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金刚砂磨粒磨削的磨屑厚度

  • 磨削时的未变形磨屑形状可看成如图3-16所示的曲边三角形鱼状体。金刚砂磨粒擦过工件表面时,在工件表面上划出了形状尺寸各不相同或相互错开或相互重叠的许多细小刻痕,由于刻痕深度不一,所以未变形磨屑的厚度和大小不同。用磨刃间距为γs的砂轮,以砂轮线速度Vs、工件线速度Vw的参数磨削时,沿工件运动速度方向的未变形磨屑长度为γsVw/v,未变形磨屑的平均宽度为-bg。
    未变形金刚砂磨屑厚度对磨削过程有较大影响,它不仅影响作用在磨粒上力的大小,同时也影响到磨削比能(单位剪切能)的大小及磨削区的温度,从而造成对砂轮的磨损以及对加工表面完整性的影响。
    未变形的磨屑厚度取决于连续磨削微刃间距γs和磨削条件等参数,是磨削状态和砂轮表面几何形状的一个非常复杂的函数。根据研究目的的不同,通常采用最大磨屑厚度、平均磨屑厚度和当量磨削层厚度三个参数来评价磨削厚度。
  • 最大磨屑厚度agmax
    关于最大磨屑厚度的计算,多年来不少学者一直致力于研究并推荐了不少计算公式,然而,由于金刚砂磨削过程的复杂性,这些公式直接用于生产解决实际问题仍存在较大差距。这主要是多数计算公式中包括有效磨刃数及两个有效磨刃间距这两个极难确定的参数。但该类计算公式对于磨削理论研究有极其重要的价值。下面介绍两种比较典型的研究结果。
    ①M.C.Shaw推荐的磨屑厚度计算公式:对于平面磨削,未变形磨屑的最大厚度计算公式为
    agmax=4Vw/VsNsC√aP/ds
    对于外圆切入磨削,则最大磨屑厚度为
    agmax=4Vw/VsNsC√ds+dw/dsdw ap
    式中Ns-砂轮单位面积有效磨刃数;
    C-磨屑宽度与厚度之比,即C=bg/ag。
    以上公式是根据体积不变原则推导出来的,如图3-17所示,以相似矩形六面体代替鱼状体的磨屑,则
    V0=Vw/Ns
    式中V0-每一颗金刚砂磨粒的体积;
    Vw-磨除的工件材料的体积。
    可写为:-bg -ag lc= VwbaP/VsBNs
    式中b磨削宽度;
    B-砂轮宽度;
    -bg平均磨屑宽度,-bg=C-ag(C为比例系数,与磨粒顶锥角有关);
    -ag-平均磨屑厚度-ag=1/2agmax
    lc-未变形磨屑长度,其数值可按几何接触长度公式求得,即lc=(apdse)1/2。
    可导出
    -ag=(Vw/VS ap)1/2(Nslc-bg)-1=1/NslcC(Vw/Vs aP)1/2
    式中dse-砂轮当量直径,dse=4 dwds/dw±ds
    ②H.Opitz磨屑厚度计算公式H.Opitz等人同样根据切屑体积不变的原则,采取未变形切屑厚度的平均断面积来导出磨屑厚度计算公式,即以砂轮表面单位切削宽度上圆周长度范围内参加工作的动态磨刃数所切除的断面积的总和来导出磨屑厚度计算公式。
    切屑层的平均断面积等于单位切削宽度工砂轮切下磨削层断面积的总和与单位磨削宽度的砂轮接触表面上参加工作的动态磨刃数之比。
    一般取系数Cq=1.2,指数p≈2,C1是与磨刃密度有关的系数。
    这进一步说明了研究者所采用的不同方法求得不同有效磨刃数使Nd和Ns-bg有差异,这样就导出了不同的磨屑厚度计算公式。
  • 平均磨屑厚度-ag
    磨削时,工件上被磨除的体积应该等于砂轮所磨除的体积,则vw bap=(-bg -aglc)(vsNdB)
    式中右端第一个括号表示每个磨刃切除的平均体积,第二个括号表示单位时间中实际参加切削的有效磨刃数(动态磨刃数)。左端为单位时间内从工件切除材料的体积。可得出平均磨屑厚度为
    -as=Vw/Vs ap1/2(Ndlc-bg)-1=C(ap Vw/Vs)1/2
    式中的C为无量纲系数,取决于砂轮表面上磨削刃的密度、磨削的平均长度和宽度。系数C实际上包含下列因素的影响:磨屑形状、金刚砂磨粒尺寸、修整方法、磨削过程中磨粒形状的变化、砂轮与工件相对运动的几何关系及弹性变形、振动特征等。
    上述因素按目前技术条件尚难全部确定但是实验表明,其与一些磨削结果(力和表面粗糙度等)存在相当良好的相关性,因此常用这一参数来讨论这类问题。
  • 当量磨削层厚度aeq
    几十年来,人们一直在努力寻求一个能全面说明磨削过程的基本参数,通过它可以表征磨削力、表面粗糙度与磨削条件之间的关系,从而掌握磨削加工过程的内在规律。早在1914年,美国的G.I.Alden就曾按铣削的概念研究磨削过程,推导出了每一磨粒切下的切屑公式,企图通过切削要素(切削宽度和厚度)对磨削过程的影响。来掌握磨削加工的规律,后来也有不少人先后推出了其他公式。但是由于砂轮磨粒随机分布的特殊性,给欲将切削厚度作为基础参数来研究磨削过程的工作带来了较大困难。近几十年来,有人提出过用“综合相对进给率”、“切削厚度参数”、“当量磨削厚度”、“连续型切削厚度”等代替“未变形切屑厚度”,作为描述磨削过程的基础参数,都未能取得一致意见。国际生产工程研究会研究小组提出,将参数ap Vw/Vs作为磨削过程的参数,称之为“当量磨削层厚度”(Equiva-lent Grinding Thickness),并用aeq表示,如图3-18所示。
    当量磨削层厚度aeq不是某一个磨刃切下的磨削层厚度,它是一个假想尺寸,是将单位宽度砂轮磨除的金属量,沿砂轮速度方向摊成同一单位宽度、长度为L的假想长带形磨屑层的厚度。L为切除金属量的同时,砂轮工作表面上磨刃所走过的路程长度。aeq可用式:aeq=ap Vw/Vs=Z`w/Vs
    式中Z`w-单位时间单位砂轮宽度的金属磨除率。
    当量磨屑层厚度将(ap Vw/Vs)作为一个参数来看,有如下意义。
    ①反映了磨削运动参数对切屑的影响。虽然是一个假想尺寸,但它可用图形图3-18表示出来。

    ②当量磨削层厚度aeq是假想带状切屑的断面厚度。通过外圆切入磨削的试验表明,当量磨削层厚度与磨削力、加工表面粗糙度及金属磨除率之间呈良好的线性关系。在一定的工艺系统刚度条件下,它与砂轮寿命和磨削比(以体积计的单位时间内金属切除量与砂轮磨耗量之比)之间也呈线性关系,因此这就证明了当量磨削层厚度作为基本参数的实际意义。
    但是用当量磨削层厚度作为基础参数也有以下几点局限性。
    ①当量磨削层厚度只反映了运动参数Vs、Vw和ap的影响,并没有包括与砂轮切削性能有关的参数,如磨削中的金刚砂轮堵塞、砂轮损钝化、磨粒切削刃的顶面积的变化等,这些均会对磨削过程产生很大影响。
    ②当量磨削层厚度没有包括工作材料磨削性能方面的参数,如材料的硬度、韧性、强度、热导率、硬化率与亲和性等。因为在易磨材料的磨削且砂轮又保持锋利时,磨削力以切屑变形力为主;在磨削难加工材料时,砂轮易堵塞、磨报,磨削力以摩擦力为主,而磨屑变形力只占很小比例,这时当量磨削层厚度则远不足以决定磨削力的数值。
    ③当量磨削层厚度与磨削温度之间没有简明的线性关系,而磨削温度是磨削过程中一个很重要的物理参数,它对磨削表面完整性、磨屑形状和砂轮堵塞、磨损都有重要影响。
    因此,今后还应该继续寻求其他基础参数,以期能概括对磨削质量和砂轮切削性能等各方面的影响。
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