張 嵐 丁元法 霍文國(guó)② 蘇向東

(①貴州省新材料研究開發(fā)基地，貴州 貴陽(yáng) 550002； ②天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；③貴州省輕金屬材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550003)

鈦合金應(yīng)用最為廣泛，在眾多材料中具有較小的密度和較高的強(qiáng)度，機(jī)械性能、韌性及抗蝕性都很好，但鈦合金磨削加工性相對(duì)較差。傳統(tǒng)的磨削工藝通過使用大量冷卻液降低加工區(qū)域溫度，不僅給環(huán)境和操作者帶來健康隱患，并且增加了回收成本。綠色加工是現(xiàn)代機(jī)械加工過程中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和成本的前提下，減少對(duì)周圍環(huán)境、污染等影響的加工方式[1-2]。大力發(fā)展綠色加工技術(shù)，杜絕或減少冷卻液的使用，可以充分降低對(duì)加工現(xiàn)場(chǎng)和生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，能夠?qū)崿F(xiàn)能源節(jié)約，有利于環(huán)境保護(hù)，實(shí)施機(jī)械加工綠色化勢(shì)在必行[3-5]。綠色磨削加工技術(shù)大致有全干式磨削技術(shù)、微量潤(rùn)滑技術(shù)、液氮冷卻技術(shù)、氣體射流冷卻技術(shù)、內(nèi)冷卻技術(shù)、固體潤(rùn)滑技術(shù)等等[6-11]。

本文設(shè)計(jì)并制作出一種葉輪式自潤(rùn)滑單層CBN砂輪及其冷卻介質(zhì)輸送系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)由輸送管道進(jìn)入砂輪內(nèi)部，在砂輪內(nèi)部葉輪的驅(qū)動(dòng)下冷卻介質(zhì)直接噴出到磨削表面，并以固定角度噴向磨削弧區(qū)，實(shí)現(xiàn)用少量冷卻介質(zhì)控制磨削區(qū)域砂輪與工件產(chǎn)生的磨削熱，抑制磨削燒傷，保護(hù)工件，提高砂輪壽命。

1 單層CBN砂輪制備

1.1 方案設(shè)計(jì)

葉輪式自潤(rùn)滑單層CBN外圓砂輪主要由砂輪基體、砂輪軸、軸承、葉輪、端蓋和冷卻介質(zhì)輸送銅管等零件組成。砂輪基體表面為單層立方氮化硼(CBN)，CBN粒度選擇為80/100目，砂輪磨粒濃度75%。砂輪基體安裝在砂輪軸上，砂輪軸通過軸承與葉輪相連，葉輪上方安裝砂輪端蓋，端蓋上加工有潤(rùn)滑劑流道孔，該孔通過銅管與冷卻介質(zhì)輸送系統(tǒng)相連?；w與砂輪軸分離的好處在于當(dāng)基體使用完全磨損后，可以直接換掉基體。

冷卻介質(zhì)輸送系統(tǒng)由壓力泵、橡膠管、銅管、控制電路和溫度傳感器等部分組成。潤(rùn)滑介質(zhì)通過壓力泵進(jìn)入砂輪內(nèi)腔，并在砂輪內(nèi)腔葉輪壓力的作用下由砂輪表面析出微孔進(jìn)入磨削弧區(qū)。通過測(cè)得溫度的高低控制冷卻泵供給冷卻介質(zhì)流量的大小。

1.2 內(nèi)噴單層CBN砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)砂輪都是冷卻介質(zhì)從外部直接給到砂輪與工件加工表面，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)磨削的過程中冷卻介質(zhì)不易進(jìn)入磨削弧區(qū)，因此磨削溫度較高，加工工件表面質(zhì)量差，而內(nèi)噴CBN砂輪就恰恰解決了這樣的難題。冷卻液在冷卻泵的加壓下連續(xù)進(jìn)入到砂輪機(jī)體內(nèi)，通過砂輪內(nèi)部葉輪設(shè)計(jì)口噴出，進(jìn)而精準(zhǔn)地對(duì)磨削弧區(qū)進(jìn)行冷卻。

砂輪軸直徑為20 mm，砂輪基體外徑為60 mm，高度為30 mm，微孔直徑為1.5 mm，冷卻介質(zhì)進(jìn)口直徑為6 mm。內(nèi)噴單層CBN砂輪是利用冷卻泵加壓冷卻液進(jìn)入砂輪內(nèi)部，然后由砂輪內(nèi)部噴出冷卻介質(zhì)，使其達(dá)到磨削加工時(shí)降低磨削溫度，工件不被燒傷，冷卻工件。砂輪基體如圖1所示，單層電鍍CBN砂輪如圖2所示。

砂輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，一部分冷卻介質(zhì)從砂輪微型孔中甩出，達(dá)到一級(jí)冷卻效果。如果一級(jí)冷卻效果達(dá)不到預(yù)期的冷卻效果，磨削溫度將超過預(yù)期值。此時(shí)，系統(tǒng)起動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，把采集到的溫度電信號(hào)傳輸給溫控系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)到冷卻泵，驅(qū)動(dòng)冷卻泵將冷卻介質(zhì)供給給砂輪內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)磨削溫度的降低。

1.3 砂輪表面形貌

圖3所示為電鍍單層CBN砂輪表面磨粒區(qū)域的微觀形貌圖，圖4則為冷卻液噴出微孔區(qū)域的微觀形貌圖。由兩圖可以看出，制作的砂輪表面磨粒分布較為均勻，電鍍單層CBN砂輪磨粒的等高性和出露性較好，未見明顯磨粒破損和脫落。

2 中心內(nèi)噴單層CBN砂輪性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)機(jī)床為SZ-1800V型數(shù)顯銑床，夾具為自制夾具，選定的工件材料是TC4鈦合金。冷卻系統(tǒng)為自制可控內(nèi)噴冷卻裝置。

2.2 磨削溫度的影響

采用頂絲法測(cè)量鈦合金在磨削過程中磨削弧區(qū)的溫度。工件上鉆有φ1 mm的孔，孔底部與工件表面距離為1 mm。首先將熱感應(yīng)器安裝到鈦合金工件內(nèi)孔，采用高溫膠密封固定。當(dāng)砂輪與工件進(jìn)行磨削時(shí)，產(chǎn)生大量的熱，并通過熱傳導(dǎo)的方式把熱能傳遞給鈦合金內(nèi)部的熱傳感器，傳感器感受到工件溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，產(chǎn)生的電信號(hào)通過電荷放大器傳遞給NI USB-6211信號(hào)采集卡。實(shí)驗(yàn)過程中，利用測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)出在不同磨削深度下，工件表面產(chǎn)生的不同溫度來控制冷卻液的流量的大小，在溫度高于設(shè)定的50 ℃時(shí)冷卻液開啟，對(duì)鈦合金工件進(jìn)行冷卻，當(dāng)冷卻溫度低于20 ℃時(shí)冷卻液慢慢停止，這樣就保證在可控制的范圍內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行有效的冷卻。

工件磨削表面溫度與磨削深度的關(guān)系如圖5所示。由圖可見，在磨削深度從0.02 mm到0.2 mm的過程中，磨削溫度逐漸升高，但直接使用碳化硅砂輪磨削的溫度高于內(nèi)噴砂輪磨削溫度。這是由于內(nèi)噴砂輪在磨削過程中，冷卻介質(zhì)由砂輪內(nèi)部直接噴涂到砂輪表面，冷卻潤(rùn)滑減摩效果良好。

2.3 工件磨削表面粗糙度

圖6為工件磨削表面粗糙度與磨削深度的關(guān)系。由圖可見，在磨削深度從0.02～0.2 mm的過程中，工件表面粗糙度值總體上呈增大趨勢(shì)。這是由于增大磨削深度時(shí)使單位時(shí)間內(nèi)磨削的材料增加，消耗的能量增多，使單顆磨粒未變形而磨削厚度變大，導(dǎo)致磨削力增大，因此表面粗糙度值增大。單層內(nèi)噴CBN砂輪磨削工件表面粗糙度值總體上小于直接磨削的碳化硅砂輪，內(nèi)噴冷卻介質(zhì)砂輪內(nèi)部冷卻介質(zhì)持續(xù)地噴出使磨粒切削刃能長(zhǎng)時(shí)間保持鋒銳，切削性能好，易于獲得較小的表面粗糙度值。

2.4 砂輪微觀表面形貌

使用高倍顯微鏡觀察磨削后砂輪表面典型立方氮化硼磨粒的高度與寬度，并對(duì)比磨削前后的變化，具體數(shù)值如表1所示。

表1 磨削前后磨粒值對(duì)比表

項(xiàng)目高度值/μm寬度/μm磨削前12946530磨削后95983105差值33423425

由表1數(shù)值可知：在立方氮化硼與鈦合金的磨削實(shí)驗(yàn)中，砂輪表面磨粒高度差33.42 μm，砂輪磨粒的高度變化并不是特別大，所以只有一小部分磨粒在磨削過程中發(fā)生了磨粒的磨損。但是磨損磨粒會(huì)發(fā)生自銳現(xiàn)象，因此砂輪的磨削效果不會(huì)受到太大的影響。

3 結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了一種中心內(nèi)噴潤(rùn)滑介質(zhì)砂輪基體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行表面電鍍立方氮化硼磨粒，完成了磨削鈦合金的實(shí)驗(yàn)，研究了內(nèi)噴潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)砂輪磨削性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磨削深度在0.02～0.2 mm的范圍內(nèi)，隨著磨削深度的增加，工件表面溫度與表面粗糙度值增大，而內(nèi)噴砂輪的表面層溫度與粗糙度值皆小于普通碳化硅砂輪。在磨削過程中，只有少部分磨粒發(fā)生磨損，磨損磨粒會(huì)發(fā)生自銳現(xiàn)象，所以砂輪的磨削效果不會(huì)受太大影響。綜上所述，采用冷卻介質(zhì)內(nèi)噴砂輪技術(shù)能夠提高砂輪的磨削加工性能，用少量的冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)理想的冷卻效果，降低磨削溫度，實(shí)現(xiàn)綠色磨削。

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