当工件和砂轮接触后,会产生塑性变形、弹性变形、切屑成形等物理现象,再结合磨粒、结合剂与工件表面之间的摩擦作用,最终形成了磨削力。由于磨削力几乎和所有的磨削都有关系,所以研究磨削力可以搞清楚磨削过程的一些基本情况,是研究磨削机理的一个重要方向。
实践证明,磨削力不但容易用传感器测量,而且可以通过控制磨削工艺参数来控制,而磨削力与磨削比能、磨削表面粗糙度、砂轮用度等有关,所以常常用磨削力来判断磨削过程的状态,并把磨削力作为评价系统稳定性的重要参数之一。影响磨削力的因素主要有:
(1)砂轮线速度变大,会导致单位时间内与工件接触的磨粒增加,而每个磨粒的切削厚度却变小,最终使磨削力变小。
(2)工件进给速度增加,会导致每个磨粒的切削厚度增加,且磨削接触区的弧长和磨粒也变大,最终使磨削力变大。
(3)在其他条件不变的情况下,工件进给速度和磨削深度变大会导致单位时间内磨去的量变大,进而使磨粒的切削厚度变大,最终使磨削力变大。
(4)在砂轮磨损的情况下,磨损越严重则磨削力越大,磨损越不严重则磨削力越小。
作为矢量的磨削力,其大小和方向的不断变化给磨削力的实际测量和理论分析带来了不便。为了方便研究,一般把磨削力分解为3个相互垂直的分量:
表2-1列出了磨削力分量的名称及特征,由于砂轮磨粒具有较大的前负角,所以法向磨削力 F n 比切向磨削力 F t 大。
表2-1 磨削力分量
图2-2所示的平面磨削模型给出了直径为 D 的砂轮磨削工件的情况,从图中可知切向磨削力与砂轮轴负荷有直接关系。从微观角度看,由于磨粒可以看成是切削刃,故磨削力就是砂轮与工件接触面内每个有效磨粒切削刃受力的总和。把磨粒的切削刃形状近似为圆锥形(见图2-3);同样地,一个磨粒切削刃与工件之间的作用力也可分为3个相互垂直的分量 F n 、 F t 、 F a 。
图2-2 平面磨削模型
图2-3 磨粒切削刃的磨削模型
法向磨削力 F n 和切向磨削力 F t 可以由式(2-2)计算得到:
式中, F n 为法向磨削力大小,单位是N; F t 为切向磨削力大小,单位是N; c F 为单位切削力,单位是N/mm 2 ; v w 为工件速度,单位是m/s; v s 为砂轮速度,单位是m/s; f r 为径向进给量,单位是mm; B 为磨削宽度,单位是mm; α 为假设磨粒切削刃形状为圆锥形时的锥顶半角, μ 为工件和砂轮之间的摩擦系数。
通过实验方法求出的磨削力公式几乎都是以磨削参数的幂指数形式表示的,磨削参数不同,磨削力公式也不同。为了方便研究,在实际的工程计算中,我们主要采用经验法建立的公式来计算磨削力的大小。