磨削工艺-磨削机理与磨削机和参数.ppt

磨削机理与磨削几何参数 栗正新教授河南工业大学2012 5 Grindingmechanismandgeometry 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 2 Outlook 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 主偏角 r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 刃倾角 s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 前角 O正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角称为前角 后角 O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 副偏角 r 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 副后角 O 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 楔角 O正交平面中测量的前 后刀面之间的夹角称为楔角 O 90o O O 刀尖角 r基面中测量的主 副切削刃之间的夹角称为刀尖角 r 180o r r 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A 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A 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 顺磨 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 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 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 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 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 则 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 Vg是砂轮的组织 即磨粒体积率 一般值0 4 0 5 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 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v 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 21 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 和摩擦系数 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 和摩擦系数 较小时随前角 和摩擦系数 的增大而增加 但在前角 和摩擦系数 较大时则随前角 和摩擦系数 的增大而减小 3 在刃尖下方的塑性变形深度Dh随前角 和摩擦系数 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 在砂轮圆周方向上 由磨粒 向后量得的距离a 称为连续切刃间隔 显然磨粒 的尖端比磨粒 的尖端 在径向差一个 值 磨粒 的最大切入深度g 是 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 25 因此磨粒 成为有效切刃的条件是g 必须有正值 即 g 0 在这个不等式中 左边仅与砂轮表面几何参数有关 右边仅与磨削工艺参数有关 这意味着 即使磨具的几何参数不变 有效切刃的数量也会随VS VW或t的变化而变化 因此 连续切削刃间隔不仅由砂轮本身结构所决定 而且还受磨削用量变化的影响 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 26 二 磨粒的最大切入深度g 未变形切屑的最大厚度 在磨削过程中 作为切削的最小单元 磨粒 以高速运动和本身的形状对工件进行干涉 其结果是被切除的金属形成独立的切屑而干涉的痕迹留在了工件表面上 形成了微观不平的工件表面轮廓 切屑的尺寸包含着十分重要的意义 1 切屑的大小决定着切屑和磨粒间的接触面积和作用在整个磨粒上的力 也就是决定着结合剂把持磨粒保持固定位置所需要的力 2 在磨削过程中 当切屑厚度变小时 比磨削能增加 3 比磨削能的大小强烈地影响着磨粒尖端的温度 磨除率 工件温度 4 最终留在磨削表面上的许多独立划痕的集合 决定着磨削表面的粗糙度和表面完整性 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 27 5 磨粒上的径向力 随着接触面积的增加而增加 会引起工件变形 破坏工件的加工精度 图2 9磨粒最大切入深度与其它因素的关系 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 28 砂轮转速VS 工件速度Vw 前一个有小磨粒的切削轨迹CA 后一个有小磨粒的切削轨迹CB 未变形切屑CAB 未变形切屑CAB的最大厚度AH 砂轮速度和工件速度的夹角 磨粒与工件干涉时砂轮和工件转过的圆心角分别是 砂轮与工件的干涉深度t 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 29 磨粒的最大切入深度g 由图中几何关系可知 由于砂轮切入深度t比砂轮和工件的直径D和d小得多 因此 sin sin sin 所以sin sin 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 30 磨粒的最大切入深度的指导意义 当VW增大 VS减少时 g将增大 单颗磨粒的切削力也增大 对于软砂轮而言 会引起磨粒脱落加快 或对于硬砂轮来说 则会加快磨粒的钝化速度 从而使磨具的寿命减少 最大切屑厚度与连续切刃间隔a成正比 粒度粗而硬度低的砂轮其a值较大 g也就较大 砂轮和工件的尺寸也影响着g的大小 当使用小直径的砂轮磨削大直径的工件时 g将变大 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 31 当磨削参数相同时g将依内圆 平面 外圆的顺序变大磨削效率提高 g与成正比 即与比磨除率 VWt 有相同的变化趋势 但随着t的增大 g和比磨除率Z 都会增大 但增大速率不同 Z 快速增长 而g的增幅较小 这为在成型磨削中保持砂轮地表形态和保持较高的磨除率提供了指导方向 缓进给磨削工艺就是在此基础上开发出来的 比磨除率Z 砂轮的单位宽度在单位时间内磨除的工件材料体积 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 32 三 切屑弧长 砂轮接触弧长 l 一个切刃在一次切削中所产生的切屑 其未经变形的长度称为切屑弧长 图中CB的长度 内圆磨削时的d取负值 平面磨削时d为 即 在工件速度较大的情况下 磨削机理与磨削机和参数河南工业大学材料学院 33 四 磨屑的形状 1 带状切屑在正常磨削中和自锐性良好的情况下 砂轮表面磨粒锐利 由于磨粒具有负前角并且切削速度十分高 常常产生带状切屑