難加工材料高速外圓磨削機理及其表面完整性研究.pdf

1、高速磨削是在大幅度提高加工效率的基礎(chǔ)上，顯著提高加工質(zhì)量的最有效途徑，同時也是解決材料磨削瓶頸的核心技術(shù)。高速磨削中，工件與砂輪上無數(shù)磨粒周而復(fù)始地相互高速撞擊，力的瞬態(tài)作用使剪切局限在一個微區(qū)域，能量在此微區(qū)的耗散使材料局部高溫，可能達(dá)到熔化或接近熔化的狀態(tài)。工件與磨粒的正反饋效應(yīng)使局部絕熱剪切作用愈加增強。磨削速度越高，這種絕熱剪切作用也越強，接近音速的高速磨削走向極端條件，由此產(chǎn)生的諸多新機理及其對表面完整性的作用機制正亟待研究和

2、實踐。
　　 高速磨削機理研究是磨削領(lǐng)域研究的重點與難點。相對于已被廣泛研究的平面磨削，高速外圓磨削的砂輪軸和工件軸的雙向旋轉(zhuǎn)運動則給其相關(guān)研究提出了更高的挑戰(zhàn)。在高速外圓磨削極端工作條件下，傳統(tǒng)平面磨削加工成屑機理中的滑擦-耕犁-切削理論已很難適用于高速外圓磨削。且近年來隨著航天、航空、汽車、軍工、儀器儀表、通訊工程、電子工業(yè)及機械制造等行業(yè)的快速發(fā)展，使用到的新型材料越來越多，而且這些材料機械性能高、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫、高

3、壓，可以適應(yīng)各種特殊工作環(huán)境，它們成為推動這些領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。然而，這些新材料中有許多是難以用傳統(tǒng)的機械加工方法進(jìn)行加工的，這就制約了這些材料的應(yīng)用范圍，提高了產(chǎn)品的加工成本，通常把這類材料稱為難加工材料。
　　 因此，針對典型的難加工材料的高速外圓磨削，為了探索其成屑機理、熱傳導(dǎo)機制、表面完整性特征等，本課題旨在已掌握的傳統(tǒng)磨削機理的基礎(chǔ)上，通過理論建模和高速外圓磨削仿真與實驗相結(jié)合的方法，對難加工材料高速外圓磨削

4、中的多場強耦合作用下的材料去除理論進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，最終實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色等綜合目標(biāo)的磨削工藝。本文研究的主要成果及創(chuàng)新點包括：
　　 (1)研究和揭示了難加工材料的高速外圓磨削動態(tài)行為及其高速特性。通過單顆磨粒的外圓磨削仿真研究與工程實驗研究，提出了單顆磨粒外圓磨削五個階段三種作用形態(tài)的成屑模型(Five-phase-Three-behavior-based Chip Formation Model，F(xiàn)TCFM)，揭

5、示了砂輪線速度對單顆磨粒切削形態(tài)的作用機制及其高速特性，構(gòu)造了三種作用形態(tài)下弧長計算模型(Three-behavior-based GrindingLength Model，TGLM)，并在材料去除率計算模型中引入了砂輪線速度這個對高速磨削效率具有重要影響的因素，構(gòu)建了基于等效未變形磨屑厚度的材料去除率模型(Equivalent Undeformed ChipThickness-based Material Removal Model，

6、EUCTMRM)，并以TC4為例，進(jìn)行了仿真與工程實驗驗證，為解釋和定量考察高速磨削的高效特性提供了理論依據(jù)。
　　 (2)通過對難加工材料的高速外圓磨削力的研究與實驗，探討了磨削過程中兩個重要工藝參數(shù)砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速對磨削力的影響機制，分析了磨削力、磨削力比、比磨削能隨比磨除率的變化規(guī)律及特征。實驗結(jié)果表明磨削TC4時，法向力使得工件“軟化”難以被去除，其材料去除方式主要由切向力來進(jìn)行控制；在砂輪線速度一定的情況，發(fā)現(xiàn)磨削

7、力的增幅要小于比磨除率的增幅，因此在合理的磨削力范圍內(nèi)，可以通過增加工件進(jìn)給速度來提高比磨除率；在保證恒定的比磨除率的條件下，可以適當(dāng)控制工件轉(zhuǎn)速以到達(dá)穩(wěn)定磨削力的效果；基于磨削力試驗結(jié)果，建立了難加工材料高速外圓磨削力模型(High-Speed Cylindrical Grinding Force Model，HSCGFM)，為定量考察磨削質(zhì)量和效率的完美結(jié)合提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 (3)基于外圓磨削的未變形磨屑厚度，提出了磨

8、削弧區(qū)熱源模型為二次曲線的假設(shè)，據(jù)此構(gòu)造了基于二次曲線熱流分布的溫度計算模型(Quadratic Curve Distribution-based Temperature Prediction Model，QCDTPM)，以及基于實驗溫度法的進(jìn)入工件能量分配比模型(Experiment Temperature Method-based Energy Partition Model，ETMEPM)，以考察不同工藝條件下磨削熱的作用機制。研

9、制了可適用于不同難加工材料的外圓磨削弧區(qū)溫度測試傳感器，為解決高速外圓磨削工件表面溫度難以有效度量難題提供了有效途徑。理論分析與實驗結(jié)果表明，二次曲線熱流分布模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。在高速磨削條件下，進(jìn)入工件的熱量分配比大約為30％-60％，與傳統(tǒng)磨削速度情況相比，進(jìn)入工件的熱量分配比下降了24％-54％(與均值84％相比)，其中，工件轉(zhuǎn)速對溫度變化影響較大，砂輪速度增加使得磨削溫度呈現(xiàn)緩慢的升高趨勢，而切深的影響適中，因此，

10、上述三要素對磨削問題的作用大小依次為工件線速度、磨削深度和砂輪線速度。這說明在磨削難加工材料時，砂輪線速度不是最主要因素，應(yīng)選擇合適的磨削參數(shù)組合來實現(xiàn)質(zhì)量與效率的統(tǒng)一。此外，還發(fā)現(xiàn)沿著工件深度方向，磨削熱主要集聚在工件切入端表層及亞表層區(qū)域，上述發(fā)現(xiàn)為高速磨削冷卻效果、優(yōu)化設(shè)計與安裝提供了科學(xué)設(shè)計依據(jù)。
　　 (4)探討了磨削工藝參數(shù)對表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力的影響，實驗結(jié)果表明，磨削速比對工件表面粗糙度的影響較大，存在一個臨

11、界速比能實現(xiàn)表面質(zhì)量與磨削效率的完美統(tǒng)一，同時砂輪線速度的提高使得工件表面殘余壓應(yīng)力向拉應(yīng)力過渡，進(jìn)而加快工件磨損，影響其使用壽命，因此提出了磨削質(zhì)量與效率統(tǒng)一的多因素綜合考慮模型(Quality-Efficiency-based Comprehensive Factor Model，QFCFM)，得出一味地追求砂輪線速度并不能達(dá)到理想的加工質(zhì)量和磨削效率相統(tǒng)一的要求，必須綜合考慮其它磨削工藝參數(shù)、材料的物理化學(xué)性能，并且在綜合考慮磨削