磨削機理與磨削幾何參數(shù)(共35頁).ppt

1、磨削機理與磨削幾何參數(shù)磨削機理與磨削幾何參數(shù)栗正新栗正新 教授教授河南工業(yè)大學河南工業(yè)大學 2021.5G 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 y2Outlookp 磨削加工方法種類p 常用磨削加工運動參數(shù)p 磨削中的磨粒p 磨削機理p 磨削幾何學參數(shù)p 磨削性能表征參數(shù)3磨削加工方法分類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結磨具加工固結磨具加工振動磨削振動磨削砂輪磨削砂輪磨削珩珩 磨磨超精磨削超精磨削電解磨削電解磨削涂附磨具加工涂附磨具加工葉輪磨削葉輪磨削砂帶磨削砂帶磨削自由自由(游離游離)磨粒加工磨粒加工研

2、研 磨磨拋拋 光光滾滾 磨磨噴射加工噴射加工磨料流加工磨料流加工彈性拋射加工彈性拋射加工頁布頁布(紙紙)加工加工4磨削加工方法分類-參考車削加工p 車削加工5磨削加工方法分類-參考車削加工p 車削加工6磨削加工方法分類-參考車削加工 刀具幾何角度刀具幾何角度主偏角主偏角r 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?；嬷袦y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。刃傾角刃傾角s 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。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。前角前角O 正交平面中測量的前刀面與基面之間的夾角稱為前角。正交平

3、面中測量的前刀面與基面之間的夾角稱為前角。后角后角O 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。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。 副偏角副偏角r 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?；嬷袦y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。 副后角副后角O 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。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。 楔角楔角O 正交平面中測量的前、后刀面之間的夾角稱為楔角正交平面中測量的前、后刀面之間的夾角稱為楔角O=90o-O +O 刀尖角刀尖角r 基面中測量的主、副切削刃之

4、間的夾角稱為刀尖角?；嬷袦y量的主、副切削刃之間的夾角稱為刀尖角。 r =180or+r 刀具幾何要素刀具幾何要素-三面二韌一尖三面二韌一尖1前刀面前刀面A 切屑流出時經(jīng)過的刀面稱為前刀面。切屑流出時經(jīng)過的刀面稱為前刀面。2后刀面后刀面A 與過渡外表相對的刀面稱為后刀面也稱主后刀面。與過渡外表相對的刀面稱為后刀面也稱主后刀面。 3副后刀面副后刀面A 與已加工外表相對的刀面稱為副后刀面。與已加工外表相對的刀面稱為副后刀面。4主切削刃主切削刃S 前刀面與后刀面匯交的邊緣稱為主切削刃。在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。切削加工過程中，它承擔主要的切削任務

5、。5副切削刃副切削刃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外表。加工外表。6刀尖刀尖 刀尖是主、副切削刃的連接部位，或者是主、副切削刃的交點。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、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。副切削刃直接相交，形成尖刀尖。 切削運動切削運動 了形成工件外表所必

6、需的、刀具與工件之間的相對運了形成工件外表所必需的、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。動。切削運動分為主運動和進給運動。主運動主運動 是切除工件多余金屬所需要的最根本的運動，主運動速是切除工件多余金屬所需要的最根本的運動，主運動速度高、消耗功率大。度高、消耗功率大。進給運動進給運動 是使金屬層連續(xù)投入切削，從而加工出完整外表的運是使金屬層連續(xù)投入切削，從而加工出完整外表的運動。動。合成運動合成運動 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。成運動。切削要素切削要素 包括切削用量和切削層參數(shù)。包括切削用量和切削層參數(shù)

7、。切削用量三要素切削用量三要素 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) 進給量進給量 ： 在工件或刀具的每一轉或每一往復行程的時間內(nèi)，刀在工件或刀具的每一轉或每一往復行程的時間內(nèi)，刀具與工件之間沿進給運動方向的相對位移。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，單位為于工作平面方向上測量的吃刀量，單位為mm，也就是工件，也就是工件待加工外表與已加工外表之間的垂直距離，習慣上也將背吃待加工外表與

8、已加工外表之間的垂直距離，習慣上也將背吃刀量稱為切削深度。刀量稱為切削深度。7p磨削加工- 按加工對象分類p磨削加工- 按砂輪與工件的相對運動關系分類p 往復式和切入式p磨削加工-按砂輪與工件干預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 順磨順磨VW VS 逆磨逆磨8磨削加工方法分類p磨削加工The types of workpieces and operations typical of grinding: (a) cylindrical surfaces, (b) conical surfaces, (c) fillets on a

9、 shaft, (d) helical profiles, (e) concave shape, (f) cutting off or slotting with thin wheels, and (g) internal grinding9磨削加工方法分類p磨削加工-無心磨 Centerless-Grinding Operations10磨削加工方法分類p磨削加工11磨削機理和磨削幾何參數(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磨削與其他切削加工方式的比較 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12為了描述磨削加工過程，必須找出一些能明確表征為了描述

10、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)。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)、切屑層磨刃數(shù)、切屑層(末變形末變形)斷面尺寸、接觸弧長斷面尺寸、接觸弧長度和砂輪當量直徑等。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率和磨削比、比法向力、功率消耗和比能以及加工精度和外表完整性指標等。工精度和外表完整性指標等。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

11、較重要，稱為磨削根本參數(shù)。尺寸和磨削比等比較重要，稱為磨削根本參數(shù)。磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)13 磨粒切削刃的形狀與分布磨粒切削刃的形狀與分布 一、磨粒切削刃的形狀一、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，磨削精度和磨削外表粗糙度有著重要的影響精度和磨削外表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，也可以利用外表輪廓儀描繪尖端的形狀；或者間接地測定被磨外表上利用外表輪廓儀描繪尖端的形狀；或

12、者間接地測定被磨外表上的磨削條痕，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得切削刃的形狀 磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)14砂輪的組成砂輪的組成 a平均切刃間隔和連續(xù)切刃間隔a單位長度 da 砂輪內(nèi)部的磨粒分布二、磨粒切刃的分布二、磨粒切刃的分布 15單位面積內(nèi)存在的切刃數(shù)為C，平均的切刃間隔為 ，那么 Cw1 對分析磨粒的切入深度和切屑斷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在砂輪內(nèi)部任意切斷的單位平面ABAB上圖上圖2222含有含有NpNp顆磨粒，

13、顆磨粒，磨粒的平均直徑為磨粒的平均直徑為dodo，那么在，那么在1 1dodo的體積內(nèi)含有的磨粒數(shù)的體積內(nèi)含有的磨粒數(shù) ogoPdVdN16326ogPdVNVg是砂輪的組織，即磨粒是砂輪的組織，即磨粒體積率。一般值體積率。一般值0.40.40.5 0.5 ogPdVNw61=1.141.15d0 砂輪外表上平均砂輪外表上平均的切刃間隔大約的切刃間隔大約為平均粒徑的為平均粒徑的1.51.52 2倍倍 16 磨削機理與磨削過程磨削機理與磨削過程 一、磨削過程一、磨削過程 磨削加工的特點磨削加工的特點決定了磨粒與工決定了磨粒與工件的干預過程不件的干預過程不同于一般切削方同于一般切削方式：切屑并不是

14、式：切屑并不是從切削一開始就從切削一開始就產(chǎn)生的產(chǎn)生的磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)17磨粒與工件的干預過程可分為以下三個階段：磨粒與工件的干預過程可分為以下三個階段：1劃擦階段劃擦階段: 砂輪與工件開始接觸階段，磨粒切削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。刃與工件之間只發(fā)生彈性接觸。2刻劃階段刻劃階段: 砂輪與工件開始接觸以后，繼續(xù)以恒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，材料外表產(chǎn)一定大小的法向力，增大到一定值之后，材料外表產(chǎn)生塑性

15、變形。使磨粒前方的材料被擠壓而隆起，如犁生塑性變形。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)相對于材料外表作進給。切削階段：砂輪繼續(xù)相對于材料外表作進給。使磨粒切入深度增加，達一定數(shù)值時，形成切屑。使磨粒切入深度增加，達一定數(shù)值時，形成切屑。18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 磨粒與工件的干預曲線19二、彈性變形過程分析二、彈性變形過程分析一顆磨粒被作為一個剛體裝在一顆磨粒被作為一個剛體裝在彈簧常數(shù)為彈簧常數(shù)為K的彈簧上的彈簧上 接觸寬度為接觸寬度為2a

16、 切削刃與工件的相對滑移切削刃與工件的相對滑移速度速度v vK：彈簧常數(shù) 2avig， iw 磨粒工件外表干預角外表干預角igig， 實際干預角實際干預角iw iw 從磨粒與工件開始接觸到從磨粒與工件開始接觸到轉入塑性變形之間的區(qū)域轉入塑性變形之間的區(qū)域稱為稱為彈性變形區(qū)彈性變形區(qū). .這個轉變點叫這個轉變點叫彈性臨界點彈性臨界點E E 20理論預測和實驗結果說明：理論預測和實驗結果說明：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；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。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

17、切入深度隨切削速度增加而減小；隨摩擦系數(shù)減小而臨界切入深度隨切削速度增加而減??；隨摩擦系數(shù)減小而減小。減小。3彈性滑移長度隨接觸寬度增加呈直線增加；隨干預角彈性滑移長度隨接觸寬度增加呈直線增加；隨干預角增加而直線地減小；隨彈簧常數(shù)的增加而減小；隨切削增加而直線地減??；隨彈簧常數(shù)的增加而減小；隨切削速度的變化無明顯影響。彈性滑移長度是摩擦系數(shù)的復速度的變化無明顯影響。彈性滑移長度是摩擦系數(shù)的復雜函數(shù)；且隨磨削液性能的變化而變化。雜函數(shù)；且隨磨削液性能的變化而變化。彈性變形有如下根本特征彈性變形有如下根本特征21ig iw KS KS Vs Vs Dh xA段B段三、塑性變形三、塑性變形 從彈性臨

18、界點從彈性臨界點E到塑性臨界點到塑性臨界點P之間的區(qū)域為之間的區(qū)域為塑性變形區(qū)塑性變形區(qū) 在切削刃前下方的變形中存在著兩個階段：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。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。塑性變形的最大局部是在塑性變形的最大局部是在(b)(b)段，其特點是切削刃的耕犁作用只段，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)生產(chǎn)生溝槽和堆積尚無切屑產(chǎn)生22塑性變形的根本特征塑性變形的根本特征1)切削刃上方的堆積和前下方的塑性變形是前角切削刃上方的堆積和前下方的塑性變形是前角和摩擦系數(shù)和摩擦系

19、數(shù)的的函數(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)那么會在磨粒前下方產(chǎn)生大面積的塑性變形。和摩擦系數(shù)那么會在磨粒前下方產(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，在前角和摩擦和摩擦系數(shù)系數(shù)較小時隨前角較小時隨前角和摩擦系數(shù)和摩擦系數(shù)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數(shù)系數(shù)較大時那么隨前角較大時那么隨前角和摩擦系數(shù)和摩擦系數(shù)的增大而減小。的增大而減小。3 3在刃尖下方的塑性變形深度在刃尖下方的塑性變形深度DhDh隨前

20、角隨前角和摩擦系數(shù)和摩擦系數(shù)的增加而的增加而增加。增加。 23在磨削中，切削刃和工件的干預存在著以下幾種情況：在磨削中，切削刃和工件的干預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；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磨粒在整個接觸期間由彈性滑移到塑性耕犁再轉變?yōu)閺椥曰齐x開磨削區(qū)；變?yōu)閺椥曰齐x開磨削區(qū)；c) c) 磨粒在整個接觸期間要經(jīng)過彈性滑移、塑性耕犁和切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。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預深切削刃即將離開工件時由于磨粒與工件材料的干預深度迅速減

21、小，工件又將產(chǎn)生塑性和彈性變形，但這一度迅速減小，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。階段非常短暫，實際研究中常常不作考慮。 24 磨削幾何學參數(shù)磨削幾何學參數(shù) 一、連續(xù)切刃間隔一、連續(xù)切刃間隔a 實際參加切削的切刃視為實際參加切削的切刃視為有效切削刃有效切削刃 連續(xù)切刃間隔連續(xù)切刃間隔是在垂直于砂輪軸的砂輪截面上，磨粒是在垂直于砂輪軸的砂輪截面上，磨粒在砂輪在砂輪圓周方向上，由磨粒圓周方向上，由磨粒向后量得的距離向后量得的距離a a，稱為連續(xù)切刃間隔。，稱為連續(xù)切刃間隔。 顯然磨粒顯然磨粒的尖端比磨的尖端比磨粒粒的尖端，在徑向差的尖端，在徑向差一個一個值值

22、 磨粒的最大切入深度g是 DtVVagSW/2磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)25因此磨粒成為有效切刃的條件是g必須有正值, 即 ：g 0DtVVaSW2在這個不等式中，左邊僅與砂輪外表幾何參數(shù)有關。右邊僅與磨削在這個不等式中，左邊僅與砂輪外表幾何參數(shù)有關。右邊僅與磨削工藝參數(shù)有關工藝參數(shù)有關這意味著，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或或t的變化而變化。的變化而變化。因此，連續(xù)切削刃間隔不僅由砂輪本身結構所決定，而且還受因此，連續(xù)切削刃間隔不僅由砂輪本身結構所決定，而且還受磨削用量變化的影響磨削用量變化的影

23、響磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)26二、磨粒的最大切入深度二、磨粒的最大切入深度g(未變形切屑的最大厚度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在磨削過程中，作為切削的最小單元磨粒，以高速運動和磨粒，以高速運動和本身的形狀對工件進行干預，其結果是被切除的金屬形成獨本身的形狀對工件進行干預，其結果是被切除的金屬形成獨立的切屑而干預的痕跡留在了工件外表上，形成了微觀不平立的切屑而干預的痕跡留在了工件外表上，形成了微觀不平的工件外表輪廓的工件外表輪廓 切屑的尺寸包含著十分重要的意義切屑的尺寸包含著十分重要的意義 1 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

24、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，也就是決定著結合劑把持磨粒保持固定位置所需要的粒上的力，也就是決定著結合劑把持磨粒保持固定位置所需要的力。力。 2 2在磨削過程中，當切屑厚度變小時，比磨削能增加在磨削過程中，當切屑厚度變小時，比磨削能增加 3 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、工件溫度件溫度 4 4最終留在磨削外表上的許多獨立劃痕的集合，決定著磨削最終留在磨削外表上的許多獨立劃痕的集合，決定著磨削外表的粗糙度和外表完整性外表的粗糙度和外表完整性 275磨粒上的徑向力，隨著接觸面積的增加而增加，會

25、引起工件變磨粒上的徑向力，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形，破壞工件的加工精度 圖圖29 磨粒最大切入深度與其它因素的關系磨粒最大切入深度與其它因素的關系 磨削機理和磨削幾何參數(shù)磨削機理和磨削幾何參數(shù)28t砂輪轉速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 磨粒與工件干預時砂輪和工件轉過的圓心角分別是、 砂輪與工件的干預深度t. 29磨粒的最大切入深度磨粒的最大切入深度g g sinBAAHgswVVaBA由圖中幾何關系可知由圖中幾何關系可知 :sinsin2c

26、os2cos2dDtdDdD由于砂輪切入深度由于砂輪切入深度t比砂輪和工件的比砂輪和工件的直徑直徑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(24422dDtdDdtDdDDtd30)11(2dDtVVwagS磨粒的最大切入深度磨粒的最大切入深度 的的指導意義指導意義 ： 當當VW增大，增大，VS減少時，減少時，g將增大。單顆磨粒的切削力也增大，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，那么對于軟砂輪而言，會引起磨粒脫落加快，或

27、對于硬砂輪來說，那么會加快磨粒的鈍化速度，從而使磨具的壽命減少。會加快磨粒的鈍化速度，從而使磨具的壽命減少。 最大切屑厚度與連續(xù)切刃間隔最大切屑厚度與連續(xù)切刃間隔a成正比。粒度粗而硬度低的成正比。粒度粗而硬度低的砂輪其砂輪其a值較大，值較大，g也就較大。也就較大。 砂輪和工件的尺寸也影響著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的大小，當使用小直徑的砂輪磨削大直徑的工件時削大直徑的工件時, g將變大將變大31 當磨削參數(shù)相同時當磨削參數(shù)相同時g將依內(nèi)圓，平面，外圓的順序變大磨削將依內(nèi)圓，平面，外圓的順序變大磨削效率提高效率提高 g與成正比，即與比磨除率與成正比，即與比磨除率(VW t)有相同的變化趨勢，但隨有相同的變化趨勢，但隨著著t的增大，的增大，g和比磨除率和比磨除率Z都會增大，但增大速率不同，都會增大，但增大速率不同，Z快速快速增長，而增長，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方向。緩進給磨削工藝