发布时间：2024-04-25 来源：网络
本文通过实验分析了 CBN 砂轮高速磨削三种材料时磨削力的变化情况，针对不同的磨削参数对磨 削 45 钢、2Cr13 钢、T10 三种材料时磨削力的影响程度进行研究，提出了降低不同材料工件的磨削力的 高速磨削工艺参数的优化控制原则。
CBN砂轮高速磨削磨削力实验研究 (1．厦门理工学院厦门 361005； 2．湖南大学机械与汽车工程学院国家高效磨削工程技术研究中心 长沙 410082) 摘要：本文通过实验分析了CBN 砂轮高速磨削三种材料时磨削力的变化情况，针对不同的磨削参数对磨 45钢、2Cr13 钢、T10 三种材料时磨削力的影响程度进行研究，提出了降低不同材料工件的磨削力的 高速磨削工艺参数的优化控制原则。 关键词：高速磨削 CBN 砂轮 工艺参数 磨削力 中图分类号：TG580.61+4 在磨削研究中，磨削力反映磨削过程的基本特征，是研究磨削过程的重要参数，它与材料显微结构及性能、磨削用量、砂轮特性、材料去除机理、机床刚度以及磨削液的选用等都有密切关系。 同时，他对磨削工艺的制定和表面/亚表面损伤都有影响，也是评价材料可磨性优劣的一个重要指标。 因此磨削力研究有着重要的理论价值和实际意义。 高速磨削的一个重要优点就是能够降低磨削力。CBN 砂轮是高速磨削中磨削金属材料的最佳工 具。使用 CBN 砂轮对工件进行高速磨削与普通磨削的机理有很大的不同。在低速域进行磨削时， 随着进给量的增加，磨屑增厚，磨削力亦相应增大。在高的磨削速度下，磨屑厚度相对较小，单一 磨粒承载较低，磨削力较小。另外，工作台速度、砂轮的参数和状态对磨削力的大小也有不同程度 的影响。 国内对CBN 砂轮高速磨削磨削力的研究比较少。对此，本文在实验的基础上对CBN 砂轮高速 磨削工艺实验中的磨削力(单位面积法向磨削力)进行了研究，详细分析了砂轮磨削深度、工作台速 度、砂轮线速度、CBN 砂轮磨粒尺寸等磨削参数对磨削力的影响规律。 实验条件和方法为了增加同其他工艺实验结果的可比性，本文计算出单位面积法向磨削力 等于实际法向磨削力F 与砂轮磨削试件实际磨削接触面积这两者的比值，实际磨削接触面积等于砂轮工作磨粒接触弧长l 和被磨试件宽度B这两者的乘积。即： 为磨削深度，dse 为当量砂轮直径。 实验测得法向磨削力之后按照上式计算出单位面积法向磨削力 ，然后进行比较分析。1.1 磨削条件 磨削设备：湖南大学自主研发的150m/s 超高速平面磨削试验台，加工范围(长高宽 (500 50 200)；机床总功率26.37kW； 教育部2002年科技攻关重大项目(重大D217) 砂轮一：陶瓷结合剂，CBN砂轮30016275； 结合剂：碳化硼；浓度：200%；砂轮粒度80～ 100，最高速度125m/s；标记为： A300 16 127 CBN80/100V200 砂轮二：单层电镀CBN 砂轮300 16 127 0.5；结合剂：电镀；浓度：200%；砂轮粒度100～120， 最高速度150m/s；标记为： A300 16 127 0.5 CBN 100/120V200 工件材料：45钢：淬火HRC34～37；2Cr13：淬火 HRC45～47；T10：淬火 HRC55～57； 测量装置：大连理工大学传感测控研究所开发的YKDM-III99 型整体式三向压电磨削测力 平台。 磨削条件：平面磨削(顺磨)，磨削液为SY－1 水基磨削液；磨削速度：60～120m/s；磨削 深度：0.005～0.15mm；作台速度：4.5m/min、9m/min；磨削长度：30mm 1.2 磨削实验 高速砂轮出厂时必须做严格的静平衡和动平衡，平衡时使用平衡块保证砂轮静平衡，然后对砂 轮做动平衡。加工时用美国SBS Balance System(SB—4500)做砂轮在线动平衡。为了排除实验中砂 轮磨损影响，每组磨削实验在砂轮修锐后进行。修锐时先使用碳化硅制动式滚轮修整器(绿色碳化硅 砂轮修整器)整形，再用刚玉砂条修锐。CBN 砂轮具有很高的材料磨除率，在每组实验完成后对砂 轮进行修锐已可以达到比较好的实验效果。 是CBN砂轮不同磨削参数下的砂轮单位面积法向磨削力 系图。图中包含实验中各种磨削参数条件下的实验数据点及由数据点连接的直线中实验采用 砂轮一，工件材料为45 钢，工作台速度为4.5m/min；图2 中实验采用砂轮一，工件材料为45 工作台速度为9m/min；图3中实验采用砂轮一，工件材料为2Cr13 钢，工作台速度为4.5m/min；图 中实验采用砂轮二，工件材料为2Cr13钢，工作台速度为4.5m/min；图5 中实验采用砂轮一，工 件材料为T10 钢，工作台速度为4.5m/min 2.1 磨削深度对磨削力的影响 随着砂轮磨削深度 是增大的。从图中可以看出，各数据点呈上升趋势。F 增大的原因有：磨削深度a 增大，使得单颗磨粒的最大未变形切削厚度hmax 增大，同时参与磨削的有效磨粒数 增多，导致磨削力增大且影响最为显著；同时磨削深度a 增大，磨削过程中砂轮粘结剂、磨屑及被磨工件之间的滑擦作用也增大，因此磨削力也增大。 材料：45钢，砂轮：CBN80/100V200， 材料：45钢，砂轮：CBN80/100V200， 工作台速度：4.5m/s 工作台速度：9m/s 材料：2Cr13钢，砂轮：CBN80/100V200， 材料：2Cr13钢，砂轮：CBN100/120V200， 工作台速度：4.5m/s 工作台速度：4.5m/s 材料：T10钢，砂轮：CBN80/100V200，工作台速度：4.5m/s 的增加一般不会导致磨削力成倍地增加，特别在较大的磨削深度时。如用砂轮一磨削45 钢，砂轮线m/min，磨削深度为0.05mm 单位面积法向磨削力为11.25N/mm 而当磨削深度变为0.10mm 时，单位面积法向磨削力变为 16.91N/mm ；用砂轮二磨削2Cr13钢，砂轮线m/min 时，当磨削深 0.05mm增大到 0.15mm 时，其单位面积法向磨削力由 20.77N/mm 增加为31.47N/mm 。产生这种现象可以从两个方面来解释：第一，初始切入力的存在；第二，磨削深度增大，磨削温度增高 引起材料力学性能变化。 2.2 砂轮线速度对磨削力的影响 由图可知，在单位宽度上金属磨除率Z 一定的条件下,单位面积法向磨削力随着砂轮线速度的提高而减小。磨削深度a 提高意味着增加单位时间内通过磨削区的磨粒数增加，导致单颗磨粒的切深减小。切屑变薄，切屑截面积减小，因此，有效磨粒的磨削力随 之降低。 2.3 工作台速度对磨削力的影响 为不同工作台速度情况下45钢单位面积法向磨削力随砂轮线速度及磨削深度变化图。 为清楚比较相同砂轮线速度和磨削深度不同工作台速度下单位面积法向磨削力的变化情况，提取45 钢磨削实验中工作台速度为4.5m/min 和9m/min 时，砂轮线m/s 三种速度 条件下，单位面积法向磨削力的实验结果，并进行了对比，如图6 所示。图中：实线连接的数据点 表示的是工作台速度为4.5m/min 时的实验数据；虚线连接的数据点表示的是工作台速度为 9m/min 时的实验数据。 增大。且随着砂轮线速度的增高，单位面积法向磨削力总的增加幅度减小。例如把磨削深度固定为 0.05mm，砂轮 线m/min 时其单位面积法向磨削力为11.25N/mm ，而当工作台速度为9m/min 时，单位面积法向磨削力为19.2N/mm ；而当砂轮线m/min 两种工作台速度单位面积法向磨削力的差值分别为5.6N/mm 明显增大。当继续增大工作台速度，由于磨粒实际磨削厚度增大，材料更多地被脆性去除，脆性剥落增多，磨削力增大趋势变缓，而在较小工作台速度时材料易发生塑性变形被去除，磨削力增 大较快，工件的磨削质量也比较好。工作台速度较大的工件表面的塑性变形条纹较深较宽，磨屑碎 片、脆性断裂剥落坑及气孔疏松区塌坑也较多。提高砂轮线速度能够减小磨削力的增量原因在于提 高砂轮线速度能够导致单颗磨粒的磨削厚度减小，部分抵消了工作台速度增加的影响，致使磨削力 增量减小。 2.4 砂轮特性对磨削力的影响 2.4.1 砂轮磨粒尺寸对磨削力的影响 是不同粒度的两片砂轮磨削2Cr13钢时，不同加工参数下单位面积法向磨削力变化 趋势图，为清楚比较砂轮粒度对磨削力的影响，取砂轮线m/s 三种情况下 的实验数据进行比较，如图7，图 中实线连接的数据点表示的是用砂轮一磨削2Cr13钢的实验数 据，砂轮的粒度为 80～100；虚线连接的数据点表示的是用砂轮二磨削 2Cr13 钢的实验数据，砂轮 的粒度为100～120。 一定时，砂轮粒度为100～120的砂轮二(磨粒尺寸 为150～125 m)的单位面积法向磨削力要比砂轮粒度为80～100 的砂轮一(磨粒尺寸为180～150 的单位面积法向磨削力大。这是因为磨削力一般由切屑变形分力和滑动磨擦分力两个分力组成。磨粒尺寸小的砂轮参与磨削的有效磨粒数多，而且在磨削过程中砂轮粘结剂、磨屑及被磨工件三者之 间的三种滑擦作用也大，因此单位面积磨削力也较大(切向磨削力增大得更大些)。 2.4.2 砂轮粘结剂／磨屑／被磨工件表面间滑擦作用对磨削力的影响 砂轮粘结剂、磨屑和工件三者之间的滑擦作用与砂轮磨粒尺寸、容屑槽大小以及实际磨削参数 等有关。 -ap关系图 用平均磨粒尺寸较小的CBN 砂轮磨削，当磨削深度足够大时，CBN 砂轮的结合剂会与被磨工 件表面滑擦，一方面可能产生光滑表面；另一方面使得摩擦力增大，此时磨削力的切向分力相当大。 大的切向磨削力在磨削时产生很大的拉应力，从工件表面薄弱处开始切除材料。切向磨削力随砂轮 磨削深度的增大而增大较快。此外，由于砂轮尺寸太小，容屑槽空间很小，当磨削深度增大到一定 数值时，容屑槽内的大量磨屑在磨削过程中不能被磨削液及时地冲洗掉，仍留在容屑槽内。磨屑不 但与砂轮粘结剂产生剧烈滑擦作用，而且还在砂轮粘结剂的约束作用下，磨屑与工件表面也产生了
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