磨削技术理论第五章开题报告.ppt

5 磨削机理 5.1 引言 磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材料干涉的结果。磨粒切刃与工件的干涉与砂轮地貌、砂轮与工件的几何以及运动关系有关。本章将讨论磨粒与工件的干涉机理。 已有很多不同的方法来收集证据研究磨粒与工件的干涉。一种方法是研究磨屑以获得其产生的理由，因此扫描电镜是一个非常重要的工具。另一个方法是测量不同条件下的磨削力和磨削功率，这里一个重要的参数就是比磨削能，它是指去除单位体积工件材料所消耗的能量。这个参数的重要性在于各种磨粒－工件的干涉机理必须满足能量守恒定理，比磨削能取决于不同的磨削条件。更直接地观察二者的干涉是用单颗磨粒或类似磨粒的刀具作切削试验。当然这些结果只有在试验条件能准确地模拟砂轮磨粒状况下才是有效的。 5.2 磨屑 一般认为金属磨削过程类似于车削和铣削，其金属材料是通过剪切过程去除的。这个提法是基于70年前人们在显微镜下观察到了类似切屑的磨削碎片 。以下是磨削AISI1065钢的SEM照片。 从显微镜下可以看出磨屑与切屑非常近似。第一张图片是普碳钢磨屑的SEM照片，卷曲的磨屑与车削和铣削的切屑非常相似，只是由于切刃形状和干涉深度差异造成磨屑的尺寸和形状不很规则。磨屑有与其它加工方式相同的很细的节状结构。节状切屑是因局部热塑性变形引起材料剪切抗力减小形成的。第二张图片是其放大图，节间距约为0.5μm，比车削切屑稍细一些，这是因为磨削是典型的负前角加工，另外由于磨削速度很快，造成磨削的成屑变形更接近于绝热剪切。 第一张图片示出的另外两种磨屑是短块切屑和球形切屑，前者是因磨粒极大的负前角造成工件材料经历了类似被挤出的过程而后膨胀形成的，这实际上是一个沿切削方向发生在磨粒前端的压挤－膨胀过程，也含有与普通车削相似的剪切作用。 第三张图片所示为球形切屑，它是中空的，具有极细的枝状微结构，这表明球形切屑经历了一个极快的融化和固化阶段。在磨削过程中融化不是必需的。极小的热切屑在空气中发生了氧化反应。球形中空结构是由于熔融卷曲切屑的表面张力效应形成的。磨屑的氧化使其形成火花束从砂轮中射出。火花在无氧条件下是观察不到的，火花的颜色和密度取决于工件材料。 5．3 磨削力、磨削功率和比磨削能 砂轮磨削工件就产生了磨削力。对于切入磨削（无论是平面磨削或是外圆磨削），砂轮对工件的总磨削力可分解为切向力 和径向力 两部分。对于往复磨削还应附加上一个平行于砂轮主轴的磨削力分量 。 磨削功率P可表为： 式中“＋”号表示逆磨， “－”号表示“顺磨”。 因一般情况下 比 小得多，所以功率可简化为： 对于多数磨削情况，上式关系均成立。与纵向进给速度和横向进给速度相关的功率部分一般可不计。 由磨削功率和加工条件可推得基本参数比磨削能，它是指去除单位体积金属所消耗的能量（此参数与比磨除功率相同，即去除单位体积金属所消耗的功率），比磨削能由下式得到： 上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材料体积，与磨削参数有关。由于 此处b指磨削宽度。比磨削能的重要意义在于它可反映磨粒与工件的干涉机理和干涉程度，另外还可反映出加工过程参数，而且对机床功率需求估计也有重要作用。采用国际单位，比磨削能可表示为“Joul/mm3”(J/ mm3)，此时去除率单位为“mm3/s”，功率为“瓦特”； 5.4 普通磨粒砂轮磨削机理 5.4.1 尺寸效应及其能量 系统地测量磨削力和比磨削能始于20世纪50年代初，当时发现比磨削能比其它切削方式要大得多，而且降低 和 以减小未变形切屑厚度时比磨削能更大。 所谓比磨削能是指磨除单位体积工件材料所需要的能量。 Merchat在1945年推导出经典的成屑理论模型，并开始推广应用于各种金属材料的切削过程。由Merchat的理论，当切屑沿前刀面滑动时会产生极薄的剪切区，一般切削条件下剪切消耗成屑能的75％左右，而刀具与切屑的摩擦耗去了25％。尽管人们也观察到了其它的一些效应，但这个模型始终可给出成屑的准确描述。 人们一直试图采用类似于其它的切削过程模型来解释磨削的有关问题。对切刃形状进行一些假设，估计成屑过程中的塑性变形剪切应力，但这个结果大大高于真实的金属磨削流动应力。精磨中未变形切屑厚度很小，由此计算出的高的剪切应力意味着高的比磨削能。 为解释这一反常现象，提出了“尺寸效应”理论。它认为薄的未变形切屑厚度对应的高流动应力的原因在于剪切的小体积金属包含位错缺陷的概率较小。但位错理论应用于金属切削却表明剪切区具有极高的位错密度，这在透射显微镜观察精磨切屑时所证实。这似乎是对“尺寸效应”理论的质疑。 另一个限制传统成屑理论应用于磨削过程的原因是其比磨削能太大。几乎所有的能量均转化为热，由于高切速和大应变，磨削