機械傳動件深槽面磨削加工切削力和切削速度分析

吳志光

摘要：為了提高深槽結構件表面的磨削加工精度，本文采用信號過濾的方式對磨削力進行測定，研究砂輪轉速對深槽磨削加工面磨削力和表面形貌的影響。研究結果表明：當砂輪轉速增大后，引起切向切削力與法向切削力的同時下降，法向切削力比切向切削力高。砂輪轉速增大會引起磨削區內產生更多的磨粒數量，最大未變形切屑厚度發生減小，導致成屑磨粒的切入深度降低。

關鍵詞：深槽磨削;磨削力;表面形貌;砂輪轉速

0? 引言

目前，深槽結構被廣泛應用各類各類機械傳動元件，采用傳統類型的粗、精加模式已經無法有效保證加工的精度要求，也無法實現低成本加工目標[1-2]。為了克服上述缺陷，緩進給磨削加工方法極大促進了深槽加工技術的進步，也因此引起了許多研究人員的關注[1-2]。切削加工屬于一個包含多種學科技術的綜合處理過程，包含了材料結構特性、斷裂應力等多領域內容，屬于一個非常復雜的物理變化過程，并且在加工期間所使用的加工方式、刀具類型、環境溫度、切削介質等都會對產品的最終加工質量造成直接作用，這使得采用傳統分析方法難以對實際切削機理達到準確理解，并且之前的在設計刀具或進行切削加工時只能利用實驗測試方法來獲取優化工藝，極大增加了人力成本并花費大量時間，從而對切削技術的推廣使用造成了較大的限制[3-4]。

相關方面的研究吸引了眾多的研究學者。殷繼花等[5]通過MSC.MARC構建得到全局與局部有限元模型，其中，采用第一種模型進行仿真測試需對工件以及刀具位置進行設定，由此獲得工件的精確熱變形量以及切削過程的溫度場，第二種模型是以已知參數來仿真切屑過程，獲得切削邊界條件。Stefan等[6]對加工階段切削的形成進行了有限元仿真測試，在此基礎上推導得到切削過程形成的接觸面結構與熱流分布狀態，通過根據熱傳遞原理，仿真測試了切削階段形成的溫度場。

1? 金屬切削理論

對金屬進行切削的過程中將會產生切屑并從前刀面部位往外溢出，當其受到前刀面的擠壓作用后還會引起摩擦作用而導致切屑發生變形的現象;通過切削刃的鈍圓區與后刀面對試樣表面進行擠壓與摩擦后，會使加工部位發生彈塑性變形的情況。通常情況下，可以把金屬的切削區分成三類，分別為剪切區、刀與工件接觸區以及刀與切削接觸區，結果見圖1。

①第Ⅰ變形區：即剪切區，是出現塑性變形的區，屬于生成切屑的區。

②第Ⅱ變形區：是切削與磨粒組成的接觸區，該區存在前刀面與磨屑摩擦的情況。

③第Ⅲ變形區：是磨粒和工件發生接觸的區，工件彈性逐漸恢復，導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，第一與第三區會明顯影響已加工表面形成過程，同時第二區則會對磨屑與磨粒前刀面產生較大磨損。進入切削階段時，第一變形區組織將會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象，與切削相垂直的方向則會在拉伸過程中發生塑性變形。 此外，形成加工面的階段，會形成大量切削熱從而使加工表面溫度發生改變，使加工表面層各項性能受到較大影響，還會產生相變的情況，在基體組織中生成裂紋結構。

2? 實驗方案

通過 MV-40 立式加工設備完成深槽的磨削處理，同時為了能夠對工件切削力進行實時測試，采用夾具把實驗樣件固定于測力儀上，所以選擇試樣尺寸時需以力學測試傳感器作為依據。并且為降低材料與安裝費，把實驗試樣設計成尺寸為25 mm×30 mm×40 mm的長方體結構。結合機床的實際加工能力并參考原先的磨削工藝條件，設定得到表1所示的各項試驗參數。

3? 結果分析

3.1 切削力結果分析

當磨削參數取值為切削速度為1.8mm/min與切削深度為8mm的情況下，可以得到表2所示的各砂輪轉速對應的切削力數據。從表2中可以看到不同砂輪轉速對應的法向切削力和切向切削力變化規律。根據表2可以發現，當砂輪的轉速增大后，將會引起切向切削力與法向切削力的同時下降，同時還可以發現法向切削力比切向切削力高出很多。使切深與工件保持穩定切削速度時，在同樣的時間中材料將保持一個穩定的磨除體積，而砂輪轉速增大后則會引起磨削區內產生更多的磨粒數量，當砂輪轉速提高后，最大未變形切屑厚度將會發生減小的情況，由此導致成屑磨粒的切入深度降低。

3.2 切削速度對磨削表面的影響

從表3和圖2中可以看到是在砂輪轉速為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聯性。在低切削速度下，工件表面可以形成規則的劃痕，兩側區將會產生較小的金屬隆起，發生了顯的塑性去除過程。當切削速度提高后，試樣表面形成了更寬與更深度的劃痕，同時分布形態也變得更加錯亂，產生斷續的結構。

4? 結論

當砂輪的轉速增大后，將會引起切向切削力與法向切削力的同時下降，法向切削力比切向切削力高出很多。砂輪轉速增大后則會引起磨削區內產生更多的磨粒數量，最大未變形切屑厚度將會發生減小，導致成屑磨粒的切入深度降低。

參考文獻：

[1]顧開選，張紅，王俊杰，等.深冷處理對40CrNiMoA合金結構鋼組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2012（18）：189-191.

[2]王春芳，厲勇，李南，等.熱處理對AISI4340 鋼臨界點及CCT 曲線的影響[J].鋼鐵，2017，52（03）：70-75.

[3]馮燦波，謝桂芝，盛曉敏，等.不銹鋼超高速磨削試驗研究[J].中國機械工程，2013，24（03）：322-326.

[4]王江，黃筱調，張虎.砂輪修整工藝參數對成形磨齒粗糙度的影響[J].組合機床與自動化加工技術，2014（12）：19-21，26.

[5]殷繼花，林有希，孟鑫鑫，左俊彥.難加工材料高速銑削數值建模研究進展[J].工具技術，2018，52（08）：3-8.

[6]Stefan Schindler， Marco Zimmermann， Jan C. Aurich. Simulation-based Correction Approach for Thermo-elastic Workpiece Deformations During Milling Processes[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology， 2014（7）：233-245.