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1、5 磨削机理5.1 引言磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材料干涉的结果。磨粒切刃与工件的干涉与砂轮地貌、砂轮与工件的几何以及运动关系有关。本章将讨论磨粒与工件的干涉机理。,已有很多不同的方法来收集证据研究磨粒与工件的干涉。一种方法是研究磨屑以获得其产生的理由，因此扫描电镜是一个非常重要的工具。另一个方法是测量不同条件下的磨削力和磨削功率，这里一个重要的参数就是比磨削能，它是指去除单位体积工件材料所消耗的能量。这个参数的重要性在于各种磨粒工件的干涉机理必须满足能量守恒定理，比磨削能取决于不同的磨削条件。更直接地观察二者的干涉是用单颗磨粒或类似磨粒的刀具作切削试验。当然这些结果只有在试验条件能准确
2、地模拟砂轮磨粒状况下才是有效的。,5.2 磨屑一般认为金属磨削过程类似于车削和铣削，其金属材料是通过剪切过程去除的。这个提法是基于70年前人们在显微镜下观察到了类似切屑的磨削碎片。以下是磨削AISI1065钢的SEM照片。,从显微镜下可以看出磨屑与切屑非常近似。第一张图片是普碳钢磨屑的SEM照片，卷曲的磨屑与车削和铣削的切屑非常相似，只是由于切刃形状和干涉深度差异造成磨屑的尺寸和形状不很规则。磨屑有与其它加工方式相同的很细的节状结构。节状切屑是因局部热塑性变形引起材料剪切抗力减小形成的。第二张图片是其放大图，节间距约为0.5m，比车削切屑稍细一些，这是因为磨削是典型的负前角加工，另外由于磨削速
3、度很快，造成磨削的成屑变形更接近于绝热剪切。,第一张图片示出的另外两种磨屑是短块切屑和球形切屑，前者是因磨粒极大的负前角造成工件材料经历了类似被挤出的过程而后膨胀形成的，这实际上是一个沿切削方向发生在磨粒前端的压挤膨胀过程，也含有与普通车削相似的剪切作用。,第三张图片所示为球形切屑，它是中空的，具有极细的枝状微结构，这表明球形切屑经历了一个极快的融化和固化阶段。在磨削过程中融化不是必需的。极小的热切屑在空气中发生了氧化反应。球形中空结构是由于熔融卷曲切屑的表面张力效应形成的。磨屑的氧化使其形成火花束从砂轮中射出。火花在无氧条件下是观察不到的，火花的颜色和密度取决于工件材料。,53 磨削力、磨削
4、功率和比磨削能砂轮磨削工件就产生了磨削力。对于切入磨削（无论是平面磨削或是外圆磨削），砂轮对工件的总磨削力可分解为切向力 和径向力 两部分。对于往复磨削还应附加上一个平行于砂轮主轴的磨削力分量。磨削功率P可表为：式中“”号表示逆磨，“”号表示“顺磨”。,因一般情况下 比 小得多，所以功率可简化为：对于多数磨削情况，上式关系均成立。与纵向进给速度和横向进给速度相关的功率部分一般可不计。,由磨削功率和加工条件可推得基本参数比磨削能，它是指去除单位体积金属所消耗的能量（此参数与比磨除功率相同，即去除单位体积金属所消耗的功率），比磨削能由下式得到：,上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材料体积，与磨
5、削参数有关。由于 此处b指磨削宽度。比磨削能的重要意义在于它可反映磨粒与工件的干涉机理和干涉程度，另外还可反映出加工过程参数，而且对机床功率需求估计也有重要作用。采用国际单位，比磨削能可表示为“Joul/mm3”(J/mm3)，此时去除率单位为“mm3/s”，功率为“瓦特”；,5.4 普通磨粒砂轮磨削机理5.4.1 尺寸效应及其能量系统地测量磨削力和比磨削能始于20世纪50年代初，当时发现比磨削能比其它切削方式要大得多，而且降低 和 以减小未变形切屑厚度时比磨削能更大。所谓比磨削能是指磨除单位体积工件材料所需要的能量。,Merchat在1945年推导出经典的成屑理论模型，并开始推广应用于各种金
6、属材料的切削过程。由Merchat的理论，当切屑沿前刀面滑动时会产生极薄的剪切区，一般切削条件下剪切消耗成屑能的75左右，而刀具与切屑的摩擦耗去了25。尽管人们也观察到了其它的一些效应，但这个模型始终可给出成屑的准确描述。,人们一直试图采用类似于其它的切削过程模型来解释磨削的有关问题。对切刃形状进行一些假设，估计成屑过程中的塑性变形剪切应力，但这个结果大大高于真实的金属磨削流动应力。精磨中未变形切屑厚度很小，由此计算出的高的剪切应力意味着高的比磨削能。,为解释这一反常现象，提出了“尺寸效应”理论。它认为薄的未变形切屑厚度对应的高流动应力的原因在于剪切的小体积金属包含位错缺陷的概率较小。但位错理
7、论应用于金属切削却表明剪切区具有极高的位错密度，这在透射显微镜观察精磨切屑时所证实。这似乎是对“尺寸效应”理论的质疑。,另一个限制传统成屑理论应用于磨削过程的原因是其比磨削能太大。几乎所有的能量均转化为热，由于高切速和大应变，磨削成屑很快，整个过程金属是绝热的，这意味着没有足够的时间把塑性流动产生的大量热在变形过程中传导出去。在绝热条件下单位体积的塑性变形能应限制在可将其从一般条件下转化为熔融态的情况之内。单位体积熔融能可从手册液态熔点到室温的焓查出。,对于铁，单位体积的熔化能为10.5 J/mm3，这个数值也适用于钢。磨削钢的比磨削能一般为2060 J/mm3。更高的比磨削能仅可能在精磨中出
8、现。在磨削中如果塑性变形能高于熔化能则难以令人信服。,5.4.2 滑擦力和滑擦能金属去除是通过成屑实现的，但更多的磨削能不是通过成屑消耗的。磨粒磨钝的小平面在工件表面滑动而不去除工件材料但消耗了能量。每个小平面最初是在磨削前的修整中得到的。在磨削中小平面粘结部分金属而逐渐发出光亮且通过磨耗磨损进一步扩大。下图示出磨钝平面粘结金属的情况，许多磨粒还带着一些切屑。扩大的砂轮磨损平面在一定程度上通过自锐或磨粒从结合剂中脱落形成新切刃。,磨削过程中磨损小平面产生的沿磨削方向的细纹表明磨削能的一部分是由磨粒在工件上的滑动消耗的，二者的直接关系可由磨削力与砂轮磨钝的程度表达出来。对于一定的机床结构，如下图
9、所示法向力和切向力随磨损面积A的增加而增加。对于给定的工件材料，通过改变砂轮硬度、修整条件、累积金属去除量来观察磨削力和磨损平面的关系变化。对于钢工件（左图），磨削力随磨损面积直线上升，当达到某一临界点后，直线斜率产生突变，工件出现了烧伤；而对于非金属材料（右图）则未出现中间直线斜率不一致的情况。,平面切入磨削中砂轮的法向力和切向力 金属材料 非金属材料,在上图及其它类似发现的基础上，可以将磨削力和比磨削能认为是由切削和滑擦两个部分引起的。图中磨削力和纵轴A0处的交点与切削部分有关，而超出这个截距的磨削力值则与滑擦有关。因此有：,这里 是由于切削引起的切向力和法向力，是由于滑擦引起的切向力和法
10、向力。作为一个典型磨粒的情况如下图所示。,对于钢工件而言滑擦力和磨粒磨损面积成正比关系，这表明工件与磨粒磨损平面间平均接触压力和摩擦系数的关系：这里 是工件和磨损平面的实际接触面积，可表为磨削区面积（接触弧长磨削宽度b）和砂轮磨损表面积比 的乘积，即,由此可得磨削力公式为,在这个模型框架下可估计表征磨损平面和工件接触关系的两个特征量和，综合上述公式可得到：,对于给定的磨削条件，是常数。因此 的关系图应是一条直线，斜率为。下图给出了平面磨削碳钢的一个证例，在这里磨削力的变化取决于修整条件，精细修整会产生大的磨损面积，促使磨削力增大。最初的斜率表明摩擦系数=0.4。超过转折点后，斜率发生了改变，发
11、生了磨削烧伤。,将公式 对 微分，可得磨粒磨损面与工件的平均接触压力的关系为滑擦能的概念可使我们把砂轮硬度和修整条件对磨削力的影响进行定量描述。高硬度砂轮和细修整会使得磨粒磨损面积增大，滑擦力也正比增大（砂轮硬度和修整条件对砂轮锋利程度的影响讨论见第4章）。同样磨削液对磨削力的影响主要表现在其对磨损面积的影响。,5.4.3 耕犁和成屑能 比磨削能中去除因滑擦引起的部分就是比切削能，可由下式计算：分子是切削功耗，分母是单位体积金属去除率。切削力相当于完全锋利的砂轮即A0的情况。,如图示出磨削高碳钢时单位宽度去除率与比切削能的关系。即使使用不同的磨粒（30120）结果也一样。在低磨除率下，比切削能
12、非常高，但随着磨除率的提高比切削能快速降低至一个最小值13.8 J/mm3。,为了获得象上图的结果经历了一个长的艰苦的试验阶段。对于每个点为了获得切向力都要磨削力力与磨损面积之间的关系，此处得到了一种工件材料在不同去除率下的值。但是试验证实对于不同的材料从低碳钢到高速工具钢在同一磨除率下其比切削能几乎相同，其值大约为。考虑到工件材料硬度的差别很大，这个结果确实令人惊奇。,在上图中即使减去了滑擦能，仍然还有尺寸效应。在低磨除率下对应于薄的未变形切屑厚度，比切削能很大。这个数值不能以传统的成屑模型来解释。这说明实际上只有部分比切削能与切屑成形有关，对于剩下的能量应当至少还有一种机理来解释。另一种与
13、磨粒切削过程有关的机理就是耕犁。耕犁使工件材料变形而不是去除。我们通常认为耕犁就是磨粒把前方的工件材料犁起推向两侧，它也包括磨粒切刃下的工件材料的塑性变形。,磨粒切削中的滑擦、耕犁现象,耕犁变形是在磨粒切入工件之初就发生了。当磨粒切刃经过磨削区，切深从零增加到最大值 时，最初是弹性接触，对总能量没有贡献，而后才是对工件的耕犁即塑性变形。一般来讲切屑形成只是在切刃进入工件达到某一临界值 之后才发生。影响 的因素包括切刃的锐利程度、方向、前角和摩擦系数。利用临界切深的概念可以解释“尺寸效应”。即当单颗磨粒的切削深度低于临界切深时，磨粒只进行滑擦或耕犁作用，即此时不产生切屑而只消耗能量，所以导致比磨
14、削能的上升。,由单颗磨粒未变形切屑厚度几何尺寸可知，增大 和 都可以增大未变形切屑体积。因此在达到临界值之前耕犁量少于切屑产生时的耕犁量。较高去除率下相对少的耕犁可减小比耕犁能。作为一个极限情况，比耕犁能接近于零而最小的比切削能相当于成屑能（常数）。实验结果表明了成屑能为13.8J/mm3，比耕犁能和去除率成反比，另外单位宽度切向耕犁力为：,基于上述原因，顺磨会减少甚至会消除最初的耕犁，因为每个切刃与工件的干涉切深都是从最大切深开始的。这可以解释为什么顺磨磨削力一般略小于逆磨。但是二者的差别要比耕犁力部分小，这说明顺磨中仍然存在一定的耕犁。,总之，比磨削能包括成屑能、耕犁能和滑擦能：其中只有比
15、成屑能真正用于材料去除，它是需要的最小磨削能。按前所述，成屑能13.8 J/mm3，仍然比金属切削的比切削能高得多，而且和其它金属加工方式的能量及其负荷需求不同的是，最小比磨削能对材料的合金成分及其热处理状况不敏感。例如对于退火低碳钢磨削时的最小比磨削能与淬硬合金钢磨削以及淬硬高速工具钢磨削基本相同。,为了解释磨削中的这一反常现象，有必要比较最小比磨削能和被磨去金属熔化能的大小。因为约75的成屑能与剪切有关，剩下的25与切屑刀具摩擦有关，这表明剪切比能为10.4 J/mm3（13.87510.35)，此值基本等于铁的单位体积熔化能。这个结果归因于磨削成屑中大变形和绝热条件的存在，这已在前面讨论
16、过。磨粒切刃具有60或更大的负前角。由传统的成屑理论知道，这么大的负前角必然引起极大的剪切应变，这也已被正交切削的模拟磨削试验结果所证实。在极高的速度下引起的大应变塑性变形实际上是绝热的。,即便是大应变的绝热变形，塑性变形能也不应超过工件材料的熔化能。下图所示为假想的绝热剪切应力应变曲线，曲线下的面积是转化为热的单位体积工件材料的塑性功。最初的应变硬化由某一增长率的应变软化所代替，当达到熔点后塑性剪切抗力趋近于零。因此应力应变曲线下的面积就应当等于单位体积的熔化能，这不是说出现了熔化，但成屑剪切能已接近了熔化能界限。当接近熔化能时材料剪切抗力减少，材料实际上不可能熔化。实际上只有在空气中燃烧的
17、那些切屑才表现出某些熔化的迹象。,磨削能和熔化能的关系不仅仅限于钢，下图给出了很大范围内金属的最小比磨削能与比熔化能的试验结果。这些试验中使用了锋利的砂轮、良好的润滑条件(重负荷油)是为了最大限度地减少摩擦。每种金属的比磨削能是熔点下液态金属与室温下的焓差。考虑到某些过程的复杂性，找到严格的对应关系是很不易的，最小的比磨削能仅比相应的熔化能高出一点。根据现有的理论，最小比磨削能超过熔化能是因刀具切屑摩擦消耗的存在，当然可能还有一部分能量用于耕犁。热处理和合金对最小比磨削能的影响不大是因为熔化能对这些因素不敏感。,5.5CBN砂轮磨削机理前面讨论了普通砂轮磨削金属材料的机理。CBN砂轮的性能有些
18、不同，砂轮修整后最初的磨削力和比磨削能很高，但持续磨削一段时间之后磨削力和比磨削能迅速下降达到一稳态值。这种现象在树脂结合剂和陶瓷结合剂CBN砂轮磨削中都可以观察到。下图的结果是采用经过制动修整的树脂结合剂砂轮得到的一个例子，利用多点金刚石整形和油石修锐后的砂轮磨削也是如此。磨削之初的磨削力可引起工件的烧伤和变形甚至会破坏砂轮。,人们一直将初始磨削力较高归因于磨粒未显露出来且砂轮发粘。但对于砂轮表面的SEM观察表明，主要原因在于整形造成的CBN磨粒的钝化。整形后采用油石进行修锐就是为了暴露出磨粒和获得较好的突出量，但磨粒仍然很钝，引起了高的磨削力。磨削初期磨削力的快速下降主要归因于磨粒的脱落，
19、整形过程中磨钝的磨粒很容易脱落。同时磨粒的部分微破碎对于剩余磨粒起到了自锐作用。最后砂轮变得完全锋利了，没有了被磨平的区域，此时砂轮状态与进行预锐化处理的CBN砂轮状态非常相似。,通过逐步增加砂轮去除率在每一去除率下观察磨削力随时间的变化可以研究CBN砂轮的瞬变特性。下图为固定工件速度下切入磨削的例子，起始切深a=10m，经过100个行程后磨削力达到稳态。当切深增大在a=15m和 a=20m时仍然存在磨削力的这种瞬变特性（第1循环）。而后切深再回到开始的a=10m，上述过程再次重复（第2循环）直到切深达到a=40m。进入第3循环现象依旧。,5.6 缓进给磨削缓进给磨削的特点是采用很慢的工件速度
20、和极大的切深，切深是普通磨削工艺的几百倍到几千倍。此工艺方法可以通过几次行程或一次行程加工出复杂型面或深槽。缓进给磨削的应用还包括加工钻头沟槽和汽轮机叶片根部深槽。因此只要保持avw的乘积不变，就可以保持生产率不变。,因为缓进给磨削中切深很大，一般为110mm，砂轮与工件的接触弧长和接触区面积也非常大，很大的滑擦力促成缓进给磨削的比磨削能要比普通磨削高许多。下图示出用多孔隙的普通磨粒砂轮缓进给磨削镍基合金中比磨削能与砂轮磨损平面面积之间的关系。显然比磨削能和砂轮磨损平面面积成线性关系但不连续，而是出现了两段不同的斜率。这个反常现象可能是由于热效应或金相组织变化引起的。姑且不论原因，图中比磨削能
21、截距为25 J/mm3相当于成屑能与耕犁能之和。非常高的比磨削能主要是由于砂轮磨损平面与工件的滑擦造成的。,在缓进给磨削中高的比磨削能使得必须采取降温措施来避免工件的热冲击。同样保持砂轮的锋利以减少能量的输入也是非常必要的。在缓进给磨削中因砂轮滑擦长度较长且磨粒自锐性较差造成砂轮钝化倾向严重，因此砂轮的修锐非常重要。上图为两种金刚石滚轮修整方法（普通定期修整和连续修整）的效果。普通修整指砂轮定期修锐，砂轮不同的磨损面积是在不同的磨削量下测得的。在磨削过程中进行连续修整就可以保持砂轮恒定的磨损面积，而且修整进给量越大则磨损面积就越小。目前在磨削汽轮机叶片根部深槽时仍然使用连续修整技术。,CBN砂
22、轮由于不易磨钝，在缓进给磨削铁基材料和其它材料时会有更广的应用范围。陶瓷结合剂CBN砂轮应当特别适用于缓进给磨削，因为其多孔结构会促进工件的冷却。磨削前的锐化处理也是必要的。,57 控制力磨削磨削一般采用切深和进给率作为可调输入参数的固定进给方式。砂轮与工件间产生的力引起磨削系统的弹性变形，所以实际进给量就小于给定进给量。磨削循环中诸如磨削开始或结束前的无火花磨削等进给率的变化是依赖于磨削系统刚度和磨削力状况的短暂现象。,与大多数的给定进给方式不同，在某些磨床上采用了径向磨削力的控制方式，这里磨削径向力是系统输入，进给量或去除率是过程的结果或输出。控制力磨削始于1964年，后来也进行了一些研究
23、。控制力磨削的一个特别贡献在于在磨削伊始减小了瞬变效应，这对于刚度差的“软”磨削系统是非常重要的。控制力磨削方式经常用于精密内圆磨削，因为内圆磨削砂轮轴直径较细，刚度较差。,以外圆磨削为例，当磨削前工件存在圆度误差时，是否会由于误差复映规律而使得圆度误差永远存在呢？实际上，由于磨削力和机床进给运动之间有滞后现象存在，所以这控制力磨削时，可以很快达到成圆。,5.8 重负荷磨削 重负荷磨削的目标首先是获得高的去除率而后才是工件表面质量。去除率非常大以至于可用肉眼直接观察到切屑。砂轮不必象精密磨削那样进行定期修整。重负荷磨削的一个重要应用就是钢坯修磨。它是用来去掉钢坯或钢板表面的缺陷或夹渣。钢坯修磨
24、常采用树脂砂轮进行固定径向力磨削。砂轮轴线可与工件表面平行也可与之倾斜（当横过坯板时）。重负荷磨削可采用固定力或固定进给量方式。,重负荷磨削性能主要取决于去除率和砂轮磨损率。高去除率意味着产量高，高的砂轮磨损意味着砂轮成本高。在精密磨削中普通磨粒的消耗通常不是重要成本因素，但这在重负荷磨削中非常重要。一般存在基于砂轮成本与去除率平衡的最佳成本去除率。重负荷固定力磨削与前面提到的控制力磨削有些不同。在重负荷磨削中材料去除量的表达式不是体积而是重量，但为了与其它磨削结果进行比较，我们仍使用体积。,Coes提出了重负荷去除率的一个表达式：这里 是砂轮体积磨损率，K是去除系数，表征砂轮磨粒磨耗敏感程度
25、。上式括号的参数可认为是一个切削效率，这样去除率又可写成其最大值的函数：这里 是最大去除率。,对于理想的永不磨损磨粒()，其效率为100，去除率达到了，而对应于有限的，快速磨损砂轮（大的）会自锐到一个更高的程度，同时也提高了磨除效率。根据磨削力的分析，高效意味着使用只有小磨损面积的锋利砂轮，而不是将更多的径向力浪费在滑擦上。,5.8 经验关系式 本章的目的是对磨削过程给出自然描述来探讨磨削力和磨削能的大小。另外的一些经验描述来研究基本过程参数与磨削性能的关系。例如外圆切入磨，已知切向力和径向力是功率的函数：,这里、和f是常数，指数f在0.40.9之间。由此得到比磨能为：令 称为当量切屑厚度。,当量切屑厚度是指单位宽度去除率得到的切屑展成连续层时的厚度。这个参数也等于单位面积砂轮表面穿过磨削区时的体积去除率。当量切屑厚度与磨削力、磨削能有关，而且与包括表面粗糙度和砂轮磨钝程度的砂轮特征参数有关。但是这些或其它的经验关系在实际预测磨削性能方面是有限的，因为常数、和f取决于特定的砂轮、工件、磨削液、修整状态以及累积磨除量等。,
