龐靜珠 李蓓智 楊建國(guó) 張 強(qiáng)

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

磨削加工過(guò)程中，磨削力是反映磨削過(guò)程基本特 征的重要參數(shù)，與磨削區(qū)內(nèi)砂輪與工件的相互作用，磨削過(guò)程中材料的去除機(jī)理、工件的磨削質(zhì)量以及砂輪的磨損都有著密不可分的關(guān)系。磨削力產(chǎn)生的原因在于磨削過(guò)程中的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用，是磨削過(guò)程中的切削、摩擦及粘附等現(xiàn)象綜合作用的結(jié)果［1］。磨削力可分為相互垂直的3個(gè)分力，即沿砂輪切向磨削力Ft、沿砂輪徑向的法向磨削力Fn以及沿砂輪軸向磨削力Fa。砂輪具有較大的負(fù)前角，因此法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常將N=Fn/Ft稱為磨削力比。磨削力比是重要的磨削要素，它可以間接地說(shuō)明砂輪工作表面磨粒的鋒利程度［2］。

1 磨削力的研究方法

磨削力的研究方法通常有理論計(jì)算、仿真、實(shí)驗(yàn)等手段。多年來(lái)研究者一直希望通過(guò)建立理論模型，找出通用準(zhǔn)確的計(jì)算公式來(lái)解決工程中的問(wèn)題。而通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)可以最為直觀地得到磨削過(guò)程中的磨削力，而且對(duì)磨削加工過(guò)程最好的監(jiān)控方法就是對(duì)磨削力的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)磨削力的直接測(cè)量，在磨床上安裝集成的壓電力傳感器或者應(yīng)變傳感器（DMS）可以取得理想的效果。平面磨削力的采集可以借助安裝在機(jī)床工作臺(tái)上的力測(cè)量平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，外圓和內(nèi)圓磨削可以將集成的力傳感器安裝在砂輪架下方、工件頭架［3］或者安裝在工件頂尖上［4－5］。用于測(cè)量磨削力的傳感器有多種，如電阻應(yīng)變片式、壓電晶體等，由于壓電力傳感器具有高剛性、良好的熱穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，特別適用于磨削過(guò)程的監(jiān)控，常將其并聯(lián)安裝在生產(chǎn)型機(jī)床中。

2 高速外圓磨削力測(cè)試方法與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為了研究外圓磨削力測(cè)試方法及其對(duì)高速磨削特性的作用機(jī)制，搭建了高速磨削及其磨削力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為驗(yàn)證仿真研究結(jié)果在高速磨削條件下的加工提供參考依據(jù)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由超高速數(shù)控外圓磨床MGKS1332/1000－H（上海機(jī)床廠）和Kistler公司旋轉(zhuǎn)式三向動(dòng)態(tài)壓電晶體測(cè)力儀組成。9123C測(cè)力儀經(jīng)過(guò)改造，連接有頂尖并安裝于工件主軸處。磨削用工件采用頂尖方式裝夾。磨床使用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，其直徑為600 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，電動(dòng)機(jī)功率28 kW。采集及處理軟件為DynoWare，測(cè)試原理如圖1所示，9123C及工件的安裝如圖2所示。

3 磨削力的標(biāo)定

9123C測(cè)力儀利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，使試件在外力作用下產(chǎn)生的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電荷輸出。經(jīng)電荷放大器放大并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，輸入到電腦進(jìn)行計(jì)算和分析，得到在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向上的磨削力Fx、Fy、Fz，以及主軸扭矩Mz。其中由于磨削方式為切入磨，軸向力Fa較小，本文暫不考慮Fa。測(cè)得的磨削力最終轉(zhuǎn)換為切向力Ft及法向力Fn，其轉(zhuǎn)換公式為

式中:Mz為主軸扭矩;Fx、Fy為x、y方向磨削力;rw為工件半徑。

由于經(jīng)改造后的測(cè)力儀安裝于磨床工件主軸，作為前頂尖與磨床后頂尖一起支承工件，砂輪磨削位置與測(cè)力儀的距離將導(dǎo)致傳感器對(duì)于實(shí)際磨削力的不同反應(yīng)，故需要標(biāo)定。如圖1所示，L為砂輪磨削位置與測(cè)力儀前頂尖的距離。

圖3為對(duì)Fy進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)由測(cè)力儀測(cè)得的力，標(biāo)定工件離頂尖的不同位置L:62、76、90、104及118 mm。標(biāo)定時(shí)在工件上加載分別為60、90、120、150 N四個(gè)力，每個(gè)力加載時(shí)長(zhǎng)為10 s左右，得到如圖3所示測(cè)量結(jié)果。圖4為在離頂尖為118 mm時(shí)，加載60、90、120、150 N四個(gè)力時(shí)的實(shí)時(shí)Fy測(cè)試結(jié)果。

表1 相同的比磨除率、不同砂輪線速度下的磨削力

由上述測(cè)量結(jié)果，近似地推導(dǎo)出實(shí)際磨削力Fx、Fy與傳感器測(cè)量值F'x、F'y的關(guān)系公式為

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

為了考察不同砂輪線速度對(duì)磨削力的影響，采用的實(shí)驗(yàn)條件和工藝參數(shù)主要如下:砂輪參數(shù)為φ600 mm×38 mm（寬度）、126#、125%;采用切入式磨削、逆磨;工件40Cr、直徑為160 mm，鈦合金TC4、直徑為80 mm。每組工藝參數(shù)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值。表1給出了40Cr和TC4鈦合金兩種材料在比磨除率為2.00 mm3/s·mm時(shí)，不同砂輪線速度下所測(cè)得的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn、單位磨削寬度切向力F't、單位磨削寬度法向力F'n以及磨削力比N。

在其他磨削參數(shù)不變的情況下，磨削力隨著砂輪線速度的升高而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。因?yàn)樵诒饶コ蕿槌?shù)的情況下，砂輪速度的提高意味著增加單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)磨削區(qū)的磨粒數(shù)，這將導(dǎo)致每顆磨粒的切深減小，切屑減薄，切屑橫斷面積隨之減少。因此，每顆有效磨粒承受的磨削力隨之減小，因而磨削力減小。實(shí)際上，在小切深時(shí)，提高砂輪線速度，磨削力減小的幅度很有限。而在大切深時(shí)，磨削力隨著砂輪線速度的提高而減小的幅度加大，這說(shuō)明在高速超高速磨削條件下，可以大幅度提高加工效率。

在相同的比磨除率下，隨著砂輪線速度的提高，磨削力比N顯著增大，即Ft/FN顯著減小。隨著砂輪線速度的提高，工件與砂輪的摩擦系數(shù)減小，即高速磨削可以有效地提高材料的去除能力或改善磨削工件的表面質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文在對(duì)Kistler 9123C測(cè)力儀進(jìn)行相應(yīng)改造的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)定，測(cè)得高速外圓磨削的切向力Ft及法向力Fn。

（2）在其他磨削參數(shù)不變的情況下，F(xiàn)t/FN的比值呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)。這表明，隨著砂輪線速度的提高，工件與砂輪的摩擦系數(shù)減少，砂輪對(duì)工作材料的去除能力得到了提升。

［1］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］李蓓智.高速高質(zhì)量磨削理論、工藝、裝備與應(yīng)用［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012.

［3］Couey Jeremiah A，Marsh Eric R，Knapp Byron R，et al.Monitoring force in precision cylindrical grinding［J］.Precision Engineering，2005，29（3）:307－314.

［4］Li Z C，Lin B，Xu Y S，et al.Experimental studies on grinding forces and force ratio of the unsteady－state grinding technique［J］.Journal of Material Processing Technology，2002，129（1－2）:76－80.

［5］穆存遠(yuǎn).測(cè)量外圓磨削力用彈性頂尖［J］.現(xiàn)代制造工程，2005（6）:78－79.