磨削工艺-磨削机理及磨削机和参数-ch3

1、磨削机理与磨削几何参数磨削机理与磨削几何参数栗正新栗正新 教授教授河南工业大学河南工业大学 2012.5G r i n d i n g m e c h a n i s m a n d g e o m e t r y磨削机理与磨削机和参数 河南工业大学材料学院 2Outlookp 磨削加工方法种类p 常用磨削加工运动参数p 磨削中的磨粒p 磨削机理p 磨削几何学参数p 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p磨削加工磨削加工磨削加工固定磨粒加工固定磨粒加工固结磨具加工固结磨具加工振动磨削振动磨削砂轮磨削砂轮磨削珩珩 磨磨超精磨削超精磨削电解磨削电解磨削涂

2、附磨具加工涂附磨具加工叶轮磨削叶轮磨削砂带磨削砂带磨削自由自由(游离游离)磨粒加工磨粒加工研研 磨磨抛抛 光光滚滚 磨磨喷射加工喷射加工磨料流加工磨料流加工弹性抛射加工弹性抛射加工页布页布(纸纸)加工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p 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p 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 刀具几何角度刀具几何角度主偏角主偏角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基面中测量的主切削刃与假定进给运动方向之间的

3、夹角称为主偏角。主偏角。刃倾角刃倾角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。为刃倾角。前角前角O 正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角称为前角。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。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。副偏角。 副后角副后角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正

4、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。副后角。 楔角楔角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。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） 刀具几何要素刀具几何要素-三面二韧一尖三面二韧一尖（1）前刀面前刀面A） 切屑流出时经过的刀面称为前刀面。切屑流出时经过的刀面称为前刀面。（2）后刀面后刀面A 与过渡表面相对的刀面称为后刀面（也称主后刀面）。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

5、副后刀面A 与已加工表面相对的刀面称为副后刀面。与已加工表面相对的刀面称为副后刀面。（4）（主）切削刃）（主）切削刃S 前刀面与后刀面汇交的边缘称为（主）切削刃。在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。切削加工过程中，它承担主要的切削任务。（5）副切削刃副切削刃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。加工表面。（6）刀尖刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位，或者是主、副

6、切削刃的交点。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、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。副切削刃直接相交，形成尖刀尖。 切削运动切削运动 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。动。切削运动分为主运动和进给运动。p主运动主运动 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。动速度高、消耗功率大。p进给运动进给运动

7、是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。的运动。p合成运动合成运动 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。的合成运动。切削要素切削要素 包括切削用量和切削层参数。包括切削用量和切削层参数。切削用量三要素切削用量三要素 1) 切削速度切削速度：切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬时速度：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。具与工件之间

8、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（切削深度）：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直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，单位为于工作平面方向上测量的吃刀量，单位为mm，也就是工件，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。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 7p磨削加工- 按加工对象分类按加工对象分类p磨削加工- 按砂轮与工件的相对运动关系分类按砂轮与工件的相对运动关系分类 往复式和切入式p磨削加工-按砂轮与工件干涉处的运动线速

9、度方向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VW VS 顺磨顺磨VW VS 逆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p磨削加工The types of workpieces and operations typical of grinding: (a) cylindrical surfaces, (b) conical surfaces, (c) fillets on a shaft, (d) helical profiles, (e) concave shape, (f) cutting off

10、 or slotting with thin wheels, and (g) internal grinding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p磨削加工-无心磨 Centerless-Grinding Operations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p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与其他切削加工方式的比较 工件工件 刀具刀具g g 切屑切屑g g 工件工件 磨粒磨粒 磨屑磨屑磨削机理与磨削机和参数 河南工业大学材料学院

11、12为了描述磨削加工过程，必须找出一些能明确表征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。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、有效表征输入条件的参数有：磨刃几何参数、有效磨刃数、切屑层磨刃数、切屑层(末变形末变形)断面尺寸、接触弧长断面尺寸、接触弧长度和砂轮当量直径等。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。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、切屑层断而其

12、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。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磨粒切削刃的形状与分布 一、磨粒切削刃的形状一、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，也可以切削刃的形状可直接用显微镜或电子显微镜

13、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得切削刃的形状 磨削机理和磨削几何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 14砂轮的组成砂轮的组成 a平均切刃间隔和连续切刃间隔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 Cw1 对分析磨粒

14、的切入深度和切屑断对分析磨粒的切入深度和切屑断面积是一个必要的数值面积是一个必要的数值 在砂轮内部任意切断的单位平面在砂轮内部任意切断的单位平面AB上（图上（图22）含有）含有Np颗磨粒，颗磨粒，磨粒的平均直径为磨粒的平均直径为do，那么在，那么在1do的体积内含有的磨粒数的体积内含有的磨粒数 ogoPdVdN16326ogPdVNVg是砂轮的组织，即磨粒是砂轮的组织，即磨粒体积率。一般值体积率。一般值0.40.40.5 0.5 ogPdVNw61=（1.141.15）d0 砂轮表面上平均砂轮表面上平均的切刃间隔大约的切刃间隔大约为平均粒径的为平均粒径的1.52倍倍 磨削机理与磨削机和参数 河

15、南工业大学材料学院 16 磨削机理与磨削过程磨削机理与磨削过程 一、磨削过程一、磨削过程 磨削加工的特点磨削加工的特点决定了磨粒与工决定了磨粒与工件的干涉过程不件的干涉过程不同于一般切削方同于一般切削方式：切屑并不是式：切屑并不是从切削一开始就从切削一开始就产生的产生的磨削机理和磨削几何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 17磨粒与工件的干涉过程可分为以下三个阶段磨粒与工件的干涉过程可分为以下三个阶段：（1）划擦阶段）划擦阶段: 砂轮与工件开始接触阶段，磨粒切削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。刃与工件之间只发生弹性接触。（2）刻划

16、阶段）刻划阶段: 砂轮与工件开始接触以后，继续以恒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：）切削阶段：砂轮继续相对于材料表面作进给。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。使磨粒切入深度增

17、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、弹性变形过程分析二、弹性变形过程分析一颗磨粒被作为一个刚体装在一颗磨粒被作为一个刚体装在弹簧常数为弹簧常数为K的弹簧上的弹簧上 接触宽度为接触宽度为2a 切削刃与工件的相对滑移切削刃与工件的相对滑移速度速度v vK：弹簧常数 2avig， iw 磨粒工件表面干涉角表面干涉角ig， 实际干涉角实际干涉角iw 从磨粒与工件开始接触到从磨粒与工件开始接触到转入塑性变形之间的区域转入塑性

18、变形之间的区域称为称为弹性变形区弹性变形区. .这个转变点叫这个转变点叫弹性临界点弹性临界点E 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：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；）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。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）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。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）弹性滑移长度随接触宽度增加

19、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。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 21ig iw KS KS Vs Vs Dh xA段B段三、塑性变形三、塑性变形 从弹性临界点从弹性临界点E到塑性临界点到塑性临界点P之间的区域为之间的区域为塑性变形区塑性变形区 在切削刃前下方的变形中存在着两个阶段：在切削刃

20、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。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和摩擦系数的的函数。较小的前角和摩擦系数使塑性变形程度较小；而较大的前角函数。较小的前角和摩擦系数使塑性

21、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。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发生塑性变形的金属与切削刃前面的接触长度h，在前角，在前角和摩擦和摩擦系数系数较小时随前角较小时随前角和摩擦系数和摩擦系数的增大而增加，但在前角的增大而增加，但在前角和摩擦和摩擦系数系数较大时则随前角较大时则随前角和摩擦系数和摩擦系数的增大而减小。的增大而减小。3 3）在刃尖下方的塑性变形深度）在刃尖下方的塑性变形深度Dh随前角随前角和摩擦系数和摩擦系数的增加而的增加而增加。增加。 磨削机理与磨削机和参数 河南工业大学材料学院

22、23在磨削中，切削刃和工件的干涉存在着以下几种情况：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；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；变为弹性滑移离开磨削区；c) c) 磨粒在整个接触期间要经过弹性滑移、塑性耕犁和切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。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，但这一度迅速减小，工件又将

23、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。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 磨削几何学参数磨削几何学参数 一、连续切刃间隔一、连续切刃间隔a 实际参加切削的切刃视为实际参加切削的切刃视为有效切削刃有效切削刃 连续切刃间隔连续切刃间隔是在垂直于砂轮轴的砂轮截面上，磨粒是在垂直于砂轮轴的砂轮截面上，磨粒在砂轮在砂轮圆周方向上，由磨粒圆周方向上，由磨粒向后量得的距离向后量得的距离a a，称为连续切刃间隔。，称为连续切刃间隔。 显然磨粒显然磨粒的尖端比磨的尖端比磨粒粒的尖端，在径向差的尖端，在径向差一个一个值值 磨粒的最大

24、切入深度g是 DtVVagSW/2磨削机理和磨削几何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 25因此磨粒成为有效切刃的条件是g必须有正值, 即 ：g 0DtVVaSW2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或或t的变化而变化。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

25、磨削用量变化的影响磨削用量变化的影响磨削机理和磨削几何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 26二、磨粒的最大切入深度二、磨粒的最大切入深度g(未变形切屑的最大厚度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在磨削过程中，作为切削的最小单元磨粒磨粒，以高速运动和，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的工件表面轮廓 切屑的尺寸包含着十分重要的意义切屑的尺寸

26、包含着十分重要的意义 1 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）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。力。 2 2）在磨削过程中，当切屑厚度变小时，比磨削能增加）在磨削过程中，当切屑厚度变小时，比磨削能增加 3 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）比磨削能的大小强烈地影响着磨粒尖端的温度、磨除率、工件温度件温度 4 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）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

27、的粗糙度和表面完整性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 275）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形，破坏工件的加工精度 图图29 磨粒最大切入深度与其它因素的关系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 28t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

28、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磨粒的最大切入深度g g sinBAAHgswVVaBA由图中几何关系可知由图中几何关系可知 :sinsin2cos2cos2dDtdDdD由于砂轮切入深度由于砂轮切入深度t比砂轮和工件的比砂轮和工件的直径直径D和和d小得多小得多, 因此因此: : =sin(=sin(+ +)=sin)=sin+s+sininDddtDdDDtd2244所以所以 sin+sin=+ )11(24422dDtdDdtDdDDtd磨削机理与磨削机和参数 河南工业大学材料学院 30)11(2d

29、DtVVwagS磨粒的最大切入深度磨粒的最大切入深度 的的指导意义指导意义 ： 当当VW增大，增大，VS减少时，减少时，g将增大。单颗磨粒的切削力也增大，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。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。粒度粗而硬度低的成正比。粒度粗而硬度低的砂轮其砂轮其a值较大，值较大，g也就较大。也就较大。 砂轮和工件的尺寸也影响着砂轮和工件的尺寸也影响着g的大小

30、，当使用小直径的砂轮磨的大小，当使用小直径的砂轮磨削大直径的工件时削大直径的工件时, g将变大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 当磨削参数相同时当磨削参数相同时g将依内圆，平面，外圆的顺序变大磨削将依内圆，平面，外圆的顺序变大磨削效率提高效率提高 g与成正比，即与与成正比，即与比磨除率比磨除率(VW t)有相同的变化趋势，但随着有相同的变化趋势，但随着t的增大，的增大，g和比磨除率和比磨除率Z都会增大，但增大速率不同，都会增大，但增大速率不同，Z快速增快速增长，而长，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