郭 力, 李 波

(1. 湖南大學(xué) 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙, 410082；2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 長沙, 410082)

高效深切磨削溫度研究的進(jìn)展

郭 力1, 李 波2

(1. 湖南大學(xué) 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙, 410082；2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 長沙, 410082)

對高效深磨中磨削溫度的計(jì)算模型、計(jì)算方法、測量技術(shù)進(jìn)行了研究. 綜述了高效深磨中磨削溫度的最新研究成果及高效深切磨削技術(shù)的最新發(fā)展，最后指出了今后的研究方向.

高效深磨；磨削溫度；熱模型；有限元；試驗(yàn)

以砂輪高速度、工件高進(jìn)給速度和大切深為標(biāo)志的高效深磨(High Efficiency Deep Grinding，HEDG)技術(shù)[1]正在國際上迅猛發(fā)展，它可獲得極大的材料磨除率和較好的加工精度. 該技術(shù)在機(jī)械汽車工業(yè)、國防工業(yè)、航空航天工業(yè)、光學(xué)和光電子工業(yè)、生物工程工業(yè)、新材料加工等領(lǐng)域能滿足提高生產(chǎn)效率和加工精度的需要，該項(xiàng)技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因而，歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家都投入巨資從事高效深磨技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用. 高效深磨工藝可將毛坯直接加工出成品，集粗、精加工于一身. 因此，磨削就實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)與高效的結(jié)合，使以磨代車銑成為現(xiàn)實(shí).

國內(nèi)也對高效深磨技術(shù)高度重視. 湖南大學(xué)國家高效磨削工程中心在國家重大科技專項(xiàng)的支持下，加大了對高效深磨技術(shù)的研究力度，例如研制了一臺超高速磨削試驗(yàn)臺：砂輪最大線速為314 m/s，進(jìn)給速度為30 m/min. 試驗(yàn)臺剛性好，試驗(yàn)中切深可達(dá)10 mm. 使用了CBN砂輪、水基高壓磨削液、總體冷卻系統(tǒng)等. 東北大學(xué)也在進(jìn)行高效深磨的研究[2].

然而，高效深磨磨削深度大，磨削區(qū)能量積聚嚴(yán)重，這將導(dǎo)致磨削區(qū)的溫度升高，從而使被磨零件表層金相組織發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)磨削燒傷和磨削裂紋. 為了控制和防止磨削高溫和燒傷，必須對磨削溫度進(jìn)行深入的研究.

1 圓弧熱源的磨削溫度模型

高效深磨加工中，磨削熱源的作用可看作是半徑為R的圓弧上的無數(shù)條移動線熱源作用的總和，如圖1所示[3].

圖1 圓弧熱源

線熱源位于以速度V移動的坐標(biāo)系x z′′中. 角φi的變化范圍為0～2φ. 工件內(nèi)任意點(diǎn)M(x′,z′)，受弧長為lc的整個面熱源作用，在時間t后的溫升可表達(dá)為[4]：

對于穩(wěn)態(tài)問題，函數(shù)Kt[u]變?yōu)榱汶A第二類修正Bessel函數(shù)Ko[u].

而熱流密度q為：

對于方程(1)可運(yùn)用mathcad軟件，在微機(jī)上用數(shù)值積分的方法求解，從而得到工件中溫升的數(shù)值.

2 磨削區(qū)溫度的估計(jì)

決定hf的3個主要因素是砂輪線速度、砂輪與工件接觸區(qū)的磨削液膜厚、磨削液的類型，在高效深磨中，hf的正確確定是非常重要的，hf的確定可參考文獻(xiàn)[7]. 運(yùn)用流體力學(xué)和熱力學(xué)相結(jié)合的方法來估算hf，再用實(shí)驗(yàn)的方法來修正. 更重要的是要研究磨削液在工件已加工面上的冷卻作用，因?yàn)榭刂埔鸭庸っ嫔喜槐粺齻顷P(guān)鍵. 不能僅僅研究接觸面上磨削液的冷卻作用.

由文獻(xiàn)[4, 8]知：

3 高效深磨溫度計(jì)算的有限元法

高效深磨溫度的求解一般基于離散數(shù)學(xué)的數(shù)值解法. 高效深磨有3種解析磨削熱模型. 其中的圓弧熱源模型，已被大多數(shù)研究者所采用，該模型與實(shí)際磨削狀況比較吻合[3].

數(shù)值解法以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析解法那樣嚴(yán)密，但對實(shí)際問題有很大的適應(yīng)性. 因而一般稍微復(fù)雜的高效深磨溫度計(jì)算，都是通過數(shù)值解法求解. 主要的數(shù)值解法為有限元法.

工件的最高磨削溫度還可以用下式描述[7]：

式中，C與式(5)中的相同，在0～1.06范圍內(nèi)變化，金屬磨削中C取1.

我們在試驗(yàn)測試金屬材料高效深磨最高磨削溫度的基礎(chǔ)上，利用式(10)反推工件的磨削熱分配率φ，從而進(jìn)行高效深磨濕磨溫度場的ANSYS有限元仿真.

研究了在已加工工件表面及表層下，鑄鐵在砂輪速度為80 m/s，工件速度為30 mm/s，磨深為0.1 mm，濕磨及干磨2種狀態(tài)時的溫度分布等值線和變化趨勢. 比較其在干、濕磨2種狀態(tài)下的磨削溫度場分布可知，磨削液對磨削溫度場的影響很大，可以大幅度地減少磨削區(qū)最高溫度；同時磨削液可以實(shí)時地冷卻已加工表面，并有效地減少了磨削高溫區(qū)范圍.

對鑄鐵在砂輪速度為50～180 m/s，工件速度30 mm/s，磨深為0.1 mm，濕磨及干磨2種狀態(tài)時的有限元磨削溫度場進(jìn)行分析. 圖2所示可以看到，低速與高速濕磨的溫度場不同，高速濕磨最高磨削溫度較高，高溫區(qū)較大.

圖2 砂輪速度為50 m/s、180 m/s時溫度場分布

研究還可以看出，淺磨溫度場與高速深磨溫度場有比較大的差別. 在干磨條件下，淺磨的磨削熱量大量聚集在加工表面，且對材料影響深度較淺.對比深切磨削溫度場，磨削熱量同樣大量聚集在加工表面，但對材料的影響深度相對淺磨要深很多，同時等溫線分布較明顯. 淺磨高溫區(qū)集中在極小的區(qū)域，局部高溫，所以溫度梯度或溫度變化率很大，對加工表面的影響大，例如產(chǎn)生較大熱應(yīng)力等. 而大的熱應(yīng)力將產(chǎn)生磨削裂紋，所以高效深磨溫度場分布要好.

4 高效深磨溫度的測量技術(shù)

砂輪磨削區(qū)溫度由于與可能出現(xiàn)的燒傷、裂紋等磨削缺陷密切相關(guān)，是我們最感興趣的磨削溫度.而測試該溫度一般使用熱電偶法和紅外測溫法.

高效深切磨削金屬[8]材料時的半人工熱電偶測溫法，該法具有試件結(jié)構(gòu)簡單、信號輸出可靠、重復(fù)性好等顯著優(yōu)點(diǎn). 在測量中，需要采用較高的采樣頻率和較好的零點(diǎn)飄移濾波以及去除噪聲等技術(shù).發(fā)現(xiàn)采用上述先進(jìn)技術(shù)后，測試的溫度信號與理論模型值吻合較好. 但是，值得特別指出的是，該文中測試都是在淺磨條件下進(jìn)行的. 但是文獻(xiàn)[2, 9-14]中都是用熱電偶法測高效深磨溫度，效果好.

熱電偶測溫度法還存在一些不足，如試件的剖分將影響試件的完整；而且試件剖分處的填充材料如云母等與試件材料不一樣，也會影響測試的精度.同時由于高效深切磨削中工件速度很高，因此熱電偶的響應(yīng)特性必須予以重視.

紅外測溫法也正在開始應(yīng)用到磨削溫度的測試中[3]，但它有難以測到磨削區(qū)溫度和難以標(biāo)定等缺點(diǎn). 目前新的光導(dǎo)纖維快速測磨削溫度的方法和低熔點(diǎn)的示溫涂料測溫方法是一種很有前途的方法.示溫涂料測溫是在2片工件之間涂上低熔點(diǎn)的示溫涂料，磨削中工件內(nèi)部在較低的溫度下該涂料會熔化，因而可以測量出工件內(nèi)部距磨削表面不同深度的溫度.

因此，要發(fā)展和完善高效深磨熱模型，就要采取措施提高測磨削溫度的精度.

還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究. 而且試驗(yàn)也是檢驗(yàn)高效深磨中最佳工藝參數(shù)的最佳手段.

文獻(xiàn)[14]對低合金鋼51CrV4進(jìn)行了高效深磨的試驗(yàn)研究. 試驗(yàn)開始在平面磨床上進(jìn)行，切深較大(達(dá)5 mm)，砂輪線速較高(達(dá)146 m/s). 目的是研究磨削中比磨削能的大小，工件表面完整性以及砂輪的磨損. 發(fā)現(xiàn)磨削燒傷與磨削區(qū)臨界磨削熱密切相關(guān). 基于平面高效深磨的知識，外圓高效深磨也獲得了成功，這取決于磨削參數(shù)的正確選取和磨削液的正確供給，這時磨削液的供給量可明顯減少.

5 討論

在高效深磨中，比磨削能通常低于10 J/mm3，接近于金屬材料切屑熔化能. 這說明了高效深磨與淺磨和緩進(jìn)給磨削相比具有低的比磨削能，切屑帶走的熱量在總磨削熱中占很大比例.

而對于傳入工件的熱，由于高效深磨中的大傾斜角和高工作臺進(jìn)給速度的影響，傳入工件已加工表面的熱量減少. 而在磨削區(qū)有效地冷卻能將傳入工件的熱量減少到一個更低的水平，從而使工件可避免磨削燒傷.

磨削區(qū)中，磨削液從沸騰到被完全阻礙進(jìn)入磨削區(qū)的轉(zhuǎn)變強(qiáng)烈影響磨削區(qū)的溫度. 在達(dá)到沸騰條件時，液體傳熱因素極高；而被阻礙進(jìn)入磨削區(qū)后(即燒傷以后)液體傳熱急劇降低. 總之，磨削液的有效冷卻在高效深磨加工中是重要的.

在較全面的磨削熱分配模型中，磨削熱的分配比率也不同[5]. 在高效深磨條件下，隨著材料的比去除率的增大，分配給磨屑的磨削熱的比例Rch增大，而且可以說絕大部分磨削熱由磨屑帶走. 而隨著比去除率的增加，分配到工件的磨削熱Rw減少，同時，分配到磨削液中的磨削熱只占總磨削熱中的一小部分，也隨比去除率的增加而減少. 但是磨削液的充分供給有助于降低磨削能，也即是降低磨削熱的大小，這時磨削液主要是保證砂輪和工件之間有充分的潤滑.

在比去除率很高的條件下，分配到工件的磨削熱Qw值變得與磨屑溫度Tch有關(guān)[9]. 當(dāng)Tch升高到材料的熔點(diǎn)1 500 ℃時，Qw值下降到一個非常小的值；同樣，分配到工件的磨削熱的比例Rw也隨比去除率的增加而減小，最終會小于總磨削熱的10%，由此可見，在非常高的磨削溫度下，工件表面的磨削溫度會低到不會有磨削燒傷. 盡管在高效深磨條件下，磨削熱的量很高，但由于其分配給工件中的比例Rw低，再加上工件已加工面上的磨削溫度要比接觸面上低得多， 所以，工件已加工面上的磨削溫度會低到可以避免燒傷.

必須指出，在設(shè)計(jì)高效深磨工藝時，選擇合適的加工工藝參數(shù)是一個關(guān)鍵的因素. 只要選擇一個最優(yōu)的加工工藝參數(shù)，就能在很高的磨削加工材料去除率條件下，獲得好的工件表面完整性. 同時，在選擇一個好的磨削加工條件也能使磨削液的冷卻作用充分發(fā)揮出來.

當(dāng)然，砂輪的狀態(tài)也很重要. 砂輪抗磨損性能好，砂輪的自銳性好，砂輪修整效果好等，都對高效深磨工藝有好的影響.

由文獻(xiàn)[6]可知在高效深磨中，盡管砂輪與工件接觸面上的溫度很高，但工件已加工面上的溫度很低. 文中用三維和二維有限元對工件磨削溫度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)它們在預(yù)測工件已加工表面上的最高磨削溫度方面結(jié)果一致. 因此，一般高效深磨的熱問題可以用二維有限元模型進(jìn)行仿真分析，盡管二維有限元分析中運(yùn)用了工件為無限寬的假設(shè). 但三維有限元分析對具有復(fù)雜工件形狀的高效深磨很有效. 文中提出可以將磨削中工件寬度和切深之比最優(yōu)化，使磨削溫度的不利影響降到最低. 采用三維有限元進(jìn)行仿真分析高效深磨的瞬時熱傳遞，仿真結(jié)果和二維分析模型及試驗(yàn)測量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在最大接觸長度上獲得了穩(wěn)態(tài)的熱傳遞的條件. 對于鋼質(zhì)薄盤類零件，側(cè)壁對流冷卻對磨削區(qū)溫度影響極小. 外圓磨削在磨削寬度方向，磨削溫度明顯不同，在磨削寬度的尾部可能發(fā)生磨削液薄膜沸騰.

由文獻(xiàn)[11]可知，高效深磨加工的最顯著特征是：大的切深和很高的工作臺進(jìn)給速度(即工件速度). 這時，工件的傳熱很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值. 在砂輪與工件接觸面上的高溫不是考慮的關(guān)鍵問題，而最重要的是保證工件已加工表面不要燒傷. 在砂輪工件接觸面上，溫度梯度很大，因此工件大部分是與環(huán)境溫度一致的. 高的工件速度能減少分配到工件的熱能，而在磨削區(qū)磨削液的有效的冷卻能使分配到工件的熱能進(jìn)一步減少. 上面這些分析，就證明了在高效深磨加工中，保證工件不發(fā)生磨削燒傷是完全可能的. 研究不同工件速度下材料的去除率也是一個重要的問題.

在磨削過程中，工件和磨粒的熱特性是非常重要的. 當(dāng)優(yōu)化磨削參數(shù)時，根據(jù)工件的熱特性預(yù)測磨削熱的分配是非常重要的. 在高效深磨加工中，磨削中大部分熱被磨屑帶走，尤其是對于熱擴(kuò)散率高的工件，這時工件的溫度明顯下降. 但如果工件的熱擴(kuò)散率低，則磨削中被磨屑帶走的熱減少，被磨削液帶走的熱增加. 采用熱擴(kuò)散率高的金剛石砂輪進(jìn)行高效深磨加工是合適的. 因?yàn)榻饎偸拜啂ё叽蟛糠值臒? 工件已加工表面的溫度是總磨削熱和其分配到工件、砂輪、磨削液和磨屑的熱的函數(shù).

在高效深磨加工中，比磨削能之所以低，部分原因是由于高的比材料去除率(100～300 m2/s)，這時磨屑厚度很大，導(dǎo)致了磨粒的自銳作用增強(qiáng)，從而在磨削中磨粒的切削作用更有效，而其滑擦和耕犁作用大為減弱. 同時，另外部分原因是：在磨削剪切區(qū)，工件材料受熱變軟，主要是因?yàn)榉浅８叩膽?yīng)變率(變形速度)和接近絕熱的磨屑剪切工藝過程.

在磨削過程中， 磨削區(qū)磨粒與工件材料之間相互作用產(chǎn)生的高溫和高壓力， 引起工件材料產(chǎn)生不均勻的塑性變形、 熱應(yīng)力、 相變和化學(xué)變化等， 導(dǎo)致磨削后工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力. 磨削引起的殘余應(yīng)力可能改變磨削后工件的強(qiáng)度及抗磨損性.

殘余應(yīng)力一般用X射線衍射儀來測量. 機(jī)床導(dǎo)軌材料軸承鋼GCr15的高效深磨后，進(jìn)行了工件的殘余應(yīng)力測量. 殘余應(yīng)力測量結(jié)果顯示磨削后試件表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力. 一般軸承鋼GCr15零件產(chǎn)生疲勞裂紋對表面應(yīng)力狀態(tài)異常敏感，殘余壓應(yīng)力將會提高其疲勞強(qiáng)度，降低其產(chǎn)生疲勞裂紋. 殘余拉應(yīng)力的作用則正好相反. 所以提高磨削用量(即采用高的磨削參數(shù)，例如高效深磨)對該工件的磨削殘余應(yīng)力狀態(tài)是有利的.

6 結(jié)論

高效深磨技術(shù)的研究已經(jīng)在國際上取得了很大的進(jìn)展[15]. 但還存在下列一些問題需要研究：

a. 不同砂輪與工件材料磨削中砂輪的磨損率問題，該問題的解決有助于尋找適合高效深磨的工件材料及使用的砂輪.

b. 磨削液的熱傳導(dǎo)系數(shù)hf的正確估算是非常重要的.

c. 不同工件相同速度下材料的去除率也是一個重要的問題.

d. 選取合適的加工工藝參數(shù)，是高效深磨工藝成功的關(guān)鍵.

e. 采取措施提高測量磨削溫度的精度[12-13].研究新的高精度測量磨削溫度的方法. 且進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究.

f. 磨削溫度和燒傷的在線監(jiān)測研究[16].

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Research development in grinding temperature of high efficiency deep grinding

GUO Li1, LI Bo2
(1. National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The paper presents new development in grinding temperature of high efficiency deep grinding(HEDG), Analyses models, methods and test technology of grinding temperature in HEDG are given. The outlook of grinding temperature in HEDG is also given.

high efficiency deep grinding; grinding temperature; grinding temperature models; finite element method; test

TG 580.61+4

：A

1672-6146(2010)04-0040-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.04.012

2010-06-25

國家科技重大專項(xiàng)課題資助(2009ZX04014-045)

郭力(1964-), 男, 教授, 博士, 主要從事磨削研究工作.