单颗金刚石磨粒磨削玻璃的磨削力研究

单颗金刚石磨粒磨削玻璃的磨削力研究黄　辉　林思煌　徐西鹏华侨大学,厦门,361021摘要:选取三种典型形状的金刚石磨粒对玻璃进行了单颗磨粒磨削实验,测量了磨削力,分析了磨削参数及磨粒切入锥角对磨削力的影响。

结果表明:磨削力曲线不沿磨痕呈对称分布,法向力出现明显波动;顺磨与逆磨对磨削力没有明显影响。

磨削力随着磨削深度的增大而增大,随磨削速度的减小而增大;随着磨粒切入锥角的增大,磨削力明显增大。

相同切削速度下,磨削力与相应磨粒的侧面耕犁面积呈良好的线性关系。

不同磨粒的法向力与切向力有着良好的线性关系。

关键词:单颗磨粒;磨削;玻璃;磨削力中图分类号:T G506 文章编号:1004—132X (2010)11—1278—05Study on G rinding Forces for G lass G rinding with Single Diamond G ritHuang Hui Lin Sihuang Xu Xipeng Huaqiao University ,Xiamen ,Fujian ,361021Abstract :The grinding forces were measured in brittle grinding of glass wit h t hree typical shape diamond grit s.The influences of grinding parameters and cutting angle of grit s on t he grinding forces were discussed.The experiment result s show t hat t he force signal curves are not symmet ric dist ribu 2tion wit h scratching p rofile.There are o bvious o scillatio ns on t he curves of normal force signals.The value and curve shape of grinding forces of t he down -grinding are as same as t ho se of t he up -grind 2ing.Grinding forces increase wit h grinding dept h ,but decrease wit h t he grinding velocity.The grind 2ing forces obviously increase wit h t he cutting angle of grit s.Wit h t he same cutting velocity ,t he grinding forces have good linear relationship wit h plowed surface area.There is a very good linear re 2lationship between t he normal forces and tangential forces for different grit s.K ey w ords :single -grit ;grinding ;glass ;grinding force收稿日期:2009—09—22基金项目:国家自然科学基金资助项目(50825505,50975099);福建省自然科学基金资助项目(E0810020);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET -08-0610);福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划资助项目(07FJ RC04)0　引言磨削加工是利用磨料去除材料的一种加工方法。

随着工程陶瓷、光学玻璃、光电晶体等硬脆性材料的出现及广泛应用,这种用磨粒去除材料的加工方法得到了越来越广泛的应用。

但是与其广泛应用相比,加工过程中磨粒与脆性材料之间的相互作用以及由此导致的力、热、能量、摩擦等机制都还没有被全部解释清楚[1Ο2]。

普通磨削利用大量随机磨粒去除工件材料,从而获得所需要的表面,其本质是磨粒与工件材料之间的相互作用。

相对于普通磨削实验而言,单颗磨粒磨削可以在相似的磨削过程中不受其他磨粒及切屑的影响,因此,利用单颗磨粒磨削来认识复杂的磨削过程是一种很重要的手段。

事实上,单颗磨粒磨削方法在金属材料的磨削机理研究中已经得到了广泛的应用,并取得了许多有意义的结果[3Ο4]。

一些学者们利用单颗磨粒磨削的方法进行了脆性材料加工机理的研究,但他们的研究重点大多集中于磨粒以微量切深去除脆性材料时,脆性材料产生的塑性变形及其相关机理[5Ο7]。

对于磨粒以脆性方式去除脆性材料的研究,则并不多见[8]。

本文利用钎焊金刚石磨粒对玻璃进行了单颗磨粒脆性磨削实验,测量了磨削时的法向力和切向力,分析了磨粒形状、磨削参数对磨削力的影响规律,磨削力与耕犁面积以及磨削力比值的变化规律。

1　实验条件及方法为了模拟真实的磨削加工,实验在精密平面磨床MSG -250HMD 上进行,实验装置见图1。

实验时,基体以一定的速度旋转实现单颗磨粒的磨削,工作台带动工件做纵向运动。

通过调整工件台的进给速度,保证工件表面所留下的每道磨痕不产生相互干涉。

利用Hirox 视频系统对所得到的磨痕进行观察,测量磨痕的长度l c 。

所选用的金刚石磨粒为ISD1650,粒度为30/35,粒径为0150～0159mm ,利用真空钎焊将金刚石磨粒固接在夹具表面,夹具高度为10mm 。

钎焊后的磨粒被固定在直径为100mm 的铝盘基体上(图1)。

保证焊接后磨粒的出刃高度超过粒・8721・图1　单颗磨粒磨削实验装置示意图径的2/3。

在早期单颗磨粒磨削研究中,所用的金刚石磨粒为具有固定角度的圆锥体磨粒[5,8]。

但在实际的加工过程中,磨粒并不是理想的圆锥体,更多是一些棱锥体,各种棱锥以不同角度切入工件。

通过对钎焊后的磨粒进行观察,选取三种典型形状的磨粒(图2)进行实验。

通过选取磨粒端面的不同角度,从而获得不同磨削锥角θ的磨削结果。

(a )1号磨粒,锥角60°(b )2号磨粒,锥角90°(c )3号磨粒,锥角120°图2　三种典型形状的金刚石磨粒玻璃作为一种典型的脆性材料,在许多脆性材料机理的研究中被选做工件材料,本实验所用的工件材料为普通玻璃。

工件尺寸为60mm ×60mm ×4mm ,密度为215kg/cm 3,抗压强度为890M Pa ,抗弯强度为50M Pa ,弹性模量为70GPa ,化学成分为Na 2O ・CaO ・6SiO 2。

实验中采用K istler 9257BA 压电晶体测力仪测量单颗磨粒的磨削力,通过Dewe -2010动态信号分析仪对磨削力信号进行采集,采样频率为100k Hz 。

利用石蜡将玻璃固定于测力仪表面,测量过程中,保证玻璃表面的不平度远小于磨削深度。

磨削时不添加冷却液。

实验过程中固定进给速度v f 为014m/s ,磨削深度与磨削速度见表1。

实验中,对于每组加工参数组合各完成一次顺磨及逆磨。

由于工件长度相同,因此随着切削速度的不同,每次磨削在工件表面留下5～15道的磨痕。

在磨削加工过程中,跟踪观察磨粒,要求磨粒在所有参数的实验中基本保持相同的形状,不能发生破碎及大量磨损。

表1　磨削工艺参数表切削深度a p (μm )15,20,25,30,35,40,45,50切削速度v s (m/s )6,9,12,152　磨削力的信号分析图3是3号磨粒在磨削过程中所获得的一个典型的金刚石磨粒磨削玻璃的力的信号图。

从图3可以看出磨粒在一次磨削玻璃过程中,法向力为驼峰形,即先单调上升达到最大值,再单调减小。

相比于法向力而言,切向力在经过开始的单调上升后,突然开始减小,随后产生了连续的波动变化。

这种波动的力信号在本实验的所有切向力信号曲线中均有出现,但是随着切深的不同,其波动的程度略有不同。

文献[8]指出,单颗磨粒磨削力信号的波动是材料去除过程中的随机破碎所致。

文献[8]在专门设计的装置上测量了单颗磨粒划擦玻璃的力的信号曲线。

与文献[8]相比,本文实验虽然受到测力仪采样频率的限制,使得两个实验中的力信号曲线略有不同,但两种方法所得到的力的幅值大致相同。

图3实验中的最大法向力为3614N ,最大切向力为416N 。

后续数据分析中分别取磨削法向力及切向力的最大值进行分析。

(a )切向力(b )法向力图3　典型的磨削信号曲线图(3号磨粒,a p =50μm ,v s =6m/s )另一个值得注意的是,与文献[3Ο4]所提供的单颗磨粒磨削纯金属的力信号沿磨痕呈对称分布不同,单颗磨粒磨削玻璃的力信号并不是沿着磨痕对称分布的,最大磨削法向力和切向力出现在划痕的前端。

实验过程中,所有的力信号均表现出上述变化规律。

这表明了脆性划擦中力信号曲线的非对称性与磨削参数及磨削方式(顺磨或逆磨)无关。

3　实验结果3.1　顺切与逆切的磨削力比较图4所示是3号磨粒在不同磨削深度下,顺磨和逆磨两种磨削方式下各得到的8个磨削力的・9721・平均值。

从图4中可以看出,磨削方式的改变对磨削力几乎没有什么影响。

法向力和切向力的平均幅值都几乎相同。

观察顺磨与逆磨的力信号曲线,发现两者也都是相同的。

这主要是因为相比于磨粒旋转速度而言,工作台进给速度很低,因此对磨削力的影响很小。

在后续的数据分析中,对相同磨削参数下所得到的多条磨痕,先求出各个磨痕各自对应的磨削力,再将多个磨削力的平均值作为该加工参数下的磨削力进行分析。

图4　磨削方式对磨削力的影响(3号磨粒,v s =9m/s )3.2　磨削力随加工参数的变化图5所示是3号磨粒在磨削过程中法向力和切向力随加工参数变化的曲线。

从图5中可以明显看出,当磨粒保持原有形状时,随着磨削深度的增加,磨削力都呈单调增大的趋势,法向力与切向力的变化大致相同;另一方面,随着磨削速度的提高,磨削力是逐渐减小的。

这与目前高速磨削加工研究中所得到磨削速度提高,单颗磨粒切削力减小的结论也是相符的[9]。

但是图5显示出,当磨削速度低于9m/s 时,单颗磨粒磨削力随切深增加而增大的幅度较大,随着磨削速度的提高,磨削力随切深增加而增大的幅度减小。

这个现象,与其他磨粒的磨削实验结果是相符的。

另一个值得注意的现象是,在实验中,采用低的磨削速度进行磨削时,磨粒均可以很好地完成不同切深的实验,但是进行高速大切深磨削时,磨粒很容易产生破碎,这也是导致实验中没有采集到v s =15m/s ,切深大于40μm 以上的磨削力信号的原因。