磨削機理與磨削幾何參數(shù)課件

磨削機理與磨削幾何參數(shù)栗正新教授河南工業(yè)大學2012.5Grindingmechanismandgeometry磨削機理與磨削幾何參數(shù)栗正新教授Grindingmec1Outlook磨削加工方法種類常用磨削加工運動參數(shù)磨削中的磨粒磨削機理磨削幾何學參數(shù)磨削性能表征參數(shù)2磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院Outlook2磨削機理與磨削機和參數(shù)磨削加工方法分類磨削加工磨削加工固定磨粒加工固結(jié)磨具加工振動磨削砂輪磨削珩磨超精磨削電解磨削涂附磨具加工葉輪磨削砂帶磨削自由(游離)磨粒加工研磨拋光滾磨噴射加工磨料流加工彈性拋射加工頁布(紙)加工3磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類磨削加工磨削加工固定磨粒加工固結(jié)磨具加工振動磨削加工方法分類-參考車削加工

車削加工4磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類-參考車削加工4磨削機理與磨削機和參數(shù)磨削加工方法分類-參考車削加工

車削加工5磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類-參考車削加工5磨削機理與磨削機和參數(shù)磨削加工方法分類-參考車削加工刀具幾何角度①主偏角κr

基面中測量的主切削刃與假定進給運動方向之間的夾角稱為主偏角。②刃傾角λs

切削平面中測量的主切削刃與過刀尖所作基面之間的夾角稱為刃傾角。③前角γO

正交平面中測量的前刀面與基面之間的夾角稱為前角。④后角αO

正交平面中測量的后刀面與切削平面之間的夾角稱為后角。⑤副偏角κr‘基面中測量的副切削刃與假定進給運動方向之間的夾角稱為副偏角。⑥副后角αO’副正交平面中測量的副后刀面與副切削平面之間的夾角稱為副后角。⑦楔角βO正交平面中測量的前、后刀面之間的夾角稱為楔角βO=90o-（γO+αO）⑧刀尖角εr基面中測量的主、副切削刃之間的夾角稱為刀尖角。εr

=180o－（κr+κr‘）刀具幾何要素-三面二韌一尖（1）前刀面A）切屑流出時經(jīng)過的刀面稱為前刀面。（2）后刀面Aα與過渡表面相對的刀面稱為后刀面（也稱主后刀面）。（3）副后刀面Aα′與已加工表面相對的刀面稱為副后刀面。（4）（主）切削刃S前刀面與后刀面匯交的邊緣稱為（主）切削刃。在切削加工過程中，它承擔主要的切削任務(wù)。（5）副切削刃S′前刀面與副后刀面匯交的邊緣稱為副切削刃。它承擔少量的切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最終形成工件上的已加工表面。（6）刀尖刀尖是主、副切削刃的連接部位，或者是主、副切削刃的交點。大多數(shù)刀具在刀尖處磨成一小段直線刃或圓弧刃，也有一些刀具主、副切削刃直接相交，形成尖刀尖。切削運動了形成工件表面所必需的、刀具與工件之間的相對運動。切削運動分為主運動和進給運動。主運動是切除工件多余金屬所需要的最基本的運動，主運動速度高、消耗功率大。進給運動是使金屬層連續(xù)投入切削，從而加工出完整表面的運動。合成運動是當主運動與進給運動同時進行時，這兩個運動的合成運動。切削要素包括切削用量和切削層參數(shù)。切削用量三要素

1)切削速度：切削刃的選定點相對于工件主運動的瞬時速度2)進給量：在工件或刀具的每一轉(zhuǎn)或每一往復(fù)行程的時間內(nèi)，刀具與工件之間沿進給運動方向的相對位移。3)背吃刀量（切削深度）：背吃刀量是在通過切削刃基點并垂直于工作平面方向上測量的吃刀量，單位為mm，也就是工件待加工表面與已加工表面之間的垂直距離，習慣上也將背吃刀量稱為切削深度。6磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類-參考車削加工刀具幾何角度刀具幾何要素-三磨削加工-按加工對象分類磨削加工-按砂輪與工件的相對運動關(guān)系分類

往復(fù)式和切入式磨削加工-按砂輪與工件干涉處的運動線速度方向磨削加工方法分類平面磨削外圓磨削內(nèi)圓磨削無心磨削自由磨削杯形砂輪端面磨VW

VS

順磨VW

VS

逆磨7磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工-按加工對象分類磨削加工方法分類平面磨削外圓磨削內(nèi)磨削加工方法分類磨削加工Thetypesofworkpiecesandoperationstypicalofgrinding:(a)cylindricalsurfaces,(b)conicalsurfaces,(c)filletsonashaft,(d)helicalprofiles,(e)concaveshape,(f)cuttingofforslottingwiththinwheels,and(g)internalgrinding8磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類磨削加工Thetypesofworkp磨削加工方法分類磨削加工-無心磨Centerless-GrindingOperations9磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類磨削加工-無心磨Centerless-Gr磨削加工方法分類磨削加工10磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削加工方法分類磨削加工10磨削機理與磨削機和參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削與其他切削加工方式的比較

工件刀具g切屑g

工件磨粒磨屑11磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削與其他切削加工方式的比較工件為了描述磨削加工過程，必須找出一些能明確表征主要的輸入或輸出參數(shù)。表征輸入條件的參數(shù)有：磨刃幾何參數(shù)、有效磨刃數(shù)、切屑層(末變形)斷面尺寸、接觸弧長度和砂輪當量直徑等。表征輸出條件的參數(shù)有：材料切除率、砂輪耗損率和磨削比、比法向力、功率消耗和比能以及加工精度和表面完整性指標等。其中：磨刃幾何參數(shù)、有效磨刃數(shù)、切屑層斷而尺寸和磨削比等比較重要，稱為磨削基本參數(shù)。磨削機理和磨削幾何參數(shù)12磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院為了描述磨削加工過程，必須找出一些能明確表征主要的輸入或輸出磨粒切削刃的形狀與分布

一、磨粒切削刃的形狀

磨粒切削刃的尖端形狀對磨粒的磨削能力，磨削精度和磨削表面粗糙度有著重要的影響

（圓錐或角錐）球形尖端球形的圓錐尖端平面的圓錐切削刃的形狀可直接用顯微鏡或電子顯微鏡進行觀測，也可以利用表面輪廓儀描繪尖端的形狀；或者間接地測定被磨表面上的磨削條痕，然后根據(jù)磨粒引起的水平分力值進行推定，以獲得切削刃的形狀

磨削機理和磨削幾何參數(shù)13磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨粒切削刃的形狀與分布一、磨粒切削刃的形狀磨粒切削刃的砂輪的組成ω

a平均切刃間隔ω和連續(xù)切刃間隔a單位長度

da

砂輪內(nèi)部的磨粒分布二、磨粒切刃的分布

14磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院砂輪的組成ωa平均切刃間隔ω和連續(xù)切刃間隔a單位長度da單位面積內(nèi)存在的切刃數(shù)為C，平均的切刃間隔為ω，則ω對分析磨粒的切入深度和切屑斷面積是一個必要的數(shù)值

在砂輪內(nèi)部任意切斷的單位平面AB上（圖2—2）含有Np顆磨粒，磨粒的平均直徑為do，那么在1×do的體積內(nèi)含有的磨粒數(shù)

Vg是砂輪的組織，即磨粒體積率。一般值0.4～0.5

=（1.14～1.15）d0

砂輪表面上平均的切刃間隔大約為平均粒徑的1.5～2倍

15磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院單位面積內(nèi)存在的切刃數(shù)為C，平均的切刃間隔為ω，則磨削機理與磨削過程

一、磨削過程

磨削加工的特點決定了磨粒與工件的干涉過程不同于一般切削方式：切屑并不是從切削一開始就產(chǎn)生的磨削機理和磨削幾何參數(shù)16磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削機理與磨削過程一、磨削過程磨削加工的特點決定了磨粒磨粒與工件的干涉過程可分為以下三個階段：（1）劃擦階段:砂輪與工件開始接觸階段，磨粒切削刃與工件之間只發(fā)生彈性接觸。（2）刻劃階段:砂輪與工件開始接觸以后，繼續(xù)以恒定的進給量切入工件。經(jīng)過滑擦階段后，磨粒上承受一定大小的法向力，增大到一定值之后，材料表面產(chǎn)生塑性變形。使磨粒前方的材料被擠壓而隆起，如犁田的情況，故稱之為耕犁作用。這時一般不形成切屑

（3）切削階段：砂輪繼續(xù)相對于材料表面作進給。使磨粒切入深度增加，達一定數(shù)值時，形成切屑。17磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨粒與工件的干涉過程可分為以下三個階段：（1）劃擦階段:砂耕犁實際生成曲線實際干涉曲線理論干涉曲線切入深度切削磨粒切刃滑擦磨粒與工件的干涉曲線18磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院耕犁實際生成曲線實際干涉曲線理論干涉曲線切入深度切削磨粒切刃二、彈性變形過程分析一顆磨粒被作為一個剛體裝在彈簧常數(shù)為K的彈簧上

接觸寬度為2a切削刃與工件的相對滑移速度vK：彈簧常數(shù)

2avig，

iw

磨粒工件表面干涉角ig，

實際干涉角iw

從磨粒與工件開始接觸到轉(zhuǎn)入塑性變形之間的區(qū)域稱為彈性變形區(qū).這個轉(zhuǎn)變點叫彈性臨界點E19磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院二、彈性變形過程分析一顆磨粒被作為一個剛體裝在彈簧常數(shù)為K的理論預(yù)測和實驗結(jié)果表明：1）臨界法向力隨切削刃與工件的摩擦系數(shù)增大而明顯降低；隨接觸寬度增加而呈直線增加；隨切削速度增加而減小。2）臨界切入深度隨切削速度增加而減?。浑S摩擦系數(shù)減小而減小。3）彈性滑移長度隨接觸寬度增加呈直線增加；隨干涉角增加而直線地減??；隨彈簧常數(shù)的增加而減?。浑S切削速度的變化無明顯影響。彈性滑移長度是摩擦系數(shù)的復(fù)雜函數(shù)；且隨磨削液性能的變化而變化。彈性變形有如下基本特征20磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院理論預(yù)測和實驗結(jié)果表明：1）臨界法向力隨切削刃與工件的摩擦系ig

iw

γ

γ

KS

KS

Vs

Vs

Dh

xA段B段三、塑性變形

從彈性臨界點E到塑性臨界點P之間的區(qū)域為塑性變形區(qū)

在切削刃前下方的變形中存在著兩個階段：

(a)段中切削刃前下方既有彈性變形，又有塑性變形，其長度非常短。塑性變形的最大部分是在(b)段，其特點是切削刃的耕犁作用只產(chǎn)生溝槽和堆積尚無切屑產(chǎn)生21磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院igiwγγKSKSVsVsDhxA段B段塑性變形的基本特征1)切削刃上方的堆積和前下方的塑性變形是前角γ和摩擦系數(shù)μ的函數(shù)。較小的前角和摩擦系數(shù)使塑性變形程度較??；而較大的前角和摩擦系數(shù)則會在磨粒前下方產(chǎn)生大面積的塑性變形。2)發(fā)生塑性變形的金屬與切削刃前面的接觸長度h，在前角γ和摩擦系數(shù)μ較小時隨前角γ和摩擦系數(shù)μ的增大而增加，但在前角γ和摩擦系數(shù)μ較大時則隨前角γ和摩擦系數(shù)μ的增大而減小。3）在刃尖下方的塑性變形深度Dh隨前角γ和摩擦系數(shù)μ的增加而增加。

22磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院塑性變形的基本特征1)切削刃上方的堆積和前下方的塑性變形是前在磨削中，切削刃和工件的干涉存在著以下幾種情況：a)

磨粒在整個接觸期間只進行彈性滑移；b)

磨粒在整個接觸期間由彈性滑移到塑性耕犁再轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥曰齐x開磨削區(qū)；c)磨粒在整個接觸期間要經(jīng)過彈性滑移、塑性耕犁和切削三個過程。

切削刃即將離開工件時由于磨粒與工件材料的干涉深度迅速減小，工件又將產(chǎn)生塑性和彈性變形，但這一階段非常短暫，實際研究中常常不作考慮。

23磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院在磨削中，切削刃和工件的干涉存在著以下幾種情況：a)

磨削幾何學參數(shù)

一、連續(xù)切刃間隔a

實際參加切削的切刃視為有效切削刃

連續(xù)切刃間隔是在垂直于砂輪軸的砂輪截面上，磨粒Ⅱ在砂輪圓周方向上，由磨粒Ⅰ向后量得的距離a，稱為連續(xù)切刃間隔。

顯然磨粒Ⅱ的尖端比磨粒Ⅰ的尖端，在徑向差一個δ值

磨粒Ⅱ的最大切入深度gⅡ是

磨削機理和磨削幾何參數(shù)24磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨削幾何學參數(shù)一、連續(xù)切刃間隔a實際參加切削的切刃視為因此磨粒Ⅱ成為有效切刃的條件是gⅡ必須有正值,即：gⅡ〉0在這個不等式中，左邊僅與砂輪表面幾何參數(shù)有關(guān)。右邊僅與磨削工藝參數(shù)有關(guān)這意味著，即使磨具的幾何參數(shù)不變，有效切刃的數(shù)量也會隨VS、VW或t的變化而變化。因此，連續(xù)切削刃間隔不僅由砂輪本身結(jié)構(gòu)所決定，而且還受磨削用量變化的影響磨削機理和磨削幾何參數(shù)25磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院因此磨粒Ⅱ成為有效切刃的條件是gⅡ必須有正值,即：gⅡ二、磨粒的最大切入深度g(未變形切屑的最大厚度)

在磨削過程中，作為切削的最小單元—磨粒，以高速運動和本身的形狀對工件進行干涉，其結(jié)果是被切除的金屬形成獨立的切屑而干涉的痕跡留在了工件表面上，形成了微觀不平的工件表面輪廓

切屑的尺寸包含著十分重要的意義

1）切屑的大小決定著切屑和磨粒間的接觸面積和作用在整個磨粒上的力，也就是決定著結(jié)合劑把持磨粒保持固定位置所需要的力。

2）在磨削過程中，當切屑厚度變小時，比磨削能增加

3）比磨削能的大小強烈地影響著磨粒尖端的溫度、磨除率、工件溫度

4）最終留在磨削表面上的許多獨立劃痕的集合，決定著磨削表面的粗糙度和表面完整性

26磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院二、磨粒的最大切入深度g(未變形切屑的最大厚度)在磨削過程5）磨粒上的徑向力，隨著接觸面積的增加而增加，會引起工件變形，破壞工件的加工精度

圖2—9磨粒最大切入深度與其它因素的關(guān)系

磨削機理和磨削幾何參數(shù)27磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院5）磨粒上的徑向力，隨著接觸面積的增加而增加，會引起工件變形t砂輪轉(zhuǎn)速VS

工件速度Vw

前一個有小磨粒的切削軌跡CA后一個有小磨粒的切削軌跡CB未變形切屑CAB未變形切屑CAB的最大厚度AH砂輪速度和工件速度的夾角θ

磨粒與工件干涉時砂輪和工件轉(zhuǎn)過的圓心角分別是α、β

砂輪與工件的干涉深度t.28磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院t砂輪轉(zhuǎn)速VS工件速度Vw前一個有小磨粒的切削軌跡CA后磨粒的最大切入深度g

由圖中幾何關(guān)系可知:由于砂輪切入深度t比砂輪和工件的直徑D和d小得多,因此:

θ=sin(α+β)=sinα+sinβ所以sinα+sinβ=α+β

29磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨粒的最大切入深度g由圖中幾何關(guān)系可知:由于砂輪切入深度磨粒的最大切入深度的指導(dǎo)意義：ⅰ當VW增大，VS減少時，g將增大。單顆磨粒的切削力也增大，對于軟砂輪而言，會引起磨粒脫落加快，或?qū)τ谟采拜唩碚f，則會加快磨粒的鈍化速度，從而使磨具的壽命減少。ⅱ最大切屑厚度與連續(xù)切刃間隔a成正比。粒度粗而硬度低的砂輪其a值較大，g也就較大。ⅲ砂輪和工件的尺寸也影響著g的大小，當使用小直徑的砂輪磨削大直徑的工件時,g將變大30磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院磨粒的最大切入深度的指導(dǎo)意義：ⅰ當VW增大，VS減少時ⅳ當磨削參數(shù)相同時g將依內(nèi)圓，平面，外圓的順序變大磨削效率提高ⅴg與成正比，即與比磨除率(VWt)有相同的變化趨勢，但隨著t的增大，g和比磨除率Z′都會增大，但增大速率不同，Z′快速增長，而g的增幅較小。這為在成型磨削中保持砂輪地表形態(tài)和保持較高的磨除率提供了指導(dǎo)方向。緩進給磨削工藝就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。比磨除率Z′——砂輪的單位寬度在單位時間內(nèi)磨除的工件材料體積31磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院ⅳ當磨削參數(shù)相同時g將依內(nèi)圓，平面，外圓的順序變大三、切屑弧長(砂輪接觸弧長)l

一個切刃在一次切削中所產(chǎn)生的切屑，其未經(jīng)變形的長度稱為切屑弧長

（圖中CB的長度）內(nèi)圓磨削時的d取負值,平面磨削時d為∞,即

在工件速度較大的情況下

32磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院三、切屑弧長(砂輪接觸弧長)l一個切刃在一次切削四、磨屑的形狀

(1) 帶狀切屑

在正常磨削中和自銳性良好的情況下，砂輪表面磨粒銳利，由于磨粒具有負前角并且切削速度十分高，常常產(chǎn)生帶狀切屑。

(2) 擠裂切屑

砂輪表面工作磨粒處于銳利狀態(tài)下，磨削脆性工件材料時得到這種切屑特別顯著

(3) 單元切屑

這種切屑短而不規(guī)則并經(jīng)受了較大的塑性變形。多見于磨粒鈍化后或砂輪被堵塞的磨削狀態(tài)之中

33磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院四、磨屑的形狀(1) 帶狀切屑在正常磨削中和自銳性良好(4) 積屑瘤

在磨削軟質(zhì)材料時砂輪被堵塞時所特有的現(xiàn)象，即切屑時而堆積在砂輪表面時而脫落形成了積屑瘤

(5) 熔融切屑

粉末狀切屑在高溫下熔融并在飛散過程中球化而成，這種切屑在磨削硬度較高材料中砂輪發(fā)生堵塞的磨削狀態(tài)下最為明顯

34磨削機理與磨削機和參數(shù)河南工業(yè)大學材料學院(4) 積屑瘤在磨削軟質(zhì)材料時砂輪被堵塞時所特有的現(xiàn)象，1、有事業(yè)的峰巒上，有汗水的溪流飛淌；在智慧的珍珠里，有勤奮的心血閃光。2、人們走過的每一個足跡，都是自己生命的留言；留給今天翻過的日歷，留給未來永久的歷史。3、人生是一座可以采掘開拓的金礦，但總是因為人們的勤奮程度不同，給予人們的回報也不相同。4、理想之風扯滿人生的帆；奮斗之桿舉起理想之旗。5、人應(yīng)該學會走自己的路，但更