劉業(yè)鳳 胡海濤 張 華 姚 俊 黃海濤 房小艷

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

(2上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093)

1 引言

磨削加工是精密加工和高硬材料加工的主要加工方法，磨削加工時(shí)多數(shù)熱量會傳入工件，僅有不到10%的熱量會被磨屑帶走。這些傳入工件的熱量在磨削過程中常來不及傳入工件深處，會聚集在工件表層里形成局部高溫和極大的溫度梯度(可達(dá)600—1 000℃/mm)［1］。如果不能及時(shí)、有效地對它們進(jìn)行降溫冷卻，不僅可能導(dǎo)致工件燒傷、合金元素的再沉積、表層物理化學(xué)性能的變化、應(yīng)力腐蝕、殘余拉應(yīng)力、表面次表面裂紋和疲勞壽命降低等缺陷，還會嚴(yán)重影響砂輪耐用度，縮短砂輪的使用壽命［1］。為降低磨削溫度，提升潤滑性能，延長砂輪使用壽命，通常會向磨削區(qū)域澆注大量切削液，但這些含有添加劑的切削液的大量使用會破壞自然環(huán)境，危害人體健康，也增加了制造成本［2-4］。因此，很有必要探索研究磨削加工的綠色降溫冷卻技術(shù)。

研究表明，低溫冷風(fēng)切削能夠顯著均勻降低切削區(qū)、刀具及工件的溫度，延長刀具的使用壽命，改善已加工表面質(zhì)量，適合鈦合金、不銹鋼、高硅鋁合金等難加工材料的高速切削加工［2-5］。橫川和彥等人［2］在水基切削液、常溫風(fēng)和低溫風(fēng)3種冷卻潤滑條件下，用硬質(zhì)合金銑刀以50 m/min的速度銑削中碳鋼時(shí)，觀察側(cè)刃后刀面的磨損發(fā)現(xiàn):常溫風(fēng)(+10℃)冷卻時(shí)，切削2 min后刀具磨損急劇增加;-30℃冷風(fēng)條件下，刀具的磨損過程較為平穩(wěn);而在采用切削液時(shí)，磨損量和磨損速率都較大，電鏡觀察表明這時(shí)刀面上產(chǎn)生了熱裂紋。在上述冷卻潤滑條件下，低溫風(fēng)冷卻時(shí)的銑刀耐用度分別是常溫風(fēng)冷和切削液冷卻時(shí)的1.5—2.0 倍。M Rahman 等人［2］發(fā)現(xiàn)在冷風(fēng)切削下，吹入冷風(fēng)的刀刃上由于較大的溫度梯度易形成裂紋。這表明采用低溫冷風(fēng)切削時(shí)并不是冷風(fēng)溫度越低越好，冷風(fēng)的溫度還存在這一個(gè)優(yōu)化值。任家?。?］對軸承鋼和45鋼分別采用水基切削液、自然冷卻和低溫冷風(fēng)3種不同冷卻方式進(jìn)行了對比切削試驗(yàn)。結(jié)果表明:低溫冷風(fēng)切削能獲得良好的冷卻效果，且隨著切削力和切削熱增大冷卻效果也變好。楊穎等人［2］通過對45鋼的干式切削和低溫冷風(fēng)切削對比實(shí)驗(yàn)，探討了低溫冷風(fēng)射流對切屑折斷的影響。通過實(shí)驗(yàn)獲得了最佳的冷風(fēng)射流吹入角度、冷風(fēng)溫度影響范圍和冷風(fēng)的工作壓力范圍，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。東北大學(xué)趙恒華等人［2］使用鋼瓶裝低溫高壓CO2氣體，通過導(dǎo)管輸送到磨削區(qū)域降溫冷卻，發(fā)現(xiàn)在冷氣壓力不大于1 MPa實(shí)驗(yàn)條件下，外冷卻的效果優(yōu)于內(nèi)冷卻，但隨著冷氣壓力的增加，內(nèi)冷卻的優(yōu)勢逐漸明顯。當(dāng)冷氣壓力達(dá)到1 MPa時(shí)，內(nèi)冷卻效果略優(yōu)于外冷卻。

由于影響試件磨削加工表面質(zhì)量的因素與低溫壓縮空氣、工件材料、砂輪及磨床參數(shù)等有關(guān)，因此研究各影響因素對磨削效果的影響、探討合理的磨削加工參數(shù)，對綠色磨削技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

2 低溫冷風(fēng)磨削實(shí)驗(yàn)裝置

低溫冷風(fēng)系統(tǒng)流程如圖1所示，該裝置由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、除油除水過濾器、高效除油過濾器、吸附式干燥機(jī)、除塵過濾器、金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)、制冷系統(tǒng)、電動閥、噴嘴等部分組成。環(huán)境空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)后進(jìn)入儲氣罐來存儲氣體并減少氣流脈動，然后進(jìn)入利用離心原理的除水除油過濾器來分離空氣中較大的油、水和固態(tài)微粒，初步凈化空氣;高效除油過濾器則是用來進(jìn)一步除去壓縮空氣中的油等雜質(zhì)。雜質(zhì)去除之后的壓縮空氣要經(jīng)過微熱型吸附式干燥機(jī)利用吸附劑氧化鋁干燥，并經(jīng)除塵過濾器除塵。制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器對壓縮干燥的空氣降溫冷卻;旁通閥用來連續(xù)協(xié)助調(diào)節(jié)噴嘴出口的冷風(fēng)溫度;最后處理完的低溫冷風(fēng)經(jīng)噴嘴送向加工區(qū)的試件和砂輪，對磨削區(qū)域進(jìn)行降溫冷卻。金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量壓縮空氣的流量;壓力表測量系統(tǒng)內(nèi)空氣壓力;使用T型熱電偶配合美國Agilent公司的34970A數(shù)字采集儀來采集溫度數(shù)據(jù)。

圖1 低溫冷風(fēng)磨削系統(tǒng)流程Fig.1 Schematic view of cooling-air grinding system

為了達(dá)到-80℃的蒸發(fā)溫度，實(shí)驗(yàn)裝置采用兩級復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，高溫級制冷劑為R410a，低溫級制冷劑為R23。采用高壓空氣的原因就是在高速磨削過程中，砂輪圓周上會形成具有一定速度和壓力的空氣邊界層，而傳統(tǒng)的澆注式冷卻方式下的磨削液并不能突破氣障層，有效地降低磨削區(qū)域溫度。

裝置性能測試表明:該裝置能夠提供溫度范圍-40 ℃至 -80 ℃、絕對壓力 0.3—0.6 MPa、流量范圍0—34 Nm3/h的低溫壓縮空氣。本文主要探討溫度、送風(fēng)壓力、進(jìn)給量及砂輪粒度對磨削質(zhì)量的影響，為未來低溫冷風(fēng)磨削替代傳統(tǒng)磨削做準(zhǔn)備。

3 低溫冷風(fēng)磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及環(huán)境

加工試件選用磨削常用材料40Cr，直徑100 mm，寬度18 mm，經(jīng)淬火后洛氏硬度為 HRC50—HRC52;砂輪為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，砂輪尺寸為直徑170 mm，寬度 20 mm;機(jī)床為萬能外圓磨床MK1432/H(見圖2);磨削加工時(shí)噴嘴距離磨削區(qū)距離為20 mm，環(huán)境溫度為20℃(見圖3)。

圖2 實(shí)驗(yàn)用磨床Fig.2 Grinding machine used in experiment

圖3 冷風(fēng)磨削照片F(xiàn)ig.3 View of cooling-air grinding

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 低溫冷風(fēng)溫度對磨削質(zhì)量的影響

在空氣相對壓力0.4 MPa，進(jìn)給量為2μm，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉(zhuǎn)速為15 r/min，砂輪粒度為140/170的條件下，通過調(diào)節(jié)低溫機(jī)組空氣側(cè)的旁通閥來改變噴嘴出口的溫度。通過改變噴嘴出口的低溫冷風(fēng)的溫度來進(jìn)行磨削試驗(yàn)，分析低溫冷風(fēng)溫度對磨削試驗(yàn)的影響。圖4和圖5所示為在上述條件下，改變噴嘴出口低溫冷風(fēng)的溫度對試件表面粗糙度及圓度的影響。

圖4 低溫機(jī)組出口空氣溫度對試件表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of outlet air temperature of cooling-air unit on specimen surface roughness

圖5 低溫機(jī)組出口空氣溫度對試件圓度的影響Fig.5 Effect of outlet air temperature of cooling-air unit on specimen roundness

由圖4和圖5可以看出:隨著噴嘴出口冷風(fēng)溫度的降低，磨削出來的試件表面粗糙度大小有波動，在低溫機(jī)組出口空氣溫度在-60℃—70℃范圍內(nèi)時(shí)，磨削出來的試件表面粗糙度最小。這說明冷風(fēng)溫度并不是越低越好，與文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果一致。另外，隨著低溫機(jī)組出口空氣溫度的降低，磨削出來試件的圓度也有較大的波動，但是在低溫機(jī)組出口空氣溫度為-60℃時(shí)，磨削出來的試件圓度值最小。因此在冷風(fēng)溫度為-60℃時(shí)，磨削后試件的表面粗糙度和圓度值最小，磨削質(zhì)量最佳。

3.2.2 噴嘴出口低溫冷風(fēng)壓力對磨削質(zhì)量的影響

在空氣溫度為-60℃，進(jìn)刀量為2μm，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉(zhuǎn)速為15 r/min，砂輪粒度為140/170條件下，調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力，進(jìn)行磨削試驗(yàn)。通過分析磨削試件的表面粗糙度、圓度等試驗(yàn)結(jié)果，分析空氣壓力對磨削質(zhì)量的影響，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 噴嘴出口空氣壓力對試件表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of air pressure of nozzle outlet on specimen surface roughness

圖7 噴嘴出口空氣壓力對試件圓度的影響Fig.7 Effect of air pressure of nozzle outlet on specimen roundness

結(jié)果表明:隨著冷風(fēng)壓力的增大，磨削出來的試件表面粗糙度值減小，加工的試件表面質(zhì)量越好，但總體上冷風(fēng)壓力對試件表面粗糙度影響不大。但低溫冷風(fēng)壓力的變化對磨削工件的圓度影響很明顯，隨著冷空氣壓力的升高，圓度值也逐漸增大，試件的磨削質(zhì)量越差。綜合考慮這兩個(gè)因素，噴嘴出口空氣壓力應(yīng)該控制在0.4 MPa，磨削出來的試件綜合質(zhì)量才能達(dá)到最理想。

3.2.3 磨削進(jìn)給量及砂輪粒度對磨削質(zhì)量的影響

在空氣相對壓力為0.4 MPa，空氣溫度為-60℃，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉(zhuǎn)速為15 r/min，砂輪粒度分別為140/170和120/140的條件下，通過調(diào)節(jié)機(jī)床操控平臺來改變磨削試件時(shí)的磨削進(jìn)給量進(jìn)行磨削試驗(yàn)。通過分析試件磨削質(zhì)量，分析磨削進(jìn)給量及砂輪粒度對磨削質(zhì)量的影響，結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 磨削進(jìn)給量對試件表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed amount on specimen surface roughness

圖9 磨削進(jìn)給量對試件圓度的影響Fig.9 Effect of feed amount on specimen roundness

試驗(yàn)結(jié)果表明:對于低溫冷風(fēng)磨削，磨削進(jìn)給量的變化對試件表面粗糙度的影響不大。但是采用140/170的砂輪加工出來試件的表面粗糙度比采用120/140砂輪加工的要小很多，磨削質(zhì)量要好，這與東華大學(xué)宋琬堯［2］的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致:砂輪粒度越大，磨粒越細(xì)，磨削試件的表面粗糙度越小。但在磨削進(jìn)給量為2μm時(shí)，140/170和120/140砂輪磨削出來的試件的圓度值最小，質(zhì)量最好。因此，綜合考慮表面粗糙度與圓度因素后可以確定，當(dāng)磨削進(jìn)給量為2μm時(shí)，試件的磨削質(zhì)量能達(dá)到理想的效果。

3.3 優(yōu)化磨削參數(shù)提高磨削質(zhì)量

參考上述磨削規(guī)律，對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，在低溫冷風(fēng)溫度-60℃，低溫空氣壓力0.4 MPa，磨削進(jìn)給量2μm，砂輪粒度140/170，并在最后進(jìn)行無火花磨削工藝時(shí)，工件表面粗糙度可以達(dá)到0.2μm甚至更高，達(dá)到采用傳統(tǒng)磨削加工方法的精磨標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

自行開發(fā)了一套低溫冷風(fēng)磨削裝置，磨削采用常見磨削材料40Cr，研究了溫度、壓力、進(jìn)給量及砂輪粒度對加工試件表面質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:低溫冷風(fēng)能夠有效降低磨削區(qū)域砂輪及工件的溫度，提高工件表面質(zhì)量，在使用140/170砂輪的情況下可使表面粗糙度低于0.3μm，在對各參數(shù)優(yōu)化組合后，工件表面粗糙度可以達(dá)到0.2μm甚至更高，達(dá)到采用傳統(tǒng)磨削加工方法的精磨標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明:通過對磨削參數(shù)的優(yōu)化組合，低溫冷風(fēng)磨削完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磨削液磨削，達(dá)到精磨標(biāo)準(zhǔn)。本研究對低溫冷風(fēng)磨削應(yīng)用的推廣具有重要意義。

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