機(jī)械傳動(dòng)件深槽面磨削加工切削力和切削速度分析

吳志光

摘要：為了提高深槽結(jié)構(gòu)件表面的磨削加工精度，本文采用信號(hào)過(guò)濾的方式對(duì)磨削力進(jìn)行測(cè)定，研究砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)深槽磨削加工面磨削力和表面形貌的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速增大后，引起切向切削力與法向切削力的同時(shí)下降，法向切削力比切向切削力高。砂輪轉(zhuǎn)速增大會(huì)引起磨削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更多的磨粒數(shù)量，最大未變形切屑厚度發(fā)生減小，導(dǎo)致成屑磨粒的切入深度降低。

關(guān)鍵詞：深槽磨削;磨削力;表面形貌;砂輪轉(zhuǎn)速

0? 引言

目前，深槽結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用各類各類機(jī)械傳動(dòng)元件，采用傳統(tǒng)類型的粗、精加模式已經(jīng)無(wú)法有效保證加工的精度要求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本加工目標(biāo)[1-2]。為了克服上述缺陷，緩進(jìn)給磨削加工方法極大促進(jìn)了深槽加工技術(shù)的進(jìn)步，也因此引起了許多研究人員的關(guān)注[1-2]。切削加工屬于一個(gè)包含多種學(xué)科技術(shù)的綜合處理過(guò)程，包含了材料結(jié)構(gòu)特性、斷裂應(yīng)力等多領(lǐng)域內(nèi)容，屬于一個(gè)非常復(fù)雜的物理變化過(guò)程，并且在加工期間所使用的加工方式、刀具類型、環(huán)境溫度、切削介質(zhì)等都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的最終加工質(zhì)量造成直接作用，這使得采用傳統(tǒng)分析方法難以對(duì)實(shí)際切削機(jī)理達(dá)到準(zhǔn)確理解，并且之前的在設(shè)計(jì)刀具或進(jìn)行切削加工時(shí)只能利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法來(lái)獲取優(yōu)化工藝，極大增加了人力成本并花費(fèi)大量時(shí)間，從而對(duì)切削技術(shù)的推廣使用造成了較大的限制[3-4]。

相關(guān)方面的研究吸引了眾多的研究學(xué)者。殷繼花等[5]通過(guò)MSC.MARC構(gòu)建得到全局與局部有限元模型，其中，采用第一種模型進(jìn)行仿真測(cè)試需對(duì)工件以及刀具位置進(jìn)行設(shè)定，由此獲得工件的精確熱變形量以及切削過(guò)程的溫度場(chǎng)，第二種模型是以已知參數(shù)來(lái)仿真切屑過(guò)程，獲得切削邊界條件。Stefan等[6]對(duì)加工階段切削的形成進(jìn)行了有限元仿真測(cè)試，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到切削過(guò)程形成的接觸面結(jié)構(gòu)與熱流分布狀態(tài)，通過(guò)根據(jù)熱傳遞原理，仿真測(cè)試了切削階段形成的溫度場(chǎng)。

1? 金屬切削理論

對(duì)金屬進(jìn)行切削的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生切屑并從前刀面部位往外溢出，當(dāng)其受到前刀面的擠壓作用后還會(huì)引起摩擦作用而導(dǎo)致切屑發(fā)生變形的現(xiàn)象;通過(guò)切削刃的鈍圓區(qū)與后刀面對(duì)試樣表面進(jìn)行擠壓與摩擦后，會(huì)使加工部位發(fā)生彈塑性變形的情況。通常情況下，可以把金屬的切削區(qū)分成三類，分別為剪切區(qū)、刀與工件接觸區(qū)以及刀與切削接觸區(qū)，結(jié)果見圖1。

①第Ⅰ變形區(qū)：即剪切區(qū)，是出現(xiàn)塑性變形的區(qū)，屬于生成切屑的區(qū)。

②第Ⅱ變形區(qū)：是切削與磨粒組成的接觸區(qū)，該區(qū)存在前刀面與磨屑摩擦的情況。

③第Ⅲ變形區(qū)：是磨粒和工件發(fā)生接觸的區(qū)，工件彈性逐漸恢復(fù)，導(dǎo)致后刀面與原先加工面之間形成擠壓與摩擦作用。

從圖1中可以看到，第一與第三區(qū)會(huì)明顯影響已加工表面形成過(guò)程，同時(shí)第二區(qū)則會(huì)對(duì)磨屑與磨粒前刀面產(chǎn)生較大磨損。進(jìn)入切削階段時(shí)，第一變形區(qū)組織將會(huì)受到切削刃與前刀面擠壓作用，之后在切削方向上形成壓縮彈塑性變形的現(xiàn)象，與切削相垂直的方向則會(huì)在拉伸過(guò)程中發(fā)生塑性變形。 此外，形成加工面的階段，會(huì)形成大量切削熱從而使加工表面溫度發(fā)生改變，使加工表面層各項(xiàng)性能受到較大影響，還會(huì)產(chǎn)生相變的情況，在基體組織中生成裂紋結(jié)構(gòu)。

2? 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò) MV-40 立式加工設(shè)備完成深槽的磨削處理，同時(shí)為了能夠?qū)ぜ邢髁M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，采用夾具把實(shí)驗(yàn)樣件固定于測(cè)力儀上，所以選擇試樣尺寸時(shí)需以力學(xué)測(cè)試傳感器作為依據(jù)。并且為降低材料與安裝費(fèi)，把實(shí)驗(yàn)試樣設(shè)計(jì)成尺寸為25 mm×30 mm×40 mm的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。結(jié)合機(jī)床的實(shí)際加工能力并參考原先的磨削工藝條件，設(shè)定得到表1所示的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)。

3? 結(jié)果分析

3.1 切削力結(jié)果分析

當(dāng)磨削參數(shù)取值為切削速度為1.8mm/min與切削深度為8mm的情況下，可以得到表2所示的各砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的切削力數(shù)據(jù)。從表2中可以看到不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的法向切削力和切向切削力變化規(guī)律。根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂輪的轉(zhuǎn)速增大后，將會(huì)引起切向切削力與法向切削力的同時(shí)下降，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)法向切削力比切向切削力高出很多。使切深與工件保持穩(wěn)定切削速度時(shí)，在同樣的時(shí)間中材料將保持一個(gè)穩(wěn)定的磨除體積，而砂輪轉(zhuǎn)速增大后則會(huì)引起磨削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更多的磨粒數(shù)量，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速提高后，最大未變形切屑厚度將會(huì)發(fā)生減小的情況，由此導(dǎo)致成屑磨粒的切入深度降低。

3.2 切削速度對(duì)磨削表面的影響

從表3和圖2中可以看到是在砂輪轉(zhuǎn)速為60m/s以及切削深度為8mm的情況下得到的試樣表面粗糙度與表面平均偏差及其微觀形貌。當(dāng)工件切削速度增大后，試樣的表面粗糙度也明顯增加，并且和表面形貌間存在較大的關(guān)聯(lián)性。在低切削速度下，工件表面可以形成規(guī)則的劃痕，兩側(cè)區(qū)將會(huì)產(chǎn)生較小的金屬隆起，發(fā)生了顯的塑性去除過(guò)程。當(dāng)切削速度提高后，試樣表面形成了更寬與更深度的劃痕，同時(shí)分布形態(tài)也變得更加錯(cuò)亂，產(chǎn)生斷續(xù)的結(jié)構(gòu)。

4? 結(jié)論

當(dāng)砂輪的轉(zhuǎn)速增大后，將會(huì)引起切向切削力與法向切削力的同時(shí)下降，法向切削力比切向切削力高出很多。砂輪轉(zhuǎn)速增大后則會(huì)引起磨削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更多的磨粒數(shù)量，最大未變形切屑厚度將會(huì)發(fā)生減小，導(dǎo)致成屑磨粒的切入深度降低。

參考文獻(xiàn)：

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