韓昭，曹蔚，陳子琦，閆建穎，吳佳軍，胡盈盈，瞿金秀，張曼

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

磨削加工技術(shù)適用于難加工材料，比如GH4169鎳基高溫合金，但其在磨削時最高溫度可達(dá)800 ℃以上，不僅會燒傷表面，而且會以熱應(yīng)力的形式造成表面質(zhì)量嚴(yán)重降低。因此，為了提高被加工工件表面質(zhì)量，研究磨削溫度的分布特性及其影響因素具有十分重要的意義。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對磨削溫度場及其分布特性進(jìn)行了大量的研究。馬宏亮、李長河[1]采用砂輪、磨削液一體化的能量分配模型，并對多種能量分配模型進(jìn)行比較和總結(jié)，但是沒有考慮到砂輪自身參數(shù)。LAVISSE等[2-3]用熱電偶測溫的方法研究了流量等冷卻潤滑參數(shù)對磨削溫度的影響，得到流量和噴射速度對磨削區(qū)溫度影響，但該方法對被測量工件具有破壞性，從而會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。尹國強(qiáng)等[4]將紅外熱成像儀應(yīng)用于磨削溫度的試驗數(shù)據(jù)采集，并分析了冷卻潤滑介質(zhì)對表面微觀形貌的影響，但沒用紅外熱成像云圖分析表面溫度分布特性。YIN等[5-6]在ROWE[7]的研究基礎(chǔ)上繼續(xù)使用三角形熱源模型，但未對磨削接觸表面以下的溫度數(shù)值走向進(jìn)行研究。綜上所述，目前的研究沒有準(zhǔn)確考慮到砂輪參數(shù)對溫度的影響特性，并且無論是熱電偶法還是熱成像法都無法對磨削溫度特性進(jìn)行直觀的體現(xiàn)，前者對被測物件更是具有破壞性。

本文作者基于砂輪參數(shù)(組織號、粒度、尺寸、導(dǎo)熱性、密度等)，提出了改進(jìn)的砂輪磨削液一體化熱分配模型，并基于此模型建立高溫合金磨削加工溫度場的有限元模型。同時采用紅外熱成像法對試件在無損測量的基礎(chǔ)上，提出一種基于熱成像法研究試件表面溫度分布特性的手段，并對熱流擴(kuò)散進(jìn)行了研究，將此結(jié)果與有限元法得出的結(jié)果在單點最高溫度和溫度分布兩個方面進(jìn)行對比和分析。并利用表面形貌對加工質(zhì)量進(jìn)行了驗證，得到了不同加工參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，可以為實際加工提供預(yù)測，并為實際加工從數(shù)值參數(shù)和優(yōu)化處理兩方面提供了參考。

1 平面磨削溫度場熱量分配模型

ROWE[7]在對典型工程材料有效磨削進(jìn)行深度研究之后，提出一個理論上的假設(shè)，即將磨削產(chǎn)生的熱流分為4份，然后分別計算出不同導(dǎo)熱介質(zhì)對熱量的分配系數(shù)。圖1和式(1)分別為其理論分布示意和熱量分配式。

圖1 磨削溫度場熱分布模型

qt=qw+qs+qf+qch

(1)

式中：qt和qs、qw、qf、qch分別表示磨削中產(chǎn)生的總熱量以及熱源區(qū)域傳給砂輪、工件、切屑和冷卻劑的熱量。

在真實加工環(huán)境下，砂輪的旋轉(zhuǎn)會將流到工件與砂輪夾角處的磨削液帶入磨粒間隙，當(dāng)磨削液所在區(qū)域接觸到工件時，它會與磨削區(qū)域產(chǎn)生快速對流換熱效應(yīng)，所以文中將砂輪表層和磨削液視為混合體，而砂輪的規(guī)格影響著混合體的參數(shù)，所以其一體化模型的熱屬性如下：

Vg=2(32-S)÷100

(2)

ks=Vg×kg+(1-Vg)×kl

(3)

(ρc)s=Vg×(ρc)g+(1-Vg)×(ρc)l

(4)

式中：Vg為磨粒率；S為組織號；k為導(dǎo)熱率；ρ為密度；c為比熱容；下標(biāo)s、g、l分別代表砂輪、白剛玉、磨削液。

砂輪與試件接觸曲面的總熱量可以用瞬時產(chǎn)生的功率來計算[8]，如式(5)所示：

1.4.1 s-100止血綾護(hù)理組 采用在局部麻醉下行痔核外剝內(nèi)扎切除術(shù)，手術(shù)完畢后，將紗布塞入肛門后再將s-100吸收性止血綾貼敷于創(chuàng)面處，然后常規(guī)用紗布及膠布壓迫創(chuàng)面止血。術(shù)后全身應(yīng)用抗生素藥物預(yù)防感染，24 h后予創(chuàng)面換藥。

(5)

式中：Ft為平均切向磨削力；vs為砂輪速度；vw為工件速度；lg為磨削區(qū)域接觸弧長；b為砂輪寬度。

而磨削過程由接觸面的單個磨粒完成，假設(shè)磨粒之間為均勻分布，并且磨粒直徑為砂輪粒度參數(shù)下的平均直徑Dmean，如圖2所示，那么接觸面磨粒數(shù)N為

圖2 砂輪磨粒分布模型

(6)

(7)

微觀狀態(tài)下磨粒切削所產(chǎn)生的碎屑分散的熱量可用極限磨削能ech[9]來表達(dá)：

(8)

結(jié)合式(2)—(4)可得傳入工件的熱量比例[10]εw為

(9)

所以傳入工件的熱流密度qw為

(10)

2 平面磨削有限元建模及其仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

利用ABAQUS建立磨削溫度場有限元模型[11]。將表1[12]和表2的數(shù)據(jù)[13-14]導(dǎo)入材料屬性欄。此外，將試件模型尺寸設(shè)定為和實物一樣大小的塊狀物體，長、寬、高分別為30、20、15 mm。

表1 GH4169的材料屬性[12]

表2 磨削液和白剛玉磨粒的熱性能[13-14]

2.2 邊界條件及其載荷

圖3 網(wǎng)格劃分及載荷施加

(11)

(12)

式中:X為第一個接觸弧長在x方向的長度變量。

2.3 仿真求解

設(shè)計三因素三水平全因子試驗參數(shù)，如表3所示，并用ABAQUS對每組參數(shù)進(jìn)行仿真。圖4為試件溫度仿真結(jié)果，可以看到在寬度方向溫度差異極小，而磨削接觸區(qū)溫度變化較大，隨著工件移動，三角形熱源也在移動，接觸后的高溫會在熱源附近形成較大的梯度。

表3 全因子試驗參數(shù)與水平

圖4 有限元瞬態(tài)溫度場分布云圖(ABAQUS)

3 磨削試驗

3.1 試驗設(shè)備與方案

此次試驗選用MYH3070液壓傳動磨床(主軸轉(zhuǎn)速1 450 r/min)精磨試件，選擇P200×20×127WA80L5V15白剛玉砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速為15.18 m/s。采用德國德圖生產(chǎn)制造的testo868紅外熱成像儀進(jìn)行圖像采集，其測量范圍為-25～650 ℃，精度為±2 ℃，并且有相對完善的后處理功能。兩種磨削液都采用5%的配比方案?？傮w試驗設(shè)備如圖5所示。

圖5 試驗設(shè)備及數(shù)據(jù)采集

3.2 試驗數(shù)據(jù)采集及結(jié)果演示

將27次試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯簾o論是熱源分布還是溫度場的分布，都與有限元結(jié)果非常相似，這也為文中研究溫度場提供了參考。

4 結(jié)果驗證及分析

4.1 加工參數(shù)對磨削溫度的影響

如圖7所示，切深增大時，仿真和試驗均呈現(xiàn)出近似正比例的趨勢。其機(jī)制為：砂輪縱向進(jìn)給量增加導(dǎo)致微觀狀態(tài)下單顆微粒切削厚度增加，白剛玉微粒與試件在犁耕階段兩側(cè)包絡(luò)面增加，所以切向力和材料去除率同時增加，這使得宏觀狀態(tài)下的接觸區(qū)域生成的熱能增多，從而溫升大大增加。

圖7 磨削深度對磨削溫度的影響 圖8 工件速度對磨削溫度的影響

當(dāng)工作臺橫向移動速度增大時，仿真和試驗溫度都呈現(xiàn)上升趨勢，如圖8所示。其機(jī)制是：工作臺橫向移動速度增加，除去相同材料所花時間變少，單位時間生成熱能增加。試驗數(shù)據(jù)顯示工作臺移動速度高于0.24 m/s后，升高速率變慢，這是因為試件與砂輪滑擦相同的距離所花時間變少，導(dǎo)致隨碎屑流失的熱能增大，但總體而言還是處于上升的趨勢。

從圖9可以得到，相對于干磨環(huán)境下的溫升幅度，水基和油基磨削液分別使溫度降低了67.01%和81.46%。其機(jī)制為：干磨條件下磨削接觸區(qū)域只能與空氣對流換熱來散熱，而磨削液可以加快熱量散失。其中，水基更利于換熱，油基更適用于冷卻潤滑和抗氧化場合，所以后者降溫效果較差。此外，磨粒與工件之間為微量切削，產(chǎn)生的切屑有一部分會嵌入磨粒空隙中，而磨削液會將碎屑及時沖走，降低接觸區(qū)溫度。將前兩小節(jié)極差結(jié)果與此結(jié)果對比，加工參數(shù)對溫度的影響程度大小次序為：冷卻潤滑環(huán)境>磨削深度>工件速度。

圖9 冷卻潤滑環(huán)境對磨削溫度的影響

4.2 試件表面溫度分布研究及驗證

圖10分別演示了有限元數(shù)據(jù)測量方案及試驗數(shù)據(jù)測量方案，其中ABAQUS采用節(jié)點數(shù)據(jù)輸出并導(dǎo)入Origin繪制，試驗數(shù)據(jù)采用指定區(qū)域測量法，直接用等長直線讀取數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Origin進(jìn)行繪制。

圖10 數(shù)據(jù)測量方案

圖11為第2組試驗(干磨，ae=0.045 mm，vw=0.18 m/s)工件表面溫度分布，無論是有限元分析結(jié)果還是試驗數(shù)據(jù)都表明靠近熱源區(qū)域的溫度較高，在離表面不同深度處都是如此。這是因為熱源移動過的區(qū)域還存在余溫，這些余溫會和新的熱源產(chǎn)生的溫升相疊加，這導(dǎo)致在實際的磨削加工中，如果加工大余量工件，連續(xù)磨削會使熱量來不及擴(kuò)散，上表面溫度會迅速上升，有時甚至?xí)_(dá)到800 ℃以上，嚴(yán)重?zé)齻ぜ?，所以在加工大余量試件時需要及時進(jìn)行降溫處理，避免造成溫度場疊加從而燒傷試件。

圖11 工件表面磨削溫度分布

從試驗數(shù)據(jù)可以得出：工件左側(cè)1 cm范圍和靠近右側(cè)1 cm范圍內(nèi)溫度都從120 ℃開始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內(nèi)都是高溫區(qū)域(120～300 ℃)，仿真結(jié)果向左偏移了2 mm，不過同樣表現(xiàn)出高溫主要出現(xiàn)在中心區(qū)域。

4.3 試件縱向溫度分布研究及驗證

對4組不同加工參數(shù)下的熱點(溫度最高點)以下區(qū)域進(jìn)行測溫，如圖12所示，沿深度方向的距離與磨削溫度大致呈反比例函數(shù)。

圖12 磨削溫度在深度方向的分布

將降溫幅度和測量距離的比值進(jìn)行比較，斜率從上到下分別有3個不同的階段：第一段降得非?？欤坏诙稳匀灰院芸斓乃俣认陆?，不過其下降速率變緩；第三段以一個很平緩的速率逐漸趨近于一個穩(wěn)定的數(shù)值。用多項式擬合法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最靠近表面的7個單位長度溫差為162.6 ℃，而靠后的7個單位長度溫差只有44.94 ℃，以上均說明磨削高溫所影響的深度大約只存在于溫度影響深度的前1/3，這與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)，但是主要還是與磨削熱的分布有關(guān)。所以在實際加工時，可以參考此次試驗，預(yù)留3 mm深度用來精磨加工，以減小溫度影響范圍，保證表面質(zhì)量。

4.4 冷卻介質(zhì)對表面完整性的影響

冷卻潤滑介質(zhì)不同導(dǎo)致溫度和潤滑效果有明顯的差異，而這些差異最終作用于試件表面。圖13為相同加工參數(shù)不同冷卻介質(zhì)下的磨削表面微觀形貌圖。相比之下，油基磨削液和水基磨削液明顯有很好的降溫效果，表面沒有不規(guī)則劃痕，油基磨削液除控制溫度外還有較強(qiáng)的潤滑性能，使表面更為光滑。因此，在實際加工時，在溫度可控的情況下應(yīng)選取油基磨削液進(jìn)行冷卻潤滑。而在干磨條件下，溫度達(dá)到391.7 ℃，部分表面劃痕出現(xiàn)間斷，這是因為：(1)表面磨屑無法及時沖走，通過砂輪擠壓可能附著在表面；(2)沒有降溫處理，材料受熱較高硬度會發(fā)生變化，去除材料時有沾附現(xiàn)象；(3)沒有任何潤滑措施，磨粒切削表面材料更易留下毛刺。

圖13 不同潤滑條件下的磨削表面微觀形貌

5 結(jié)語

利用有限元技術(shù)仿真了GH4169高溫合金在各加工工況下的磨削溫度場，并提出一種基于紅外熱成像技術(shù)的驗證手段對溫度場進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)有限元結(jié)果和試驗結(jié)果非常接近，影響磨削溫度的因素主次順序為：冷卻潤滑環(huán)境>磨削深度>工件速度，最優(yōu)加工參數(shù)為：磨削深度0.02 mm，工件速度0.18 m/s，采用油基磨削液。

(2)靠近工件左側(cè)1 cm范圍內(nèi)和靠近右側(cè)1 cm范圍內(nèi)溫度都從120 ℃左右開始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內(nèi)都是高溫區(qū)域(120～300 ℃)。

(3)磨削高溫所影響的深度大約只存在于溫度影響深度的前1/3，這與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)，但是主要還是與磨削熱的分布有關(guān)。所以在實際加工時，可以參考此次試驗，預(yù)留3 mm深度用來精磨加工，減小溫度影響范圍，保證表面質(zhì)量。