磨削力控制及影响因素分析

1.磨削力

磨削时，在砂轮与工件上分别作用着大小相等、方向相反的力，这种相互作用的力叫磨削力。金属磨削是磨粒在磨削力作用下，切削工件表面的金属层，完成磨削过程。

2.磨削力的形成

磨削力主要由两部分形成：其一是磨粒切削时金属材料的塑性变形；其二是磨粒与工件间的剧烈摩擦阻力。

磨削力可用下式表示

F=fm=F_nc+F_ns （7-8）

式中 f——每颗磨粒产生的磨削力（N）；

m——同时参加磨削的磨粒数；

F_nc——克服金属变形产生的力（N）；

F_ns——磨粒对工件表面摩擦所产生的力（N）。

图7-9 渗入磨削弧的切削液

3.磨削力的分解

为了便于分析，通常将磨削力分解为三个相互垂直的分力：

（1）切削力F_c 总切削力在主运动方向上的正投影。

（2）背向力F_p 总切削力在垂直于进给方向上的分力。

（3）进给力F_f 总切削力在进给方向上的正投影。

4.磨削力的特点

（1）单位磨削力很大 由于磨削厚度极小，单个磨粒的单位磨削力很大。根据不同的磨削量，单位磨削力在68600～196000N/mm²之间，而其他切削加工的单位切削力约在6860N/mm²以下。磨削是以极大的单位磨削力进行切削的。

（2）三个分力中背向力最大 在磨削力的三个分力中以背向力最大，这是单颗磨粒的负前角切削所致。一般F_p=（1.6～3.2）F_c。

如图7-10所示，磨粒以负前角切削，磨粒磨刃的钝圆半径相对背吃刀量要大。磨粒对金属层的挤压力就很大，故使背向力最大，这是磨削的特点之一。图中的法向力在磨削中起切削作用。背向力对磨削的影响最大，因为它发生在敏感方向上，如磨削细长轴时，在较大背向力作用下，工件易被磨成腰鼓形。又如内圆磨削时砂轮杆的弯曲变形，影响磨削加工精度（图7-11）。磨削不同的材料，磨粒需用的法向力不同。磨削易磨材料法向力约为67N，磨削难磨材料法向力约为311N。

图7-10 磨粒的挤压作用

图7-11 砂轮杆的弯曲变形

（3）切入磨削法的磨削力 用切入法磨削外圆时进给力为零，背向力最大（图7-12）。从图中可见，磨削时有背向力和切削力作用。当用切入法磨削时，磨削力与砂轮宽度直接有关。通常，磨床砂轮电动机功率可按下式估算

式中 W——电动机功率（kW）；

B——砂轮宽度（mm）。

（4）恒压力磨削 恒压力磨削是在切入磨削时，砂轮以一定的压力压住工件，从粗磨、精磨到无火花磨削，完成磨削循环。其特点是控制磨削力，充分发挥砂轮的切削能力。在粗磨时提供较大的磨削力，精磨时磨削力则较小。以最佳的磨削压力，获得最佳效果，较高的加工精度，并能防止工件表面烧伤等缺陷。恒压力磨削就是背向力的控制。

图7-12 切入磨削法的磨削力

（5）磨削周期 用纵向法精磨外圆时，需要增加光磨次数，在超精密磨削时为获得低的表面粗糙度值，要光磨4～6次，时间很长，这也是磨削力的特点。磨削时，由于F_p较大，引起工件、夹具、砂轮、磨床系统的弹性变形，使实际磨削深度与磨床刻度盘所显示的背吃刀量有一定差距，因此要经过一定的磨削周期才能达到加工的要求。磨削的周期分为三个阶段：

1）初磨阶段。当砂轮开始磨削时，由于工艺系统弹性变形，实际磨削深度小于刻度盘显示的背吃刀量。背吃刀量与光磨次数的关系如图7_-13中AB曲线所示。

图7-13 磨削周期

2）稳定阶段。当工艺系统弹性变形达到一定程度后，继续进刀时，其实际磨削深度基本等于名义背吃刀量。经过数次行程，磨削处于稳定阶段，如图7-13中BC曲线所示。

3）光磨阶段。在磨去大部分余量后，可减小背吃刀量或不进刀再光磨一段时间。由于砂轮与工件表面间仍维持一定的压力，而实际磨削深度趋于零，磨削火花消失，砂轮处于摩擦状态，如图7-13中CD曲线所示。镜面磨削需要30～40个光磨行程。(www.xing528.com)

光磨阶段对于减小工件表面的粗糙度值至关重要。

在精密磨削、超精密磨削时，工件的表面粗糙度值随着光磨时间的增加而减小，并获得高的加工精度。从图7-14可知，光磨时间与工件表面粗糙度值之间的关系。其中a曲线是表示使用粗粒度的砂轮（PAF60KV），光磨时间约40min，表面粗糙度值达到Ra0.18μm。b曲线是表示用细粗粒度混合的磨料的树脂砂轮（WA/GCF500KB），光磨时间约150min，表面粗糙度达到镜面，为Ra0.02μm。

图7-14 光磨时间对工件表面粗糙度的影响

磨削周期是磨削原理的重要特征，它不同于一般金属切削原理。一般短周期磨削，可看火花控制工件最终尺寸。

5.磨削力的计算

由于影响磨削力大小的因素很多，且目前对磨削机理研究还继续深入，因此理论公式的计算准确度不高。目前，磨削力一般是用测力仪由实验方法测定。现介绍用测力仪测出的磨削力计算公式，其系数和指数见表7-3。

式中 F_p——背向力（N）；

F_c——切削力（N）；

v_W——工件圆周进给速度（m/min）；

f_a——工件轴向进给量（mm/r）；

a_p——背吃刀量（mm）。

表7-3 磨削力公式中的系数和指数

磨削功率P_m的计算公式为

P_m=F_cv_S/1000 （7-12）

式中 P_m——磨削功率（kW）；

F_c——切向磨削力（N）；

v_S——砂轮线速度（m/s）。

例1 磨削一个轴类零件，工件材料40Cr，硬度42HRC，工件直径φ50mm，工件转速n=125r/min，砂轮径向背吃刀量a_p=0.1mm，工件轴向进给量f_a=10mm/r，求切削力F_c。

解

K_z=1399.20，a_z=0.336，b_z=0.556，c_z=1.304代入式（7-11）

6.磨削力对磨削加工的影响及减小磨削力的方法

1）磨削时，进给力P_f很小，对磨削加工的影响很小。

2）由于背向力F_p较大，使工艺系统产生的弹性变形也较大，故F_p力对工件的加工精度的影响也较大。

3）切削力F_c对磨削加工的影响与F_f力相似，但影响的程度较小。

4）影响磨削力的因素主要是：工件材料硬度、磨削用量、砂轮特性等方面。

砂轮磨削力的大小主要取决于工件材料的硬度和强度，一般难磨的材料磨削力就很大。

对于磨削工艺而言，正确选择砂轮特性就很重要，合理选择以减小磨削力、提高生产率。砂轮特性中普通磨料WA、PA、MA、SA的磨粒均较锋利且切削性能好；超硬磨料的切削性能则更好。砂轮特性中影响磨削力的因素是磨料、粒度、硬度三方面；同时还包括砂轮的修整。

磨削用量中，工件圆周速度的影响较小；砂轮圆周速度增大，则可使磨削力减小，如图7-15所示。背吃刀量对磨削力的影响最大。特别是切入磨削时的切入速度（mm/min）增大时，磨削力增加很多，如图7-16所示，砂轮的宽度也影响磨削力，砂轮宽度增大时，磨削力也增大。

图7-15 砂轮圆周速度对磨削力的影响

图7-16 切入速度对磨削力的影响