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金刚砂磨粒的磨削作用与磨削过程

  • 磨削的物理模型
    在金属磨削过程中,摩擦起极为重要的作用。分析摩擦时,不仅要考虑摩擦因数的常规物理特征,而且要注意摩擦因数受下列因素的影响:砂轮与工件表面的性质、接触表面的冶金及化学等方面的性能、接触温度、载荷类型、应变速度和磨削液等。
    普兰德曾对圆形冲头压入金属体的情况进行了分析,并绘制了滑移线场。Tomlenov又进一步进行了数学分析。图3-6所示为滑移线场。在冲头与工件的接触表面处,由于有较大的摩擦(用摩擦角a表示),故在黑色阴影部分没有塑性流动。这部分面积称为死区。死区的边界线代表了切向速度的不连续。实际上,可以认为这些边界线上将产生剧烈的塑性变形。
    现将上述理论假说应用于磨削过程,如图3-7所示。简单弹簧缓冲系统代表磨削过程中各物体的弹性变形,定位于系统一端的金刚砂磨料绕着系统另一端的固定中心旋转。由机床磨削用量决定的实际切削刃与整体磨粒不同,是由已知微小半径的圆球来代表(早已有人指出:切削刃的一般形状相对于磨削深度来说,可以近似地看成一个球形),而且每个金刚砂磨粒可能有几个切削刃。一般切削刃廓形的曲率半径受修整条件的限制,但对于某一给定的砂轮,其曲率半径可以测定出来。这就是磨削过程的物理模型。
  • 磨削过程的三个阶段
    根据上述模型可以看到磨削过程存在三个阶段。
    第一阶段为滑擦阶段,该阶段内切削刃与工件表面开始接触,工件系统仅仅发生弹性变形。随着切削刃切过工件表面,进一步发生变形,因而法向力稳定上升,摩擦力及切向力也同时稳定增加,即该阶段内,磨较微刃不起切削作用,只是在工件表面滑擦。
    第二阶段为耕犁阶段,在滑擦阶段,摩擦逐渐加剧,越来越多的能量转变为热。当金属被加热到临界点,逐步增加的法向应力超过了随温度上升而下降的材料屈服应力时,切削刃就被压入塑性基体中。经塑性变形的金属被推向磨粒的侧面及前方,最终导致表面的隆起。这就是磨削中的耕犁作用,这种耕犁作用构成了磨削过程的第二阶段。
    磨削过程的第三阶段即切屑形成阶段。在滑擦和耕犁阶段中,并不产生磨屑。由此可见,要切下金属,存在一个临界磨削深度。此外,还可以看到,磨粒切削刃推动与金属材料的流动,使前方隆起,两侧面形成沟壁,随后将有磨屑沿切削刃前面滑出。
    为了验证磨粒磨削过程的三个阶段,R.S.Hahn和R.P.Lindsay曾通过单位磨削宽度法向磨削力F`n(F`n=Fn/b,b为切削宽度)与切入进给量的关系进行了实验,从力的角度也清楚地说明了滑擦、耕犁和磨屑形成过程,如图3-8所示。
    由图3-8可知,当F`n<0.6kN/m时,磨粒切刃只产生滑擦,并不切除金属。当F`n=0.6-2.6kN/m时,磨粒起耕犁作用,使工件材料向金刚砂磨粒两侧和前端隆起;当F`n>2.6kN/m时,开始形成切屑。实验同时还表明,当金刚砂磨料与工件材料改变时,上述临界单位磨削宽度法向磨削力也随着改变。

    实验与前述的理论研究完全相同,即由图3-8还可以看出,磨削过程的三个阶段与磨削时的磨削厚度有关,即金刚砂磨粒的磨削厚度在临界磨削厚度αmin。以下时,磨粒只在工件表面滑擦,不产生切屑。临界磨削厚度是指能够产生切削作用的最小切入量,它与磨削速度、工件材料、磨刃状态等有关,而与磨粒种类无关。临界磨削厚度αmin可参见表3-1。
    表3-1 磨粒的临界磨削厚度αmin
    工件材料
    rg/mm
    αmin/mm
    ks=αmin/rg
    工件材料
    rg/mm
    αmin/mm
    ks=αmin/rg
    淬硬碳钢
    6
    1.5
    0.25
    硅铝合金
    6
    5
    0.83
    青铜
    6
    2
    0.30
    6
    5
    0.83
    铸铁
    6
    3
    0.50
    黄铜
    6
    7
    1.17
    退火碳钢
    6
    4
    0.67
           
    由表3-1可见,材料韧性越大,αmin越大,表征材料生成切屑能力的ks位越大。显然ks值越小越好。磨削速度增高,ks值减小。也就是说,即便磨粒微刃钝圆半径rg值较大的钝磨粒也能在高速下生成磨屑。
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