模具曲面包絡(luò)磨削的磨削力實(shí)驗(yàn)研究

孔令葉，閻秋生

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510090)

0 引言

模具成型回轉(zhuǎn)曲面，特別是大型曲面，采用圓弧砂輪進(jìn)行曲面磨削是一種有效的方法，可以滿足其形狀精度和表面粗糙度的要求。其中，曲面磨削力是影響曲面磨削精度、圓弧砂輪磨削狀態(tài)及壽命的重要因素，因此分析曲面磨削力是研究曲面圓弧包絡(luò)磨削過程的重要手段[1]。

目前磨削力的測(cè)量及分析大多應(yīng)用于平面磨削及內(nèi)外圓磨削[2-8]，其中，黃志等[9]搭建了高靈敏度的電阻應(yīng)片式三維動(dòng)態(tài)磨削力測(cè)量平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)平面磨削高頻磨削力的實(shí)時(shí)精確檢測(cè)。東北大學(xué)[10]針對(duì)階梯軸的點(diǎn)磨削，采用應(yīng)變片式的測(cè)力頂尖實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類零件外圓磨削力的測(cè)量。東華大學(xué)[11]采用Kistler旋轉(zhuǎn)式三向動(dòng)態(tài)壓電晶體測(cè)力儀對(duì)超高速的外圓磨削進(jìn)行了磨削力的測(cè)量。西北工業(yè)大學(xué)[12]對(duì)多種超硬材料的平面磨削進(jìn)行磨削力預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究。M Shavva[13]研究了常規(guī)磨削中，金剛石砂輪的磨損和壽命與磨削力的關(guān)系。日本學(xué)者莊司克雄針[14]對(duì)非球曲面的超精密磨削，提出了砂輪剛度、磨削力與圓弧砂輪壽命對(duì)曲面磨削的重要性，但未見后續(xù)研究報(bào)道。

由于零件曲面曲率及磨削角的存在，磨削分力Fa與砂輪磨削點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相反，并非一直沿砂輪軸線方向，致使曲面磨削力具有高動(dòng)態(tài)變化特性，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的采集及分析。繼而，曲面磨削特性也必然與常規(guī)磨削不同[15]。本文利用YDM-III05型三向壓電測(cè)力儀搭建了曲面圓弧包絡(luò)磨削力測(cè)量系統(tǒng)，并確定所測(cè)力值與磨削分力的關(guān)系，同時(shí)分析了曲面磨削力的分布特點(diǎn)以及主要磨削參數(shù)對(duì)磨削力和磨削力比的影響規(guī)律。通過與工件表面粗糙度、工件精度及砂輪磨損的對(duì)比，研究磨削力比與曲面磨削狀態(tài)及判斷圓弧砂輪壽命的關(guān)系。

1 曲面磨削力測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

基于三向壓電測(cè)力儀來搭建曲面圓弧包絡(luò)磨削力測(cè)量系統(tǒng)，采集和分析曲面磨削的三向磨削力Fx,Fy,Fz，如圖1所示。由于測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)磨削力數(shù)據(jù)，信號(hào)的干擾和漂移會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文采用MATLAB濾波及修正零點(diǎn)漂移方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[9]。

圖1 曲面磨削力測(cè)量平臺(tái)及受力示意圖

在研究磨削力時(shí)，為測(cè)量和分析方便，通常將磨削合力分解成三個(gè)互相垂直的分力，即軸向磨削力Fa、法向磨削力Fn和切向磨削力Ft。但曲面磨削時(shí)，由于曲率的變化，F(xiàn)a與砂輪磨削點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相反，并非一直沿砂輪軸線方向，見圖1。同理，F(xiàn)n也隨工件曲率變化而變化。為此，需要把三向測(cè)力儀測(cè)得的Fx,Fy,和Fz與Fa,Fn,Ft及合力F建立關(guān)系。設(shè)磨削點(diǎn)切線與水平線夾角為θ，則各分力之間存在以下關(guān)系:

(1)

但是對(duì)于每一個(gè)磨削點(diǎn)處，

(2)

因此，當(dāng)需要研究磨削分量時(shí)，可以通過式(1)，把所測(cè)值轉(zhuǎn)化成Fa,Fn,Ft。當(dāng)需要分析磨削合力時(shí)，把所測(cè)值Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)力利用式(2)可得磨削合力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，待數(shù)據(jù)采集及處理完畢后，需要對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比，研究曲面磨削變化規(guī)律。為此，在整個(gè)曲面截面上，均勻采取10個(gè)采樣點(diǎn)來繪制磨削力曲線。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

通常砂輪種類、磨削工藝參數(shù)和工件材料決定了磨削力的大小。其中磨削切深、磨削進(jìn)給速度和磨削總量是最重要的加工參數(shù)，不僅影響著曲面磨削的加工效率及效果，還決定了砂輪壽命的大小。因此，對(duì)于曲面磨削，主要針對(duì)上述三個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行研究。

2.1 磨削切深對(duì)磨削力的影響

采用單因素實(shí)驗(yàn)法，在其他參數(shù)不變的情況下，選擇磨削切深ap為0.01～0.09mm來分析磨削切深對(duì)磨削力的影響。三向磨削力Fx,Fy,Fz的時(shí)域圖如圖2所示，沿曲面截面均勻采取10個(gè)采樣點(diǎn)，針對(duì)不同磨削切深，可獲得各向磨削力及磨削合力的曲線圖，如圖3所示。

圖2 曲面磨削的三向磨削力時(shí)域圖

(a)磨削切深對(duì)Fx的影響 (b)磨削切深對(duì)Fy的影響

(c)磨削切深對(duì)Fz的影響 (d)磨削切深對(duì)合力F的影響圖3 磨削切深對(duì)各向分力及合力的影響

由圖2可知，在曲面磨削過程中，由于曲率及磨削角的存在，使得任意點(diǎn)處的磨削力分布不同。其中Fx磨削力以曲線最低點(diǎn)為分界點(diǎn)，左右兩側(cè)方向相反，且其幅值與磨削角有關(guān)，隨磨削角θ的減小而減小。Fy分力呈現(xiàn)駝峰曲線特征，這主要由于在磨削曲面最低點(diǎn)時(shí)，其磨削角θ為零，根據(jù)式(1)可知，F(xiàn)x=Fa，F(xiàn)y=Fn，此時(shí)出現(xiàn)峰值。Fz分力即為Ft，在三個(gè)分力中數(shù)值最小，且受磨削切深影響最小，較為穩(wěn)定。

從圖3d可知，當(dāng)磨削深度由0.01mm增大到0.09mm時(shí)，磨削合力由10N增加到55N。其曲線形狀由平直線變成駝峰狀，這主要是由受工件曲率的影響，在工件最底部時(shí)，工件曲線較為平緩，根據(jù)圓弧包絡(luò)關(guān)系，砂輪單位磨粒的材料去除量較大，致使砂輪磨粒長(zhǎng)時(shí)間參與磨削而出現(xiàn)局部磨削，同時(shí)砂輪出現(xiàn)“自銳”現(xiàn)象，露出的鋒利磨粒其切削性能增強(qiáng)，導(dǎo)致磨削力出現(xiàn)低點(diǎn)[16-17]。

此外，從圖3中可知，磨削合力的數(shù)值大小和曲線形狀與Fy分力幾乎一致。由式(1)可知，當(dāng)磨削緩變曲面時(shí)，其磨削角θ較小(<30°)，此時(shí)Fy的磨削分力接近法向磨削力Fn，而分解后的Fx磨削分力較小，F(xiàn)t向磨削分力數(shù)值較小且變化不明顯，因此磨削緩變曲面時(shí)，為檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理方便，其磨削合力F可由Fy近似替代。

2.2 磨削進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

在曲面磨削中，磨削進(jìn)給速度不僅影響磨削效率及磨削表面質(zhì)量，還影響著砂輪的廓型精度及壽命[18]。選取10～200mm/min的磨削進(jìn)給速度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)磨削力的影響，其影響結(jié)果見圖4所示。

圖4 磨削進(jìn)給速度對(duì)磨削合力的影響

由圖4可知，當(dāng)磨削進(jìn)給速度由10mm/min增大20倍時(shí)，其磨削合力僅僅從13N緩慢增大到22N左右。相對(duì)于磨削切深，磨削進(jìn)給速度對(duì)磨削合力的影響極小。這與曲面圓弧包絡(luò)磨削的磨削特點(diǎn)有關(guān)。根據(jù)包絡(luò)關(guān)系，砂輪上磨削點(diǎn)不是固定的，而是隨著工件曲率的變化而變化，當(dāng)工件磨削位置變化時(shí)，圓弧砂輪上參與磨削的磨粒也會(huì)隨之變化。在給定曲面后，砂輪表面上參與磨削的單位磨粒，其材料去除量和磨削深度也隨之確定，磨削進(jìn)給速度的變化并不影響其材料去除量。由圖3可知，磨削切深是引起磨削力變化的主要原因，而磨削速度的增加主要影響磨粒的材料去除率和加工效率，對(duì)曲面磨削合力的影響較小。

2.3 砂輪累積磨削總量對(duì)磨削力的影響

圖5 磨削總量對(duì)磨削合力的影響

一般情況下，隨著材料去除量的增加，磨粒會(huì)出現(xiàn)磨損鈍化或脫落使砂輪磨削力增大，這是砂輪磨損的一般規(guī)律[19-20]，在曲面磨削時(shí)，砂輪累積磨削總量的大小可決定砂輪的耐用度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用砂輪完整的一個(gè)壽命循環(huán)周期，從修整完畢到堵塞，全過程分析磨削總量對(duì)磨削力的變化規(guī)律，其結(jié)果見圖5所示。

由圖5可知，其他參數(shù)不變的情況下，隨著材料去除量的增加，磨削合力曲線由緩平直線變?yōu)榉鍫?，其中在磨削工件最低點(diǎn)處其磨削力值急劇增大。

整個(gè)磨損過程大致分為三階段：磨削總量0～0.25mm、0.25～1.25mm和1.25～2mm。在第一階段內(nèi)，砂輪磨粒比較鋒利，切削能力較強(qiáng)，其磨削合力總體變化不大。當(dāng)磨削總量達(dá)到0.25～1.25mm時(shí)，磨削合力增大一倍后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，甚至?xí)p小，這主要由于砂輪的正常磨損及磨粒自銳現(xiàn)象，致使部分磨粒重新獲得切削能力。當(dāng)磨削總量達(dá)到1.25～2mm時(shí)，磨削力會(huì)進(jìn)入急劇增長(zhǎng)階段。其原因在于砂輪的過度使用致使磨?？障抖氯?，砂輪無法自銳，此時(shí)工件表面開始出現(xiàn)的燒傷，砂輪需要重新修整才能繼續(xù)使用。

3 Fn/Ft磨削力比

圖6 磨削力比的變化趨勢(shì)

磨削力比可以用來評(píng)價(jià)材料的可磨削性以及砂輪的磨削性能[16,21]。根據(jù)式(1)可分別獲得Fn和Ft分力，并計(jì)算Fn/Ft的比值，其變化趨勢(shì)見圖6所示。

從圖中可知，針對(duì)相同工件材料，隨著磨削總量的增加，兩種砂輪的磨削力比均持續(xù)增大，但WA280M3B砂輪的磨削力比數(shù)值要比WA240H6V砂輪的小，說明前者的切削性能明顯要優(yōu)于后者。

對(duì)于WA240H6V砂輪來說，當(dāng)磨削總量累積到1mm后，其磨削力比會(huì)急劇增大，說明砂輪進(jìn)入急劇磨損狀態(tài)，磨削能力開始明顯減弱，結(jié)合圖5可知，此時(shí)該砂輪開始出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。而WA280M3B砂輪在磨削總量累積到1mm后，其磨削力比緩慢增加，彈性結(jié)合劑使得砂輪不易堵塞，仍然具有良好的磨削性能。

4 砂輪耐用度的確定

針對(duì)常規(guī)磨削，砂輪壽命主要取決于以下因素： ①工件產(chǎn)生顫痕； ②磨削噪音異常；③磨削燒傷；④磨削力劇增；⑤表面粗糙度惡化； ⑥加工效果[22]。由于曲面圓弧包絡(luò)磨削的特殊性，工件形狀由砂輪圓弧截面依次包絡(luò)而成，當(dāng)圓弧砂輪出現(xiàn)較大的廓型誤差時(shí)，必須重新修整才能得到合格的工件。因此，在確定圓弧砂輪的壽命時(shí)，還須考慮砂輪的廓型精度。

圖7 磨削總量對(duì)工件表面粗糙度的影響

圖8 磨削總量對(duì)砂輪廓型誤差的影響

由圖7和圖8可知，當(dāng)砂輪磨削總量到0.5mm時(shí)，砂輪廓型保持良好且工件表面粗糙滿足要求，說明砂輪處于良好狀態(tài)。當(dāng)砂輪磨削總量從0.5～1mm時(shí)，砂輪廓型出現(xiàn)約0.01mm的法向誤差，工件表面粗糙開始略微上升，砂輪處于正常磨損狀態(tài)。而砂輪磨削總量超過1mm后，砂輪廓型出現(xiàn)惡化，約有近0.03mm的誤差，此時(shí)工件表面粗糙度值成倍增加，甚至出現(xiàn)燒傷斑點(diǎn)。

結(jié)合圖5、圖6磨削力及磨削力比的變化趨勢(shì)，當(dāng)砂輪廓型出現(xiàn)惡化、工件表面粗糙度值成倍增加時(shí)，其磨削力和磨削力比也進(jìn)入急劇增長(zhǎng)階段。四者之間存在大致相同的變化趨勢(shì)。對(duì)于WA240H6V圓弧砂輪，可以砂輪磨削總量達(dá)到1mm、磨削力比達(dá)到2.44作為砂輪耐用度的判斷依據(jù)。

5 小結(jié)

本文研究了曲面圓弧包絡(luò)磨削時(shí)磨削力特性及圓弧砂輪壽命的判斷標(biāo)準(zhǔn)，主要結(jié)論如下：

(1)磨削力三個(gè)磨削分量Fa,Fn,Ft與曲率角存在正弦函數(shù)關(guān)系，對(duì)于緩變曲面(磨削角<30°)可用Fy分力近似評(píng)價(jià)磨削合力。

(2)磨削切深是影響曲面磨削合力的最主要因素，而磨削進(jìn)給速度則主要影響磨粒的材料去除率和加工效率，對(duì)曲面磨削合力的影響較小。在磨削壽命周期內(nèi)，砂輪經(jīng)歷正常磨損、自銳和堵塞三個(gè)階段，其磨削合力分別呈現(xiàn)緩慢上升、保持穩(wěn)定和急劇增大的狀態(tài)。

(3)磨削力、磨削力比、工件表面粗糙度及砂輪廓型精度四者具有相似的變化趨勢(shì)，對(duì)于WA240H6V砂輪，可以砂輪磨削總量達(dá)到1mm，磨削力比達(dá)到2.44作為砂輪耐用度的判斷依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 閻秋生,田中憲司,莊司克雄.小直徑CBN砂輪磨削特性研究[J].金剛石與磨料磨具工程,1999(6):7-10.

[2] 李亞非,趙文祥,王西彬.杯形砂輪修整碟形金剛石砂輪磨削力研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(5):37-39.

[3] 張春河,林彬,韓建華,等.ELID超精密鏡面磨削過程中磨削力變化規(guī)律的試驗(yàn)分析[J].航空精密制造技術(shù),1998(1):8-11.

[4] 賀長(zhǎng)生,石玉祥,丁寧.外圓縱向磨削力的研究[J].煤礦機(jī)械,2006,27(2):239-241.

[5] 羅寧,黃紅武,宓海青.CBN砂輪高速磨削磨削力分力比實(shí)驗(yàn)研究[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,15(3):22-26.

[6] 羅偉文.CBN砂輪和剛玉砂輪磨削45淬硬鋼的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(6):46-49.

[7] 王穎淑,丁寧.外圓縱向磨削加工磨削力模型[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2005,15(6):1-3.

[8] 周會(huì)娜.工程陶瓷磨削力研究綜述[J].精密制造與自動(dòng)化,2009(2):18-20.

[9] 黃志,陳士行,萬從保,等.三維動(dòng)態(tài)磨削力測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,37(9):1299-1304.

[10] 尹國(guó)強(qiáng),鞏亞東,溫雪龍,等.新型點(diǎn)磨削砂輪磨削力模型及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016,52(9):193-200.

[11] 張強(qiáng),龐靜珠,李蓓智,等.外圓磨削力測(cè)試方法及高速磨削特性研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(9):9-12.

[12] 姚倡鋒,肖煒,武導(dǎo)俠,等.基于響應(yīng)曲面法的Aermet100磨削力預(yù)測(cè)模型研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015,34(5):715-719.

[13] M Shavva ,S Grubyy.Analysing a Relationship Between Wheel Wear and Cutting Forces During Diamond Grinding[J]. Science & Education of Bauman Mstu, DOI:10.7463/1114.0731997.

[14] (日)莊司克雄.磨削加工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[15] 孔令葉.軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)曲面精密磨削加工技術(shù)研究[D]. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2011.

[16] Z C Li, B Lin, Y S Xu. Experimental studies on grinding forces and force ratio of the unsteady stae grinding tech[J]. Journal of Materials Processing Technology,2002,129(1-3): 76-80.

[17] 朱峰,黃奇葵,陳日曜.樹脂結(jié)合劑CBN砂輪磨削力的試驗(yàn)研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1994,22(2):45-47.

[18] 馮寶富.磨削速度對(duì)磨削機(jī)理諸方面影響的研究[D].沈陽：東北大學(xué),2003.

[19] 謝晉，孫晉祥，黎宇弘，等.F-Theta自由曲面透鏡的精密與鏡面磨削[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016,52(17):72-77.

[20] Kun Li, T Warren Liao. Modelling of ceramic grinding processes Part I Number of cutting points and grinding forces per grit[J]. Journal of Material Processing Technology, 1997,65(1-3):1-10.

[21] A Azizi .Modeling and analysis of grinding forces based on the single grit scratch[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015 , 78(5) :1223-1231.

[22]任敬心,華定安.磨削原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.