李興山，衣軍任，呂玉山

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

在機(jī)械摩擦磨損過程中，非光滑表面具有減少摩擦、降低能量消耗等功效,這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的特殊功能成為國內(nèi)外學(xué)者和工程界研究的熱點(diǎn)[1]。目前研究較多的非光滑表面幾何結(jié)構(gòu)單元主要有溝槽型、凸包型和凹坑型[2]。不同形貌特征和結(jié)構(gòu)形式的非光滑表面起到不同的作用。在工件非光滑表面加工領(lǐng)域中，常用方法有激光加工、磨料噴射加工(AJM)、電火花加工(EDM)、切削、滾壓、磨削、電化學(xué)腐蝕加工等。而將磨削技術(shù)應(yīng)用在非光滑表面加工是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域[3]。Oliveira[4]通過在砂輪表面壓印成一定形狀，然后借助磨削加工將部分形狀復(fù)映到工件表面。目前，一種新型的方法是將砂輪修整成雙螺旋槽表面，利用磨削加工方式獲得工件凹槽型非光滑表面形貌。本文研究雙螺旋槽砂輪磨削工件表面過程，探討磨削參數(shù)對凹槽型非光滑表面形貌的影響規(guī)律。

1 雙螺旋槽砂輪表面特征

為得到凹槽型非光滑表面形貌，將砂輪修整成雙螺旋槽表面，采用車削法修整砂輪[5]，如圖1所示。

圖1 雙螺旋槽砂輪修整示意圖

金剛石筆的頂角為θt，修整深度為t，點(diǎn)A、B為修整時(shí)金剛石筆刀具的起點(diǎn)，設(shè)置A、B兩點(diǎn)在圓周上間距為π，取相等的螺旋槽螺距p。在修整過程中，被修整砂輪作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，金剛石筆軸向作低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖2所示為修整后雙螺旋砂輪表面展開示意圖。

圖2 修整后雙螺旋槽砂輪表面

從圖2中可以看出，修整后雙螺旋槽砂輪參與切削部分的形狀為菱形，規(guī)律交錯(cuò)排布，槽的寬度為b，菱形中心間距為p。

2 非光滑表面形貌特征幾何建模

在磨削過程中，雙螺旋槽砂輪菱形部分磨粒切削工件表面。由于菱形磨粒部分規(guī)律交錯(cuò)排布，在選取合適磨削參數(shù)條件下，通過磨削工件表面形成交錯(cuò)排布的凹槽型非光滑表面形貌[6]。如圖3所示為雙螺旋槽砂輪磨削工件非光滑表面形貌的過程示意圖。

圖3 雙螺旋槽砂輪磨削工件表面過程

在砂輪軸向上，凹槽間距為p，根據(jù)磨削運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知

(1)

式中：L為凹槽縱向間隔；R為砂輪半徑；vs為砂輪轉(zhuǎn)速；vw為工件進(jìn)給速度。在給定適合的上述參數(shù)時(shí)，磨削生成非光滑表面的一個(gè)凹槽單元如圖4所示。

圖4 雙螺旋槽砂輪磨削工件表面凹槽單元

由圖4可以看出，整個(gè)磨削非光滑表面形貌則是以一個(gè)凹槽單位在軸向和橫向按交錯(cuò)排布規(guī)律均勻分布而成。將一個(gè)凹槽單元?jiǎng)澐秩齻€(gè)部分：第一個(gè)部分為凹槽底面部分，第二部分為凹槽斜坡部分，第三部分為凹槽側(cè)邊部分[7]。凹槽底面部分是由雙螺旋槽砂輪凸出的最外表面輪廓C1磨削產(chǎn)生，在磨削過程中，凹槽底面部分沿軸向的最大寬度等于輪廓線C1的最大寬度，沿周向長度等于輪廓線C1周向長度的v*倍。v*=vw/vs；在非光滑表面上建立以砂輪軸向?yàn)閤軸，徑向?yàn)閥軸的xoy坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 非光滑表面凹槽單元?jiǎng)澐质疽鈭D

根據(jù)圖5可知

xK=v*xsA1

(2)

yK=zsA1

(3)

xM=v*xsB1

(4)

yM=zsB1

(5)

式中：xSA1、zSA1為點(diǎn)K在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；xSB1、zSB1為點(diǎn)M在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

凹槽底部形狀可用方程表示為[8]

(6)

式中：f11(y)為MNK部分的曲線方程；f12(y)為MLK部分的曲線方程。

凹槽底部長度為

b=v*Lc

(7)

式中Lc為工件坐標(biāo)系下的凹槽底部長度。

第二部分是由輪廓線R-d包圍的砂輪磨粒磨削生成的。根據(jù)磨削原理可知

(8)

式中：“+”代表順磨；“-”代表逆磨。

因?yàn)樵趯?shí)際磨削過程中，由于vw<

(9)

所以凹槽斜坡部分方程為

(10)

lg=b+2lc=v*Lc+2lc

(11)

為使在工件表面生成非光滑表面的溝槽單元是相互獨(dú)立均勻分布，則有

(12)

第三部分是由處于邊線A1A2和B1B2之間的隨機(jī)磨粒磨削生成。設(shè)此間的磨粒半徑為ρ(x;z)，且R-d<ρ(x;z)

(13)

在xoy坐標(biāo)系中，表示凹槽兩側(cè)部分磨粒在砂輪軸向的范圍為

y?K=zsA2

(14)

x?K=v*xsA2

(15)

y?M=zsB2

(16)

x?M=v*xsB2

(17)

由于凹槽兩側(cè)部分參與磨粒很少，所以可簡化MM?和KK?成斜直線，其方程可表示為

(18)

根據(jù)式(13)和式(18)可得第三部分方程為

(19)

3 磨削非光滑表面形貌特征仿真

為研究雙螺旋槽砂輪磨削工件非光滑表面形貌特征的變化規(guī)律，基于Matlab仿真平臺(tái)，采用控制單一變量法進(jìn)行模擬仿真[10]。在砂輪直徑ds=300mm、金剛石筆頂角θt=π/4、修整深度t=1mm、螺距p=1.2mm、磨削深度dθ=0.015mm條件下進(jìn)行磨削非光滑表面形貌的對比。改變砂輪的不同轉(zhuǎn)速和工件進(jìn)給速度，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可以看出，砂輪的速度保持不變，非光滑表面形貌是一個(gè)凹槽單元交錯(cuò)規(guī)律排布的，在砂輪軸向方向上，凹槽間距不變，其值為p；在工件進(jìn)給方向上，隨著砂輪速度的增大，凹槽間距減小，凹槽的數(shù)量不斷增加。由圖7可以看出，工件的進(jìn)給速度保持不變，在砂輪軸向方向上，凹槽間距也不變，其值為p；在工件進(jìn)給方向上，隨著工件進(jìn)給速度的增大，凹槽間距增大，凹槽的數(shù)量不斷減小。

圖6 砂輪速度對非光滑表面形貌的影響

圖7 工件進(jìn)給速度對非光滑表面形貌的影響

4 結(jié)論

采用雙螺旋槽砂輪磨削工件獲得非光滑表面形貌方法，建立了磨削參數(shù)與工件非光滑表面形貌之間的幾何關(guān)系，仿真分析了砂輪速度和工件 進(jìn)給速度對非光滑表面形貌的影響規(guī)律。仿真結(jié) 果表明: 當(dāng)雙螺旋槽砂輪幾何參數(shù)和磨削深度一 定時(shí)，工件非光滑表面形貌在砂輪軸向上，凹槽間 距不變; 在工件進(jìn)給方向上，凹槽間距與砂輪速度 成反比關(guān)系，與工件進(jìn)給速度成正比關(guān)系。在相 同磨削區(qū)域范圍內(nèi)，非光滑表面形貌凹槽的個(gè)數(shù) 與砂輪轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，與工件進(jìn)給速度成反比 關(guān)系。