（机械工程专业论文）砂轮磨损机理分析及砂轮堵塞的实验研究.pdf

】：程硕士论文 摘要 本文从砂轮瘗削加工技术发展的鸷景出发，分析了砂轮磨削加工中蘑削基本 要素、磨剩力、磨削漏度等对磨削加工的影晌，分柝了砂轮磨损机理。暹过实验， 深入研究了砂轮在磨削过程中，影响砂轮堵塞的主要因素，为砂轮磨削过程中， 减少砂轮堵塞提供了理论依据。利用满流原理探测砂轮上金麟堵塞的深度和面积， 利用砂轮堵塞仪作为工具，闵正交设计的安骏方法为手段，研究了切入磨削砂轮 堵塞、纵向密削砂轮堵塞和磨潮液对砂轮善塞的影响。经过实验分析，得出始下 结论：在切入磨潮条件下，砂轮堵塞深度和藤积隧进给速度的增加而减少，进给 速度愈小，堵塞深度和面积愈大：缴向磨削对，修熬速度对砂轮堵寨深度和堵寨 面积影响最大；冷却液供威充足时，砂轮孔穴容属能力大大提高，砂轮耐用度也 搬应地提高。该结论为澄削加工过程中减少砂轮堵寨提供了依据。 关键词：磨削加工：砂轮壤塞：正交设计：切入磨削：纵向麽削：冷却液 i i 砂轮磨损机理分析及砂轮堵塞实验的研究 a b s t r a c t 伯i st h e s i sa n a l y s e st h eg f i n d i n ge s s e n t i a lf a c t o r s ，g r i n d i n gf o r c ea n dg r i n d i n g t e m p e r a r u r e 、v h i c ha f 耗c tt h eg r i n d i n gf r o mt h eb a c k g r o u n do ft h et e c 量l n o l o g i c a l d e v e l o p l n e n ti n t h eg r i n d i i l gp r o c e s so ft h eg r i n d i n gw h e e l s 1 ta l s oa n a l y s e st h e m e n c h a i l i c a lp r i n c i p l e si nw e a ro ft h eg r i n d i n gw h e e i a r e fs o m ee x p e r i m e n t sa n d d e e ps t u d i n g ，t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f b c tt h eb l o c k a g eo fg r i n d i n gw h e e l si sf b u n d t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e c f e a s i n gt h eb l o c k a g eo ft h eg r i n d i n gw h e e l si nt h ep f o c e s so f w e a rt h eg r i n d i n gw h e e l si sp f o v i d e d 8 yu s i n gt h ee d d yp f i n c i p l e st or n e a s u r et 量i e d e p t ha n da f e ao ft h em e t a lb l o c k a g eo nt h eg r i n d i n gw 量l e e l s ，b yu s i n gt h eg r i n d i n g w h e e lb l o c k a g ei n s t f u m e n ta sat o o la n db ym e a n so fo r t h o g o n a ld e s i g ne x p e r i n l e n t s ， t h eb l o c k a g eo fg r i n d i n gw h e e lf o rp l u n g eg r i n d i n ga n dl o n g i t u d i n a lg r i n d i n g ，a n dt h e e f 弛c to fc o o l a 稚to nb l o c k a g ea f es t u d i e d 。a f t e rs o m ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，s o m e c o n c l u s i o nh a sb e e nf o u d u n d e rt 量l ec o n d i t i o 芏lo fp i u n g eg r i n d i n g ，t h ed e p t 量la n da r e a o fb l o c k a g ed e c r e a s ew i t ht 量l ei n c r e a s i n go ff b e d i n gs p e e d t h es n l a l l e rt h ef 色e d i n g s p e e di s ，t h eb i g g e rt h eb l o c k a g ed e p t ha n da r e a a r e f o rl o n g i t u d i n a lg r i n d i n g ， d r e s s i n gs p e e di st h eb i g g e s ti n f l u e n c ef & c t o ro nt h ed e p t ha da r e a o fg c 洫d i n g b l o c k a g e w h e nt h ec o o l a n ti sp r o v i d e de n o h g h ，t h ea b i l i t yf o r 量l o l d i n gc h i p so ft h e g r i n d i n gw h e e lw i l lb er a p i d l yi n c r e a s e d ，t h od u r 8 b i l i t y o ft h ew h e e lw i l l a l s o b e r e l e v a 毪t l yi m p r o v e d 飘i sc o n c l u s i o np r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i s 蠡3 rg r 妇m i n gp r o c e s st o d e c r e a s eb l o c k a g eo fg f i n d i n gw h e e l s k e yw o r d s ：g r i n d i n gp r o c e s s ；b l o c k a g eo fg r i n d 谴gw h e e l s ；嘣h o g o n a ld e s i g n ； p l h n g eg r i n d i n g ；l o n g i t u d i n a lg r i n d i n g ；c o o l a n t ； l l i 穗硕士论文 符号表 v s 一砂轮遽液 l 。一，b 俺接触弧长攫( 1 l l m ) a 。蘑肖0 深度( 难m ) d 。一砂轮当薰囊经( 拱m ) l k 一实际矮触弧长度 d s 一移轮纛疑 v 一位移 v v 一砂轮煮线位移 v * 一工件线速度 a g m a x 一最大麟削浮发 n s 一砂轮擎位嚣积商效黪刃数 e 一黪惩寒度与瘗嚣簿度之院 a g 一平均瓣削厚度 b e 平均磨潮宽度 酗当囊黪潮厚度 粕一修整深度 z w 一单位时间蘑去互件零于料的体积 f n 一零位法淘磨削力 g 一磨嬲比 a s 一被壤材料的蘑涂参数 7 一摹饿宽度攀经时润金属磐除体揆 f d 一修整遴绘鬟 v s 单位宽度孽度时阁黻够稍皋垂舞积 q b 砂轮中结合弃瞬占体积瓣露分魄 d 。强羹砂轮囊径 e s赣除攀位体积酶盒勰消耗能鬟 甜r c 一工件材料的洛氐硬度髓 砂轮组织号 一砂轮硬度号 一热源单位时糊磁积& 发出的热量 一潺度传警零 一热传导率 一热滚移动速度 一移动热源长度 一势仞能传入韬惩豹匿分魄 一单位体积热容量 一藤削魄黥 一涝擦麓 一攀位耱犁熊 一单位切屑形成能 一冁界湿度 一平均磨削磁能( j m m 3 ) 一浇伤辩豹临羿瘀潮能( j 钿m 3 ) 一薅削平霹丽积率 一瓣用废磨削躐离 一砂轮耐用度 一颧振醚壤度 一縻粒豹平均蠢径( m m ) 黪粒的粒凄号 一径向磨削分力 一切囱磨削分力 一酾除量 一乎均破礤黼建度 滔松比 鼢凇唾k砭珊；心g u璩啦吒唧扩趾沁执越歉盼&州k斗 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑整声明：所呈交翡谂文是本人在导筛鹣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瓣成采作品。对本文的研究傲融重要贡献 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貔法 律爱果由本入承担。 作者签名：文燃囵期：棚占年争胃6 臼 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、使用学位论文瓣规定，同意学 校保黧弗向困家有关部门或枫构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被 查阕和岱阙。本人授权澳黉大学可以将零学位论文的全都或郝分内容编入 有关数据痒遴彳亍捡索，蜀以采用影秘、缩印箴扫摇等复制手段保存帮汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不绦秽晤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：割建瞳 导爆签名：铖 日期：洲占年争胃6 日 毽裁：册g 年华秀霾 王程硕士论文 l 。i 研究背景 第l 章绪论 磨削是借助砂轮表鼷的大量磬粒切削刃去除材料的一种加工方法，作为一种 获得商精度、低耀糙的加王袭磁以及对离硬度表面遴幸亍精船工豹工艺方法，在制 造加工技零领域占存卡分重要翡地位。隧着现代化髑造技术游发鼹，痞削翻工在 切削加工中豹比重越来越大，成为现代制造技术的关键。提赢磨削加工效率、加 工精度和减少砂轮磨损一直是磨翻领域研究鲍重要内容。 作为现代匀霸王的一种主要掇工方法，蘑潮热工蘧著超硬磨料砂轮的瘦鼹及蘑 削技术的飞速发展，使磨削加工的能力和范围目益扩大，磨削已成为与举、铣、 劁等切削鸯眭工相竞争的加工方法，舆商明显的优势，主要表现为以下特点。 1 鹰瓤效率离 如缓迸绘深磨，次磨削深度可 = = 王达到o 2 5 m m ，当将砂轮修鼷成所需形状 时，一次便w 磨出魇需的工件形状。当砂轮速度v 。在1 5 0 耐s 以上，郎越离速瓣 削时，磨削效率将照萋撬褰。例如，程保持磨削力不变的条 牛下，将砂轮线速度 豳8 0 m 坛旋赢判3 4 0 耐s ，蘑潮效攀会提离3 倍。聪时砂轮可实现在线修锐，使萁 工作效率大大提嘉i l 】。 2 加王糟度高 虫子痞削英存其德耱工方法无法比拟静特点，砂轮上参与切潮的纛糙多，识 削刃多且几何形状不间，仪在较小的局部产生加工应力，有利于获得良好的表面 物理性能和机械性能。磨爨对断续切削、工件硬废的变化不很敏感，能明显降低 癫潮表面粳糙度。由予磨削舾工法向磨削力小，避蜀工艺系统受力变形小，特鬟 是超高速磨削，更加如戴。如同本研捌的超高速外圆蘑床( v ；一1 6 0 耐s 2 6 0 m s ) ， 采用c b n 砂轮，圆度误藏仅为1 m ，表露糨糙度鬏2 为1 2 | l m 【l 】。在其它条件 一定时，将磨削速度由3 3 m ，s 提高至2 0 0 m s ，磨削表疆粗糙度凌r a 2 o pm 降低 至装a 1 1 | lm ，表露残余废力层深度不足l o 弘m ，嬲工精度商【扪。 3 新型材料的加王，推动磨削技术的发鼹 随蓑现代科技的发展，不断出现新型材料，如陶瓷、p e b n 、p c d 等瘸传统 王艺难进行加工的孝芎辩。慰予这些难加工零孝料，璇士a g a t h o n 公司静d k r a m e r 等人研究一种薪的可控魄化学工艺在线修整金属结合剃砂轮的方法一e c d 法， 提供了磨削这类难加工材料豹新途径，瘗潮工 牛的质囊有很大提高，且实现了多 层金属结合裁砂轮对这类难瘗材料静经济实羽力珏工。目本开发豹电解在线修熬 砂轮臻损机理分褥及砂轮堵塞实狳的研究 ( e i l d ) 越精密镜面瘊削技术，实瑷了对硬虢榜籽瓣嵩精度、赢效率的趣精密磨 削嘎 4 颧的磨料磨舆出观，获撩良好的经济效益 超硬瘗料妇金剐石和立方氮化硼( c b n ) 的出现，扩大了磨削加工的范围。 1 9 5 7 年美匿g e 公司首先实验成功磺剖c b n 砂轮，隧矮c b n 砂轮褥到了迅猛发 展，现每年以 5 2 5 的速度增长潮。超硬磨辩与普通磨糕樱比，兵鸯硬度离、 强度好、颗粒形状好、良好的导热性和低的热膨胀系数等特点，磨潮能力强。如 用余鹾f l 石磨具加工硬质合念、工程陶瓷、玛瑙、光学玻璃、半导体杏蓐料、石材、 混凝等非金属材料和有色金瘸材料等，用c b n 麟舆加工工具钢、模具钢、不 锈钢、耐热合金、 | j ；| 热钢、离钒赢速钢、淬硬钢等黑色金属，均胃获褥满意加工 效采。超硬癣辩密具耐密掇谯貔好，使用中磨损小，砂轮傻用寿命长、黪潮眈离， 在合理使用条件下，可获得良好的经济效益，特别是对难加工本孝料的磨削船王， 经济效益雯佳。 磨澍技术发展迅速，在机械加工中起蔫非常薰要的圣乍用，据1 9 9 7 年欧洲机 床展览会熊调查数摆表骥，2 5 静企业认为整削是他们应用最主要的加王技术。 磨床在企业中占矾霖豹比佣离达4 2 ，鼷翦，磨澍鸯霹工技术豹发展懑势是，发 展超硬瘗料蘑其，开发精密及超精密磨削，离遽、离效蘑潮工艺并开发新豹密女i 工艺技术，掇糟磨削效率，降低磨具的磨损。 1 2 国内外磨削技术发展及现状 磨鄹技术燕囱蓑超硬磨籽壤其，离效癌潮，离耩度和趣精密磨潮以及提离自 动化程度的方向发展。超磺磨料的出现是磨削技术领域中的技术革命，已广泛采 用的金剐石和c b n 砂轮，不仅用于刃具、螺纹、熊拜、导轨等加工，而且用来 磨削难加工木季料。用陶瓷结合荆c b n 砂轮蘑削钛合金可大幅度提离磨潮比，并 改善磨潮纛零停袭西宠熬性，降 氐零 誊表层残余疲力。为了遁虚新黧王程瞎瓷豹 密潮，e l 零东芝公司研制了糖型涂层金尉石砂轮。 近三卡多年来，高效磨潮有了缀大发展，如琨了高速磨削、深切缓遴给磨削、 高速重负载磨潮、砂带强力耱削等 甾效蘑削方法。 逶常把砂轮线速度离子4 5 m ，s 的磨潮称为嵩速磨削，现在高速磨削砂轮 线速度讯一般可达鹫6 盼2 5 0 耐s 。德匡隧亨大学避行砂轮线速度5 0 0 1 1 1 砖的超窝速 磨削实验，慰砂轮与磨削工芑技零进行综合磷究。e r 顽nj u n k e f 公司馋为数控高 速整潮技本阻及应用c b n 和盒剐石砂轮的先驱，箕产晶快点磨剐外圆磨床是高 速磨削技术的典氆代表，v 。为9 0 1 5 0 m s 。圜本、德圜等在超禽速外圆磨削领域 处予领先地位，已在汽车工攮等部门应用，使用v 。= 2 0 0 m s 以上c b n 砂轮配以离 柔瞧c n c 系统和齑跨度徽遴给钒孛句对外凰转西进幸亍磨削。我国在离速、超嵩速 工樱硕士论文 蘑削方露斡研究起步较浼，潮肉5 0 m ，s 离速黪潮磷究始予1 9 5 8 年，避2 0 年来豳 态在藏速、趣高速蘑削颁域发壤十分缓溪。湖南大学在离速、超离速纛削方瑟迎 做了大嚣磅究，如开屣了“8 0 瓣s 1 2 0 耐s 高速砂轮蘑削懂麓试验研究”，“l 霹o m ，s 离速砂轮磨削性能试验研究”等，为高速、超窟遮加工在幸亍业中的推广打下了熙 蜜技术基础”j 。 德国f l b 磨床公司首创缓进给廉削工艺方法，磨削深度在o 5 3 0 m m 范嗣，速度在l o 3 0 0 m m m i n 范围内变化，其加工精度达到2 5l lm ，表面糨糙度 r 穗为o 4 o 1 驻m 【”。砂轮静连续修整授术在缓避给磨削工艺中得到实现【l l 。 高速囊负荷磨削以快速去除加工余鬟为目的。重负荷凝磨砂轮速度已警 遮达到8 0 耐s ，个别达到1 2 0 m s ，蘑潮力一般为1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 n ，个爨达到3 0 0 0 0 n ， 摩燃功率一般为l o o 1 5 0 k w ，个剐达裂3 0 0 k w ，最搿麝除率可选l o o 5 0 0 k g 熊， 主要用于钢坯粗蘑，磨狳金廉黛占钢坯壤囊的3 7 孵。 砂攀磨潮在鋈内外机械加工领域不仅疲弼广泛，惩虽发展割相当搿静水 平。嚣外砂带磨削的砂带速度已达到l o o m ，s ，磨削宽度发展到4 9 m ( 美圈套4 9 嫩 宽度的磨床) ，磨澍深度己达数毫米鳓十多毫米，盒属切除率已高达4 5 0 0 m m 3 s ， 功率可达2 0 0 k w ，砂带寿命已达到十余小时。在定尺寸加工精度方面，目前已达 列o 0 1 o 0 2 m m 。在平面度方藏，接触轮砂带平丽察潮可达o 0 2 o 0 3 烈n ，飚疆 板式砂带平面度w 达o o l o 0 2 m m ，在自动化程度方灏已有数控和适应控制的砂 镫磨床p j 。 蘧蕾机攮制选向羞f m s 粱性制造系绫) 、c i m s ( 计算攒集成制造系 统) 、i m s ( 智熊翻造系统) 毒度囊渤化方向发展，对纛削加工提出鑫动化耍求。 2 0 髓纪8 0 年 弋后期瑞士额都德( s 也d e r ) 公司开发了s 4 5 6 型瘗削惩工中， ( g c ) ，荚、隧、德亦攘继开发了钤圆瓣潮热工中心( 嚣g c ) ，内圆磨雕加工中心 ( i g e ) ，无心磨削加_ i 中心( c g c ) 等。近凡年几乎所有释类磨床都有c n c 产 蕊，c n c 工具瘗床已从3 轴发碰剿l o 轴，可实现联枫测量，囊动交换砂轮和鑫 动装卸工件的加工中心的蹦现，标志c n c 磨潮达到一个新的水平，实现磨削加 工智能化弘j 。 可以预见，在今后不长时间内，随着砂轮制造及修熬技术发震，磨削系统垂 动化的实现以及磨削加工精度和烟王效率的不断提离，蘑羽将在枫械船工行业中 发挥蔓大熬侔用。 l 。3 砂轮磨损视理分掇的现状 磨黼翻工是熏要的翱工工艺之一，砂轮瘗损辊理一壹是国内夕卜致力予探讨的 翔题。砂轮纛损可分为摩擦磨损( 骚耗磨损) 、破碎磨损和堵寨粘附f 2 】，摩擦磨损 建囱砂糖和工件之间摩擦而弓| 起的；破碎磨损是砂粒的破碎或结合剂的破稚，它 砂轮磨损机爨分耩及砂轮堵塞实验的磷究 取决予蘑潮力瓣大小和结合裁的强度。有的硬窕人员又将砂轮纛损形式分为枫藏 磨损、化学磨损和粘附磨损三秘方式【6 l 。砂轮磨损取决于砂轮砂粒磨损丽的大小、 工件表露的质爨以及磨潮力等嬲索。磨削过程中随蔷被密材糕磨除体积的增加， 砂轮蘑损逐渐增大，对移轮的磨损与金属材料磨除体积之闻豹关系，研究人员都 褥到一致的结论，认为砂轮的磨强过程可分为三个壤损期。 当砂轮修熬之后，初期磨损羚段主要是磨粒豹皴碎和整体脱落，荬蹶因燕修 整恁的砂轮工作表面上磨糍受修整工其冲击丽产生裂纹。在癌肖0 力作瘸下，产生 裂纹的磨糍会出现大块碎裂，箍松动瓣摩粒则会熬体栽落，表现为曲线上升较陡。 第二期磨损阶段，郄正常磨损阶段，因在力的作粥下，仍会商一些磨粒破碎，但 主要是磨糖经历长鲢阍的切削键亿，为瘗耗瓣损。函予该阶段磨粒切削刃较稳定 的切削，锼砂轮的磨损麴线交褥踺较平鳃。第三鲷磨损除段，丧于瘀粒切利刃遴 一步钝化，使作用在蘑粒上的力急剧增大，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎 及整个磨粒脱落。此时蘸线上升很陡，砂轮不能礁鬻工作【lj 。 1 4 砂轮堵塞研究的现状 在薅削鸯弱工中，砂轮衷_ 蘸附着大慧讶属，这耱现象严重影响了砂轮的正常工 作，称为砂轮妻蠹塞【6 j 。砂轮堵寨一般分为两类，一类为侵入型( 嵌入黧) 堵塞， 即切屑钻入砂轮表面的空隙中，在磨潮钢材眩容易出现这种形式的堵塞。另一类 为粘附型( 粘簧型) 堵寨，切屑熔结在磨粒及结合荆袤蕊上，把磨靛切刃覆盏。 如切潮菲铁会聪如钛合袅、镄合袅、镁合金等延展瞧好、熔点低蕊金属材料拜于窝 发生粘融型堵塞。墨砂轮堵塞到一定程度露，其韬澍戆力明最下降，容荔出现明 显豹振动和噪音，甚至发生烧伤现象。 砂轮堵塞的形式和程度主要零日工件材料的机械性糍、砂轮的特性、磨削闭鬃、 磨闰液类型和供液方式等因素蠢关。其中，砂轮速度、_ i 件遮度、进绘速度、密 潮深度及磨削液等是影嚼密蒯避穗中堵塞现象及癌削效果的熏要参数。对澄澍嗣 量参数送行多因素实验，建立数学模型，优化合理的磨越参数并总绣赉规律，是 指导工业生产的一种常用方法。本文就是根据工作中的实际情况对砂轮的堵塞条 件的多因索进行实验，采胡正交设计实验法，遥过实验方法得由在不同工作条停 下蘑削用薰和切削液对砂轮堵寨的影响，为磨削加工中减少砂轮堵塞提供依据， 指导生产船工。 砂轮圭蠢寨豹测量是磨潮磷究中豹一个重要的方露。瞧于瘗削避程的复杂往， 对其进行赡控比较困难。在砂轮磨损监测方面陋】，嚣内已研究出声发射监控系统。 汉诺藏大学用3 2 m w 连续波激光管、豫置光检测器和镜头的新的光学测爨方法， 评价砂轮形貌对磨削过程稳定瞧及砂轮微观特征信息状态进行在线判断。但圜翦 磨削过程簸控系统在实用性方掰仍存在一定熊差距。 工程颈士论文 砂轮蘑损的检测方法，目前主要有以下几种 1j ：滚动复印法、触针法、光截 法、光点自动测量法、激光功率谱法、电镜观察法、光反射法、声发射监测法等。 这些方法对砂轮形貌豹梭溅较姆，但对砂轮堵塞薅积( 程度) 雏测纛较难，本文 利用涡漉原理搽测砂轮上金属堵塞物，怒砂轮堵塞测量耱一穗较为联想方法。 1 5 本文的主要研究内容 本文从工程实际应用出发，霹砂轮蘑撰进行7 桃理分孝厅，对砂轮堵塞进行了 实验研究。首先通过辩影响砂轮蘑羧的规璞、砂轮壤寨的形成机理和影响砂轮堵 塞主要原因的阐述，从理论上对移轮磨损枫理鞠砂轮堵塞进行了分析；然意以实 验的方法，对影响砂轮堵塞几个主要因素遴行研究。通过运用正交设计实验法， 分析农不同的工况下，影响砂轮堵塞的主要因素。为瘗潮加工过程中，改善工作 条 牛，减少砂轮堵寨，捷离生产效率，提供指导。 本文的主要工作包括以下凡个主要方两： ( 1 ) 阐述本论文产生的背景与解决问题的基本方法； ( 2 ) 论述磨潮加工中的几个熏要基本参数和砂轮堵塞测量方法麓分； ( 3 ) 论述移轮瓣损捉瑗，分析砂轮磨损过程中瓣主要表现帮蹑阂： ( 4 ) 分析砂轮堵塞豹形成移 i 理霸影响砂轮堵塞的主要原因； ( 5 ) 采餍涡流原理进幸亍砂轮堵塞实验的理论依据和研究方法； ( 6 ) 通过实验，运用正交设计实验法，对切入麝削中，砂轮避给速度、工件 转数、修整速度和深度等因素对砂轮堵塞深度秘蕊积的影响进行分析； ( 7 ) 通过实验，运用燕交设计实验法，辩级内外瓣蘑削中，工 串转数、修整 速度、冷却方式( 分滠瓣、半湿蘑、于磨) 、磨削厚度等对砂轮堵塞深度翻丽积的 影晌进行分析。 砂轮磨损机理分析及砂轮堵塞实验的研究 第2 章磨削加工基本参数分析以及砂轮堵塞测量方法 简介 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，形成被磨削表面。影响磨削加工过程因素很多，为了实现 磨削过程最优控制，提高生产效率，就必须研究磨削加工中输入参数和输出参数 之间相互关系，下面就磨削基本要素、磨削力、磨削温度进行分析。 2 1 磨削要素 2 1 1 接触弧长 几何接触弧长度l g ：几何接触弧长度l g 是指几何磨削弧的长度 该模型是将砂轮和工件看作两个绝对刚体，通过几何计算法得出。 i f 0 。p d ： 式中：l ，一几何接触弧长度( m m ) ： d 一磨削深度( m m ) ； d ，一砂轮当量直径( m m ) 。 v 如图2 1 。 ( 2 1 ) 图2 1几何接触弧长度图2 2 平面磨削时磨粒的运动轨迹 实际接触弧长度l k ：通过对磨削接触研究的深入，人们发现发生在磨削区 的现象十分复杂，砂轮和工件j 年磨削区的弹性变形、塑忖! 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，使 得实际接触孤长度l k 比几何接触弧长度1 9 大1 15 2 倍左右i l j 。 下面分析平面磨削时单颗粒切削工件时实际接触弧长度i k 的计算。 下面分析平面磨削时申颗粒切削工件时实际接触弧长度i k 的计算。 _ 程硕论文 如图2 + 2 ，癀粒a 点处于开始切削位嚣，设磨粒与半径r 。驰滚隧固连，置磨 粒a 点处于滚圆之外。当滚圆沿平行于进给运动方向作缒滚动时，磨粒a 点的轨 迹为延长外摆线a c ，其孰迹方程为： f x = r 毋j 砼翠vv i ly ：b ( ，sl f r ) 式中：v 点a 角像移； v v 一砂轮的赢线位移，v 。= 矿v 口” v v 一砂轮每转楣对于工件的位移量，根据工馋线速度v ww 求褥v o 。 舯固糖靴跏广警2 去妒2 嚣矿2 警y ( 2 - 2 ) z 刀肝z 刀。n 。z v 彳导 jx b ( s 加l f r l f r ) l y = 如( j c 妒) 式中：“+ ”表示逆磨，“表示顺磨。 上式经微分赢，化筒得 d 如= 珞( j 士； ) d l f r ( 2 3 ) v 褥积分德 ，= ( j 导) 瓜 ( 2 4 ) 式中( 竖) 反映由于工件进给速度两弓l 起的接触长度的变动。平面磨削中， 由于v w 与v s 与相差较大，v 很小，可不考虑冀影响，则可以用以下简化式诗 算砂轮与工作接触长度。 珏。a ，d 。= k 同蠼口j 擢寻出外圜麟削时磬粒运动接触弧长。 州一士詈，c 等，；k口；+ d 。 同理可推出内圆磨削时蘑粒运动接触弧长。 州- 詈，c 鬻，； v s ds d w 2 1 2 磨削厚度 最大薅削厚度a g m a ) ( ( 2 ，5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 砂轮磨损桃理分析及砂轮堵塞实验的研究 m c s h a w 推荐的磨藤厚度计算公式f 1 】 诵剐：锄。c 杀挣， 棚驯：蚀舻【熹 式中n 。：砂轮单位面积有效磨刃数 c ：磨屑宽度与癣璃厚度之比，邸c 2 b 一8 9 d s ：砂轮直径 o p i t z 等人推荐的磨屑殍度计算公式【l 】 啊。= 毒岗两阿 期两啊“2 万i 石i jl 刊l 列 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 以上嚣种a g 。a x 公式中，都有【之】部分，说明饔削运动关系对磨削厚度有影 响。 平均磨潮厚度a g 切潮层平均体积等单位时间内被砂轮切去的金属体积与单位时间内砂轮表箍 参加工作的磨刃数之比n 即 妙糕 ( 2 1 1 ) 肾去詈 ( 2 1 2 ) 当量瘗削厚度a e q 由于磨粒在砂轮表面上的分布楚随机豹，而且实际参加工作浆磨粒数不稳定， 因而难以找到一个恰当豹基本参数表征蘑削特征。平均瘥属厚度堍及最大磨削厚 度8 9 m “与密削输出参数之间有对应关系，其取决于速度比( v 。) 。但用毡m a x 和a g 表征砂轮动态工作条件不完全合适。因此c l r p ( 国际生产工程研究会) 磨 潮研究合作缀认为罔【詈郎 作为磨潮基础参数，称为当豢磨削厚度a e q 嘲。 啊2 寺 亿 式中z w ：单位宽度金属切除率 当量磨削厚度将 竖a 。】当作一个参数来看蠢以下意义： y s 反映了磨削运动参数为切屑影滴 工程硕士论文 当鳖蘑粕厚度a 。是假想带状切屑豹断露厚度。在一定工艺系统阿发条件 下，它与砂轮寿命和磨潮比( 以体积计的单位时间内会属切除量与砂轮磨耗爨之 比) 之间也辈线形关系。 2 1 。3 磨削跑g 磨潮比g 是表征可磨削性的熏要参数，是选择砂轮及磨削用量的主要依据。 磨削比g 是指同磨削条件下砂轮耗损与去除的工件材料的体积的比值关 系，即 g = v w7 k ( 2 1 4 ) 式中：单位燕度单位时间金属磨除体积 k ：单位宽度单位露阍砂轮所耗损体积 磨削比的大小是表示砂轮使用经济性的一个重要指标，当麽削比越大时，表 示消耗单位体积砂轮可以磨去更多的被加工材料，砂轮浆经济性就越好。 砂轮磨损量与麟削堂关系，如图2 3 ，在计算磨削比畦，在正常磬损阶段来 计算比较合适。 t z 是骱段 a 二 。 0 金属基除体积 ( 磨4 时阚， 段 2 1 4 被磨材料的磨除参数a 。 它反映工件材料的难磨程度及效率。被磨材料的磨除参数人。是单位法向力 a w _ 鲁 ( 2 1 5 ) 式中：z w 一单位时间磨去工件材料的体积 a 、v 傻愈商，说明可瘗憔愈好。对于一般金属材料的痞潮，l i n d s a g 进行了实 验和分析加】，得出下列计算金属磨除参数的公式： o _ 7 9 3 l o “( ) ”5 8 ( “导) ”v ， aw 一j 百砉万雨耳蠹￥知一 ( 2 1 ” d 三“戮4 7 d ：”烈r c l 4 2 ”。 砂轮磨搔量 砂轮密损机理分据及砂轮堵塞实验的研究 式中：v 。一工件速度( m s ) v 。一砂轮速度( m s ) a d 一修整深度( m ) f d 一修熬进给鬃( m 厅) d f 一磨粒直径( m ) d 。一当薰砂轮崴径( m ) q b 一砂轮中结合劁掰占体积的百分比q b = 1 _ 3 3 h 。+ 2 2 s 。一8 ( 其中，s 。 是砂轮组织号，h 。是按砂轮硬度换算得到的硬度号) r c 一工件材料的洛氏硬度值 通过实验研究，影响磨除参数a 、v 的因素是：砂轮速度v 。，工件硬度和砂轮 修整条件。砂轮速度愈高，工件硬度愈低或砂轮修熬进给量愈大，都会傻a 。傻 增大，说明材料易于磨削。 2 2 磨削力 蘑削力起源予王俘与砂轮接触看弓| 超匏弹性变形、塑性变形、切属形成以及 磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与砂轮耐用度、磨削表面租糙 度、磨潮比等均有煮接关系【l ”。 磨削力是指磨削时砂轮与工件之瓣的作用力。磨削过程中所切下的磨属虽然 很小，每颗磨粒上承受的磨削力也很小，但大量鲍因对进行切削的细小磨粒上职 受到的力的总和就可以产生较大的磨澍力。当切除的壤削骶殛积愈大、数量愈多 ( 即磨削用薰愈大) 、被加工材料的强度愈大时，麽潮力就愈大；面砂轮工作表露 愈锋利，则磨剃力就愈小。磨削力褒磨削过程中随砂轮工作面上窍效磨粒的逐步 钝化和气孔的逐渐堵塞可逐渐增麴。在砂轮整个耐用度周期内，磨削力的变化通 常可分为三个阶段，如图2 4 所示l “。 f a 图2 4 砂轮耐用度周期内縻削力的变化 初始上舞阶段( 图2 4 中第1 部分) 磨削加工刚开始时，由于工艺系统的变形，实际磨削深度是小于名义磨削深 度的。随着蘑削的进行，工艺系统的变形量不断增大，实际瘗削深度与逐步增加， 磨削力出现初始上升阶段，煮到实际密削深度与名义深度相同甘重，初始上升阶段 工程硕士论文 结束。这段时间一般不长，但是由于不能处予名义磨削深度下进行磨削，影响磨 削效率，因此应尽可能缩短该阶段的时间。影响它的主要因素是磨削用董和工艺 系统的刚性。 正常蘑肖4 阶段( 鞫2 4 中第1 i 部分) 正常磨削阶段内，蘑削是在正常稳定状态下进行的，因此磨削力也趋向稳定。 但随着蘑敉豹逐渐钝化，磨削力肖缓强上升的趋势。闷时，随著砂轮的不断鑫锐， 磨削力又有强复豹趋势。所以总的来讲，这阶段疆削力是逐渐缓慢上升中又有一 定的起伏。正常磨削阶段是磨削过程中砂轮去除被磨材料的主要对联，因此应尽 可能使它延长。磨潮用量的大小和砂轮特性的合理选择，对正常磨削阶段时阅的 长短影响最大。波该指出，增加磨潮朋薰虽可提高磨削生产率，但一般会减短正 常磨削阶段的时间，从露影响砂轮整个耐用度期闻的金属总磨除量，因此要兼顾 考虑。砂轮特性选择不当，易使磨削过程中砂轮睡锐性交蓑，也会导致正常磨削 阶段时间的减短。 急尉上升输段( 圈2 4 中第1 珏部分) 随蔫磨女4 时灏的增加，砂轮工侔丽上钝化磨粒的比例农砂轮工作颟的堵寨现 象将夔之增加。加之由于磨削力的不凝增麴又麴剥上述现象的产生，放此磨削力 急剥上升。这一阶段的特点是砂轮磨损加快、工艺系统的振动增加、磨削噪音加 大、工传表冠粗糙度下降和表薅质显恶化，砂轮已处于非正常工作状态。由于磨 粒的强度和砂轮中磨粒豹结合强度是一定的，因j 毙，当磨粼力超过磨粒的强度极 鞭时，磨粒就会破裂或折断；超过砂轮的结合强度对，糜粒就会熬粒或成团脱落， 这都会增加砂轮的磨损，影响磨削豹正常进行。工芑系统的振动也会造成砂轮磨 损不均匀，使蘑潮无法进行。当磨肖力超过砂轮的强度髓，还会导致砂轮的破坏。 因此，实际生产中一般在达翔该阶段之前，就需要重新修熬砂轮。 磨削过程中产生的切潮、摩擦和粘附等现象，都是蘑潮力产生的原因。磨粒 在磨削过程中产生“切削”、“耪犁”、“滑擦”三种作用。当磨粒产生切粼作用时， 被切离的磨屑由强烈的交形会对磨粒产生作用力，摩粒表面与工传表霹、磨屑表 蘸的摩擦会产生摩擦力。磨粒在产生耕犁作用髓，也会受到材料变形力和摩擦力 舱作用。丽产生滑擦作用的磨粒则受到摩擦力作用。此外，处于磨削接触区的结 合剂与工件接触时也产生强烈的摩擦。所以，蘑削力主要是由切削力和摩擦力两 部分组成。同时，由于磨粒在切削时具有较大豹负前焦，使磨屑的变形很强烈， 磨粒与王彳牛的相对滑动速度也很离，所以磨酗融单位面积上的力就较大。磨裾切 离所消耗的比能也很大。 磨削力是上述各种作用力的慈和。但总磨剡力的数傻鞫方向是在不断变亿 的，绘力的测量和分柝带来缀大的不使。 由此可以看出，磨削力在研究磨削过程中是一个很熏要的因素，它与被加工 砂轮磨损机理分析及砂轮堵塞实验的研究 材料的性能、磨削用量、蘑削工艺系统刚性、砂轮特性及其表覆工作对的状况以 及修繁条侔等有壹接关系，并且会影响磨潮时的蘑削效率、砂轮磨损量、动力游 耗和蘑削经济性等。因此，存不少人把癔削力作为磨削过程的主要参数来控制。 近年来发展的控制力磨削，就是其中一种。 2 3 磨削温度 金麟切屑时所作的功几乎全部转化为热髓，这些热传教在切屑、刀具和工传 上。但磨潮热工被切削金属层比较薄，大约6 0 9 5 定额热量被传入工伟，仅有 不到l o 豹热纛被磨屑带走。这些传入工彳牛的热量在磨粼过程中常来不及传入工 件深处，两聚集在表瑟层形成局部离温。工件表丽温度鬻可离达i o o o 以上，在 表面层形成极大的滠度梯度( 可达6 0 0 1 0 0 0 m m ) ，所以磨削的热效应对工件 表面质基和使用性能影响很大 l ”。特别是当温度在赛面上超过菜一褊界值时，就 会弓 起表面热损伤，导致零 牛的抗饔损性能降低。另一方藤，磨魏送的瘗削热， 不仅影响到工件，也影响到砂轮的使用寿命。 2 3 1 对磨削加王的影响情况 廉潮时，磨除单僚体积的金璃所消耗豹能量为3 1 ： e f v s f t ? 卸1 该能量称为比瘀搿能，鼠绝大部分转化为热，使磨削接触区温度上升，对磨 潮工序的进行和工件的性能产生缀大的影响。人们对幽于磨削热露馒磨削区域的 温度升高，它们对磨削加工的影响也不相同，通常可分为以下几种情况： 工件的平均湮度升高。这是传入工件的热量使整个工件产生的温度舞赢， 它对工件的尺寸和形状精度产生影晌，一般为l o 2 0 。 砂轮与工件接触嚣域驰滠度，即接触区域a b ( 图2 5 ) 的平均温度，它 对癀女4 时产生的烧伤软亿、磨削残余廒力、磨削裂纹等产生影响，一般为4 0 7 0 0 。 二鏖丕二 豳2 + 5 瓣剡时砂轮与工件的接触诞域 磨粒与工件( 切属) 接触点的滠度，即磨粒形成切屑部位的瞬时温度。 它对砂轮的磨损、破碎、旗附等现象产生影响，其值可达l o o o 左右。 工件磨肖4 表丽的滠度分布，即沿工 牛表面深度方向的涟度的变化。它影 响被磨工件表露组织的变化、裂纹深度和工件豹使用性能。 工程硬士论文 实际磨削过程中，密粒接触点高温只是瞬对的，奏正对工件表殛质量有影响 的主要是膳豳区最高平均温度。 2 3 2 影响磨削热量变化因素的分褫 磨澍用量 a 砂轮速度：一般砂轮速度增高后，磨削温度媚应上升，主要是：砂轮速度 升离盾，单僚时间切过工纷表面的磨粒数增多，磨屑厚度减少，摩擦作用加剧， 磨削产生的热爨显著增加，因此磨潮表磷温度上升；随蓑磨削时摩擦作用的加剧， 磨削热传到工件表面金属的比例加大，也促使工件表面温度上升；出于在相岗的 比金属切除率下，较高的砂轮速度磨出的磨屑分割得较细，也需要较多的切腾变 形能，因而使工件表丽层温度升离 1 3 】。 b 工件速度：工件速度增高，磨属厚度鸯日大，发热景增大；但是，蘧着工件 速度增高，磨削热源在王俘表撕上移动的速度加快，散热条件好，肖利予降低工 俘表瓤的温度。因此，适当豹提高工件速度，可以减轻工件表藤烧伤的产生，邸 降低工件表冠滠度。 c 根据试验褥知，进给速度v f 的变化对工件表筒的潺度变化影响不大。而且 通常在砂轮速度和平均比金属切除率相等的情况下，恒压力切入磨削比憾进给量 切入磨削温度上升豹程度要大。其原因可以认为恒压力切入磨削时，开始磨削的 一段时间内磨粒锋嗣，余属比切除率大，磨削温度较高；随露因磨粒负荷重，钝 化快，摩擦加剧，故寮削温度也上升较快。 工传材料：一般磨削韧性大、强度高的材料比磨潮脆性材料融的磨削温 度要高些，如磨削g c f l 5 轴承钢的磨削滠度觏比磨剃4 5 ”钢的瘩潮温度离。其原 因是轴承钢的导热率低、强度高，因i 爵金属变形和摩擦消耗的熊薰较多，发热量 大；再加上它本身散热不易，因此在金属表面上聚积的热鬃较多，使磨削温度增 高；又如磨潮球墨铸铁辩，因为形成的崩碎切屑较多，变形和摩擦均较小，所以 磨削滠度要低些。 磨削液：国内外许多磨削工作者经过研究指出，普通磨削时，磨削液的 冷却作用对磨削瞳的临爨温度o ：的影响楚很小的，采用磨削液湿磨和无磨削液干 磨时的磨潮临界湿度并没有多大的变化。例如m a l k i n 推导得磨削时临界温度e ：的 公式为：【”j 三三上 ：三壁生：譬骂二些型( 2 ，1 7 ) k 口2 _ d 4 式中：u + 一烧伤时的临界磨潮比能( j m m ) u c p 一一平均磨削比能( j ，m m ) 砂轮磨损桃理分析及砂轮堵塞实验豹研究 n 、b 和k 均为无整纲的系数 式中并没裔考虑磨削液的冷却效果对密削龋嚣瀑度眈豹影响。又鲡 s a u e f 的试验中发现，当工件速度大予l o i s ( 5 2 m 矗n i n ) 蕊，不阕的冷却条传对工 件袭弱温度已经几乎没肖舒么影嚷了，兜图2 6 。可见这试验结果和m 融k i n 的 理论楚楣当一致的。 王伴速度m 知i n ) 鞠2 ，6 不闻冷却条件对工件表面温度的影响 德得注意豹是从试验中得知，在高速磨削和蠕动遂给磨削中，蘑削波对冷却 工件表酉、减少工馋表露屡烧伤现象所超的作用趣缀大的，上述的公式和理论并 不透合与高速磨削和蠕动进绘翡澍。如蠕动进给磨削时，工件进给速度缓慢，冷 却俸瘸对磨削豁赛温度靛影确戴较为显蔫。 2 4 砂轮堵塞测量方法简介 砂轮形貌浆检溅方法很多，按检测状态的不岗，可分为砂轮的静态检测与动 态检测；按检测时的接触状态不同，可分为接触式和非接触式检测；按检测的参 数不阍，可分为直接检测粕间接检测；按机床的状态不同，可分为在线检测( 工 作状态) 和停桃检测( 菲工作状态) 等。下瑟介绥几萃申常见砂轮堵塞测量的检测 方法。 l 。滚动簦鞠法f l j 圈2 一滚动复印法 滚动复印法是在谍瞧支承辍与砂轮之间敖入复写纸与玻璃扳，箍缓慢转动 王体衰霪鹰k 工程硕士论文 砂轮，一霆移动笈髯纸与玻璃板，受i 玻璃扳上稔复印蠢砂轮表覆约乎瑟鬻，秀通 过曼微镜鼹察可以测褥磨料分布密度以及砂轮堵塞的箍积。如图2 7 ，该测量方 法简单方便，但仅能糕略地了解砂轮堵塞面积，精度不商。 2 声发射艟渊法1 6 】 剃用声发射技术可戬在线测量砂轮在癣溷过稷中的磨损、砂轮堵塞以及砂轮 舵修熬等过程。 所谓声发射现象怒避体本孝料妾于结构变化引起应变能的快速释放耐产生的 弹魏波，麓称a e ( a e o 娃s t i ce m i s s i o n ) 。起襁，用声发冀于技术监测刀翼的磨损、 破损及识别切藩状态。1 9 8 4 年戳柬，该矮技术开始弓| 入磨削研究领域，零j 嗣它来 箍测磨削质量、检测磨削过程以及辩砂轮参数的测定。 圈2 8 为测量砂轮密损鼬a e 监控装嚣原壤图。将a e 传感器装在乎蔼磨床的 磁力毅盘主，a e 传感器采用膳电陶瓷材料，从a e 传感器滤波和主放大器放大属， 送至鉴别器，在经过高速a d 转换，将a e 信号数字化展送入计算枧进行波形分 板。实验结果囊c r t 殿示或用打印机打印出来。a e 信号的功率谱是通过频谱分 折仪来测量的。溺黛中，a e 传感器采用两套，其中一套借助夹具安装在砂轮修 整器上，另一个传懑嚣安装在磨藤王箨台的磁性吸盘主。在砂轮修骜器上鼹传感 器主要雳寒检测修熬砂轮过程中豹a 嚣信号，磋在磁性吸盘上的传感器主要楚厨 来检测砂轮与工徉的接触状态帮磨削过程。 随着磨削的进行，砂轮豹堵塞鄢滤损均会逐渐增加，这样就减小了磨粒切削 加工的有效性，耕犁和游擦作藤增强，磨削力与温度均升高，从蕊导致声发射熊 量的增加。图2 9 是谯平面磨徕上磨削4 5 号钢对睦la e 监测量装盖所得劐的声发 射信号的平均均方根值r m s e 与磨削时阕的关系。 圈2 8 砂轮蘑键的a e 蓝测装熏漂瑾图 瓮 萎 瑟 霸5 0 斗 4 0 3 0 时斓t n 圈2 9 煮发射蕊号的均方壤值 与蘑削时闻的美系 从图2 + 9 中可以看出，声发射信号的平均r m s a 值随磨潮时间的增加丽增大， 嚣蠓大的趋势与砂轮壤寨随时闻变化的趋势相似。因此可以认为r m s e 实际上隧 砂轮磨损机理分柝及砂轮堵塞实验的研究 砂轮堵塞和磨损瓣增大而增大。 3 。激光功率谱法1 激光功率谱法可实现磨削过程中砂轮工作表面密损状态进行在线检测，检测 结柒经过数据处理，可以获得有关砂轮形貌的特征参数，包括砂轮堵塞状况。 激光检测装景包括激光源、光学系统和检测器组成。具体检测方法是将砂轮 瞩周翊分为2 5 6 等