蘇珍發(fā)，黃 輝，任小柯，廖信江

(1.廈門創(chuàng)云精智機(jī)械設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361006；2.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)

硬質(zhì)合金是由金屬碳化物(WC、TiC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)通過粉末冶金工藝燒結(jié)制備而成的一種合金材料[1-2]，具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、低沖擊韌性、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等系列優(yōu)越性能。由于硬質(zhì)合金本身具有強(qiáng)度高、硬度高、脆性大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)普通機(jī)械加工無法實(shí)現(xiàn)其高精度和高質(zhì)量要求[3]，采用金剛石砂輪磨削是其目前加工的主要工藝手段[4-6]。磨削加工過程中，由于絕大部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，引起磨削區(qū)溫度急劇升高。磨削區(qū)的高溫會(huì)造成工件發(fā)生不同形式的熱損傷，導(dǎo)致工件出現(xiàn)磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷[7]，直接影響工件的表面加工質(zhì)量、加工精度和加工效率。同時(shí)也會(huì)加速砂輪磨損，影響砂輪使用壽命。

目前已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行了磨削溫度的研究。胡超等[8]利用仿真方法得到硬質(zhì)合金磨削溫度場整體分布規(guī)律，研究了不同工況條件下磨削區(qū)和已加工表面的溫度變化。張東生[9]利用有限元數(shù)值仿真方法對(duì)硬質(zhì)合金磨削過程的傳熱進(jìn)行分析，同樣得到整體溫度場的分布規(guī)律以及磨削參數(shù)對(duì)溫度場的影響。王長清等[10]基于有限元法建立了單顆磨粒磨削模型，研究了軸類零件在單顆磨粒作用下的瞬態(tài)溫度分布，并對(duì)比分析了兩種不同形狀磨粒對(duì)軸類零件磨削溫度的影響。吳玉厚[11]通過磨削氮化硅陶瓷實(shí)驗(yàn)分析磨削熱特性對(duì)氮化硅陶瓷表面成形的影響。李霞等[12]通過分析磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響，基于此研究了磨削溫度對(duì)氮化硅陶瓷表面裂紋擴(kuò)展的影響，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)哪ハ鳒囟葘?duì)陶瓷亞表面裂紋擴(kuò)展有抑制作用。吳丹等[13]研究了3種不同溝槽形貌的結(jié)構(gòu)化砂輪對(duì)細(xì)長桿外圓磨削性能的影響，對(duì)比分析了磨削力、磨削溫度以及磨削后工件表面質(zhì)量，結(jié)果表明合理的溝槽參數(shù)可有效降低工件表面磨削溫度。徐正亞[14]分別使用感應(yīng)釬焊金剛石砂輪和電鍍金剛石砂輪進(jìn)行YG6硬質(zhì)合金磨削試驗(yàn)，研究了磨削深度和進(jìn)給速度對(duì)工件表面磨削溫度的影響。

軸向進(jìn)給磨削方法是類比軸類零件在采用外圓縱向磨削加工[15]時(shí)的砂輪與工件運(yùn)動(dòng)關(guān)系(圖1)，工件隨工作臺(tái)作軸向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向垂直于砂輪端面[16]，適用于硬質(zhì)合金細(xì)長軸類零件的外圓加工。目前尚無關(guān)于此類磨削加工的溫度研究報(bào)道。

本文以GU20硬質(zhì)合金為磨削對(duì)象，采取軸向進(jìn)給磨削的方法，進(jìn)行不同工藝參數(shù)(磨削深度、砂輪線速度和進(jìn)給速度)下的磨削實(shí)驗(yàn)，分析軸向進(jìn)給磨削接觸面積對(duì)磨削功率和磨削溫度的影響規(guī)律，并建立磨削溫度經(jīng)驗(yàn)公式，定量表征磨削溫度與工藝參數(shù)的關(guān)系，揭示工藝參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)條件

因?qū)嶋H磨削細(xì)長軸類零件時(shí)的溫度難以測量，因此本磨削實(shí)驗(yàn)在德國BLOHM公司的高速數(shù)控磨床HP-408上進(jìn)行，磨削過程中砂輪一方面做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(vs)，另一方面沿軸線方向?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(vf)。切深相比于砂輪半徑較小，因此忽略切深造成的砂輪不同位置的線速度變化，均以砂輪邊緣速度vs作為砂輪與工件接觸時(shí)的砂輪速度。磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖如圖2所示。磨削過程中使用水基乳化液進(jìn)行冷卻。

磨削工件選用廈門金鷺特種合金有限公司生產(chǎn)的GU20牌號(hào)硬質(zhì)合金，尺寸為30 mm×30 mm×20 mm，如圖3。其基本機(jī)械物理性能見表1。磨削所用砂輪為金屬(銅錫合金)結(jié)合劑金剛石砂輪，型號(hào)為400×18×127×5×5-D91，金剛石磨粒粒度號(hào)為230#，濃度為150%，實(shí)驗(yàn)中所改變的工藝參數(shù)范圍見表2。

表1 GU20機(jī)械物理性能表Table 1 List of mechanical and physical properties of GU20

表2 硬質(zhì)合金磨削工藝參數(shù)表Table 2 List of cemented carbide grinding process parameters

采用熱電偶夾絲法對(duì)磨削溫度進(jìn)行測量，熱電偶使用標(biāo)準(zhǔn)K型薄片式熱電偶，單片電極厚度為15 μm，兩電極之間以及電極與硬質(zhì)合金之間分別用厚度為12 μm的絕緣膜進(jìn)行絕緣，夾絲示意圖如圖2所示。用DEWEsoft高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，并將信號(hào)傳輸電腦。設(shè)置采樣頻率為20 kHz。

2 結(jié)果分析

2.1 磨削溫度典型信號(hào)分析

圖4是所測得的磨削溫度信號(hào)通過10 Hz的低通濾波后得到的典型硬質(zhì)合金磨削溫度信號(hào)。從圖4中可以看出，整個(gè)磨削過程中，溫度曲線呈先上升后下降的趨勢(shì)，以最高點(diǎn)為界呈大致左右對(duì)稱分布。在后續(xù)分析時(shí)，選取溫度曲線的最大值作為相應(yīng)工藝參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行分析。

2.2 磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響

圖5顯示了磨削深度對(duì)磨削溫度的影響。從圖5中可以看出，磨削溫度的變化范圍在41.86℃～114.42℃之間。當(dāng)砂輪線速度和進(jìn)給速度一定時(shí)，磨削溫度隨磨削深度的增加而升高。隨著磨削深度增加，砂輪與工件的接觸弧長增加，單位時(shí)間的材料去除率增大，消耗的能量也隨之增大，在接觸弧區(qū)內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量，從而導(dǎo)致磨削溫度升高。

圖6顯示了工件進(jìn)給速度對(duì)磨削溫度的影響。從圖6中可以看出，當(dāng)磨削深度和砂輪線速度一定時(shí)，磨削溫度隨進(jìn)給速度的增加略有所升高，但是變化趨勢(shì)非常不顯著。隨著進(jìn)給速度的增加，材料去除率增加。但砂輪與工件的磨削接觸弧長不變，磨削接觸面積不變，磨削弧區(qū)內(nèi)的總磨粒數(shù)基本不變。因此在進(jìn)給速度變化范圍不大的情況下，磨削溫度的變化也不明顯。

圖7顯示了砂輪線速度對(duì)磨削溫度的影響。從圖7中可以看出，當(dāng)磨削深度和進(jìn)給速度一定時(shí)，磨削溫度隨砂輪線速度的增加而降低。當(dāng)切深較小時(shí)，磨削溫度隨線速度的降低并不明顯，但隨著切深的增加，磨削溫度隨線速度的降低更為顯著。這一變化與常規(guī)平面磨削中，線速度對(duì)溫度的影響有所不同。與常規(guī)磨削不同，隨著切深的增加，砂輪與工件的接觸面積也隨之增加，因此有可能增加了熱量傳遞到工具上的比例，從而導(dǎo)致磨削溫度的降低。

2.3 磨削溫度經(jīng)驗(yàn)公式建立

為了定量表征磨削溫度與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)磨削過程做出定量分析和預(yù)測，采取建立基于磨削實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式方法。在傳統(tǒng)磨削溫度經(jīng)驗(yàn)公式中，磨削溫度與工藝參數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：K為系數(shù)，α、β、γ為指數(shù)。

針對(duì)GU20硬質(zhì)合金，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用概率統(tǒng)計(jì)法中的回歸分析和方差分析進(jìn)行多因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到磨削溫度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(2)

從經(jīng)驗(yàn)公式的指數(shù)系數(shù)可以看出，磨削深度對(duì)磨削溫度的影響是正指數(shù)效應(yīng)，即磨削深度增加，磨削溫度升高；砂輪線速度對(duì)磨削溫度的影響是負(fù)指數(shù)效應(yīng)，即砂輪線速度增加，磨削溫度降低；進(jìn)給速度對(duì)磨削溫度的影響是正指數(shù)效應(yīng)，但指數(shù)系數(shù)較小，可以認(rèn)為，進(jìn)給速度增加，磨削溫度基本保持不變。從指數(shù)系數(shù)的大小來看，磨削深度對(duì)磨削溫度的影響程度最大，進(jìn)給速度對(duì)磨削溫度的影響程度最小。

2.4 軸向進(jìn)給磨削功率分析

磨削功率的產(chǎn)生熱量的主要原因。在軸向進(jìn)給磨削過程中，根據(jù)砂輪與工件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可知，磨削功率的產(chǎn)生有兩方面，一方面是砂輪高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中切向力所產(chǎn)生的功率W1，另一方面是軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過程中軸向力所產(chǎn)生的功率W2。分別可由式(3)、式(4)求得：

W1=Ft·vs

(3)

W2=Fa·vf

(4)

式中：Ft為切向力，F(xiàn)a為軸向力，其方向如圖2所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用9257B壓電測力儀實(shí)時(shí)測量了不同工藝參數(shù)下的磨削切向力和軸向力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測量的切向力和軸向力，結(jié)合式(3)、式(4)，可以計(jì)算出不同加工工藝參數(shù)下切向力產(chǎn)生的功率W1和軸向力產(chǎn)生的功率W2。

圖8顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩部分磨削功率變化對(duì)磨削溫度的影響。從圖8可知，磨削溫度大致隨磨削功率的增加而升高。這是因?yàn)槟ハ鞴β试黾?，產(chǎn)生的能量增加，當(dāng)流入到工件的能量比例大致保持不變的情況下，磨削溫度隨之升高。但磨削溫度隨兩部分磨削功率增加而增大的斜率并不相同，從擬合曲線可以看出，磨削溫度隨砂輪線速度產(chǎn)生的功率W1的增速曲線斜率小于磨削溫度隨進(jìn)給速度產(chǎn)生的功率W2的增速曲線斜率。這是因?yàn)殡S著砂輪線速度的增加，切向力減小，而消耗功率為兩者的乘積，因此所產(chǎn)生的總能量增加得不多。隨著進(jìn)給速度的增加，軸向力基本不變，因此砂輪線速度增加而產(chǎn)生的功率W1增速小于進(jìn)給速度增加而產(chǎn)生的功率W2增速。

4 結(jié)論

(1)在軸向進(jìn)給磨削硬質(zhì)合金工藝方法中，磨削溫度在41.86℃～114.42℃之間.

(2)磨削溫度隨磨削深度的增大而升高，隨砂輪線速度的增大而降低，隨進(jìn)給速度的增大而基本保持不變。

(3)進(jìn)給速度的磨削功率變化對(duì)磨削溫度的影響比線速度的磨削功率變化對(duì)磨削溫度的影響更為顯著。