磨削技術(shù)理論第五章

1、5 磨削機(jī)理磨削機(jī)理 5.1 引言引言 磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材料干涉的結(jié)果。磨粒切刃與工件的干涉料干涉的結(jié)果。磨粒切刃與工件的干涉與砂輪地貌、砂輪與工件的幾何以及運(yùn)與砂輪地貌、砂輪與工件的幾何以及運(yùn)動關(guān)系有關(guān)。本章將討論磨粒與工件的動關(guān)系有關(guān)。本章將討論磨粒與工件的干涉機(jī)理。干涉機(jī)理。 已有很多不同的方法來收集證據(jù)研究磨粒與工已有很多不同的方法來收集證據(jù)研究磨粒與工件的干涉。一種方法是研究磨屑以獲得其產(chǎn)生件的干涉。一種方法是研究磨屑以獲得其產(chǎn)生的理由，因此掃描電鏡是一個非常重要的工具。的理由，因此掃描電鏡是一個非常重要的工具。另一個方法是測量不同條

2、件下的磨削力和磨削另一個方法是測量不同條件下的磨削力和磨削功率，這里一個重要的參數(shù)就是比磨削能，它功率，這里一個重要的參數(shù)就是比磨削能，它是指去除單位體積工件材料所消耗的能量。這是指去除單位體積工件材料所消耗的能量。這個參數(shù)的重要性在于各種磨粒工件的干涉機(jī)個參數(shù)的重要性在于各種磨粒工件的干涉機(jī)理必須滿足能量守恒定理，比磨削能取決于不理必須滿足能量守恒定理，比磨削能取決于不同的磨削條件。更直接地觀察二者的干涉是用同的磨削條件。更直接地觀察二者的干涉是用單顆磨?；蝾愃颇チ５牡毒咦髑邢髟囼?yàn)。當(dāng)然單顆磨?；蝾愃颇チ５牡毒咦髑邢髟囼?yàn)。當(dāng)然這些結(jié)果只有在試驗(yàn)條件能準(zhǔn)確地模擬砂輪磨這些結(jié)果只有在試驗(yàn)條件能準(zhǔn)

3、確地模擬砂輪磨粒狀況下才是有效的。粒狀況下才是有效的。 5.2 磨屑磨屑 一般認(rèn)為金屬磨削過程類似于車削和銑削，其一般認(rèn)為金屬磨削過程類似于車削和銑削，其金屬材料是通過剪切過程去除的。這個提法是金屬材料是通過剪切過程去除的。這個提法是基于基于70年前人們在顯微鏡下觀察到了類似切屑年前人們在顯微鏡下觀察到了類似切屑的磨削碎片的磨削碎片 。以下是磨削。以下是磨削AISI1065鋼的鋼的SEM照片。照片。 從顯微鏡下可以看出磨屑與切屑非常近似。第從顯微鏡下可以看出磨屑與切屑非常近似。第一張圖片是普碳鋼磨屑的一張圖片是普碳鋼磨屑的SEMSEM照片，卷曲的磨照片，卷曲的磨屑與車削和銑削的切屑非常相似，只

4、是由于切屑與車削和銑削的切屑非常相似，只是由于切刃形狀和干涉深度差異造成磨屑的尺寸和形狀刃形狀和干涉深度差異造成磨屑的尺寸和形狀不很規(guī)則。磨屑有與其它加工方式相同的很細(xì)不很規(guī)則。磨屑有與其它加工方式相同的很細(xì)的節(jié)狀結(jié)構(gòu)。節(jié)狀切屑是因局部熱塑性變形引的節(jié)狀結(jié)構(gòu)。節(jié)狀切屑是因局部熱塑性變形引起材料剪切抗力減小形成的。第二張圖片是其起材料剪切抗力減小形成的。第二張圖片是其放大圖，節(jié)間距約為放大圖，節(jié)間距約為0.5m0.5m，比車削切屑稍細(xì)，比車削切屑稍細(xì)一些，這是因?yàn)槟ハ魇堑湫偷呢?fù)前角加工，另一些，這是因?yàn)槟ハ魇堑湫偷呢?fù)前角加工，另外由于磨削速度很快，造成磨削的成屑變形更外由于磨削速度很快，造成磨削

5、的成屑變形更接近于絕熱剪切。接近于絕熱剪切。 第一張圖片示出的另外兩種磨屑是短塊切屑和第一張圖片示出的另外兩種磨屑是短塊切屑和球形切屑，前者是因磨粒極大的負(fù)前角造成工球形切屑，前者是因磨粒極大的負(fù)前角造成工件材料經(jīng)歷了類似被擠出的過程而后膨脹形成件材料經(jīng)歷了類似被擠出的過程而后膨脹形成的，這實(shí)際上是一個沿切削方向發(fā)生在磨粒前的，這實(shí)際上是一個沿切削方向發(fā)生在磨粒前端的壓擠膨脹過程，也含有與普通車削相似端的壓擠膨脹過程，也含有與普通車削相似的剪切作用。的剪切作用。 第三張圖片所示為球形切屑，它是中空的，第三張圖片所示為球形切屑，它是中空的，具有極細(xì)的枝狀微結(jié)構(gòu)，這表明球形切屑經(jīng)歷具有極細(xì)的枝狀微

6、結(jié)構(gòu)，這表明球形切屑經(jīng)歷了一個極快的融化和固化階段。在磨削過程中了一個極快的融化和固化階段。在磨削過程中融化不是必需的。極小的熱切屑在空氣中發(fā)生融化不是必需的。極小的熱切屑在空氣中發(fā)生了氧化反應(yīng)。球形中空結(jié)構(gòu)是由于熔融卷曲切了氧化反應(yīng)。球形中空結(jié)構(gòu)是由于熔融卷曲切屑的表面張力效應(yīng)形成的。磨屑的氧化使其形屑的表面張力效應(yīng)形成的。磨屑的氧化使其形成火花束從砂輪中射出?；鸹ㄔ跓o氧條件下是成火花束從砂輪中射出。火花在無氧條件下是觀察不到的，火花的顏色和密度取決于工件材觀察不到的，火花的顏色和密度取決于工件材料。料。 5 53 3 磨削力、磨削功率和比磨削能磨削力、磨削功率和比磨削能砂輪磨削工件就產(chǎn)生了

7、磨削力。對于切入磨削砂輪磨削工件就產(chǎn)生了磨削力。對于切入磨削（無論是平面磨削或是外圓磨削），砂輪對工（無論是平面磨削或是外圓磨削），砂輪對工件的總磨削力可分解為切向力件的總磨削力可分解為切向力 和徑向力和徑向力 兩部分。對于往復(fù)磨削還應(yīng)附加上一個平行于兩部分。對于往復(fù)磨削還應(yīng)附加上一個平行于砂輪主軸的磨削力分量砂輪主軸的磨削力分量 。磨削功率磨削功率P P可表為：可表為： 式中式中“”號表示逆磨，號表示逆磨， “ “”號表示號表示“順順磨磨”。tFnFaF)(wstvvFP 因一般情況下因一般情況下 比比 小得多，所以功率可小得多，所以功率可簡化為：簡化為： 對于多數(shù)磨削情況，上式關(guān)系均成立。

8、與縱向?qū)τ诙鄶?shù)磨削情況，上式關(guān)系均成立。與縱向進(jìn)給速度和橫向進(jìn)給速度相關(guān)的功率部分一般進(jìn)給速度和橫向進(jìn)給速度相關(guān)的功率部分一般可不計(jì)。可不計(jì)。wvsvstvFP 由磨削功率和加工條件可推得基本參數(shù)由磨削功率和加工條件可推得基本參數(shù)比磨削能，它是指去除單位體積金屬所比磨削能，它是指去除單位體積金屬所消耗的能量（此參數(shù)與比磨除功率相同，消耗的能量（此參數(shù)與比磨除功率相同，即去除單位體積金屬所消耗的功率），即去除單位體積金屬所消耗的功率），比磨削能由下式得到：比磨削能由下式得到： wQPu 上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材料體積，與磨削參數(shù)有關(guān)。由于料

9、體積，與磨削參數(shù)有關(guān)。由于 此處此處b b指磨削寬度。比磨削能的重要意義在于指磨削寬度。比磨削能的重要意義在于它可反映磨粒與工件的干涉機(jī)理和干涉程度，它可反映磨粒與工件的干涉機(jī)理和干涉程度，另外還可反映出加工過程參數(shù)，而且對機(jī)床功另外還可反映出加工過程參數(shù)，而且對機(jī)床功率需求估計(jì)也有重要作用。采用國際單位，比率需求估計(jì)也有重要作用。采用國際單位，比磨削能可表示為磨削能可表示為“JoulJoul/mm/mm3 3”(J/ mm”(J/ mm3 3) )，此時，此時去除率單位為去除率單位為“mmmm3 3/s”/s”，功率為，功率為“瓦特瓦特”； bvdabvQfwwwbvdvFuabvvFufw

10、stwst或 5.4 5.4 普通磨粒砂輪磨削機(jī)理普通磨粒砂輪磨削機(jī)理 5.4.1 5.4.1 尺寸效應(yīng)及其能量尺寸效應(yīng)及其能量 系統(tǒng)地測量磨削力和比磨削能始于系統(tǒng)地測量磨削力和比磨削能始于2020世紀(jì)世紀(jì)5050年年代初，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)比磨削能比其它切削方式要大代初，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)比磨削能比其它切削方式要大得多，而且降低得多，而且降低 和和 以減小未變形切屑厚以減小未變形切屑厚度時比磨削能更大。度時比磨削能更大。 所謂比磨削能是指磨除單位體積工件材料所需所謂比磨削能是指磨除單位體積工件材料所需要的能量。要的能量。wva MerchatMerchat在在19451945年推導(dǎo)出經(jīng)典的成屑理論年推導(dǎo)出經(jīng)典的

11、成屑理論模型，并開始推廣應(yīng)用于各種金屬材料模型，并開始推廣應(yīng)用于各種金屬材料的切削過程。由的切削過程。由MerchatMerchat的理論，當(dāng)切屑的理論，當(dāng)切屑沿前刀面滑動時會產(chǎn)生極薄的剪切區(qū)，沿前刀面滑動時會產(chǎn)生極薄的剪切區(qū)，一般切削條件下剪切消耗成屑能的一般切削條件下剪切消耗成屑能的7575左右，而刀具與切屑的摩擦耗去了左右，而刀具與切屑的摩擦耗去了2525。盡管人們也觀察到了其它的一些效應(yīng)，盡管人們也觀察到了其它的一些效應(yīng)，但這個模型始終可給出成屑的準(zhǔn)確描述。但這個模型始終可給出成屑的準(zhǔn)確描述。 人們一直試圖采用類似于其它的切削過人們一直試圖采用類似于其它的切削過程模型來解釋磨削的有關(guān)問

12、題。對切刃程模型來解釋磨削的有關(guān)問題。對切刃形狀進(jìn)行一些假設(shè)，估計(jì)成屑過程中的形狀進(jìn)行一些假設(shè)，估計(jì)成屑過程中的塑性變形剪切應(yīng)力，但這個結(jié)果大大高塑性變形剪切應(yīng)力，但這個結(jié)果大大高于真實(shí)的金屬磨削流動應(yīng)力。精磨中未于真實(shí)的金屬磨削流動應(yīng)力。精磨中未變形切屑厚度很小，由此計(jì)算出的高的變形切屑厚度很小，由此計(jì)算出的高的剪切應(yīng)力意味著高的比磨削能。剪切應(yīng)力意味著高的比磨削能。 為解釋這一反常現(xiàn)象，提出了為解釋這一反?，F(xiàn)象，提出了“尺寸效尺寸效應(yīng)應(yīng)”理論。它認(rèn)為薄的未變形切屑厚度理論。它認(rèn)為薄的未變形切屑厚度對應(yīng)的高流動應(yīng)力的原因在于剪切的小對應(yīng)的高流動應(yīng)力的原因在于剪切的小體積金屬包含位錯缺陷的概率

13、較小。但體積金屬包含位錯缺陷的概率較小。但位錯理論應(yīng)用于金屬切削卻表明剪切區(qū)位錯理論應(yīng)用于金屬切削卻表明剪切區(qū)具有極高的位錯密度，這在透射顯微鏡具有極高的位錯密度，這在透射顯微鏡觀察精磨切屑時所證實(shí)。這似乎是對觀察精磨切屑時所證實(shí)。這似乎是對“尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)”理論的質(zhì)疑。理論的質(zhì)疑。 另一個限制傳統(tǒng)成屑理論應(yīng)用于磨削過程的原另一個限制傳統(tǒng)成屑理論應(yīng)用于磨削過程的原因是其比磨削能太大。幾乎所有的能量均轉(zhuǎn)化因是其比磨削能太大。幾乎所有的能量均轉(zhuǎn)化為熱，由于高切速和大應(yīng)變，磨削成屑很快，為熱，由于高切速和大應(yīng)變，磨削成屑很快，整個過程金屬是絕熱的，這意味著沒有足夠的整個過程金屬是絕熱的，這意味著沒

14、有足夠的時間把塑性流動產(chǎn)生的大量熱在變形過程中傳時間把塑性流動產(chǎn)生的大量熱在變形過程中傳導(dǎo)出去。在絕熱條件下單位體積的塑性變形能導(dǎo)出去。在絕熱條件下單位體積的塑性變形能應(yīng)限制在可將其從一般條件下轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)的應(yīng)限制在可將其從一般條件下轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)的情況之內(nèi)。單位體積熔融能可從手冊液態(tài)熔點(diǎn)情況之內(nèi)。單位體積熔融能可從手冊液態(tài)熔點(diǎn)到室溫的焓查出。到室溫的焓查出。 對于鐵，單位體積的熔化能為對于鐵，單位體積的熔化能為10.5 10.5 J/mmJ/mm3 3，這個數(shù)值也適用于，這個數(shù)值也適用于鋼。鋼。 磨削鋼的比磨削能一般為磨削鋼的比磨削能一般為202060 60 J/mmJ/mm3 3。更高的比磨

15、削能。更高的比磨削能僅可能在精磨中出現(xiàn)。在磨削中僅可能在精磨中出現(xiàn)。在磨削中如果塑性變形能高于熔化能則難如果塑性變形能高于熔化能則難以令人信服。以令人信服。 5.4.2 5.4.2 滑擦力和滑擦能滑擦力和滑擦能 金屬去除是通過成屑實(shí)現(xiàn)的，但更多的磨削能金屬去除是通過成屑實(shí)現(xiàn)的，但更多的磨削能不是通過成屑消耗的。磨粒磨鈍的小平面在工不是通過成屑消耗的。磨粒磨鈍的小平面在工件表面滑動而不去除工件材料但消耗了能量。件表面滑動而不去除工件材料但消耗了能量。每個小平面最初是在磨削前的修整中得到的。每個小平面最初是在磨削前的修整中得到的。在磨削中小平面粘結(jié)部分金屬而逐漸發(fā)出光亮在磨削中小平面粘結(jié)部分金屬而

16、逐漸發(fā)出光亮且通過磨耗磨損進(jìn)一步擴(kuò)大。下圖示出磨鈍平且通過磨耗磨損進(jìn)一步擴(kuò)大。下圖示出磨鈍平面粘結(jié)金屬的情況，許多磨粒還帶著一些切屑。面粘結(jié)金屬的情況，許多磨粒還帶著一些切屑。擴(kuò)大的砂輪磨損平面在一定程度上通過自銳或擴(kuò)大的砂輪磨損平面在一定程度上通過自銳或磨粒從結(jié)合劑中脫落形成新切刃磨粒從結(jié)合劑中脫落形成新切刃。 磨削過程中磨損小平面產(chǎn)生的沿磨削方向的細(xì)磨削過程中磨損小平面產(chǎn)生的沿磨削方向的細(xì)紋表明磨削能的一部分是由磨粒在工件上的滑紋表明磨削能的一部分是由磨粒在工件上的滑動消耗的，二者的直接關(guān)系可由磨削力與砂輪動消耗的，二者的直接關(guān)系可由磨削力與砂輪磨鈍的程度表達(dá)出來。對于一定的機(jī)床結(jié)構(gòu)，磨鈍

17、的程度表達(dá)出來。對于一定的機(jī)床結(jié)構(gòu)，如下圖所示法向力和切向力隨磨損面積如下圖所示法向力和切向力隨磨損面積A A的增的增加而增加。對于給定的工件材料，通過改變砂加而增加。對于給定的工件材料，通過改變砂輪硬度、修整條件、累積金屬去除量來觀察磨輪硬度、修整條件、累積金屬去除量來觀察磨削力和磨損平面的關(guān)系變化。對于鋼工件（左削力和磨損平面的關(guān)系變化。對于鋼工件（左圖），磨削力隨磨損面積直線上升，當(dāng)達(dá)到某圖），磨削力隨磨損面積直線上升，當(dāng)達(dá)到某一臨界點(diǎn)后，直線斜率產(chǎn)生突變，工件出現(xiàn)了一臨界點(diǎn)后，直線斜率產(chǎn)生突變，工件出現(xiàn)了燒傷；而對于非金屬材料（右圖）則未出現(xiàn)中燒傷；而對于非金屬材料（右圖）則未出現(xiàn)中間

18、直線斜率不一致的情況。間直線斜率不一致的情況。 平面切入磨削中砂輪的法向力和切向力 金屬材料 非金屬材料 在上圖及其它類似發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可以將磨削在上圖及其它類似發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可以將磨削力和比磨削能認(rèn)為是由切削和滑擦兩個部分引力和比磨削能認(rèn)為是由切削和滑擦兩個部分引起的。圖中磨削力和縱軸起的。圖中磨削力和縱軸A A0 0處的交點(diǎn)與切削處的交點(diǎn)與切削部分有關(guān)，而超出這個截距的磨削力值則與滑部分有關(guān)，而超出這個截距的磨削力值則與滑擦有關(guān)。因此有：擦有關(guān)。因此有：sltcttFFF,slncnnFFF, 這里這里 是由于切削引起的切向力和法向是由于切削引起的切向力和法向力，力， 是由于滑擦引起的切向

19、力和法向是由于滑擦引起的切向力和法向力。作為一個典型磨粒的情況如下圖所示。力。作為一個典型磨粒的情況如下圖所示。cnctFF,和slnsltFF,和 對于鋼工件而言滑擦力和磨粒磨損面積對于鋼工件而言滑擦力和磨粒磨損面積成正比關(guān)系，這表明工件與磨粒磨損平成正比關(guān)系，這表明工件與磨粒磨損平面間平均接觸壓力和摩擦系數(shù)面間平均接觸壓力和摩擦系數(shù) 的關(guān)系：的關(guān)系： 這里這里 是工件和磨損平面的實(shí)際接觸面是工件和磨損平面的實(shí)際接觸面積，可表為磨削區(qū)面積（接觸弧長積，可表為磨削區(qū)面積（接觸弧長磨磨削寬度削寬度b b）和砂輪磨損表面積比）和砂輪磨損表面積比 的乘的乘積，即積，即acttApFF,acnnApF

20、F,aAA2/1)(ecaadbAAlbA 由此可得磨削力公式為由此可得磨削力公式為AadbpFFectt21,AadbpFFecnn21, 在這個模型框架下可估計(jì)表征磨損平面和工件在這個模型框架下可估計(jì)表征磨損平面和工件接觸關(guān)系的兩個特征量接觸關(guān)系的兩個特征量 和和 ， 綜合上述公綜合上述公式可得到：式可得到：ctcntnctcntcttcnacnnFFFFFFFFFFApFF,11即p 對于給定的磨削條件，對于給定的磨削條件， 是常數(shù)。因此是常數(shù)。因此 的關(guān)系圖應(yīng)是一條直線，斜率為的關(guān)系圖應(yīng)是一條直線，斜率為 。下圖給出了平面磨削碳鋼的一個證例，在這里下圖給出了平面磨削碳鋼的一個證例，在這

21、里磨削力的變化取決于修整條件，精細(xì)修整會產(chǎn)磨削力的變化取決于修整條件，精細(xì)修整會產(chǎn)生大的磨損面積，促使磨削力增大。最初的斜生大的磨損面積，促使磨削力增大。最初的斜率表明摩擦系數(shù)率表明摩擦系數(shù) =0.4=0.4。超過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，斜率。超過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，斜率發(fā)生了改變，發(fā)生了磨削燒傷。發(fā)生了改變，發(fā)生了磨削燒傷。cnctFF,和ntFF和1 將公式將公式 對對 微分，可微分，可得磨粒磨損面與工件的平均接觸壓力的關(guān)系為得磨粒磨損面與工件的平均接觸壓力的關(guān)系為 滑擦能的概念可使我們把砂輪硬度和修整條件滑擦能的概念可使我們把砂輪硬度和修整條件對磨削力的影響進(jìn)行定量描述。高硬度砂輪和對磨削力的影響進(jìn)行定量描述。

22、高硬度砂輪和細(xì)修整會使得磨粒磨損面積增大，滑擦力也正細(xì)修整會使得磨粒磨損面積增大，滑擦力也正比增大（砂輪硬度和修整條件對砂輪鋒利程度比增大（砂輪硬度和修整條件對砂輪鋒利程度的影響討論見第的影響討論見第4 4章）。同樣磨削液對磨削力章）。同樣磨削液對磨削力的影響主要表現(xiàn)在其對磨損面積的影響。的影響主要表現(xiàn)在其對磨損面積的影響。21/adbdAdFpenAadbpFFecnn21,A .3 耕犁和成屑能耕犁和成屑能 比磨削能中去除因滑擦引起的部分就是比切削比磨削能中去除因滑擦引起的部分就是比切削能，可由下式計(jì)算：能，可由下式計(jì)算： 分子是切削功耗，分母是單位體積金屬去除率。分子是切

23、削功耗，分母是單位體積金屬去除率。切削力相當(dāng)于完全鋒利的砂輪即切削力相當(dāng)于完全鋒利的砂輪即A A0 0的情況。的情況。abvvFuwsctc, 如圖示出磨削高碳鋼時單位寬度去除率與比切如圖示出磨削高碳鋼時單位寬度去除率與比切削能的關(guān)系。即使使用不同的磨粒（削能的關(guān)系。即使使用不同的磨粒（3030120120）結(jié)果也一樣。在低磨除率下，比切削）結(jié)果也一樣。在低磨除率下，比切削能非常高，但隨著磨除率的提高比切削能快速能非常高，但隨著磨除率的提高比切削能快速降低至一個最小值降低至一個最小值13.8 13.8 J/mmJ/mm3 3。 為了獲得象上圖的結(jié)果經(jīng)歷了一個長的艱苦的為了獲得象上圖的結(jié)果經(jīng)歷了

24、一個長的艱苦的試驗(yàn)階段。對于每個點(diǎn)為了獲得切向力都要磨試驗(yàn)階段。對于每個點(diǎn)為了獲得切向力都要磨削力力與磨損面積之間的關(guān)系，此處得到了一削力力與磨損面積之間的關(guān)系，此處得到了一種工件材料在不同去除率下的值。但是試驗(yàn)證種工件材料在不同去除率下的值。但是試驗(yàn)證實(shí)對于不同的材料從低碳鋼到高速工具鋼在同實(shí)對于不同的材料從低碳鋼到高速工具鋼在同一磨除率下其比切削能幾乎相同，其值大約為一磨除率下其比切削能幾乎相同，其值大約為 。考慮到工件材料硬度的差別很?？紤]到工件材料硬度的差別很大，這個結(jié)果確實(shí)令人驚奇。大，這個結(jié)果確實(shí)令人驚奇。3/40mmJuc 在上圖中即使減去了滑擦能，仍然還有尺寸效在上圖中即使減去

25、了滑擦能，仍然還有尺寸效應(yīng)。在低磨除率下對應(yīng)于薄的未變形切屑厚度，應(yīng)。在低磨除率下對應(yīng)于薄的未變形切屑厚度，比切削能很大。這個數(shù)值不能以傳統(tǒng)的成屑模比切削能很大。這個數(shù)值不能以傳統(tǒng)的成屑模型來解釋。這說明實(shí)際上只有部分比切削能與型來解釋。這說明實(shí)際上只有部分比切削能與切屑成形有關(guān)，對于剩下的能量應(yīng)當(dāng)至少還有切屑成形有關(guān)，對于剩下的能量應(yīng)當(dāng)至少還有一種機(jī)理來解釋。一種機(jī)理來解釋。 另一種與磨粒切削過程有關(guān)的機(jī)理就是耕犁。另一種與磨粒切削過程有關(guān)的機(jī)理就是耕犁。耕犁使工件材料變形而不是去除。我們通常認(rèn)耕犁使工件材料變形而不是去除。我們通常認(rèn)為耕犁就是磨粒把前方的工件材料犁起推向兩為耕犁就是磨粒把前

26、方的工件材料犁起推向兩側(cè)，它也包括磨粒切刃下的工件材料的塑性變側(cè)，它也包括磨粒切刃下的工件材料的塑性變形。形。 磨粒切削中的滑擦、耕犁現(xiàn)象磨粒切削中的滑擦、耕犁現(xiàn)象 耕犁變形是在磨粒切入工件之初就發(fā)生了。當(dāng)耕犁變形是在磨粒切入工件之初就發(fā)生了。當(dāng)磨粒切刃經(jīng)過磨削區(qū)，切深從零增加到最大值磨粒切刃經(jīng)過磨削區(qū)，切深從零增加到最大值 時，最初是彈性接觸，對總能量沒有貢獻(xiàn)，而時，最初是彈性接觸，對總能量沒有貢獻(xiàn)，而后才是對工件的耕犁即塑性變形。一般來講切后才是對工件的耕犁即塑性變形。一般來講切屑形成只是在切刃進(jìn)入工件達(dá)到某一臨界值屑形成只是在切刃進(jìn)入工件達(dá)到某一臨界值 之后才發(fā)生。影響之后才發(fā)生。影響

27、的因素包括切刃的銳利程的因素包括切刃的銳利程度、方向、前角和摩擦系數(shù)。度、方向、前角和摩擦系數(shù)。 利用臨界切深的概念可以解釋利用臨界切深的概念可以解釋“尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)”。即當(dāng)單顆磨粒的切削深度低于臨界切深時，磨即當(dāng)單顆磨粒的切削深度低于臨界切深時，磨粒只進(jìn)行滑擦或耕犁作用，即此時不產(chǎn)生切屑粒只進(jìn)行滑擦或耕犁作用，即此時不產(chǎn)生切屑而只消耗能量，所以導(dǎo)致比磨削能的上升。而只消耗能量，所以導(dǎo)致比磨削能的上升。 mhhh 由單顆磨粒未變形切屑厚度幾何尺寸可知，增由單顆磨粒未變形切屑厚度幾何尺寸可知，增大大 和和 都可以增大未變形切屑體積。因此在都可以增大未變形切屑體積。因此在達(dá)到臨界值之前耕犁量少于

28、切屑產(chǎn)生時的耕犁達(dá)到臨界值之前耕犁量少于切屑產(chǎn)生時的耕犁量。較高去除率下相對少的耕犁可減小比耕犁量。較高去除率下相對少的耕犁可減小比耕犁能。作為一個極限情況，比耕犁能接近于零而能。作為一個極限情況，比耕犁能接近于零而最小的比切削能相當(dāng)于成屑能（常數(shù)）。實(shí)驗(yàn)最小的比切削能相當(dāng)于成屑能（常數(shù)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了成屑能為結(jié)果表明了成屑能為13.813.8J/mmJ/mm3 3，比耕犁能和，比耕犁能和去除率成反比，另外單位寬度切向耕犁力為：去除率成反比，另外單位寬度切向耕犁力為：wva1N/mm,pltF 基于上述原因，順磨會減少甚至?xí)畛醯幕谏鲜鲈?，順磨會減少甚至?xí)畛醯母?，因?yàn)槊總€切刃

29、與工件的干涉切深都是從耕犁，因?yàn)槊總€切刃與工件的干涉切深都是從最大切深開始的。這可以解釋為什么順磨磨削最大切深開始的。這可以解釋為什么順磨磨削力一般略小于逆磨。但是二者的差別要比耕犁力一般略小于逆磨。但是二者的差別要比耕犁力部分小，這說明順磨中仍然存在一定的耕犁。力部分小，這說明順磨中仍然存在一定的耕犁。 總之，比磨削能包括成屑能、耕犁能和滑擦能：總之，比磨削能包括成屑能、耕犁能和滑擦能： 其中只有比成屑能真正用于材料去除，它是需其中只有比成屑能真正用于材料去除，它是需要的最小磨削能。按前所述，成屑能要的最小磨削能。按前所述，成屑能13.8 13.8 J/mmJ/mm3 3，仍然比金屬切削的比

30、切削能高得多，仍然比金屬切削的比切削能高得多，而且和其它金屬加工方式的能量及其負(fù)荷需求而且和其它金屬加工方式的能量及其負(fù)荷需求不同的是，最小比磨削能對材料的合金成分及不同的是，最小比磨削能對材料的合金成分及其熱處理狀況不敏感。例如對于退火低碳鋼磨其熱處理狀況不敏感。例如對于退火低碳鋼磨削時的最小比磨削能與淬硬合金鋼磨削以及淬削時的最小比磨削能與淬硬合金鋼磨削以及淬硬高速工具鋼磨削基本相同。硬高速工具鋼磨削基本相同。slplchuuuu 為了解釋磨削中的這一反?，F(xiàn)象，有必要比較為了解釋磨削中的這一反?，F(xiàn)象，有必要比較最小比磨削能和被磨去金屬熔化能的大小。因最小比磨削能和被磨去金屬熔化能的大小。因

31、為約為約7575的成屑能與剪切有關(guān)，剩下的的成屑能與剪切有關(guān)，剩下的2525與與切屑刀具摩擦有關(guān)，這表明剪切比能為切屑刀具摩擦有關(guān)，這表明剪切比能為10.4 10.4 J/mmJ/mm3 3（13.813.8757510.35)10.35)，此值基本等于，此值基本等于鐵的單位體積熔化能。這個結(jié)果歸因于磨削成鐵的單位體積熔化能。這個結(jié)果歸因于磨削成屑中大變形和絕熱條件的存在，這已在前面討屑中大變形和絕熱條件的存在，這已在前面討論過。磨粒切刃具有論過。磨粒切刃具有6060或更大的負(fù)前角。由或更大的負(fù)前角。由傳統(tǒng)的成屑理論知道，這么大的負(fù)前角必然引傳統(tǒng)的成屑理論知道，這么大的負(fù)前角必然引起極大的剪切

32、應(yīng)變，這也已被正交切削的模擬起極大的剪切應(yīng)變，這也已被正交切削的模擬磨削試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。在極高的速度下引起的磨削試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。在極高的速度下引起的大應(yīng)變塑性變形實(shí)際上是絕熱的。大應(yīng)變塑性變形實(shí)際上是絕熱的。 即便是大應(yīng)變的絕熱變形，塑性變形能也不應(yīng)即便是大應(yīng)變的絕熱變形，塑性變形能也不應(yīng)超過工件材料的熔化能。下圖所示為假想的絕超過工件材料的熔化能。下圖所示為假想的絕熱剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線下的面積是轉(zhuǎn)化熱剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線下的面積是轉(zhuǎn)化為熱的單位體積工件材料的塑性功。最初的應(yīng)為熱的單位體積工件材料的塑性功。最初的應(yīng)變硬化由某一增長率的應(yīng)變軟化所代替，當(dāng)達(dá)變硬化由某一增長率的應(yīng)變軟化所代替

33、，當(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)后塑性剪切抗力趨近于零。因此應(yīng)力到熔點(diǎn)后塑性剪切抗力趨近于零。因此應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積就應(yīng)當(dāng)?shù)扔趩挝惑w積的熔化應(yīng)變曲線下的面積就應(yīng)當(dāng)?shù)扔趩挝惑w積的熔化能，這不是說出現(xiàn)了熔化，但成屑剪切能已接能，這不是說出現(xiàn)了熔化，但成屑剪切能已接近了熔化能界限。當(dāng)接近熔化能時材料剪切抗近了熔化能界限。當(dāng)接近熔化能時材料剪切抗力減少，材料實(shí)際上不可能熔化。實(shí)際上只有力減少，材料實(shí)際上不可能熔化。實(shí)際上只有在空氣中燃燒的那些切屑才表現(xiàn)出某些熔化的在空氣中燃燒的那些切屑才表現(xiàn)出某些熔化的跡象。跡象。 磨削能和熔化能的關(guān)系不僅僅限于鋼，下圖給磨削能和熔化能的關(guān)系不僅僅限于鋼，下圖給出了很大范圍內(nèi)金屬的最小

34、比磨削能與比熔化出了很大范圍內(nèi)金屬的最小比磨削能與比熔化能的試驗(yàn)結(jié)果。這些試驗(yàn)中使用了鋒利的砂輪、能的試驗(yàn)結(jié)果。這些試驗(yàn)中使用了鋒利的砂輪、良好的潤滑條件良好的潤滑條件( (重負(fù)荷油重負(fù)荷油) )是為了最大限度地是為了最大限度地減少摩擦。每種金屬的比磨削能是熔點(diǎn)下液態(tài)減少摩擦。每種金屬的比磨削能是熔點(diǎn)下液態(tài)金屬與室溫下的焓差?？紤]到某些過程的復(fù)雜金屬與室溫下的焓差?？紤]到某些過程的復(fù)雜性，找到嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系是很不易的，最小的性，找到嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系是很不易的，最小的比磨削能僅比相應(yīng)的熔化能高出一點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)比磨削能僅比相應(yīng)的熔化能高出一點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有的理論，最小比磨削能超過熔化能是因刀具有的理論，最

35、小比磨削能超過熔化能是因刀具切屑摩擦消耗的存在，當(dāng)然可能還有一部分切屑摩擦消耗的存在，當(dāng)然可能還有一部分能量用于耕犁。熱處理和合金對最小比磨削能能量用于耕犁。熱處理和合金對最小比磨削能的影響不大是因?yàn)槿刍軐@些因素不敏感。的影響不大是因?yàn)槿刍軐@些因素不敏感。 5.55.5 CBNCBN砂輪磨削機(jī)理砂輪磨削機(jī)理 前面討論了普通砂輪磨削金屬材料的機(jī)理。前面討論了普通砂輪磨削金屬材料的機(jī)理。CBNCBN砂輪的性能有些不同，砂輪修整后最初的砂輪的性能有些不同，砂輪修整后最初的磨削力和比磨削能很高，但持續(xù)磨削一段時間磨削力和比磨削能很高，但持續(xù)磨削一段時間之后磨削力和比磨削能迅速下降達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值。

36、之后磨削力和比磨削能迅速下降達(dá)到一穩(wěn)態(tài)值。這種現(xiàn)象在樹脂結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑這種現(xiàn)象在樹脂結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑CBNCBN砂輪砂輪磨削中都可以觀察到。下圖的結(jié)果是采用經(jīng)過磨削中都可以觀察到。下圖的結(jié)果是采用經(jīng)過制動修整的樹脂結(jié)合劑砂輪得到的一個例子，制動修整的樹脂結(jié)合劑砂輪得到的一個例子，利用多點(diǎn)金剛石整形和油石修銳后的砂輪磨削利用多點(diǎn)金剛石整形和油石修銳后的砂輪磨削也是如此。磨削之初的磨削力可引起工件的燒也是如此。磨削之初的磨削力可引起工件的燒傷和變形甚至?xí)茐纳拜啞妥冃紊踔習(xí)茐纳拜啞?人們一直將初始磨削力較高歸因于磨粒未顯露人們一直將初始磨削力較高歸因于磨粒未顯露出來且砂輪發(fā)粘。但對于砂

37、輪表面的出來且砂輪發(fā)粘。但對于砂輪表面的SEMSEM觀察觀察表明，主要原因在于整形造成的表明，主要原因在于整形造成的CBNCBN磨粒的鈍磨粒的鈍化。整形后采用油石進(jìn)行修銳就是為了暴露出化。整形后采用油石進(jìn)行修銳就是為了暴露出磨粒和獲得較好的突出量，但磨粒仍然很鈍，磨粒和獲得較好的突出量，但磨粒仍然很鈍，引起了高的磨削力。磨削初期磨削力的快速下引起了高的磨削力。磨削初期磨削力的快速下降主要?dú)w因于磨粒的脫落，整形過程中磨鈍的降主要?dú)w因于磨粒的脫落，整形過程中磨鈍的磨粒很容易脫落。同時磨粒的部分微破碎對于磨粒很容易脫落。同時磨粒的部分微破碎對于剩余磨粒起到了自銳作用。最后砂輪變得完全剩余磨粒起到了自

38、銳作用。最后砂輪變得完全鋒利了，沒有了被磨平的區(qū)域，此時砂輪狀態(tài)鋒利了，沒有了被磨平的區(qū)域，此時砂輪狀態(tài)與進(jìn)行預(yù)銳化處理的與進(jìn)行預(yù)銳化處理的CBNCBN砂輪狀態(tài)非常相似。砂輪狀態(tài)非常相似。 通過逐步增加砂輪去除率在每一去除率下觀察通過逐步增加砂輪去除率在每一去除率下觀察磨削力隨時間的變化可以研究磨削力隨時間的變化可以研究CBNCBN砂輪的瞬變砂輪的瞬變特性。下圖為固定工件速度下切入磨削的例子，特性。下圖為固定工件速度下切入磨削的例子，起始切深起始切深a=10ma=10m，經(jīng)過，經(jīng)過100100個行程后磨削力達(dá)個行程后磨削力達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)切深增大在到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)切深增大在a=15ma=15m和和 a=

39、20ma=20m時時仍然存在磨削力的這種瞬變特性（第仍然存在磨削力的這種瞬變特性（第1 1循環(huán)）。循環(huán)）。而后切深再回到開始的而后切深再回到開始的a=10ma=10m，上述過程再，上述過程再次重復(fù)（第次重復(fù)（第2 2循環(huán)）直到切深達(dá)到循環(huán)）直到切深達(dá)到a=40ma=40m。進(jìn)。進(jìn)入第入第3 3循環(huán)現(xiàn)象依舊。循環(huán)現(xiàn)象依舊。 5.6 緩進(jìn)給磨削緩進(jìn)給磨削 緩進(jìn)給磨削的特點(diǎn)是采用很慢的工件速度和極緩進(jìn)給磨削的特點(diǎn)是采用很慢的工件速度和極大的切深，切深是普通磨削工藝的幾百倍到幾大的切深，切深是普通磨削工藝的幾百倍到幾千倍。此工藝方法可以通過幾次行程或一次行千倍。此工藝方法可以通過幾次行程或一次行程加工

40、出復(fù)雜型面或深槽。緩進(jìn)給磨削的應(yīng)用程加工出復(fù)雜型面或深槽。緩進(jìn)給磨削的應(yīng)用還包括加工鉆頭溝槽和汽輪機(jī)葉片根部深槽。還包括加工鉆頭溝槽和汽輪機(jī)葉片根部深槽。 因此只要保持因此只要保持avw的乘積不變，就可以保持生的乘積不變，就可以保持生產(chǎn)率不變。產(chǎn)率不變。bavZww磨削生產(chǎn)率 因?yàn)榫忂M(jìn)給磨削中切深很大，一般為因?yàn)榫忂M(jìn)給磨削中切深很大，一般為1 110mm10mm，砂輪與工件的接觸弧長和接觸區(qū)面積也非常大，砂輪與工件的接觸弧長和接觸區(qū)面積也非常大，很大的滑擦力促成緩進(jìn)給磨削的比磨削能要比很大的滑擦力促成緩進(jìn)給磨削的比磨削能要比普通磨削高許多。下圖示出用多孔隙的普通磨普通磨削高許多。下圖示出用多孔

41、隙的普通磨粒砂輪緩進(jìn)給磨削鎳基合金中比磨削能與砂輪粒砂輪緩進(jìn)給磨削鎳基合金中比磨削能與砂輪磨損平面面積之間的關(guān)系。顯然比磨削能和砂磨損平面面積之間的關(guān)系。顯然比磨削能和砂輪磨損平面面積成線性關(guān)系但不連續(xù)，而是出輪磨損平面面積成線性關(guān)系但不連續(xù)，而是出現(xiàn)了兩段不同的斜率。這個反?，F(xiàn)象可能是由現(xiàn)了兩段不同的斜率。這個反?，F(xiàn)象可能是由于熱效應(yīng)或金相組織變化引起的。姑且不論原于熱效應(yīng)或金相組織變化引起的。姑且不論原因，圖中比磨削能截距為因，圖中比磨削能截距為25 25 J/mmJ/mm3 3相當(dāng)于成屑相當(dāng)于成屑能與耕犁能之和。非常高的比磨削能主要是由能與耕犁能之和。非常高的比磨削能主要是由于砂輪磨損平

42、面與工件的滑擦造成的。于砂輪磨損平面與工件的滑擦造成的。 在緩進(jìn)給磨削中高的比磨削能使得必須采取降在緩進(jìn)給磨削中高的比磨削能使得必須采取降溫措施來避免工件的熱沖擊。同樣保持砂輪的溫措施來避免工件的熱沖擊。同樣保持砂輪的鋒利以減少能量的輸入也是非常必要的。在緩鋒利以減少能量的輸入也是非常必要的。在緩進(jìn)給磨削中因砂輪滑擦長度較長且磨粒自銳性進(jìn)給磨削中因砂輪滑擦長度較長且磨粒自銳性較差造成砂輪鈍化傾向嚴(yán)重，因此砂輪的修銳較差造成砂輪鈍化傾向嚴(yán)重，因此砂輪的修銳非常重要。上圖為兩種金剛石滾輪修整方法非常重要。上圖為兩種金剛石滾輪修整方法（普通定期修整和連續(xù)修整）的效果。普通修（普通定期修整和連續(xù)修整）

43、的效果。普通修整指砂輪定期修銳，砂輪不同的磨損面積是在整指砂輪定期修銳，砂輪不同的磨損面積是在不同的磨削量下測得的。在磨削過程中進(jìn)行連不同的磨削量下測得的。在磨削過程中進(jìn)行連續(xù)修整就可以保持砂輪恒定的磨損面積，而且續(xù)修整就可以保持砂輪恒定的磨損面積，而且修整進(jìn)給量越大則磨損面積就越小。目前在磨修整進(jìn)給量越大則磨損面積就越小。目前在磨削汽輪機(jī)葉片根部深槽時仍然使用連續(xù)修整技削汽輪機(jī)葉片根部深槽時仍然使用連續(xù)修整技術(shù)。術(shù)。 CBNCBN砂輪由于不易磨鈍，在緩進(jìn)給磨削鐵基材砂輪由于不易磨鈍，在緩進(jìn)給磨削鐵基材料和其它材料時會有更廣的應(yīng)用范圍。陶瓷結(jié)料和其它材料時會有更廣的應(yīng)用范圍。陶瓷結(jié)合劑合劑CB

44、NCBN砂輪應(yīng)當(dāng)特別適用于緩進(jìn)給磨削，因砂輪應(yīng)當(dāng)特別適用于緩進(jìn)給磨削，因?yàn)槠涠嗫捉Y(jié)構(gòu)會促進(jìn)工件的冷卻。磨削前的銳為其多孔結(jié)構(gòu)會促進(jìn)工件的冷卻。磨削前的銳化處理也是必要的?；幚硪彩潜匾?。 5 57 7 控制力磨削控制力磨削 磨削一般采用切深和進(jìn)給率作為可調(diào)輸入?yún)?shù)磨削一般采用切深和進(jìn)給率作為可調(diào)輸入?yún)?shù)的固定進(jìn)給方式。砂輪與工件間產(chǎn)生的力引起的固定進(jìn)給方式。砂輪與工件間產(chǎn)生的力引起磨削系統(tǒng)的彈性變形，所以實(shí)際進(jìn)給量就小于磨削系統(tǒng)的彈性變形，所以實(shí)際進(jìn)給量就小于給定進(jìn)給量。磨削循環(huán)中諸如磨削開始或結(jié)束給定進(jìn)給量。磨削循環(huán)中諸如磨削開始或結(jié)束前的無火花磨削等進(jìn)給率的變化是依賴于磨削前的無火花磨削

45、等進(jìn)給率的變化是依賴于磨削系統(tǒng)剛度和磨削力狀況的短暫現(xiàn)象。系統(tǒng)剛度和磨削力狀況的短暫現(xiàn)象。 與大多數(shù)的給定進(jìn)給方式不同，在某些磨床上與大多數(shù)的給定進(jìn)給方式不同，在某些磨床上采用了徑向磨削力的控制方式，這里磨削徑向采用了徑向磨削力的控制方式，這里磨削徑向力是系統(tǒng)輸入，進(jìn)給量或去除率是過程的結(jié)果力是系統(tǒng)輸入，進(jìn)給量或去除率是過程的結(jié)果或輸出?？刂屏δハ魇加诨蜉敵??？刂屏δハ魇加?9641964年，后來也進(jìn)行年，后來也進(jìn)行了一些研究?？刂屏δハ鞯囊粋€特別貢獻(xiàn)在于了一些研究?？刂屏δハ鞯囊粋€特別貢獻(xiàn)在于在磨削伊始減小了瞬變效應(yīng)，這對于剛度差的在磨削伊始減小了瞬變效應(yīng)，這對于剛度差的“軟軟”磨削系統(tǒng)是非

46、常重要的。控制力磨削方磨削系統(tǒng)是非常重要的。控制力磨削方式經(jīng)常用于精密內(nèi)圓磨削，因?yàn)閮?nèi)圓磨削砂輪式經(jīng)常用于精密內(nèi)圓磨削，因?yàn)閮?nèi)圓磨削砂輪軸直徑較細(xì)，剛度較差。軸直徑較細(xì)，剛度較差。 以外圓磨削為例，當(dāng)磨削前工件存在圓度誤差以外圓磨削為例，當(dāng)磨削前工件存在圓度誤差時，是否會由于誤差復(fù)映規(guī)律而使得圓度誤差時，是否會由于誤差復(fù)映規(guī)律而使得圓度誤差永遠(yuǎn)存在呢？實(shí)際上，由于磨削力和機(jī)床進(jìn)給永遠(yuǎn)存在呢？實(shí)際上，由于磨削力和機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動之間有滯后現(xiàn)象存在，所以這控制力磨削運(yùn)動之間有滯后現(xiàn)象存在，所以這控制力磨削時，可以很快達(dá)到成圓。時，可以很快達(dá)到成圓。 5.8 5.8 重負(fù)荷磨削重負(fù)荷磨削 重負(fù)荷磨削的目

47、標(biāo)首先是獲得高的去除率重負(fù)荷磨削的目標(biāo)首先是獲得高的去除率而后才是工件表面質(zhì)量。去除率非常大以至于而后才是工件表面質(zhì)量。去除率非常大以至于可用肉眼直接觀察到切屑。砂輪不必象精密磨可用肉眼直接觀察到切屑。砂輪不必象精密磨削那樣進(jìn)行定期修整。削那樣進(jìn)行定期修整。 重負(fù)荷磨削的一個重要應(yīng)用就是鋼坯修磨。它重負(fù)荷磨削的一個重要應(yīng)用就是鋼坯修磨。它是用來去掉鋼坯或鋼板表面的缺陷或夾渣。鋼是用來去掉鋼坯或鋼板表面的缺陷或夾渣。鋼坯修磨常采用樹脂砂輪進(jìn)行固定徑向力磨削。坯修磨常采用樹脂砂輪進(jìn)行固定徑向力磨削。砂輪軸線可與工件表面平行也可與之傾斜（當(dāng)砂輪軸線可與工件表面平行也可與之傾斜（當(dāng)橫過坯板時）。重負(fù)荷磨削可采