双螺旋槽砂轮磨削非光滑表面形貌特征仿真

李兴山，衣军任，吕玉山

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159)

在机械摩擦磨损过程中，非光滑表面具有减少摩擦、降低能量消耗等功效,这种结构表现出的特殊功能成为国内外学者和工程界研究的热点[1]。目前研究较多的非光滑表面几何结构单元主要有沟槽型、凸包型和凹坑型[2]。不同形貌特征和结构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领域中，常用方法有激光加工、磨料喷射加工(AJM)、电火花加工(EDM)、切削、滚压、磨削、电化学腐蚀加工等。而将磨削技术应用在非光滑表面加工是一个崭新的领域[3]。Oliveira[4]通过在砂轮表面压印成一定形状，然后借助磨削加工将部分形状复映到工件表面。目前，一种新型的方法是将砂轮修整成双螺旋槽表面，利用磨削加工方式获得工件凹槽型非光滑表面形貌。本文研究双螺旋槽砂轮磨削工件表面过程，探讨磨削参数对凹槽型非光滑表面形貌的影响规律。

1 双螺旋槽砂轮表面特征

为得到凹槽型非光滑表面形貌，将砂轮修整成双螺旋槽表面，采用车削法修整砂轮[5]，如图1所示。

图1 双螺旋槽砂轮修整示意图

金刚石笔的顶角为θt，修整深度为t，点A、B为修整时金刚石笔刀具的起点，设置A、B两点在圆周上间距为π，取相等的螺旋槽螺距p。在修整过程中，被修整砂轮作高速旋转运动，金刚石笔轴向作低速进给运动。图2所示为修整后双螺旋砂轮表面展开示意图。

图2 修整后双螺旋槽砂轮表面

从图2中可以看出，修整后双螺旋槽砂轮参与切削部分的形状为菱形，规律交错排布，槽的宽度为b，菱形中心间距为p。

2 非光滑表面形貌特征几何建模

在磨削过程中，双螺旋槽砂轮菱形部分磨粒切削工件表面。由于菱形磨粒部分规律交错排布，在选取合适磨削参数条件下，通过磨削工件表面形成交错排布的凹槽型非光滑表面形貌[6]。如图3所示为双螺旋槽砂轮磨削工件非光滑表面形貌的过程示意图。

图3 双螺旋槽砂轮磨削工件表面过程

在砂轮轴向上，凹槽间距为p，根据磨削运动关系可知

(1)

式中：L为凹槽纵向间隔；R为砂轮半径；vs为砂轮转速；vw为工件进给速度。在给定适合的上述参数时，磨削生成非光滑表面的一个凹槽单元如图4所示。

图4 双螺旋槽砂轮磨削工件表面凹槽单元

由图4可以看出，整个磨削非光滑表面形貌则是以一个凹槽单位在轴向和横向按交错排布规律均匀分布而成。将一个凹槽单元划分三个部分：第一个部分为凹槽底面部分，第二部分为凹槽斜坡部分，第三部分为凹槽侧边部分[7]。凹槽底面部分是由双螺旋槽砂轮凸出的最外表面轮廓C1磨削产生，在磨削过程中，凹槽底面部分沿轴向的最大宽度等于轮廓线C1的最大宽度，沿周向长度等于轮廓线C1周向长度的v*倍。v*=vw/vs；在非光滑表面上建立以砂轮轴向为x轴，径向为y轴的xoy坐标系如图5所示。

图5 非光滑表面凹槽单元划分示意图

根据图5可知

xK=v*xsA1

(2)

yK=zsA1

(3)

xM=v*xsB1

(4)

yM=zsB1

(5)

式中：xSA1、zSA1为点K在工件坐标系下的坐标；xSB1、zSB1为点M在工件坐标系下的坐标。

凹槽底部形状可用方程表示为[8]

(6)

式中：f11(y)为MNK部分的曲线方程；f12(y)为MLK部分的曲线方程。

凹槽底部长度为

b=v*Lc

(7)

式中Lc为工件坐标系下的凹槽底部长度。

第二部分是由轮廓线R-d包围的砂轮磨粒磨削生成的。根据磨削原理可知

(8)

式中：“+”代表顺磨；“-”代表逆磨。

因为在实际磨削过程中，由于vw<

(9)

所以凹槽斜坡部分方程为

(10)

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

(11)

为使在工件表面生成非光滑表面的沟槽单元是相互独立均匀分布，则有

(12)

第三部分是由处于边线A1A2和B1B2之间的随机磨粒磨削生成。设此间的磨粒半径为ρ(x;z)，且R-d<ρ(x;z)

(13)

在xoy坐标系中，表示凹槽两侧部分磨粒在砂轮轴向的范围为

y‴K=zsA2

(14)

x‴K=v*xsA2

(15)

y‴M=zsB2

(16)

x‴M=v*xsB2

(17)

由于凹槽两侧部分参与磨粒很少，所以可简化MM‴和KK‴成斜直线，其方程可表示为

(18)

根据式(13)和式(18)可得第三部分方程为

(19)

3 磨削非光滑表面形貌特征仿真

为研究双螺旋槽砂轮磨削工件非光滑表面形貌特征的变化规律，基于Matlab仿真平台，采用控制单一变量法进行模拟仿真[10]。在砂轮直径ds=300mm、金刚石笔顶角θt=π/4、修整深度t=1mm、螺距p=1.2mm、磨削深度dθ=0.015mm条件下进行磨削非光滑表面形貌的对比。改变砂轮的不同转速和工件进给速度，仿真结果如图6、图7所示。

由图6可以看出，砂轮的速度保持不变，非光滑表面形貌是一个凹槽单元交错规律排布的，在砂轮轴向方向上，凹槽间距不变，其值为p；在工件进给方向上，随着砂轮速度的增大，凹槽间距减小，凹槽的数量不断增加。由图7可以看出，工件的进给速度保持不变，在砂轮轴向方向上，凹槽间距也不变，其值为p；在工件进给方向上，随着工件进给速度的增大，凹槽间距增大，凹槽的数量不断减小。

图6 砂轮速度对非光滑表面形貌的影响

图7 工件进给速度对非光滑表面形貌的影响

4 结论

采用双螺旋槽砂轮磨削工件获得非光滑表面形貌方法，建立了磨削参数与工件非光滑表面形貌之间的几何关系，仿真分析了砂轮速度和工件 进给速度对非光滑表面形貌的影响规律。仿真结 果表明: 当双螺旋槽砂轮几何参数和磨削深度一 定时，工件非光滑表面形貌在砂轮轴向上，凹槽间 距不变; 在工件进给方向上，凹槽间距与砂轮速度 成反比关系，与工件进给速度成正比关系。在相 同磨削区域范围内，非光滑表面形貌凹槽的个数 与砂轮转速成正比关系，与工件进给速度成反比 关系。