英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
单颗磨粒高速磨削中速度效应对材料去除机理的影响研究
Lin Tiana , YucanFub , JiuhuaXub , HaiyanLic , WenfengDingb
- College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry,Nanjing 210037,China
- College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
- Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems, Jincheng,(AVIC), Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration, Nanjing 211106, China
摘要：
本文采用新的试验方法，研究了GH4169超级合金的单颗磨粒磨削速度对材料去除的影响。在整个材料去除过程的测试期间，观察并且定量分析切屑形成的临界厚度。为了深入了解速度的影响，研究了磨削力，切屑形成和堆积比。结果发现，材料去除过程的阶段随着磨削速度的变化而变化，磨削速度与切屑形成的临界厚度，磨削力和堆积率之间的图形关系被发现具有共同的特征，即具有一个共同周转点约为100m/s。结果中的这种趋势归因于应变硬化和热软化效应之间的交替优势。研究结果表明，磨削速度对材料去除机理有显著影响，也为理解高难度切削材料的高速磨削过程提供了基础。
关键词：
高速磨削，单颗磨粒，材料去除过程，临界成屑厚度，切屑，GH4169
1. 引言
相较于传统的低速磨削，高速磨削被广泛应用于获得较高的加工质量，同时具有更高的生产效率，更低的工作受力和更长的刀具寿命。从运动几何来看，传统磨削和高速磨削之间的区别主要是由于速度效应产生的更细小的切屑。众所周知，以更高的速度进行磨削提高了切削过程的效率，在切削过程中，大量的磨料磨粒穿过工件以去除较细的切屑形式的材料，从而导致较小的力和较长的刀具寿命[1-5]。然而，考虑到材料形成，较薄的切屑不是高速磨削的优势。为了消除切屑尺寸效应的影响，并对材料去除机构的速度效应的研究具有重要意义，研究了解高速磨削工艺并为磨削优化提供信息是必要的。实际上，Bowe[6]首先提出了磨削过程的“速度效应”。他提出，如果所有速度（磨削速度vs，工件速度vw和进给速度vf）以固定比例增加，温度将降低，特定能量的任何变化都将归因于速度,因为每个齿的切割尺寸和形状保持不变。结果发现，随着磨削速度的增加，磨削力和特定的磨削能量降低。Yoshio[7]在轴承钢的高速磨削中获得了类似的结果，表明磨削速度高于200m/s的磨削能量与传统磨削速度60m/s相比减少了20-30％。并且表面粗糙度的降低主要是由于随着磨削速度的增加，沿着沟槽两侧形成的侧部膨胀的减少。冯和金[8,9]发现，与传统的速度磨削相比，高速磨削参数引起磨削区的应变，应变速率和传热条件的相应变化，从而改变了高速下的材料去除机理。在随后的研究中，赵[10]使用rifle作为加速器和充电器进行了超高速单颗磨粒测试，以研究材料去除机理的高速效应。他的研究表明，由于超高速摩擦产生的高温，材料成为流动相，而材料形成了切屑。
然而，仍然缺乏证据证明速度对材料去除机制的影响，尤其是材料去除过程。材料去除过程分为三个阶段：滑擦、耕犁和切削。在滑擦擦中，材料去除可忽略不计，仅包括弹性变形，尽管滑擦明显。滑擦是典型的抛光操作，并且每个磨粒上的力太小而不能引起大量穿透到工件中。当磨粒的渗透增加时，在弹性和塑料中去除材料的地方发生耕犁。在耕犁阶段，划痕变得明显，并且在划痕的侧面形成脊。随着磨粒的渗透进一步增加，材料去除迅速增加并且产生切屑。基于材料去除中涉及的三个阶段改变磨削力和特定能量。结论是材料去除过程的可见形态是金属加工的重要特征，并产生有关磨削机理的有用信息。实际上，很难应用经典的单颗磨粒磨削实验方法[11-13]来研究有助于理解速度效应的影响。
在这项研究中，为了观察单颗磨粒磨削中的材料去除过程，采用单颗磨粒高速磨削的新方法进行测试，获得了与实际磨削过程相似的微观尺寸的楔形切屑。进一步分析了切屑形成磨削的临界厚度和单砂磨的力，使该研究有助于理解速度对材料去除机理的影响。
2.实验装置和方法
2.1单颗磨粒磨削装置
采用高速磨削机BLOHM PROFIMAT MT-408和水基磨削液。最大转速和输出功率分别为8000rpm和45kW。图1显示了单颗磨粒磨削实验装置的示意图。砂轮保持架和平衡配重对称地定位于V形槽中，以提高对离心力的抵抗力并获得高定位精度。
图1：单颗磨粒磨削实验装置示意图
选择常规菱形30/40网格尺寸的单颗磨粒作为工具并在砂砾支架上钎焊。如图2所示，单个菱形是八面体，由八个六边形平面和六个矩形平面组成。钎焊单颗磨粒经过优化，以确保磨料的切削刃朝向材料流动方向。
图2：（a）单颗磨粒磨削试验;（b）在砂砾支架上钎焊的单颗磨粒;（c）单颗磨粒的详细视图和（d）材料流动方向和单颗磨粒的切削刃
选择难以切割的超合金材料GH4169作为样品工件。其硬度为289.2HV。工件的化学成分如表1所示。工件尺寸为长50毫米times;宽20毫米times;高50毫米。在滑擦测试之前，对工件表面进行磨削和抛光。抛光表面粗糙度（Ra）约为0.04mu;m。在实验中，精确预设了单颗磨粒通过使用如图2所示的声发射仪器（DITTEL AE6000）。通过与划痕表面相连的四分量压电测力计（KISTLER9272）测量单颗磨粒磨削力。
表1：工件合金的化学成分（质量％）
|
C |
Cr |
Ni |
Ti |
Al |
Mo |
Co |
Cu |
Fe |
Nb |
|
o0.08 |
19.3 |
52.1 |
1.15 |
0.3 |
2.5 |
o1.0 |
0.3 |
18 |
4.3 |
2.2 单颗磨粒磨削的新方法
如上所述，为了观察材料去除过程的痕迹，采用了一种新的单颗磨粒磨削方法。图3显示单颗磨粒磨削过程分为两个步骤，首先，磨粒在螺旋过程中移动，由工件进给速度Vf和磨削速度Vs产生，第一次滑擦过程中的Vf方向与x轴成theta;角，然后砂轮移回起始点O准备第二次滑擦。在第二次滑擦过程中，工件进给速度Vf和磨削速度Vs保持不变，但与第一次滑擦过程不同，Vf的方向是沿x轴方向。因此，在这两个滑擦过程之间存在角度theta;。如图3所示，由于存在未对准角度theta;（theta;gt;0），第一次刮擦和第二次刮擦之间的最大失准距离表示为lambda;，这可以很好地刺激磨料的连续切削刃距离分布在砂轮表面。因此，楔形切屑相似用这种新方法可以获得实际的磨削过程。如图3所示，楔形切屑的横截面轮廓类似于通过用砂轮磨削产生的切屑的几何形状。
图3：新式单颗磨粒磨示意图
在第二个磨削步骤中，磨粒在由工件进给速度Vf产生的螺旋路径上移动，并且磨削速度与螺旋螺距P相对于单个砂轮磨削直径的螺旋路径，d可以显示为
（1）
如果P大于单个砂砾的宽度，则由单颗磨粒滑擦产生的整个材料去除过程将显示在工件的表面上。沿y轴排列的四个切屑的横截面如图4所示。显然，切屑的厚度在y轴正方向上减小，即d4gt;d3gt;d2gt;d1。
为了在最大切屑厚度agmax =8mu;m的恒定条件下掌握材料去除机构的速度效应，磨削速度vs增加与工件进给速度增加的比例，vf在20-165m / s的范围内。 角度theta;在4°期间保持在4°单砂磨试验。除了力测量之外，还测量了切屑和材料去除过程的形貌以获得关于过程的附加信息，其呈现如下。
图4:楔形切片的截面轮廓
3.实验结果
3.1材料去除过程中的摩擦对耕犁和切削步骤的影响
图5显示了单颗磨粒试验的理论几何模型。在前一部分中，由于角度theta;的存在，第二划痕区域ABCD与其区别开来第一个划痕区域ABCD，两步的交叉线划痕过程是BC，其中未变形的切屑厚度为零。在区域ABCD中，具有相同切屑厚度的点用线连接。在本文中，这条线被称为等效切屑厚度线。根据定义，交点线BC是等效的切屑厚度线，也称为零切屑厚度线。
图5：单颗磨粒划痕表面的模型
另一个重要的等效切屑厚度线是切屑形成线的临界厚度，如图5所示。根据磨削原理[14]，随着砂粒渗入工件的增加，切屑厚度增加。当切屑厚度增加到临界值时，材料以切屑的形式被去除。该临界值称为切屑形成的临界厚度。
例如，使用新方法在20m/s的磨削速度下在单颗磨粒试验中产生的划痕的显微照片如图6所示，根据该图，随着切屑厚度的变化，材料去除过程是分为三个阶段，即滑擦、耕犁和切削。类似地，从图6中还可以看出，磨削区域ABCD由三个等效的切屑厚度线分成三个部分。顶线表示切屑形成线的临界厚度，切屑形成线是切割区和耕犁区之间的边界线。本文中作为滑擦和耕犁区域之间边界线的中间线被定义为塑性的临界厚度。底线BC是零切屑厚度线。由于塑性变形恢复，线BC与前面提到的理论零切屑厚度线BC不一致。
图6：磨削速度为20m/s时表面形态
图7：磨削速度为20m/s时表面形态
图7是表面形态的照片，表明材料去除过程在垂直方向上被分成三个区域。这三个区域（滑擦区域、耕犁区域和切削区域）的详细视图在图8（I-IV）中确定。如图8（I）所示，在滑擦区域中，几个垂直划痕沿水平方向均匀分布。这是由于单颗磨粒最初在材料表面上滑动并且工件材料经受弹性变形的原因。多层堆积的耕犁区如图8（II）所示，随着砂砾渗入工件的增加，单颗磨粒超过塑性变形的临界厚度，而材料被推挤，在塑性变形下堆积在砂粒之前。当切屑厚度增加到切屑形成的临界厚度时，切屑形成线临界厚度两侧的形态变化表明材料去除的机理从耕犁转变为切削。如图8所示（III），这种转变是由于材料不能承受增加的剪切应力。超级合金GH4169以切屑的形式被去除，不同于耕犁区域。如图8（IV）所示，具有较高堆积的凹槽留在切削区域中的工件磨削表面上。简而言之，在20m/s的磨削速度下，由于材料去除的不同机制，识别出三个形态的阶段，这意味着滑擦，耕犁和切削区域分别对应于划痕、堆积、和堆积。
图8：在20m/s的速度下，表面形态和详细的视图
图9：在100m / s的磨削速度下的表面形态
图9显示了在该处产生的表面磨削速度为100m/s。与磨削速度为20m/s时观察到的相比，切屑形成线的临界厚度向底部移动。摩擦区域的详细视图如图10（I）所示，其中划痕比以20m/s的磨削速度获得的划痕更微小。随着磨削速度增加到100m/s，由于应变增加，材料迅速被去除，这又降低了材料的可塑性，并导致耕犁区域的堆积减少，如图10（II）所示。在白带区域中存在明显的切屑形成线的临界厚度，其细节示于图2和图3图9和图10（II）。如图10（III）和（IV）所示，由于塑性的降低，材料容易形成切屑，磨削速度在20-100m/s的范围内增加，因此沿着侧面堆积的高度很高。凹槽减少使表面光滑和平滑。
图10：在100m/s的磨削速度下，表面形态和详细的视图
当磨削速度增加到165m/s时，由两条线分开的明显三个区域如图11所示。切屑形成线的临界厚度在165m/s的较高磨削速度下向上移动得更多。在100m/s工作状态下三相的整体形态与20m/s的相似，但详细观察时的差异是划痕（图12（I））更明显，耕犁面堆积（图12（II））更高更宽，凹槽在切割区域变得更深（图12（III））。这些结果是由于磨削速度增加100-165m/s引起的温度升高所带来的可塑性提高所致。
图11：在100m/s的磨削速度下，表面形态和详细的视图
图12：在165m/s的磨削速度下，表面形态和详细的视图
总之，当提高磨削速度时，三相形态的变化表明，速度明显地影响材料变形和切屑形成。
3.2速度对临界切屑厚度的影响
在前一节中，提到由于速度效应，切屑形成线的临界厚度的位置随着单颗磨粒磨削速度的增加而移动。为了定量评估切屑形成的临界厚度与磨削速度之间的关系，选择单颗磨粒磨削切屑的横截面用于分析。图13显示了切屑的几何模型。该模型假设切屑形成线的临界厚度之间的距离
图13：示意图显示了切屑的临界厚度（vs=165m/s） 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[451708]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
