磨削加工條件磨削加工是以分布在砂輪表面上的高硬度的微小磨粒作為切削刃來進行微量切削的一種加工方法。由于磨粒具有很大的負前角( 平均為- 45°) 和較大的切削刃鈍圓半徑( r≈100μm) , 所以單位磨削力是其它切削加工方法的10～30 倍。又因磨削的切削速度很高, 可達到其它切削加工方法的10～100 倍 [1], 因此與其它的切削加工法相比, 切除相同體積的金屬所產生的切削力和熱量要多很多, 磨削接觸區域的溫度也很高。由切削熱引起的工件的熱變形及切削力引起的砂輪主軸在磨削過程中的彈性變形 [3]是產生磨削表面形狀誤差的主要原因。二者在整個磨削過程中始終相生相伴, 但二者對形狀誤差的影響規律卻不相同。
本文將嘗試建立形狀誤差的形成模型, 并通過實驗驗證其合理性。同時就砂輪的粒度大小、垂直進給量、工件速度等要素對形狀誤差的影響規律進行研究, 以尋求降低形狀誤差的最佳磨削參數。
1 平面磨削形狀誤差的產生模型
圖1 為平面磨削形狀誤差的產生模型。由于切削熱的影響, 工件將產生中間凸起的熱變形, 如圖1 中A 所示。另外由于切削力的作用, 砂輪軸發生彈性變形, 使得砂輪的實際運動軌跡( 圖中B) 偏離理論軌跡( 圖中C) 。上述現象使得砂輪的實際垂直進給量與理論垂直進給量有偏差,且在整個磨削過程中不斷變化, 最終引起加工表面的形狀誤差。由于熱變形, 工件表面膨脹凸起, 使實際垂直進給量增大, 導致工件表面產生中間凹進的形狀誤差。相反地, 砂輪軸的彈性變形會使實際垂直進給量減小, 其在磨削過程中不斷積累的結果, 使得磨削結束時的實際垂直進給量小于磨削開始時的實際垂直進給量, 最終導致磨削結束部位高于開始部位的傾斜的形狀誤差。工件的熱變形與砂輪主軸的彈性變形在整個磨削過程中始終相生相伴, 對形狀誤差產生綜合影響。由于各磨削要素對磨削力、磨削熱及磨削溫度的影響規律各不相同, 所以當磨削條件改變時, 工件熱變形和砂輪主軸彈性變形對磨削過程的影響程度也不相同, 最終使得加工表面的形態及形狀誤差的大小也不盡相同。
2 實驗及結果分析
2.1 實驗裝置、實驗條件及實驗方法
本研究所用的實驗裝備及實驗條件如表1 所示。在每個實驗條件下, 連續3 次垂直進給, 然后用三坐標測量儀, 在磨削加工表面的前、中、后部, 沿著磨削方向, 測量試件全長的坐標值, 并取其平均值作為形狀誤差值。另外, 為了確保砂輪表面形貌的均勻性, 每當實驗條件改變時都用單顆粒金剛石對砂輪進行修整。
2.2 磨削加工表面形態
圖2 給出的是兩個不同加工條件下的磨削加工表面的測定結果。由圖2 可知, 當垂直進給量小、工件速度大時, 由于產生的切削熱少、砂輪和工件表面的接觸時間短, 所以熱變形相對小些, 因此砂輪軸的彈性變形占主導地位, 工件表面呈現傾斜的形態, 如圖2( a) 所示。相反地, 當垂直進給量大、工件速度小時, 由于產生的切削熱多、砂輪和工件表面的接觸時間長, 所以熱變形占主導地位, 工件表面呈現中間凹進的形態, 如圖2( b) 所示。這一結果也證實了圖1
所示的形狀誤差產生模型的合理性。
2.3 形狀誤差分析
為了分析各要素對磨削表面形狀誤差的影響,按表1 的實驗條件進行了磨削實驗, 并測量了形狀誤差, 結果如圖3 所示。由圖3 可知, 垂直進給量越大, 形狀誤差也越大。這是由于垂直進給量增大時,，切削力增大、切削溫度增高、工件熱變形和砂輪軸彈性變形也都增大, 從而導致形狀誤差增大。同樣, 當砂輪粒度號增大時, 切削力、切削溫度及工件熱變形和砂輪軸彈性變形也都會增大, 所以形狀誤差也會變大。而在不同的垂直進給量和砂輪粒度下, 工件速度都存在一個最佳值, 使形狀誤差最小。若工件速度過小, 由于砂輪與工件表面接觸時間變長, 熱變形會增加, 從而形狀誤差也會增大; 反之, 當工件速度過大時, 雖然熱變形會變小, 但由于切削力增大, 砂輪軸的彈性變形也會增大, 所以最終會使形狀誤差增大。因此, 選擇合適的工件速度、盡量小的垂直進給量和小粒度號砂輪, 可有效減小形狀誤差。
3 結論
由磨削過程中產生的切削力和切削溫度所導致的砂輪軸的彈性變形和工件表面的熱變形, 將使砂輪的實際垂直進給量發生變化, 使得磨削加工表面產生形狀誤差。由于各磨削要素對切削力和切削溫度的影響規律不同, 因此在不同的磨削加工條件下, 磨削加工表面的形態及形狀誤差大小也不盡相同。因此, 合理選擇磨削要素, 可以控制加工表面形態, 降低形狀誤差, 提高磨削加工的精度。
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