磨削技术理论与第七章精要.ppt

7 表面形貌及精度 7.1 引言 磨削通常作为零件的最后精加工工序，因为其可满足对于零件表面粗糙度及加工精度的严格要求。表面粗糙度与加工精度紧密相关。在生产中，为保证较高的加工精度，其表面也必然要求是比较光洁的。在实际设计工作中，精度要求相应地决定了表面粗糙度的最大允许范围。当然有些设备上的零件对表面粗糙度也有较高要求，以保证正常的工作条件。 机械零件尤其是高强度零件的可靠性，在很大程度上依赖于加工后零件表面的质量。表面质量一般包括两个方面：表面完整性和表面形貌。表面完整性与加工过程造成的表层材料的力学性能及冶金变化有关。对于磨削来说，影响表面完整性的最主要因素与过高的磨削温度造成的热损伤有关。表面形貌指加工后表面的微观几何形状或地貌，通常用表面粗糙度表示。当然也有其它一些表征参数，如波度等。 本章讨论表面形貌及其精度。这两项描述了加工表面与理想表面偏离的程度。我们首先考察磨后表面特有的形貌特征，接下来简要介绍表面形貌的定量特征，对表面粗糙度及其精度的基本关系进行了估计；介绍了描述理想磨削表面地貌生成的不同模型，以便根据砂轮地貌及加工参数对工件表面粗糙度进行理论预测。这些模型分析在一定程度上阐明了众多因素对磨削表面地貌的影响。但表面粗糙度的理论公式在实用上有一定的局限性，实际上通常都是采用经验公式来估计加工参数的有关影响。 7.2 磨后表面形态 磨削所产生的细观表面形态主要由磨粒切刃与工件的干涉作用产生的沟痕叠加而成。下图即为典型磨后表面的扫描电镜照片。与其它磨削方式一样，在切入磨削中，磨粒相对于工件的运动可由滑痕及沟槽的方向识别出来。耕犁造成的一些沟痕的侧向隆起也很明显。 加工后表面的沟痕只对应于砂轮表面最外层磨刃轨迹的底层部分（见第3章）。此处的未变形切屑厚度要显著小于切削路径顶层磨粒的最大切入深度，并且更有可能小于最小成屑深度，故发生耕犁的可能性增大（见第5章）。侧向耕犁的程度取决于所磨削的工件材料特性。易于发生粘附的材料如钛合金、镍基合金和奥氏体不锈钢，倾向于产生较多的侧向耕犁。与之相反，采用有润滑作用的磨削液可有效降低磨粒－工件的粘附作用，可减小耕犁影响。 磨后表面的形态由于众多其它因素的影响变得更为复杂。工件金属材料经常重新粘附到工件上，即粘附在磨粒上的金属颗粒重新粘结到工件上。下图即为磨削钛合金时这一现象的例子。磨粒断裂造成的切削中断会在工件表面留下凹坑，磨粒碎片还可能残留在表面，如图中所示。在磨削钢材时，在砂轮粗修整后开始磨削时可更经常地观察到此类凹坑，这是由于磨粒破碎砂轮磨损速度更快。一些难磨材料如钛合金、镍基合金和奥氏体不锈钢，似乎更倾向于产生凹坑和磨粒碎片残留。这类表面缺陷造成局部应力集中源，对于零件的承载强度和疲劳特性会产生负面的影响。 可通过测量沿磨削方向及其横截面方向的表面廓型，评价和记录磨削产生的表面纹理方向性, 下图所示为平面磨削低碳钢的情况。沿磨削方向的表面廓型临近峰谷间的距离，比横截面方向要大得多。表面廓型频谱（自相关）分析显示沿磨削纹理方向主波长（相关长度）为0.25mm，而横截面方向仅为0.034mm。 7.3 表面形貌及误差 已加工工件表面的峰谷特征被称为表面形貌，为避免混肴，以下将简要介绍作为定量描述磨后表面形貌的基础，即表面形貌特征。为此将首先介绍美国表面形貌特征标准（ANSI），其基本符合目前的英国BS，德国DIN以及国际ISO标准。 表面形貌的概念如下图所示。如前所述，大部分已加工表面都存在与刀具－工件相对运动一致的主纹理，图中横截面上的表面廓形由粗糙度和波度组成。粗糙度与紧密排列的小扰动有关，其叠加在分布较宽的波度项上。表面缺陷如裂纹，粘附金属和凹坑等也影响到表面型貌。 表面形貌通常用划针式仪器划过表面廓形来测量。为定量评价表面粗糙度，需沿廓形方向选取取样长度。该取样长 度应足够长，以包括足 够数量的粗糙度小扰动， 但应小于波度间距。因 此取样长度是区分粗糙 度和波度的基础。 磨削中波度主要是由于磨削振动引起的。一般存在两类振动：受迫振动和自激振动。受迫振动是由外部振源引起的，比如砂轮或其它转动件的不平衡，其频率与振源频率或其谐波频率吻合。下图所示为平面磨削中由于砂轮不平衡造成的受迫振动引起表面波度生成的情况。其沿磨削方向间距即波长为： 其中f为振动频率。 7.4 理想表面粗糙度 与其它加工过程一样，可以通过建立砂轮磨粒切削刃与工件运动干涉的模型，在理论上预测磨削产生的理想表面粗糙度。为此，假设表面纹理是完全是由切削作用产生的，切削刃去除其路径上遇到的所有材料，在其后面留下相应的切削沟槽。对于刀具几何形状确定的加工过程，包括车削和铣削， 分析比较简单。由于材料耕犁，积屑瘤现象和振动等因素，其实际表面粗糙度一般大于理想粗糙度。对于磨削， 由于砂