基于单颗磨粒的高速外圆磨削成屑机理研究
高速磨削
高速磨削高速磨削是国内外正在大力研究并逐步推广的一种先进的机械加工方法 , 它是近代磨削加工技术发展的一种新工艺 , 与普通磨削相比 , 其优点是能够大大提高被加工工件的精度 , 降低零件表面粗糙度。
随着科学技术的不断进步和发展 , 对零件的加工精度和生产率提出了更高的要求 , 高速磨削技术更加显示出它的重要性。
1 国外高速磨削技术的现状与发展趋势早在上世纪 50年代 , 国外就已经开始研究高速磨削 , 到 60年代 , 许多国家在高速磨削方面的研究更加得到普遍重视 , 并取得了许多成功经验 , 如日本京都大学工学部冈村健二郎教授首先提出了高效磨削理论 , 当时在日本也是盛行一时。
德国阿亨大学Optiz教授系统地发表了 60m /s高速磨削的实验结果。
在 70年代 , 高速磨削在许多工业国家迅速发展 , 60m /s以上高速磨床品种超过 50种 , 少数磨床磨削速度达到 125m /s, 到了 80年代 , 许多国家继续在提高磨削速度上进行努力 , 但是高速磨削并未按原先预料的情况发展 , 它受到许多条件的制约 , 如受到机床结构、动态特性、砂轮速度及磨料耐磨性等的限制 , 实际上在这个时期磨削速度的提高也受到了一定的限制。
近年来 , 高速磨削加工技术又有了很大发展 , 主要表现在以下几个方面 :(1)高速磨削机理方面。
在越过能产生磨削热损伤的国限带之后 , 磨削用量进一步加大不仅不会使热损伤加剧 , 反而会使其不再发生。
这一发现 , 开拓出一个广阔的高速磨削参数领域 , 为实现超高速的磨削提供了理论基础 , 加上人造金刚石和立方氮化硼在砂轮制造中的大量应用 , 高速磨削得以再度兴起 , 并实现了线速度高于普通磨削 5 - 6倍甚至更高的超高速磨削。
(2)高速磨削的有利环节。
继喷雾润滑轴承和空气润滑轴承之后 , 利用磁力承受负荷的磁悬浮轴承已进入实用阶段 , 它的转速可以在主轴强度所能承受的限度内任意提高。
镍基单晶高温合金DD5_磨削成屑机理研究
镍基单晶高温合金DD5磨削成屑机理研究*于贵华1， 朱 涛1， 蔡 明1， 安志欣1， 王成静2， 罗书宝1（1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院, 辽宁 抚顺 113001）（2. 辽宁石油化工大学 石油化工学院, 辽宁 抚顺 113001）摘要 为研究镍基单晶高温合金DD5的磨削去除机理，提高其加工效率，针对镍基单晶高温合金具有显著各向异性的特点，建立基于Hill 模型的三维有限元磨削模型，研究镍基单晶高温合金DD5的表面加工形貌和切屑形貌，分析切屑形貌演变过程及其磨削力变化，探究磨削速度对切屑形貌和切屑形成频率的影响。
研究表明：在磨削参数范围内，加工DD5容易出现锯齿形切屑；磨削力呈稳定增加并伴有一定的周期性波动，其波动情况与锯齿形切屑相对应；随着磨削速度的增大，磨粒能更快进入切削阶段，其临界成屑厚度由0.225μm 最终降为0.158 μm ，成屑阶段占比由85.0%提高到89.5%；临界划擦厚度受磨削速度变化影响不大；随着磨削速度的增加，DD5切屑形貌由锯齿分节密集堆叠的单元节状向连续型锯齿状转变，最后发展为条形带状切屑。
关键词 磨削；切屑形貌；镍基单晶高温合金DD5；有限元分析中图分类号 TG58; TH161 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)06-0760-12DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0169收稿日期 2022-10-11 修回日期 2023-01-16作为航空发动机涡轮盘、转子叶片、涡轮导向叶片等关键零部件的主要材料，镍基单晶高温合金具有优异的物理和化学性能，例如抗蠕变性能、耐高温性能、抗冲击性能等[1-2]。
然而，这些优异的力学性能也给其加工制造带来了巨大困难，使其出现加工质量差、加工成本高等缺点[3]。
和其他传统加工方式相比，磨削加工具有加工质量好、精度高等特点，能够满足镍基单晶高温合金在特殊工况下的使用条件[4]。
但是，在磨削过程中镍基单晶高温合金仍出现磨削温度高、磨削力大、能量损耗高、加工效率低等难点[5]。
硬质合金YG8高速磨削工艺试验研究
硬质合金是由高硬度的ＷＣ颗粒和相对韧性较好 的结合剂组成的复合材料，具有硬度高、耐磨、强度和 韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能Ｈ Ｊ，广泛用 于切削刀具、矿山钻头、模具等领域。２ Ｊ。同时硬质合 金的硬度高、脆性大，导致加工困难、成本高、表面质量 难以保证。硬质合金传统的机械加工方式采用普通磨 削，但表面和哑表面容易出现裂纹，影响工件的使用性 能一Ｊ。高速磨削是现代磨削技术的巅峰，对难加工材 料均有优异的磨削性能，如果在硬质合金加工中得到 应用，将有效地降低加工成本、降低有效消耗。
料，其缺点是脆性大。该材料的力学性能如表１所示。
试件尺寸为４０ ｍｉｎｘｌ６ ｍｉｘｌ０ ｍｒｒｌ。 表１材料性能参数
材料
显微硬度
ⅣＶ／ＧＰａ
弯曲强度
／ＭＰａ
冲击韧性 ／（ｋＪ／ｍ２）
弹性模壁 ／ＧＰａ
ＹＧ８
１４
ｌ ５００
４０
６００
１．２ 实验条件
机床：实验用机床为湖南大学自主研制的３１４ ｎｌ 超高速磨床。主轴转速为２０ ０００ ｒ／ｍｉｎ，主轴额定功 率为４０ ｋＷ，额定扭矩为７１．１ Ｎ·ｍ。
２．３表面形貌 ２．３．１砂轮线速度的影响
砂轮线速度对表面形貌的影响如图７所示，图中 工作台速度为０．６ ｍ／ｒａｉｎ，磨削深度为０．２ ｍｍ。图７ａ 是砂轮线速度为８０ ｍ／ｓ时的表面形貌，在这一条件 下，材料的去除是脆性去除与塑性去除混合的方式。 而图７ｂ中是砂轮线速度为１２０ ｍ／ｓ时的材料的表面 形貌，工件基本上是以塑性切除的方式，只有极少量的 脆性去除。图７ｃ是砂轮线速度为１６０ ｍ／ｓ的情况，材 料仍以塑性去除为主，但在箭头所示位置出现脆性剥 落，并导致表Ｉ直ｉ粗糙度值增大，这一现象与图４的结果 相对应。从动平衡仪控制面板可以看出在超高速条件 下机床振动的增大，且高速旋转砂轮周围的气流随着
光学玻璃磨削机理的仿真研究
工， 但研抛技术生产周期长 ， 产品成本高。近年来 ， 超
精 密磨削技 术 的进步 ， 得 磨削 表 面 的质 量 等 同甚 至 使 优 于研 抛 表 面¨２， 且 加 工 效 率 得 以 大 幅 度 提 高 。 Ｉ 并 Ｊ 因此 ， 研究 玻璃 等脆 性 材 料超 精 密 磨 削过 程 中的磨 削
ｗ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｆ ｍ ｈ ｓ ｅ ｔ ｆｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｅ ｓ ｅ ｓ ｅ ｓ ｒｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ａ ｄ ｇ ｉ ｄ ｎ ｏ ｃ ａｉ ， ｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ｒ ｔ ｅ ａ ｐ ｃｓ ｏ ｘｍｕ ｔｎ ｉ ｔ ｓ ，ｇ ｉ ｄ ｎ ｏ ｃ ｎ ｒ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｒ ｔ ｏ ｈ ｌ ｒ ｎ ｏ ｗ ｉｈ ｌｉ ｏ ｎ ａｉｎ ｆｒ ｐ ｏ ｅ ｓ ｐ ｒｍｅｅ ｓ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｐ ａ ｎ ｎ ｒ ｇ ｎ ｉ ｇ ｏ ｔ ａ ｈ ｃ ａｄ ａ ｆｕ ｄ ｔ ｏ ｒ ｃ ｓ ａ ａ ｔｒ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｒ ｃ ｓ ｌ ｎ ｉ ｇ ｆ ｒ ｄ ｎ ｐ ｉ ｌ ｏ ｍｉ ｏ ｏ ｉ ｃ
特性是很有必要的， 这将对脆性材料的超精密加工提 供一定的科学参考价值。 由于实际加工过程中的切削温度 、 应力 、 应变等的
测量 极其 困难 ， 单纯 依 靠 实验 很 难 对磨 削 机 理进 行 深
入的研究。计算机仿真方法能够揭示实验很难获得的 物理力学现象 ， 而为深入研究磨削机理奠定基础 。 从
工艺与检测 ｎｇ ｎ ０ｙ ｄ １ ａ ０
光学玻璃磨削机理 的仿真研究
沈琳燕 李蓓智 杨建 国
（ 东华 大学机械 工程 学院 ， 上海 ２ １２ ） ０６０ 摘 要： 采用有 限元仿 真分析 方法 ， 利用有 限元增 量理 论建 立 了玻璃 材料 的 弹塑 性本 构 关 系 ， 单颗 金 刚石 对 磨 粒的磨 削过 程进行 了仿真 ， 最后从 最大拉 应 力、 削 力 、 磨 磨削 力 比 ３个方 面对仿 真结果 进行 了分 析 研究， 为玻 璃磨 削加 工的工 艺参数优 化和 工艺规 划奠定 了基础 。
基于LS-DYNA的单颗磨粒切削加工有限元分析
ｐ
ｐ ＝
［ １＋（ ） 一 １一
］
度 和抗破 裂 性 ，因此选 用立 方氮 化硼 做刀 具更适 合加
工 需 要 。 磨 料 粒 度 影 响 磨 削 的 质 量 和 生 产 率 ， 粒 度 的
［ ・１ １ 一）
。＿ 南Ｔ／ １ 选 择 主 要 根 据 加 工 的 表 面 粗 糙 度 要 求 和 加 工 材 料 的力 ｓ ］ ， － ｋ －
刀具 选用 四面体 的立方 氮化 硼颗粒 ，其 具有 极高
的硬 度 、耐磨 性 、耐热 性 以及 相 当高 的韧性 和化 学稳
定 性 ， 因 此 在 切 削 过 程 中可 以 把 刀 具 视 为 刚 体 。 立 方 氮 化 硼 Ｃ Ｎ （ ｕ ｉ Ｂ ｒ ｉｉｅ 是 一 种 仅 次 于 金 Ｂ Ｃ ｂｃ ｏｏ Ｎ ｔｄ ） ｎ ｒ
对 于膨 胀 材料 ，则有 ：
Ｐ ＝Ｐ ｃ ＋ （ ０＋Ｏ ） 。 … … … … … … … （ ） ｏ ｙ ｌ Ｅ ２
其 中 ： 。为材 料 的初 始 密度 ； 为 泊 松 比； Ｐ ｃ为 材 料 常
数 ；ｌｓ、３ ｓ、２ｓ 和 ｏ是 Ｇ ｕ ｅ ｅ ｒｎ ｉ ｎ状 态 方 程 常 数 ； 是 ｙ ｓ ｏ
学性 能 ，一般 来说 ，粗 磨时选 用粗 粒度 ，精 磨时 选择
※ 国家 自然科 学 基 金 资 助 项 目 （ ０ ８ ０ ７ ５ ４ ５３ ） 收 稿 日期 ：２ １ ． ２ ０ ；修 回 １ ：２ １ — ３ ０ ０ ０ １ －３ ３期 ０ １０ — ３ 作 者 简介 ：常 延 晓 （１ ８ ． ， ， 南 郑 州 人 ， 读 硕 士 研 究生 ， ９４ ） 女 河 在 主要 从 事 齿 轮 精 整 加 工 方 面 的 研 究 。
磨削及磨削机理
1.砂轮寿命及其判据
砂轮两次修整之间的实际磨削时间称为砂轮寿命。判断砂轮寿命，一般 根据工作面磨损后所产生的现象目测判定。主要现象有：磨削过程出现 自激振动、工件表面出现再生振纹；磨削噪音增大；工件表面出现磨削 烧伤、磨削力急剧增大或减小；磨削精度下降；磨削表面粗糙度增大。 这些现象的产生主要是由于磨削温度过高使工件表面产生热损伤和由于 自激振动导致的粗糙度和精度下降。
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磨具特性的选择
一、磨具概述
磨具即指在加工工序中起磨削、研磨、抛光作用的工具。一般由磨料、 结合剂、气孔三大要素沟成，不过后又把浸渍剂列为第四要素，而超硬 磨具则把基体作为第四要素。其分类按磨料种类可分普通与超硬材料磨 具；按结合剂又分无机（陶瓷、菱苦土、硅酸钠结合剂磨具）、有机 （树脂和橡胶结合剂磨具）、金属结合剂；按磨料结合剂结合形式又可 分固结、涂附磨具及研磨膏。普通磨具的特征标记必须按顺包含下面8项 内容。例：PDT500*(10/16)*203-A/WA100L5V60m/s。依次序上例各数字 字母所代表含义为：
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修整砂轮的工具按修整器的几何形状和修整过程中运动形式可分两种： 静止型修整器和运动型修整器。普通的修整方法有三种：车削法、滚压 法和磨削法
我公司主要用金刚石笔的车削法修整和修整滚轮的磨削法。而对超硬磨 具的修整可分为整形和修锐：整形是对砂轮进行微量切削，使表面达到 所要求的几何形状；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的溶 屑空间，并行成切削刃。对于陶瓷结合剂的疏松型的超硬砂轮（如金刚 石、CBN砂轮），整形和修锐可在同一工序进行。
Ft-------切向磨削力。直接影响磨削时有效功率的消耗 Fa-------轴向磨削力。总磨削力在砂轮轴线方向分力。
磨削原理及砂轮使用(精)
（3）形成切屑
当磨粒的切削厚度增加到某一临界值时，磨粒前面的金属产生明显的剪切滑 移形成切屑。
四、磨削温度 1．磨削温度 由于磨削时单位磨削力比车削时大得多，切除金属体积相同时，磨 削所消耗的能量远远大于车削所消耗的能量。这些能量在磨削中将迅速转变 为热能，磨粒磨削点温度高达1法控制。
9、不要持续使用未经修整且表面已钝化的砂轮。 10、严禁强制磨削致使机床马达明显减速或使工件发烫。 11、严禁将砂轮用于与其设计不符的其他操作，如侧面磨削等。 12、严禁对砂轮施加外力使其被强制停止转动。
13、在砂轮停止转动前，请先将磨削液关闭，以免造成砂轮失去平衡。 14、修整砂轮后，必须保证在金刚笔复位后才能进行加工。 15、主要防止扳手等异物混入工作区域
（1）滑擦阶段
磨粒刚开始与工件接触时，由于切削厚度非常小，磨粒只是在工件上滑擦， 砂轮和工件接触面上只有弹性变形和由摩擦产生的热量。
（2）Байду номын сангаас犁阶段
随着切削厚度逐渐加大，被磨工件表面开始产生塑性变形，磨粒逐渐切入 工件表层材料中。表层材料被挤向磨粒的前方和两侧，工件表面出现沟痕，沟 痕两侧产生隆起，如图2-45中N—N截形图所示。此阶段磨粒对工件的挤压摩擦 剧烈，产生的热量大大增加。
工件硬度较高时应选用较软的砂轮；工件硬度较低时，应选用较 硬 的砂轮；砂轮与工件接触面较大时，选用较软砂轮；磨薄壁件及导 热性差的工件时选用较软的砂轮；精磨和成形磨时，应选用较硬的砂 轮；砂轮粒度号大时，应选用较软的砂轮。
三、磨削过程
磨削时砂轮表面上有许多磨粒参与磨削工作，每个磨粒都 可以看做是一把微小的刀具。磨粒的形状很不规则，其尖点的 顶锥角大多为90°~120°。磨粒上刃尖的钝圆半径大约在几微 米至几十微米之间，磨粒磨损后值还将增大。由于磨粒以较大 的负前角和钝圆半径对工件进行切削，磨粒接触工件的初期不 会切下切屑，只有在磨粒的切削厚度增大到某一临界值后才开 始切下切屑。磨削过程中磨粒对工件的作用包括滑擦、耕犁和 形成切屑三个阶段.
改装外圆磨床适应高速作业的研究
度 。 改装 外 圆 磨床 ， 我 国 大 部 分 七 十 年 代 末 生 产 使 的现 正在 使 用 的 磨 床 提 速 作 业 ， 加 效 益 。 本 文提 增 出 了 改装 措 施 ， 外 圆磨 床提 速 改 造 具 有 实 际 指 导 对 意义 ， 并对 如 何 选 择 高 速 磨 削 时 的 砂 轮 ， 出 了理 提
度 的 同 时 ， 持 单颗 磨 粒 的 切 屑厚 度 不变 ， 以提 高 保 可
而 且 可 以 通 过 止 动 螺钉 的球 面 自动 调 整 。 改 装 磨 床 时 ， 采 用 高 刚 性 液 体 动 静 压 轴 承 ， 结 构 简 单 制 造 可 其
容 易 ， 经 济 合理 的 情 况 下 ， 油 膜 刚 度 大 大 提 高 。 在 使 众 所 周 知 在 以 往 的 静 压 轴 承 设 计 中， 是 把 主 轴 看 总
砂轮的切屑深度或 Ｔ件速 度， 因而 能 够 显 著 提 高 磨 削率 。 南于 磨 削 力减 少 同 时使 工 艺 系 统 弹 性 变 形 减 小 ， 可提 高磨 削 精 度 ， 屑 厚 度 变 薄 ， 小 了磨 削 故 切 减 表 面 微 观 不 平 度 ， 磨 削 表 面 的 粗 糙 度参 数 值 减 小 ， 使 圆度 稍 有 提 高 。在 我 围一 些 中小 型 工 厂 还 有 大 量 七
准 检查 是 否符 合 精 度 和 刚 度 标 准 的 要 求 。 分 析 表
关键 词 外圆磨床 作业研究 高速磨削 文 献标 识码 Ａ
高 速 磨 削 通 常 是 指 砂 轮 圆 周 速 度 （ ） 于 高
４ ｍ ｓ 一 种磨 削 工 艺 。 国 外 技 术 发 达 国家 六 十 年 ５／的
基于DEFORM-3D单颗磨粒切削仿真与研究
基于DEFORM-3D单颗磨粒切削仿真与研究刘晓初;陈凡;赵传;何铨鹏【摘要】建立了单颗磨粒几何模型,运用DEFORM-3D有限元软件模拟AI203磨粒与45钢不同相对位置(旋转角度)时磨削力、等效应力、等效应变与磨削温度的变化规律,仿真结果表明:随着磨粒旋转角度的增大,法向磨削力和切向磨削力都增大,其比值约为(1～1.3),磨削温度先增大后减小,磨粒旋转角度越小,越易形成切屑,等效应力最大位置是磨粒耕犁作用产生的堆积材料挤压周围材料的那部分区域,而等效应变的最大位置是磨粒前刀面与工件接触的区域.单颗磨粒切削仿真为磨削加工之前磨削力与磨削温度的预测提供理论依据,也为砂轮的制备提供了参考.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)010【总页数】5页(P69-73)【关键词】DEFORM-3D;单颗磨粒;磨削力;磨削温度;旋转角度【作者】刘晓初;陈凡;赵传;何铨鹏【作者单位】广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;金属材料强化研磨高性能加工重点实验室,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TH16磨削过程实际上就是磨具表面大量排列参差不齐、分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程［1］，由于磨粒的切入深度不同，因此磨削过程包括滑擦、耕犁和切削三个阶段。
磨削力与磨削温度是砂轮磨削加工中两个重要的参数。
磨削力产生于滑擦、耕犁和切削三个阶段，而每个阶段对磨削力的影响主要取决于磨料、工件材料、磨削液、化学反应及磨刃形状［2］。
磨削温度主要来自于磨粒与工件的耕犁和切削作用，而磨削力，磨削温度与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、比磨削能等均有直接的关系。
精密和超精密磨削机理
精密和超精密磨削机理摘要阐述了精密磨削与超精密磨削的机制，介绍了近年来精密与精密磨床的发展概况以及精密与超精密磨削技术的研究现状。
在分析了精密磨削与超精密磨削的发展趋势基础上提出了研究应关注的几个热点问题，如超精密磨削的基本理论和工艺研究、研制高精度的驱动导向机构、ELID 镜面磨削技术的攻关以及适用于超精密加工的新型材料。
关键词超精密磨削原理发展精密加工是指在一定发展时期中，加工精度和表面质量相对于一般加工能够达到较高程度的加工工艺，当前是指被加工零件的加工尺寸精度为1~0.1μm、Ra为0.2~0.01μm的加工技术；超精密加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺，当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm、Ra≤0.025μm的加工技术。
因此，一般加工、精密加工和超精密加工会随着科技的不断发展像更精密的方向发展。
随着电子技术、计算机技术以及航天技术的飞速发展，对加工质量的要求越来越高，故而使精密和超精密加工占有十分重要的地位。
一超精密磨削技术的内涵精密磨削主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚石修整工具以极小而又均匀的微进给(10~15μm/ min）获得众多的等高微刃，加工表面磨削痕迹微细，最后采用无火花光磨。
由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要求。
高精密磨削的切屑很薄，砂轮磨粒承受很高的应力，磨粒表面受高温、高压作用，一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮磨削。
高精密磨削除有微切削作用外，还可能有塑性流动和弹性破坏等作用。
光磨时的微切削、滑移和摩擦等综合作用更强。
超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法。
超精密磨削去除量最薄，采用较小修整导程和吃刀量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等高微刃磨削作用，并采用较小的磨削用量磨削。
超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的工作环境。
超精密磨削的光磨微细摩擦作用带有一定的研抛作用性质。
3.6 磨削过程及磨削机理
3.6 磨削过程及磨削机理
一、磨削过程及切屑形成机理
磨粒微小切削刃不规则，磨削过程复杂磨粒形状、大小各异，一般
都有钝圆半径，磨粒以较大
的负前角进行切削。
切削刃排列不规则，随机
分布状态。
磨削过程大致分为三个阶段：1.滑擦阶段
工件表层产生弹
性变形和热应力
2.刻划阶段
产生塑性变形沟痕
隆起现象和热应力
3.切削阶段
切削厚度、切应力
和温度达一定值，
材料明显滑移形成切屑。
二、磨削加工的特点
1.磨削过程复杂，单位磨削力很大
磨粒形状及分布不合理，切削厚度小，挤压摩擦严重，单位能耗大。
2.切深抗力大
磨粒负前角，
F p /F
c
＝2～3,
系统弹性变形，最后进行几次光磨。
3.磨削速度高、磨削温度高
35～50 m/s, 挤压摩擦严重，单位能耗大，砂轮导热性差,瞬时高温可达800～1000℃，要用切削液。
4.砂轮有自锐性
部分地恢复砂轮的切削能力，仍需对砂轮进行修整。
5.可加工高硬度材料
除加工一般材料外，可加工淬硬钢、耐热钢、硬质合金等，但不宜精加工韧性较大的有色金属。
6.加工工艺范围广泛
可加工外圆面、内孔、平面、螺纹、齿形等成形面，不仅用于精加工，也可用于粗加工、毛坯去皮加工。
基于SPH法的钢轨打磨单颗磨粒磨削仿真
基于SPH法的钢轨打磨单颗磨粒磨削仿真商维;王文健;郭俊;刘启跃【摘要】为研究钢轨打磨过程中材料的去除机理,采用光滑粒子流体动力学(SPH)的方法,仿真模拟钢轨打磨过程中单颗磨粒的切削过程,分析单颗磨粒几何形状、切削深度、负前角对打磨磨削过程中切削力、切削力比的变化规律及工件材料应力、变形情况的影响.结果表明:由于单颗磨粒的推挤作用,工件材料流动后形成毛刺和磨屑,而棱锥形磨粒可以获得较好的磨削加工表面;切削力随磨粒切削深度的增加而增大;磨粒负前角增大时,切削力和切削力比都随之增大,且负前角越大磨屑呈越明显的锯齿状.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】7页(P54-59,64)【关键词】钢轨打磨;SPH法;磨粒几何形状;负前角;切削深度【作者】商维;王文健;郭俊;刘启跃【作者单位】西南交通大学,牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都610031;西南交通大学,牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都610031;西南交通大学,牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都610031;西南交通大学,牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都610031【正文语种】中文【中图分类】U216;TG58由于车轮与钢轨之间剧烈的相互作用，钢轨表面容易出现各种损伤，如波浪型磨耗、轨面擦伤、轨面剥离、轨侧严重磨损、裂纹以及轨头压溃等[1]。
钢轨打磨技术可以有效地控制和改善钢轨表面状况，延长钢轨的使用寿命[2]。
针对钢轨打磨技术，国内外取得了一定的研究成果。
智少丹等[3]建立了磨粒与钢轨接触的几何模型和受力模型，分析了磨粒切削深度与打磨功率的关系，证明了基于磨粒模型预测打磨砂轮性能的可行性。
张青等[4]建立了钢轨打磨三维热弹性有限元模型，分析了不同车速、不同砂轮转速及不同数量打磨磨头对钢轨表面温度的影响。
KANEMATSU等[5]分析了不同磨石对钢轨打磨效率的影响，得到比现有磨石打磨性能更好的七种磨石。
磨削原理
树脂 有机类 橡胶
切削速度可达45m/s，多用于高速磨 削、切断和开槽。可磨薄壁工件、硬 质合金等 多用于制造无心磨床的导轮和切断、 开槽及抛光砂轮。不宜用于粗加工
9
2.8.1砂轮的特性和选择
决定砂轮特性的要素：磨料、粒度、结合剂、硬 度、组织及尺寸形状 硬度：磨粒与结合剂的粘结强度。砂轮硬，磨粒不易
30
2.8.5磨削热与磨削温度
磨削热的产生：划擦阶段、刻划阶段、切削阶段消
耗的能量绝大部分转换为热量产生磨削热
磨削温度的概念：
一定要把磨削区温度、 磨粒磨削点温度和工件 平均温度三者的含义区 分清楚
砂轮磨削区温度和磨粒磨削点温度图
31
2.8.5磨削热与磨削温度
影响磨削温度的因素：
砂轮速度
2－9
13
2.8.1砂轮的特性和选择
常 见 砂 轮 形 状 、 代 号 及 其 用 途
14
2.8.2磨削运动及磨削用量
常用的磨削方法：
外圆磨削
平面磨削 内圆磨削 成型磨削 无心外圆磨削
15
2.8.2 磨削运动及磨削用量
各 种 磨 削 加 工
16
2.8.2磨削运动及磨削用量
17
2.8.2磨削运动及磨削用量 磨削的主运动：砂轮的旋转运动v c
磨削表面层的机械物理性能：
表面烧伤 表面残余应力 磨削裂纹
35
2.8.6磨削表面质量
改善磨削表面层的机械物理性变化的途径 ：
轮的接触面积；根据磨削要求合理选择砂轮的粒度； 经常保持砂轮在锋利条件下磨削，并选择适宜的润滑 性能较好的切削液，以减小磨粒与工件间摩擦等。
减小径向进给量fr；选取较软的砂轮；减少工件和砂 减少磨削热：
精密金刚石砂轮的制造_修整及其磨削机理研究进展
图 4 在线电解修整工作原理示意图[17] F ig. 4 Sketch of EL ID op era ting p rincip le
32
候, 产生电解, 把多余的金属腐蚀掉, 从而达到金刚石 磨粒出刃的目的。学者们在EL ID 过程中主要研究砂 轮表面氧化层的形成、氧化层结构与砂轮表面状况以 及砂轮磨削性能和工件加工质量之间的关系。
第 20 卷 第 4 期 超 硬 材 料 工 程
2008 年 8 月
SU PERHA RD M A T ER IAL EN G IN EER IN G
V o l. 20 A ug. 2008
精密金刚石砂轮的制造、修整及其磨削机理研究进展①
单颗磨粒磨削成屑机理的分子动力学模拟
０ 引 言
工 程 陶瓷 、 单 晶硅 、 光 学 玻璃 等 硬 脆 材料 已在 航 空航天、 汽车、 能源装备 、 模 具 和通 用 机 械 等 高 新 领 域 获得 日益 广泛 的应 用 ， 由于 其 “ 硬脆 ” 性质 ， 使用 超 硬 磨 料在 高 速或 超 高速 条件 下 对硬 脆 材料 进 行磨 削 加 工几 乎成 为 唯 一 的加 工 手 段 … ， 磨 削 加 工 的 费 用
文章 编 号 ： １ ０ ０ １— ２ ２ ６ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０— ０ ０ １ ４— ０ ６
单颗 磨粒磨削成 屑机理的分子动力学模拟 术
李大虎 ， 李蓓 智
（ 东 华大 学 机械 工 程学 院 ， 上 海 ２ ０ １ ６ ２ ０ ） 摘要 ： 运 用分子 动 力学仿 真软件 ， 模拟 了单颗金 刚石 磨粒在 不 同工艺 参数 下磨 削碳 化硅 工件 的过 程 ， 并根 据仿 真 结果 ， 用位错 理论 对磨 削过 程 成 屑机 理 进 行 了解 释 ， 包括 砂 轮 速度 ， 工件 速 度 ， 磨 削 深度 对 成屑过 程 带来影 响 的机 制 ， 以及 延 性域 磨 削的 可行 性 。对 于进 一 步研 究 高速磨 削机 理 打 下基 础 ， 对 指导优 化 工艺参数 具 有理论 指 导意 义。 关 键词 ： 单颗 磨粒磨 削 ； 成屑机 理 ； 位错 理论 ； 分子 动 力学
等参数对成屑过程产 生影 响的物理 机制。对进 一步理 解高速磨削的机理和优化工程实验有一定的指导意义 。
１ 仿 真 实验
１ ． １ 模 型的 几何基 础 切 屑形 状 的统 计 平 均 假 设 在 磨 削 过 程 中 ， 参 与 材 料去 除 的磨粒数 量 庞 大 ， 由于每 个 磨粒 高 低 不 同 ， 划 过材 料表 面 时深 浅 不 一 ， 因 此 实 际 过 程 中带 走 的 材 料体 积也 不一样 ， 同时， 陶瓷 材 料 的硬 脆性 使 得 去 除过程 类似 “ 崩碎” ， 每个 磨 粒 切下 的材 料 形 状 随 机 性很大， 导致 单 独看 每个 磨 粒 的磨 削 力 随机 性 很 大 ， 这两 点随机 性就 阻碍 我 们 通过 宏 观 数据 来 分 析微 观 机理 ， 为研究带来麻烦 ， 而事实上 ， 磨 削 过 程 中 的各
磨削机理与磨削几何参数
（5）副切削刃S′ 前刀面与副后刀面汇交的边缘称为副切削刃。它承担少 量的切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已 加工表面。
（6）刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位，或者是主、副切削刃的交点。 大多数刀具在刀尖处磨成 一小段直线刃或圆弧刃，也有一些刀具主、 副切削刃直接相交，形成尖刀尖。
（圆锥或角锥）
球形 尖端球形的圆锥 尖端平面的圆锥
切削刃的形状可直接用显微镜或电子显微镜进行观测，也可以
利用表面轮廓仪描绘尖端的形状；或者间接地测定被磨表面上
的磨削条痕，然后根据磨粒引起的水平分力值进行推定，以获
得切削刃的形状
磨削机理与磨削机和参数
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二、磨粒切刃的分布
ω
a
平均切刃间隔ω和连续切刃间隔a
⑥副后角αO’ 副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面之 间的夹角称为副后角。
⑦楔角βO 正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角称为楔角 βO=90o-（γO +αO）
⑧刀尖角εr 基面中测量的主、副切削刃之间的夹角称为刀尖 角。
ε r =180o－（κr+κr‘）
切削运动 了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运 动。切削运动分为主运动和进给运动。
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磨削加工方法分类
磨削加工-无心磨 Centerless-Grinding Operations
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磨削加工方法分类
磨削加工
Process Surface
Cylindrical
Characteristics Flat surfaces on most materials; production rate depends on table size and automation; labor skill depends on part; production rate is high on vertical-spindle rotary-table type. Round workpieces with stepped diameters; low production rate unless automated; labor skill depends on part shape.
基于ABAQUS的磨粒磨削过程切屑形成仿真
基于ABAQUS的磨粒磨削过程切屑形成仿真
巨孔亮
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2022(42)6
【摘要】磨削过程的本质是磨具表面大量磨粒在工件表面完成切削作用的集成。
由于磨粒切削深度较小,难以通过实验观察和分析磨削过程,而通过有限元仿真能够对理想条件下的单颗磨粒切削过程进行模拟实验,并方便分析磨粒切削工件过程中的切屑形成过程。
论文基于ABAQUS仿真软件建立正交切削有限元模型,对刀具前角、切削深度、切削速度和摩擦系数等参数与切屑形状、切屑形成断裂机理的关系进行仿真分析。
结果表明:正前角易形成连续的带状切屑,负前角易产生不连续的切屑;随着切削深度、切削速度的增加或摩擦系数的减小,切屑呈不连续的趋势。
【总页数】5页(P87-91)
【作者】巨孔亮
【作者单位】西安工程大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117
【相关文献】
1.基于单颗磨粒切削的钛合金磨削过程仿真研究
2.负前角磨粒磨削过程磨屑形成的有限元仿真分析
3.基于ABAQUS的工程陶瓷单颗磨粒磨削仿真
4.基于ABAQUS
单颗磨粒磨削螺旋锥齿轮有限元分析5.基于Abaqus的砂带磨削单磨粒建模与仿真
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外圆磨削的方法
外圆磨削的方法:(1)纵向磨削法纵向磨削法是最常用的磨削方法，磨削时，工作台作纵向往复进给，砂轮作周期性横向进给，工件的磨削余量要在多次往复行程中磨去。
纵向磨削法(简称纵向法)的特点：1)在砂轮整个宽度上，磨粒的工作情况不一样，砂轮左端面(或右端面)尖角负担主要的切削作用，工件部分磨削余量均由砂轮尖角处的磨粒切除，而砂轮宽度上绝大部分磨粒担负减少工件表面粗糙度值的作用。
纵向磨削法磨削力小，散热条件好，可获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值。
2)劳动生产率低。
3)磨削力较小，适用于细长、精密或薄壁工件的磨削。
(2)切入磨削法切入磨削法又称横向磨削法。
被磨削工件外圆长度应小于砂轮宽度，磨削时砂轮作连续或间断横向进给运动，直到磨去全部余量为止。
砂轮磨削时无纵向进给运动。
粗磨时可用较高的切入速度;精磨时切入速度则较低，以防止工件烧伤和发热变形。
切入磨削法(简称切入法)的特点：1)整个砂轮宽度上磨粒的工作情况相同，充分发挥所有磨粒的磨削作用同时，由于采用连续的横向进给，缩短磨削的基本时间，故有很高的生产效率。
2)径向磨削力较大，工件容易产生弯曲变形，一般不适宜磨削较细的工件。
3)磨削时产生较大的磨削热，工件容易烧伤和发热变形。
4)砂轮表面的形态(修整痕迹)会复制到工件表面，影响工件表面粗糙度。
为了消除以上缺陷，可在切入法终了时，作微小的纵向移动。
5)切入法因受砂轮宽度的限制，只适用于磨削长度较短的外圆表面。
(3)分段磨削法分段磨削法又称综合磨削法。
它是切入法与纵向法的综合应用，即先用切入法将工件分段进行粗磨，留0.03——0.04mm余量，最后用纵向法精磨至尺寸。
这种磨削方法即利用了切入法生产效率高的优点，又有纵向法加工精度高的优点。
分段磨削时，相邻两段间应有5——10mm的重叠。
这种磨削方法适合于磨削余量和刚性较好的工件，且工件的长度也要适当。
考虑到磨削效率，应采用较宽的砂轮，以减小分段数。
当加工表面的长度约为砂轮宽度的2——3倍时为最佳状态。
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［］ ３ 卢宏琴． 基于旋量理论 的机器人运动学 和动力学研究及其应用［ ． Ｄ］ 南 京： 南京航空航天大学出版社 ，０ ７ １— ７ ２ ０ ：６ １．
［］ ４ 霍伟 ． 机器人 动力学与控 制［ Ｅ ： Ｍ］ 京 高等教育 出版社 ，０ ５ １３ ２０ ： — ２
１ ５ ９．
这种方法绕过了运算量极大的运动学逆解 的求解 ， 在实时控制机
北 京 ： 械 工业 出版 社 ，９ ８ 机 １９ ．
参考文献
ｔ Ｒ ｂ ｔ ｎ ｕ ｔ ｎＭ］ Ｒ ｅ ，９ ４ ８－ ３ ． ｏ ｏｏ ｃ ｉ ｌ ｉ ［ ． Ｃ ｒ ｓ １９ ：１ １８ ｉＭａ ｐ ａ ｏ Ｃ ｐｓ
［ ］ ｉ ａ Ｍ ｕｒ ， ｘ ｎ Ｌ， ｈ ｎ ａＳｓ ｙ Ｍ ｔ ｍ ｔ ａ ｎ 】 ｃ ０ ［ ］ 卫忠 ， ， １ Ｒｃ ｒ ． ｒ ｙ ｅｉ ｇ ｉ Ｓ ａ ｋｒａｔ ． ａ ｅ ａｃｌ ｔ ｄ ｔ ｎ ｈｄ Ｍ ａＺ ａ Ｓ ｒＡ ｈ ｉ Ｉ ｕ ｉ ｎ ７王 赵杰 吕常青 ， 蔡鹤皋． 基于旋量和臂形标志的机器人运 动学 逆解计算 Ｅ ． Ｊ 机械与电子 ， ０ （ ） ３ ５ ． ］ ２ ６４ ： —６ ０ ５
★来稿 １ ： １— ９ １ 女基金项 目： ３ ２ ００—５ 期 ０ 国家 ９ ３ ７ 计划项 目资助（０ ９ Ｂ ２ ４ ３ ， ２０ Ｃ ７ ４ ０ ） 上海市重点学科建设项 目资助（ ６ ２ Ｂ０ ）
５ 结论
研究构造 的六 自由度机械手运动控制系统 ，运用 了旋量理 论 ，通过 目 标点 的笛卡尔坐标成功地得 到了各关节 的运行速度 。
基于 大型切削仿真软件 Ｄ Ｆ Ｒ ３ 以钛合 金为加工对 Ｅ Ｏ Ｍ一Ｄ，
加工技术 ， 得到了国内外广大专家学者的广泛兴趣。目前国内外有
对高速外圆磨削时的单颗磨粒作用机理进行 了研究 ， 探索了磨 关高速 、 超高速磨削机理的研究多见于平面磨削 ， 对于高速外圆 象 ，
热与力的生成规律及其耦合作用。 磨削机理 、高速磨削力热耦合效应及其工艺参数优化控制等的研 屑形成过程 、
中心轴上 的结点在 Ｘ、 Ｙ和 Ｚ方 向设定其速度为 ０ ， 砂轮工作表面是 由许多微小而不规则 的磨粒通过结合剂 固 为对称平面 ， 工件 圆弧面 １以及面 ３ 和其对称面 ５ 设定为热交换面。 结而成的 ， 为了考察高速磨 削时， 砂轮及其磨粒对工件 的作用机 理 以及磨屑形成过程 ， 以单颗磨粒为对象 ， 构建 了外 圆磨 削仿 真
模型。
２１几何 、 动及工艺 模型 的构建 ． 运
外圆磨削仿真模型包括几何模 型 、 运动模 型以及工艺模型 ，
其中 ：
几何模型 ： 在理论和仿 真研究中， 通常将磨粒简化为圆锥体 、 四棱锥体等形状 ， 研究 中假设磨粒 为圆锥体 ， 顶锥角为 １ ６ ， ０ 。高
Ｚ ＨＯＵ Ｚ ｅ — ｉ Ｌ ｅ－ ｈ ， ｈ ｎ ｘｎ， ＩＢ ｉｚ ｉＹＡＮＧ Ｊａ － ｕ ， ＨＵ Ｄ — ｕ ｉｎ ｇ ｏ Ｚ ａ ｈ
（ ｏｌｇ ｆ ｃ ａ ｉａ Ｅ ｇｎｅｉｇＤ ｎ ｈ ａＵ ｉｅｓｙ Ｓ ａ ｇ ａ ２ ２ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｅｏ ｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒ ， ｏ ｇ ｕ ｎｖｒｉ ，ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ Ｃ ｉａ ｅ Ｍｅ ｎ ｔ １ ６
中图分 类号 ： Ｈ１ ， Ｇ ８ ．＋ 文献标 识码 ： Ｔ ６ Ｔ ５ ０１ １ Ａ
１ 引言
一
究较为少见。另外 ， 由于实验条件限制 ， 许多研究在试验对象和试
高速磨削实验研究成本很高 ）研究成 ， 磨削加工是一种精密加工手段 ， 通常作为机械加工中的最后 验次数方面受到很大约束（ 道工序Ｉ ． － 。高速 、 超高速磨削作为最近几年发展起来的先进制造 果具有很大的局限性。
［］ ２ 钱东海 ， 王新峰 ， ， 赵伟 崔泽． 基于旋量理论和 Ｐ ｄｎ Ｋ ｈ ｎ 问题的 ［ Ａｎｓ ｍ ｅｔ， ｉ ｇｏｐｆｒ ｕａｉｎｏ ｉｅ ｔ ｓ ｎ ｙａ ｃ ａ ｅ— ａａ 子 ８ ｉｈＫＭａ ｐ ｔ Ａ Ｌｅ ｒｕ ｍ ｌｔ ｆ ｎｍａｉ ｄＤ ｎｍｉ Ｊ ａ ｏ ｏ Ｋ ｃａ ｓ ６自由度机器人逆解算法［］ Ｊ． 机械工程学报 ，０ ９４ ）７ — ４ ２ ０ （５ ：３ ７ ．
器人的应用中能够有效地提高机器 的实时眭能 ， 对现实中的机器
人控制器 的实现具有实际意义。
［］ ５ 熊有伦 ， 尹周平 ， 熊蔡华 ， 机器 人操作 ［ ． ： 等． Ｍ］ 湖北 科学技术 ｎ版社 ， ｊ
２ ０ ． ０ ２
［］ ６ 理查德 ・ 摩雷 ， 李泽湘， 厦恩卡 ・ 萨思特里． 机器人操作的数学导论 ［ ． Ｍ］
周振新 李蓓智 杨建国 朱大虎
（ 东华大学 机械工 程学院 ， 上海 ２ １２ ） ０６ ０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｐ ｆ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｙ ｉ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｃ ｌ ｄｒ ａ ｉｄｎ ｔ ｓｎ ｌ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｉ ｏ ｍａ ｉ ｈ ｏｒ ｈ ｇ － ｐ ｅ ｙｉ ｉ ｌ ｎ ｉｇ ｗｉ ｉｇ ｅ ｇ ｉ ｃ ｏ ｎ ｎ ｃ ｇｒ ｈ ｔ
机 械 设 计 与 制 造
ｌ８ ３ 文 章 编 号 ：０ １３ ９ （０ ）７ ０ ３ —０ １
Ｍａ ｈ ｎｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｓｇ
＆
Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃｕ ｅ
第 ７期 ２ １ 年 ７月 ０１
基 于单颗 的 高速 外 圆磨 削成屑机理研 究 磨粒
ｏｓｒ ｌ ｎｐ ｌ ｉ ｓＪ．ｏｒｅ ｒｊｅ ｐ ￣ ２ ０ ：－ ． ｆｅｉ ｉｕａ ｏ ［Ｊ ｕｓ ｏｅｔ ｏ ，０ ６ １５ ａＭａ ｔ ｎ Ｃ Ｐ Ｒｅ
第 ７期
周振新等 ： 于单颗磨粒的高速外圆磨削成屑机理研 究 基
１９ ３
２高速外圆磨 削仿真模型及基本操作
的物理变化 进行边界条件设置 ， 如图 ２ 所示 ， 面 ２和面 ４设定 将