磨削原理

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磨削原理

作者：郑焕文

研究磨具与工件在磨削加工过程中的各种物理现象及其内在联系的一门学科。磨削原理的研究内容主要包括磨屑形成过程、磨削力和磨削功率、磨削热和磨削温度、磨削精度和表面质量、磨削效率等，目的在于深入了解磨削的本质，并据以改进或创造磨削方法。

磨削原理的研究始于1886年，美国的C.H.诺顿和C.艾伦合作研究砂轮和磨削过程，20年之后制订出正确选择砂轮类别和砂轮速度的原则；同时发现为了提高磨削效率和精度，必须对砂轮进行平衡，并在磨削过程中正确地修整砂轮(见砂轮修整)和使用切削液。1914～1915年，英国的J.格斯特和美国的G.奥尔登对磨削用量、磨屑大小和选择砂轮等问题又作了进一步的研究。此后，磨削原理的研究不断深入。在磨屑形成方面，德国的K.克鲁格对砂轮上磨粒与工件的接触弧长和影响单颗磨粒的切深的因素进行了几何计算和研究在1925年提出了研究报告。德国的M.库莱恩和G.施勒辛格尔以及日本的关口八重吉等人对磨削力作了研究，在20年代末至30年代先后提出了磨削过程中影响磨削力的诸因素，并使磨削力的测量技术不断发展。从30年代起，随着测量磨削表面温度实验技术的发展推动了有关磨削热的理论研究。对于砂轮磨削性能的理论研究导致一系列新型高速砂轮的出现发展了砂带磨削。由于金刚石和立方氮化硼磨料的应用，磨削原理又得到新的发展。70年代以来，应用扫描电子显微镜对磨削的微观过程和超精密磨削的机理作了深入的分析。

磨屑形成过程

磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的，磨粒是一个多面体，其每个棱角都可看作是一个切削刃，顶尖角大致为90°～120°，尖端是半径为几微米至几十微米的圆弧。经精细修整的磨具其磨粒表面会形成一些微小的切削刃，称为微刃。磨粒在磨削时有较大的负前角(见刀具)，其平均值为-60°左右。磨粒的切削过程可分3个阶段。

①滑擦阶段：磨粒开始挤入工件，滑擦而过，工件表面产生弹性变形而无切屑。
②耕犁阶段：磨粒挤入深度加大，工件产生塑性变形，耕犁成沟槽，磨粒两侧和前端堆高隆起；
③切削阶段：切入深度继续增大，温度达到或超过工件材料的临界温度，部分工件材料明显地沿剪切面滑移而形成磨屑。

图1 磨粒的切削过程(局部放大)

根据条件不同，磨粒的切削过程的3个阶段可以全部存在，也可以部分存在。磨屑的形状有带状、挤裂状和熔融的球状等，可据以分析各主要工艺参数、砂轮特性、冷却润滑条件和磨料的性能等对磨削过程的影响，从而寻求提高磨削表面质量和磨削效率的措施。

图2 磨屑的形状

磨削力和磨削功率

磨削时磨粒受到工件材料变形的阻力以及磨粒与工件表面间的摩擦力，形成磨削力。磨削力可按工件与磨具的相对位置分解为切向分力Ft，法向分力Fn和轴向分力Fa。一般法向分力较大，随着工件材料和砂轮特性的不同，Fn/Ft=1.5～3；当采用润滑性能好的切削液时，由于摩擦力减少，Fn/Ft可高达4。轴向分力较小，一般可不予考虑。磨削功率Pm(千瓦)与切向分力F(N)和磨削速度(米/秒)的关系如下式：Pm=Ft·v/1000。在特定的磨削条件下，都有一个最佳磨削力区间，采用该区间的磨削力加工可获得较高的金属切除率、较小的表面粗糙度和较长的砂轮寿命，因此发展了在磨削过程中使磨削力按预定数值保持恒定的控制力磨削技术。

磨削热和磨削温度

磨削过程中所消耗的能量几乎全部转变为磨削热。试验研究表明，根据磨削条件的不同，磨削热约有60～85％进入工件，10～30％进入砂轮，0.5～30％进入磨屑，另有少部分以传导、对流和辐射形式散出。磨削时每颗磨粒对工件的切削都可以看作是一个瞬时热源，在热源周围形成温度场。磨削区的平均温度约为400～1000℃，至于瞬时接触点的最高温度可达工件材料熔点温度。磨粒经过磨削区的时间极短一般在0.01～0.1毫秒以内，在这期间以极大的加热速度使工件表面局部温度迅速上升，形成瞬时热聚集现象会影响工件表层材料的性能和砂轮的磨损。

磨削精度和表面质量

大多数情况下磨削是最终加工工序，因此直接决定工件的质量。磨削力造成磨削工艺系统的变形和振动，磨削热引起工艺系统的热变形，两者都影响磨削精度。磨削表面质量包括表面粗糙度、波纹度、表层材料的残馀应力和热损伤(金相组织变化、烧伤、裂纹)。影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂轮表面状态(也称砂轮地形图)、切削液、工件材质和机床条件等。产生表面波纹度的主要原因是工艺系统的振动。由于磨削热和塑性变形等原因，磨削表面会产生残馀应力。残馀压应力可提高工件的疲劳强度和寿命；残馀拉应力则会降低疲劳强度，当残馀拉应力超过材料的强度极限时，就会出现磨削裂纹。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用，使表面金属显微硬度明显增加，但也会因磨削热的影响，使强化了的金属发生弱化。例如砂轮钝化或切削液不充分，在磨削表面的一定深度内就会出现回火软化区，使表面质量下降，同时在表面出现明显的褐色或黑色斑痕，称为磨削烧伤。

磨削效率

评定磨削效率的指标是单位时间内所切除材料的体积或质量，用mm3/s或kg/h表示。提高磨削效率的途径有：①增加单位时间内参与磨削的磨粒数，如采用高速磨削或宽砂轮磨削；②增加每颗磨粒的切削用量，如采用强力磨削。在砂轮两次修整之间切除金属的体积与砂轮磨损的体积之比称为磨削比(也有以两者的重量比表示的)。磨削比大，在一定程度上说明砂轮寿命较长。磨削比减小，将增加修整砂轮和更换砂轮的次数，从而增加砂轮消耗和磨削成本。影响磨削比的因素有：单位宽度的法向磨削分力、磨削速度以及磨料的种类、粒度和硬度等。一般单位法向磨削分力越小或磨削速度越高，则磨削比越大；砂轮粒度较细和硬度较高时，磨削比也较大。

转自切削技术网站