削研究现状 目前，对于面接触磨削的磨削机理研究，主要研究包括磨削过程中的实际接 触面积、磨削力、材料去除率、磨耗比、加工表面粗糙度等。 在国内有相当一部分学者都对面接触磨削加工进行了研究，但是这一部分人 是对面接触磨削的机床结构、油石组成、加工工艺参数等进行研究【7 1 。例如，王 爱新，等人开发了一种新型的珩磨工具【8 ；徐燕申，辛志杰，廖云飞，祝锡晶， 陆志猛等人对超声波珩磨的振动系统、工艺参数进行了研究【9 - 1 2 】；任光怡等人对 平台珩磨的工艺问题进行了研究【13 】；邓力凡在平台内孔珩磨中对工件粗糙度控 制、沟槽数量、缸孔锥度修正等问题进行了探究【5 1 。冯彩霞等人对难加工材料的 第一章绪论 珩磨工艺进行了探讨 1 4 】；胡勤，舒智，邹文俊等人则研究了新型油石以及油石的 磨削性能和磨削机理【1 5 - 1 7 。而对于理论方面多数学者都是根据普通磨削的理论来 进行面接触磨削的研究。主要观点都认为面接触磨削仅仅是接触面积变大了而 已，因此与普通磨削有相同的加工机理。然而由于磨具与工件的接触面积增大、 磨削速度减小、磨削压力降低以及磨削热、残余应力等的变化，使得面接触磨削 与普通磨削有着本质上的区别，其相应的研究方法与机理也不同。采用传统的普 通磨削理论只能在某几个方面来解释面接触磨削理论，而在大部分问题上是行不 通的【1 8 】，比如： ( 1 ) 传统磨削的接触弧长理论1 1 9 1 不再适合面接触磨削。由于面接触磨削的 磨具与工件处于持续的大面积接触状态，所以磨具与工件承受磨削力的状态与分 布特性、切屑状态与形成机理、磨削热的大小以及分布状态、表面创成机理等方 面都有很大不同，这些不同导致传统的磨削接触弧长理论不再适合面接触磨削； ( 2 ) 加工结果较难预料。由于影响面接触磨削加工质量的因素很多，所以 即使是对于同一种材料，同样的工件，在像普通磨削那样设定相同的主要加工参 数的情况下，力n m - r 件的表面质量也可能会出现较大的差别； ( 3 ) 加工前工件材料的去除量无法具体预测。由于磨具是浮动在工件上方 的，没有刚性的强制进给量，而且加工过程初期为切削过程，材料去除明显，后 期实际为堵塞、研磨和抛光加工，基本无材料去除，因此导致材料去除量无法预 测。另外加工中经常出现喇叭口、鼓形肚等情况，只能依靠实时测量然后人为干 预修正，这些更加加剧了去除量的不可预测性； ( 4 ) 珩磨等加工方式加工出的网纹夹角及其表面粗糙度需要新的磨削理论 来支持。对于内燃机汽缸、液压缸等偶件孔来说，其表面并不是越光滑越好，相 反合理出现一些可以储存润滑油的沟槽更加能提高它们的耐磨性。珩磨等面接触 磨削恰好可以满足这些要求，但是传统理论的磨削理论已不能满足对其加工结果 的预测或者评价； ( 5 ) 要达到工件表面加工形貌与表面光洁度的最优化组合，仅仅通过调节 ) j u r a 参数已经很难实现，需要借助新的面接触磨削理论。 上面的五点是面接触磨削与传统普通磨削在j j u - r 机理上的主要不同点，在这 些方面，传统的磨削理论已经不能满足要求。因此对面接触磨削的材料去除机理、 工件表面创成机理等的研究就显得十分重要【2 0 】。 由于面接触磨削在许多行业都有大量应用，一些领域具有不可替代的作用， 因此对其的深入研究具有重要意义。目前关于磨具表面形貌模拟，面接触磨削中 磨削力的研究，材料去除率以及磨具磨损率，工件表面创成机理等都是面接触磨 削加工中需要大量研究的重要问题 2 1 - 2 9 。 4 第一章绪论 1 2 1 面接触磨削材料去除机理的研究现状 与普通磨削一样，面接触磨削加工中的材料的去除机理也分为脆性材料去除 机理和塑性材料去除机理。对于脆性材料，大多数研究学者都使用压痕断裂力学 模型或切削加工模型来近似处理；而对于塑性材料，一般采用弹性变形与断裂模 型来进行处理。而且当前多数学者认为面接触磨削的材料去除机理与普通磨削是 一样的，可以移植使用。但是面接触磨削在材料去除机理上存在着一些特有的现 象，比如非连续切削与包申格效应等，使得普通磨削的切削机理在面接触磨削中 不在适用。 包申格效应是j o h a n nb a u s c h i n g e r 3 0 】在18 8 6 年通过一系列的拉伸和压缩实验 后发现的在反向变形期间其屈服点降低，即在一定量的单向拉伸或压缩塑性变形 后进行反向加载，材料的屈服强度会低于连续正向变形的屈服强度，这种现象称 为包申格效应。目前国内外的主要研究方向都放在了不同材料在不同工况下的研 究。例如马茂元， 宋伟，张秀芬，为了评价船体的实际强度储备和可靠性，研 究了连续j w 钢中板供货态( 控冷+ 高温回火) 组织的包申格效应( b e ) 3 l 】。张功庭， 盛光敏，黄利，总结了金属包申格效应的表征方法，对造成材料包申格效应的一 些影响因素进行了介绍和总结，阐述了产生包申格效应的相关机理，提出了消除 或减小包申格效应的方法，并为包中格在今后的工业生产实践中的应用指明了一 些方向【3 2 1 。林丽珍通过单轴拉伸和压缩试验，研究了x 7 0 管线钢的包申格效应 ( b e ) ，试验表明，x 7 0 钢的反向加载特性可用r a m b e r g o s g o o d 关系拟合，给出了 屈服强度降和预塑性应变之间的经验公式 3 3 】。尹国耀分析了螺旋埋弧焊钢管生产 中钢卷拆卷矫平、预弯成型过程中的正反受力变形，用第二类残余内应力对包申 格效应的产生机理进行了阐述说明，论述了包申格效应对钢管屈服值的影响【3 4 1 。 王玲，贾普荣，贾坤荣对国产x 8 0 管线钢的试样进行了初次加载实验，得到试 样的转矩一应变曲线。随后对存在一定预塑性变形的圆轴试样进行反扭。结果表 明，试样在初次加载时，其曲线有明显的线弹性阶段和屈服平台；反向加载时， 加载曲线无明显的屈服平台，低于初次加载曲线，且预塑性变形越大，反向加载 曲线越低，即反向加载时材料的屈服强度随预塑性变形的增大而降低，也就是出 现了包申格效应。从理论上对反向加载时屈服转矩进行了计算，结果和试验测试 能较好的吻合1 3 引。李炳，严文，陈建，刘春霞，王鑫，范新会等对单晶铜在先压 缩后拉伸时出现的包中格效应进行了研究，并与多晶铜进行了对比实验结果表 明：单晶铜和多晶铜在正反向加载时均出现包申格效应，在预应变相同的条件下， 单晶铜的包申格效应不如多晶铜的显著 3 6 。 第一章绪论 而对于普通磨削的材料去除理论，归纳起来，材料的去除机理主要有脆性去 除、粉末化去除和塑性去除三种情况【3 7 - 4 2 。 ( 1 ) 脆性去除。陶瓷等脆性材料一般都服从脆性去除机理，材料的去除主 要是通过材料中的缝隙与原始微小裂纹的生长扩大，导致产生宏观裂纹，最终使 材料剥落或者断裂。材料去除的主要方式有材料剥落、晶粒断裂去除、晶界破碎 等。i cs u b r a m a n i a n 等人提出晶粒的去除导致材料的脱落，而材料脱落是脆性材 料的主要去除方式【4 3 1 。d w r i c h e r s o n 提出在材料的去除中因磨削而产生的裂纹 扩展形成的材料脱落为主要的脱落方式，而且在工件上残余的裂纹将影响工件的 使用性能。 ( 2 ) 粉末化去除。在精密磨削加工中，当切削深度达到微米级别以下时， 材料不会出现断裂与崩碎现象，而是出现材料粉末化现象。这主要是因为磨削中 磨粒周围会出现流体静态压应力的应力场，受此应力场的作用，晶界会出现破碎 现射4 2 1 。 ( 3 ) 塑性去除。塑性材料在磨削过程中，其被被加工过程主要为摩擦、耕 犁与切削l 4 4 】。磨削加工初期，磨粒并不切除工件，而只是与工件之间产生摩擦， 发生塑性与弹性变形。之后进入耕犁阶段，即由于磨粒的切入作用，工件材料沿 着磨粒两端挤出形成隆起。经过不断反复，最后材料达到破坏极限而断裂形成切 屑。对于材料的塑性去除机理，主要是基于塑性材料的断裂变形理论。例如r r e n t s c h 等人在磨削的机理研究中第一次引入了分子动力学理论，利用该理论建 立了磨削过程的仿真模型，并利用模拟结果解释了塑性材料加工中切屑的形成及 堆积现猁4 5 | 。 1 2 2 面接触磨削表面创成的研究现状 面接触磨削一般作为一种最终的精加工工序，其加工结果对表面质量有着重 要影响。目前普通磨削中宋贵亮等建立了砂轮速度、进给速度、切深、磨粒粒度 对表面粗糙度影响的超高速磨削中加工表面创成的计算机磨粒模型【4 6 1 。王福明 通过研究认为砂带磨削中砂带粒度是影响工件表面粗糙度的主要因素【4 7 1 。陆志 猛、祝锡晶等的研究主要集中在超声震动珩磨中珩磨深度等对表面质量的影响 1 1 , 1 2 李建华等研究了珩磨表面质量的评价规则4 8 1 ，赵勇等研究了不同工件材料采 用珩磨加工下表面质量的研列4 9 1 ，黄振林等研究了网纹分布的重复性和完整性研 究对表面质量的影响岭叭。 国外学者中k h e u o u k i 等研究了砂带磨削中有效磨粒数和平均接触压力对表 面质量的影响【5 1 i 。而关于珩磨表面的研究主要是t a b a c a r u ，k a n t h a b a b u 等对珩 磨加工中加工参数对表面质量的影响 5 2 , 5 3 、m a l k i n s k i ，s i l v a ，s a b r i 等对珩磨表 第一章绪论 面检测的研究【5 4 矧、k u r i y a g a w a 等研究了砂轮形貌对表面质量的影响【5 7 1 。m i s r a 则研究了电化学珩磨磨削中工件的表面质量问题【5 8 1 ，但是大部分珩磨模型和实验 研究也都未考虑珩磨角度【5 9 】的影响。 而在珩磨加工中，工件表面的网纹结构，包括网纹角度、粗糙度、波纹度等， 会对工件耐磨性、寿命、润滑等方面产生重要影响。而珩磨角度对于多方面都有 影响，比如加工效率、表面质量等。本文主要通过数学模型和实验分别研究珩磨 角度、油石粒度、珩磨压力对表面质量的影响。 1 3 问题的提出及本文研究的主要内容 综上所述，面接触磨削在国民经济中具有重要地位，而目前对面接触磨削的 理论研究较少，大部分学者主要停留在参数优化、设备调试、材料研究等方面。 而材料去除机理和表面创成机理是面接触磨削研究中的重要部分，它是研究材料 加工的最终环节，但目前的研究还很不充分。因此本文准备对面接触磨削的材料 去除机理进行研究，将从理论和实验两个方面来进行。重点会放到对面接触磨削 的材料去除机理、工件表面创成机理、油石磨损、磨削力等方面的研究。 本文研究的主要内容主要有以下几个部分： 1 、根据固结磨粒面接触磨削中磨粒的运动状态、轨迹，从运动学方面入手， 对材料去除率进行研究，并且通过实验进行验证。同时对珩磨加工时存在的包申 格效应问题进行实验研究。 2 、对加工过程中，研究不同加工参数下磨削力的变化规律。 3 、在加工过程中，研究不同参数下油石的加工状态，找到最优的加工参数， 同时研究不同状态下对加工结果的影响( 包括材料去除率和工件表面质量) 。 4 、根据固结磨粒面接触磨削中磨粒的运动状态、轨迹，从运动学方面入手， 对工件的表面创成进行研究，并且通过实验进行验证。 7 第二章面接触磨削材料去除机理 第二章面接触磨削材料去除机理 面接触磨削作为一种高效的精加工加工方法，在获得良好加工表面的同时， 其加工效率也远超普通磨削方式。本文跳出传统分析方法，通过磨粒在工件表面 的运动轨迹，通过运动学规律来研究材料去除情况。本章中材料去除主要通过磨 粒在工件表面的划痕数和划痕深度进行表征。 同时，本文研究了珩磨压力、油石粒度对材料去除的影响。最终通过实验进 行了验证，这将在第四章中进行详述。 在珩磨中，一个磨粒在一个行程中完整的运动轨迹如图2 1 所示。将工件沿 着周向展开，a b 为工件左边缘，c d 为工件右边缘。a 为磨粒起点，然后向右侧 运动，在b 点开始回程运动，到达c 点时完成一次完整行程。珩磨中材料的去 除就是由大量有效磨粒在一定时间内往复运动的结果。在不考虑磨粒切削能力变 化的情况下，有效磨粒越多，时间越长，材料去除越多。 a d 图2 1 单磨粒运动轨迹示意图 c b 材料去除可以通过工件直径的减小量来进行表征。选取一定的位置，磨粒划 过的次数越多，工件直径减小越多，其去除量也就越大。 为了研究油石实际切削规律，首先需要研究每一个磨粒的切削规律。在单磨 粒切削模型中，假设磨粒不磨损，其切削能力保持不变，其原理图如图2 - 2 所示。 第二章面接触磨削材料去除机理 其中d w 为工件直径，l w 为工件的长度，厶为参考线距离初始截面的位置， 为磨粒的初始坐标z f 为磨粒经过参考线时的坐标。其它加工参数中，v ，为工件 的回转速度，v ，为工件的往复速度，珩磨总速度v 。为工件的回转速度v f 和工件的 往复速度v l 的和，反目= t a n 叫，v ，) ) 为网纹角的一半。通过计算在一定时间内参 考平面上磨粒划过的总次数n a ，即可表征材料去除量。 磨粒每个行程的时间t 计算如下： 丁：堡 ( 2 1 ) v ， 在预定时间t 内，磨粒划过参考线的次数n a 计算如下： 虬= 刍 ( 2 - 2 ) 通过计算在规定时间内磨粒在参考线上的位置分布，即。z i ，可以进一步得到 磨粒经过参考线沿径向的分布情况。在一个往复行程中，通过运动学公式可以得 到磨粒每次经过参考线的位置，其计算公式如下： z ( i ) =i 一( 。一) t 缸臼一研生二坚半 ( i 为单数时) ( 2 - 3 ) 其中：k = 仇t a n 0 。 z ( ) = t a n o w - - l r 一七+ 歹一七唼 一( 三w 一7 r 一七+ 歹一七唼】) ( 二1 为偶数阱m j ) ( 2 - 4 ) 疗庀 i 内，烈 ，k z 叶 t a n 护 其中：歹= l 。一( d w x 0 ) t a n e 。 第二章面接触磨削材料去除机理 |lw ， i 厂 k r _ _ _ r 1 图2 - 2 单磨粒材料去除原理图 这样我们能够得到在预定时间t 内，磨粒每次经过参考线的位置，将其作为 参数存入一个矩阵z 中。 沿周向将参考线2 0 等分，通过计算z 在每一份中的个数，我们可以得到工 件在每一份内的材料去除量，以此来表征进行单磨粒磨削时工件的精度。 2 1 2 面接触瘗剖单瘗粒去除模型预测结果 通过上面的模型，我们可以得到影响材料去除的主要参数为网纹角2 0 、珩 磨时间t ，工件的往复速度v ，初始位置x d 等。因此，我们设计了不同参数下单 磨粒划擦去除实验。其加工参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 单磨粒仿真参数 参数值 工件长度k ( m m ) 工件直径d ( m m ) 网纹角2 日( o ) 珩磨时间t ( s ) 珩磨速度( m m s ) 参考线位置：- ( m m ) 磨粒初始位置( i t l l n ) 1 0 0 2 7 3 0 ；4 5 ；6 0 ；9 0 ；1 2 0 ；1 3 5 ；1 5 0 1 0 0 ；2 0 0 ；3 0 0 3 3 2 5 0 1 0 图2 3 所示为单磨粒材料去除结果。从图中可以看出，随着时间的增加，不 同角度下的材料去除量都有明显的增大，基本呈正比例。在相同时间内，随着网 1 0 第二章面接触磨削材料去除机理 纹角的增大，其划痕数增加，其材料去除量增大。这是由于在相同珩磨速度下， 网纹角大时，其往复速度快，完成一个行程的时间短，即能更多的划过参考线。 这说明增大网纹角能够提高珩磨效率。 4 08 01 2 01 6 0 网纹角一 图2 3 单磨粒材料去除结果 单磨粒珩磨精度结果如图2 4 ，2 - 5 和2 - 6 所示。从图2 _ 4 可以看出在3 0 0 时， 材料去除量随时间增加而增大，与图2 - 3 结果相同。同时可以看出此时磨粒切削 主要分布在4 个区域，其中一个区域磨粒划痕次数最多。这说明单一磨粒时，工 件的圆周精度将明显下降，而在实际加工中由于多磨粒同时切削，故此情况不会 出现。 为了对比，图2 5 为网纹角为6 0 0 时磨粒划痕分布情况。从图中可以看出划 痕基本上沿着周向均匀分布，随着时间增大，分布更加均匀。为了进一步说明网 纹角度的影响，图2 石中为在相同磨削时间下，随着网纹角的增大，划痕分布均 匀性增加，同时材料去除量增大。这说明大的网纹角度能够产生大的材料去除率 和较高的圆周精度。 0 o ：j o o o o 曲 善： 曼糕蜓交 1 8 1 4 第二章面接触磨削材料去除机理 。 耻：n 一： i - - 曼遵爹：鼻一，。t ， - 譬：= 7 - 。2 缨。 ，j c 。； ； 一一 8 +一 一 9 1 2 一一一。一一一一l o n 图2 4网纹角为3 0 0 时圆周精度 2 0 。3 0 一：一2 6 l o o s 一一一2 0 0 s - 3 0 0 s l l 图2 - 5网纹角为6 0 0 时圆周精度 1 2 0 = 3 0 。 一l o o s 一一2 0 0 s 3 0 0 s 0 = 6 0 ： 第二章面接触磨削材料去除机理 1 2 一一一“+ 。1 0 1 1 图2 - 6 网纹角对圆周精度的影响 一6 0 - 一9 0 一一一l2 0 。 t = - 2 0 0 s 实际加工过程中，油石是多个磨粒共同磨削的过程，因此为了更真实的反应 实际磨削现象，需要再建立一个油石的模型。 为简化模型，我们假设磨粒均匀分布在油石表面，如图2 7 中的交点所示。 油石长厶，宽为d ，磨粒分布面密度为p 。对于磨粒分布面密度p ，其主要影响 因素为磨粒粒度和实验中的珩磨压力。磨粒粒度越大，即磨粒直径越小，则磨粒 分布面密度越大；珩磨压力越大，磨粒分布面密度也越大。对于不同的磨粒，分 别计算其初始位置。任一磨粒在工件的初始位置计算如下： p ( i ，j ) = ( i - 1 ) s + ( - 1 ) s t a n o 其中：网格边长s = 撕历。 ( 2 5 ) 第二章面接触磨削材料去除机理 专夸一一冬一二一 一一一今一一一各一一6 一一一 命秽唧一曲 e 掣一 i 图2 7 油石磨粒分布示意图 油石 图2 8 磨粒坐标位置 以上单磨粒和多磨粒模型都是理想状态下的模型，而实际情况中的实验结果 则要受到磨料粒度、磨料密度、名义接触面积、静载荷、网纹夹角、切削速度、 工件材料屈服强度七个条件的影响。网纹夹角及切削速度的影响在于对测量截面 的磨粒数的影响，这己在单颗磨粒模型中介绍；磨料密度和名义接触面积的影响 主要是对磨粒个数的影响，这已在多磨粒模型当中加入。现将其它三个条件加入： 磨料粒度、工件材料屈服强度和静载荷。其影响主要是对磨粒参与切削的截面积 的影响。 磨料粒度决定磨粒在高度方向的分布，磨粒尖端高度h 的分布随磨粒直径遵 循正态分布，磨粒尖端最高高度| i z 肌甜和最低高度元m m ，非常接近磨粒最大直径如甜 和最小直径磊伽。h 的分布由下式给出【6 0 】： 1 4 第二章面接触磨削材料去除机理 厶( 办) = 1 p 2矿(2-6) q 三冗o 其中：6 表示标准差，矗肌是磨粒尖端的平均高度。盯= 生告；厅肌= 堡学； = ；h m = d m 。 与而对应的磨粒切削深度的计算式为【6 l 】： a = 办+ 口一办。 ( 2 - 7 ) 其中：a 是最大磨粒切削深度。 工件材料屈服强度的计算公式为【6 2 】： 仃y = 矗3 音+ 专 ( 2 8 ) 其中：k 为常数系数，y 为不同工件材料的屈服强度，对塑性材料y = 仃。， 其中盯。为塑性材料的屈服强度；对于脆性材料y = 吼，为脆性材料的断裂强 度。 静载荷f 的计算公式如下 6 1 】： f = e 。蛾= 3 e 。咿( m g ) n r f 。( h ) d h ( 2 - 9 ) 其中：以为最大磨粒切削深度，即为最大磨粒尖端五。到工件表面的距离， 4 是磨粒切削深度即为磨粒尖端高度为h 的磨粒刀工件表面的距离，坼油石表面 的磨粒数。 由此式可以得出最大磨粒切削深度n 6 l 】： 口= 石1 ( c ) ( 2 1 0 ) 口确定后，与h 相对应的也随之确定，4 确定后，磨粒在工件表面的切削截 面积也可随之确定，原理如图2 - 9 所示。 第二章面接触磨削材料去除机理 么 磨粒 7 占 、 、。 工件 图2 - 9 实际磨粒切削示意图 由图2 9 石 知： 0 = c o s - 1 r - a r 所以图中扇形的面积为： 划蚴= 2 r 2 丽1 志 三角形的面积为： = 乏1 2 丽( 尺一) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 所以磨粒参与切削的截面积： 跏) = 一s 三= 2 r 2c o s - 1 而r 一丽( 尺一) ( 2 1 4 ) 为与p 俐相对应，这里将r 记作r 俐，所以在距离为厶的测量截面上，油 石的切削面积公式如下： s = z s ( i ，j ) n a ( 2 1 5 ) 而材料去除率定义为单位时间的材料去处体积，所以材料去处率公式为： 第二章面接触磨削材料去除机理 g：竺：塑：跏舳曰t t _ - 一 2 3 面接触磨削多磨粒去除模型 2 3 1 面接触磨削多磨粒去除模型建立 r 2 1 6 ) 在实际模型计算中，为了简化模型，将磨粒简化为锥顶角为1 2 0 。的圆锥， 在实际加工中考虑油石粒度、珩磨压力带来的对加工过程中，磨粒分布密度和切 深的影响。然后将单磨粒油石划擦模型与油石模型相结合，将以上参数定义后， 在m a f l a b 中建立多磨粒材料去除模型。其中加工参数如表2 - 2 所示，通过油石磨 粒粒度和珩磨压力，可以计算出磨粒的平均切深和有效磨粒数。为了加快计算， 有效磨粒粒度方差都设置为0 0 0 5 r a m 。其中磨粒平均切深公式计算如下： 口：1 + 0 3 ( 生坐+ 业) ( 2 1 7 ) 1 67 有效磨粒数计算如下： ，：5x ( 4 0 0 + 4 0 0 f , - 1 6 2 0 生- 旦) ( 2 1 8 ) 1 67 。 其中：e 为珩磨压力，d 为磨粒直径。 在实际运算时，为了加快计算，我们对有效磨粒数进行了等比例的缩小，即 减少了参与加工的磨粒个数。 表2 - 2 多磨粒仿真参数 参数值 工件长度k ( m m ) 工件直径d ( m m ) 网纹角2 日( 。) 珩磨时间f ( s ) 珩磨速度q ( m t w s ) 参考线位置0 ( m m ) 磨粒粒度 珩磨压力( n ) 有效磨粒方差( m m ) 1 0 0 2 7 3 0 ；6 0 ；9 0 ；1 2 0 ；1 3 5 ；1 5 0 1 0 0 3 3 2 5 0 1 8 0 群：6 0 0 # ；1 5 0 0 # 5 0 ；1 0 0 ；1 5 0 0 0 0 5 第二章面接触磨削材料去除机理 油石在工件表面进行划擦，在往复运动中，新的划痕会覆盖旧的划痕，如图 2 - 1 0 所示。磨粒加工痕迹下的表面为工件的最终加工表面。 o 0 0 5 ： o 1 一o 1 5 一0 2 姜 0 。o 2 5 一o 3 一o3 5 04 04 5 一os 图2 1 1 多磨粒材料去除结果图 在m a t l a b 中，通过对相同区域的合并处理，最终我们得到了工件表面材料 去除面积图，如图2 1 l 所示。这是在m a t l a b 中得到的工件表面图形，图中黑色 区域为材料去除面积。由于磨粒切削的均匀分布特性，本文中为简化计算，只截 第二章面接触磨削材料去除机理 取了工件前1 0 m m 的材料去除情况来分析。通过对不同参数下材料去除面积进行 分析得到相应的结果。 2 3 2 面接触磨削多磨粒去除结果预测 多磨粒材料去除计算参数与单磨粒类似，但是考虑了珩磨压力和磨粒粒度的 影响。其中包括5 0 n 、1 0 0 n 、1 5 0 n 三种压力和1 8 0 # 、6 0 0 # 、1 5 0 0 # 三种磨粒粒 度( 对应磨粒直径分别为8 0 、1 7 、3 p t m ) 。在实验中，由于磨粒直径大小的正态 分布以及磨粒初始位置的随机分布，为了得到准确的预测结果，每组参数进行了 三次实验。其结果如图2 1 2 和2 1 3 所示。 网纹角c 。 图2 1 2 不同磨粒下多磨粒材料去除结果 5 0 1 0 0 1 s o2 0 ( 网纹角( 。) 图2 1 3 不同磨粒下多磨粒材料去除结果 1 9 荩 如 坫 s o 一笮llii)娶怛篮求亲葵 ” 坫 5 o 坌至一器旧逃恫察葵 第二章面接触磨削材料去除机理 图2 1 2 所示为在相同珩磨压力( 1 0 0 n ) 下，随着网纹角度的增大，不同油 石粒度下材料去除的结果。可以看出随着网纹角的增大，材料去除面积随之增大， 这与单磨粒得到相同的结果。而在相同角度下，随着油石粒度的增大，材料去除 量明显减小。这是由于此时磨粒粒度越大，磨粒粒径越小，切深变小所致。 图2 1 3 所示为采用相同的磨粒粒度时( 6 0 0 # ) ，在不同压力不同角度下， 工件材料去除结果。从图中可以看出，在相同珩磨压力下，随着网纹角的增大， 材料去除面积增大，这与单磨粒结果相同。而在相同角度下，随着珩磨压力的增 大，材料出去面积明显增大。 从上述分析可以看出，在网纹角较大，油石粒度较小，珩磨压力较大时，材 料有最大去除量。但以上分析都是理想状态下的材料去除情况，实际加工中由于 加工能力的变化，会使得结果略有不同，这将在第四章中详述。 2 4 小结 本章从磨粒运动轨迹出发，建立了单磨粒材料去除模型，并进行了相应的实 验结果预测。然后建立了油石模型，主要考虑了有效磨粒数和切削深度两个重要 影响因素。然后将两个模型结合，建立了多磨粒材料去除模型，通过仿真实验， 分析了网纹角度、珩磨压力、油石粒度等对材料去除结果的影响。通过分析各影 响因素导致的变化规律，得到了使得材料去除最大的加工参数。 第三章面接触磨削表面创成机理 第三章面接触磨削表面创成机理 面接触磨削中，工件的表面质量对工件的性能有很大的影响，包括工件的耐 磨性，寿命，工件的工作环境等等。而且在珩磨中，其表面形成的网纹结构除了 能够储油润滑外，其网纹特性，包括网纹角度、沟槽深度、沟槽数量、网纹均匀 程度、表面粗糙度等，对发动机油耗也有重要影响。因此研究表面特性对实际加 工有重要的指导意义。 在面接触单磨粒表面创成中，与材料出去模型类似，首先对单磨粒进行分析， 然后把油石模模型加入，使得模型中最终加工表面符合实际加工结果。 d j广 j i ， h l a 1 r z ( j ) _ y ( 辛 y ( 1 ) i 图3 - 1 工件示意图 b 工件如图3 - 1 所示，总长为l 。，周长为d 、v 。图中显示了单磨粒行进的示意 图。将工件展开，沿着磨粒行进方向将其与下端面的交点作为切削点。其中a 为磨粒的初始位置，b 点为磨粒到工件另一端时开始反向的位置，x ( i ) 为初始行 进坐标，y ( i ) 为返程坐标。在一次往复运动中，由几何关系可以得到： x 0 ) = ( 见，一h o ) t a n o x ( i ) = x ( 1 ) + o 一1 ) a ( i 1 ) ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 第三章面接触磨削表面创成机理 y ( 1 ) = 2 l 一口一x ( f ) 一 y ( f ) = y ( 1 ) 一( f 一1 ) a ( i 1 ) 其中： a = o w t a n o 0 为网纹角的一半。 然后重新返回一个新的位置4 ，其位置为： 办( 1 ) = y ( f ) m t a n o ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 按此过程重复，可以得到单一磨粒在整个运动过程中的所有位置。然后保存 到一个矩阵中，从而得到了磨粒在运动过程中的位置分布情况。 对于单一磨粒，其结果不能直接用于分析最