尹國(guó)強(qiáng)　鞏亞?wèn)|　王　超　崔　權(quán)

東北大學(xué),沈陽(yáng),110819

新型點(diǎn)磨削砂輪磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度影響研究

尹國(guó)強(qiáng)鞏亞?wèn)|王超崔權(quán)

東北大學(xué),沈陽(yáng),110819

提出了一種帶有粗磨區(qū)傾角θ的陶瓷結(jié)合劑CBN點(diǎn)磨削砂輪，這種新型砂輪具有磨除率高、加工精度好等優(yōu)點(diǎn)。研究了磨削熱產(chǎn)生與分配理論和紅外測(cè)溫原理。分別用不同θ角的砂輪在一系列磨削參數(shù)條件下磨削QT700材料的階梯軸,用Thermovision A40M熱像儀測(cè)量砂輪磨削工件時(shí)接觸區(qū)的平均溫度,得出了偏轉(zhuǎn)角α、磨削深度ap、工件軸向進(jìn)給速度vf和砂輪速度vs在磨削過(guò)程中對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律，并且比較了在同一組磨削參數(shù)下,三種不同θ角砂輪對(duì)磨削溫度的影響情況。

粗磨區(qū)傾角；點(diǎn)磨削；磨削參數(shù)；磨削溫度

0　引言

磨削溫度對(duì)工件表面質(zhì)量和磨具性能都有極大的影響，是磨削加工中非常重要的因素。磨削過(guò)程對(duì)去除的單位體積金屬有極高的能量輸入，幾乎所有的能量轉(zhuǎn)化都集中在磨削區(qū)[1]。產(chǎn)生的高溫可引起各種形式的工件熱損傷,如燒傷、金相轉(zhuǎn)變等[2]。磨削的熱效應(yīng)對(duì)工件表面質(zhì)量和使用性能有極大的影響。磨削區(qū)大量的磨削熱也會(huì)影響到砂輪的使用壽命和磨削精度[3]。本文主要研究三片不同粗磨區(qū)傾角θ的點(diǎn)磨削砂輪及磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響。磨削溫度是加工時(shí)由磨削熱所引起的工件溫升的一個(gè)總稱[4]。在工程研究中可按照不同的要求將磨削溫度區(qū)分為工件總體的平均溫度、磨削區(qū)的平均溫度、磨粒磨削點(diǎn)溫度等[5]。本文所研究的溫度是磨削區(qū)的平均溫度。

1　理論研究

1.1新型砂輪結(jié)構(gòu)

本文所用的陶瓷結(jié)合劑CBN點(diǎn)磨削砂輪的磨料層在砂輪的軸向前端設(shè)置有粗磨區(qū)傾角θ,傾角的存在使得砂輪和工件的接觸形式發(fā)生變化，也使得磨屑更容易排出,從而減少了磨屑堆積現(xiàn)象。

為了保證許用切深ap能夠?qū)崿F(xiàn),砂輪磨料層傾角的高度Δ要比點(diǎn)磨削工藝許用切深ap大30%～50%，即Δ=(1.3～1.5)ap=Cap。參見(jiàn)圖1,砂輪磨料層傾角的高度Δ、砂輪寬度B、精磨區(qū)寬度b存在如下關(guān)系：

Δ=(B-b)tanθ

(1)

因此,點(diǎn)磨削砂輪的許用切深可表示為

(2)

(a)接觸區(qū)域

(b)局部放大圖1　點(diǎn)磨削砂輪與工件接觸區(qū)域

磨料層精磨區(qū)寬度一定時(shí),粗磨修整傾角越大，許用切深越大,越容易獲得更大磨除率[6]。

(3)

角度越小，實(shí)際有效切深越小，砂輪磨損越小。因此，兼顧材料去除率和砂輪磨損兩個(gè)方面，粗磨區(qū)修整傾角θ∈[10°，20°]。此外,點(diǎn)磨削工藝為保證良好的磨削表面,要求精磨區(qū)寬度大于砂輪全寬的一半,即b>B/2。

一般情況下點(diǎn)磨削砂輪的許用切深ap=0.2～0.4 mm,其材料去除率高，比普通磨削切深大一個(gè)量級(jí)，取許用切深ap=0.4 mm,Δ=1.3ap,點(diǎn)磨削砂輪寬度B=5 mm,得砂輪粗磨區(qū)傾角在砂輪側(cè)面的高度Δ=0.52 mm,則根據(jù)圖1b得

X=B-b=0.52/tanθ(mm)

(4)

當(dāng)θ=10°時(shí),可計(jì)算X=2.95 mm,b=2.05 mm,當(dāng)θ=16°時(shí),可計(jì)算X=1.8 mm,b=3.2 mm。本文所用砂輪粗磨區(qū)寬度X=1.8 mm,精磨區(qū)寬度b=3.2 mm。

1.2磨削熱產(chǎn)生與分配理論

磨削熱來(lái)源于磨削功率的消耗，磨削加工的比能非常高，這些能量絕大部分轉(zhuǎn)化成熱能,傳遞到工件、砂輪、切屑、磨削液,此外還有輻射散逸[7]。磨削過(guò)程中消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為砂輪與工件接觸區(qū)域的熱量，由于介質(zhì)導(dǎo)熱屬性的不同,故大部分熱量傳向工件。

文獻(xiàn)[8]在金屬材料的高效深磨方面作了大量的研究后，提出了磨削過(guò)程中，總的熱量主要分配在工件、砂輪、磨屑和磨削液中的理論模型。根據(jù)Rowe建立的砂輪工件熱分配模型，磨削產(chǎn)生的熱量主要分為4種介質(zhì)傳遞：砂輪、工件、切屑和冷卻液，即由機(jī)床消耗功率轉(zhuǎn)化的熱量按照比例在4種介質(zhì)之間進(jìn)行分配。圖2所示為平面磨削時(shí)砂輪與工件的幾何位置關(guān)系和熱傳遞模型。

圖2　磨削中熱傳遞模型

從圖2中可以清晰觀測(cè)熱量分配途徑，且不同傳遞介質(zhì)之間的系數(shù)總和為1,即

qt=qs+qw+qc+qf

(5)

Rs+Rw+Rc+Rf=1

(6)

式中,qt、qs、qw、qc、qf分別為磨削產(chǎn)生的總熱量,傳入砂輪、工件、切屑和冷卻液的分熱量;Rs、Rw、Rc、Rf分別為熱能向砂輪、工件、切屑和冷卻液傳遞的分配系數(shù)，當(dāng)干磨時(shí)，Rf為向空氣的傳遞系數(shù)，可轉(zhuǎn)換為輻射熱[9]。

為了計(jì)算接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱量,需利用磨削加工中消耗的功率，即磨削產(chǎn)生的熱量為

(7)

式中,P為磨削功率;lc為砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng);bw為砂輪與工件的接觸寬度;Ft為切向磨削力。

傳向不同介質(zhì)的熱流量為

qx=Rxqtx=s、w、c、f

(8)

1.3紅外測(cè)溫原理

紅外測(cè)溫的方法靈敏度高、反應(yīng)速度快，具有直觀、簡(jiǎn)便、可遠(yuǎn)距離非接觸監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在惡劣環(huán)境下測(cè)量物體表面溫度時(shí)具有較大優(yōu)越性。最大優(yōu)勢(shì)在于可非接觸地監(jiān)測(cè)物體較大表面積溫度分布[10]?？墒?該方法的缺點(diǎn)是不能進(jìn)入磨削區(qū)測(cè)量，只能測(cè)到已加工表面上盡可能靠近磨削區(qū)位置的溫度，并且磨削液、氣流以及磨屑都會(huì)對(duì)其造成影響，紅外測(cè)溫方法需要知道輻射體的輻射系數(shù)，而輻射系數(shù)又決定于它的表面狀態(tài)，即預(yù)先測(cè)定的輻射系數(shù)與磨削中的實(shí)際狀態(tài)不一定一致。因此，紅外測(cè)溫系統(tǒng)適用于直接測(cè)量工件表面下方一定距離外的溫度變化。

紅外熱像儀測(cè)溫會(huì)因反射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、測(cè)量距離和大氣衰減等因素而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性。使用紅外熱像儀測(cè)得的。輻射溫度、顏色溫度和亮度溫度都不是磨削表面的真實(shí)溫度，與磨削表面的真實(shí)溫度之間存在一定的差異[10-11]。必須知道磨削表面的材料發(fā)射率(黑度系數(shù))才可求得磨削表面真實(shí)溫度。

磨削表面的材料發(fā)射率不僅與材料的組分、表面狀態(tài)及考察波長(zhǎng)有關(guān)，還與它所處的溫度有關(guān)。物質(zhì)晶體中的原子振動(dòng)都會(huì)隨著溫度的升高而加劇，當(dāng)物體溫度升高，物體分子激躍至更高能量層,當(dāng)分子回到較低能量層時(shí)，物體就向外輻射能量，即所謂的熱輻射[11]。熱像儀測(cè)量的熱輻射能為

Eλ=A0d-2(τα λελLb λ(T0))+

(9)

通常一定條件下,A0d-2為一常量。熱像儀一般工作在相對(duì)固定的很窄的波段，通常為3～5 μm或8～14 μm。被測(cè)表面的真實(shí)溫度計(jì)算式為[12]

(10)

式中，Tr為熱像儀指示的輻射溫度。

當(dāng)使用不同波段的熱像儀時(shí),n值并不相同。對(duì)波段在8～13 μm的熱像儀,n值取4.09,對(duì)波段在6～9 μm的熱像儀,n值取5.33,對(duì)波段在2～5 μm的熱像儀，n值取8.68。

2　點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在MK9025A光學(xué)曲線磨床上完成,砂輪采用粗磨區(qū)傾角θ分別為0°、10°和16°的三片新型結(jié)構(gòu)點(diǎn)磨削砂輪,該砂輪主要參數(shù)如表1所示。

表1　CBN點(diǎn)磨削砂輪主要參數(shù)

制作的砂輪如圖3所示。工件為QT700材質(zhì)的階梯軸,工件轉(zhuǎn)速nw=60r/min不變,依次改變偏轉(zhuǎn)角α、磨削深度ap、軸向進(jìn)給速度vf、砂輪速度vs等磨削參數(shù),用美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的Thermovision A40M熱像儀測(cè)量砂輪磨削工件時(shí)接觸區(qū)的平均溫度。比較相同磨削參數(shù)下不同粗磨區(qū)傾角θ砂輪與工件接觸區(qū)域平均溫度的區(qū)別,實(shí)驗(yàn)設(shè)定在室溫20°環(huán)境中,每組實(shí)驗(yàn)測(cè)3個(gè)值,結(jié)果取平均值,輻射率設(shè)置為0.1,點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4　點(diǎn)磨削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用熱像儀觀測(cè)到的工件與砂輪接觸區(qū)域的溫度圖像見(jiàn)圖5。根據(jù)1.3節(jié)中的理論可知,本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的溫度數(shù)值只能在一定程度上反映各參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響,不代表真實(shí)值,而工件表面溫度根據(jù)以上理論計(jì)算得出。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1偏轉(zhuǎn)角α對(duì)磨削溫度的影響

實(shí)驗(yàn)1磨削參數(shù)為:ap=0.03 mm,vf=1.2 mm/min,vs=45 m/s。取變量α分別為-1°、-0.5°、0°、0.5°、1°。由實(shí)驗(yàn)1數(shù)據(jù)可得到偏轉(zhuǎn)角α對(duì)磨削溫度的影響曲線,如圖6所示。

(a)θ=0°

(b)θ=10°

(c)θ=16°圖5　熱像儀測(cè)量磨削溫度

圖6　偏轉(zhuǎn)角α對(duì)磨削溫度的影響

從圖6可知，3種不同粗磨削區(qū)傾角θ的點(diǎn)磨削砂輪，偏轉(zhuǎn)角α對(duì)磨削區(qū)溫度的影響變化曲線近似對(duì)稱于α=0°。這說(shuō)明點(diǎn)磨削偏轉(zhuǎn)角α的正負(fù)號(hào)對(duì)溫度影響不大，對(duì)溫度的影響主要取決于其絕對(duì)值的大小。隨著偏轉(zhuǎn)角α絕對(duì)值增大，溫度值整體呈遞減趨勢(shì),因?yàn)槠D(zhuǎn)角α的存在，使得磨削區(qū)域接觸面積減小，單位時(shí)間參與切削的磨粒數(shù)減少，單顆磨粒的最大未變形切屑厚度減小，單顆磨粒承受的磨削力減小，從而降低了磨削熱的產(chǎn)生，另外，點(diǎn)磨削偏轉(zhuǎn)一定的角度也有利于散熱，這些原因都導(dǎo)致了磨削溫度的降低。這也證明了點(diǎn)磨削的溫度要低于普通磨削溫度的結(jié)論。

3.2磨削深度ap對(duì)磨削溫度的影響

實(shí)驗(yàn)2磨削參數(shù)為：α=0.5°,vf=1.2 mm/min,vs=45 m/s。取變量ap分別為0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.08 mm,由實(shí)驗(yàn)2數(shù)據(jù)可得到磨削深度ap對(duì)磨削溫度的影響曲線,如圖7所示。

圖7　磨削深度ap對(duì)磨削溫度的影響

從圖7可知,隨著磨削深度的增大,磨削溫度曲線呈上升趨勢(shì)。由于磨削深度的增大,一方面磨粒切削厚度增加,單位時(shí)間的磨除量增大,磨削能增大；另一方面接觸弧長(zhǎng)增大，有效磨粒的總數(shù)增多，使得磨削力顯著地增大，磨削接觸弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，砂輪與試件的接觸面積增大，散熱條件不良，磨削熱增加，磨削溫度升高。

3.3軸向進(jìn)給速度vf對(duì)磨削溫度的影響

實(shí)驗(yàn)3磨削參數(shù)為:α=0.5°,ap=0.05 mm,vs=45 m/s,取變量vf分別為0.6 mm/min、1.2 mm/min、1.8 mm/min、 2.4 mm/min。由實(shí)驗(yàn)3數(shù)據(jù)可得到工件軸向進(jìn)給速度vf對(duì)磨削溫度的影響曲線，如圖8所示。

圖8　工件軸向進(jìn)給速度vf對(duì)磨削溫度的影響

從圖8可知,隨著工件軸向進(jìn)給速度的增大,溫度曲線呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)給速度大于1.2 mm/min時(shí)，曲線上升趨勢(shì)相對(duì)緩慢。工件軸向進(jìn)給速度增大，磨削功率增大,砂輪與工件間的作用力增大，摩擦加劇，產(chǎn)生更多的熱量，從而升高了磨削溫度。

3.4砂輪速度vs對(duì)磨削溫度的影響

實(shí)驗(yàn)4磨削參數(shù)為:α=0.5°,ap=0.05 mm,vf=1.2 mm/min，取變量vs分別為35 m/s、45 m/s、50 m/s、60 m/s。由實(shí)驗(yàn)4數(shù)據(jù)可得到砂輪速度vs對(duì)磨削溫度的影響曲線，如圖9所示。

圖9　砂輪速度vs對(duì)磨削溫度的影響

從圖9可知,隨著砂輪速度的增加，磨削溫度曲線呈上升趨勢(shì)。砂輪速度增大，單位時(shí)間內(nèi)工作磨粒數(shù)增多，磨屑分割得更細(xì)，同時(shí)產(chǎn)生耕犁及滑擦作用的磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致摩擦加劇,產(chǎn)生的熱量增多，從而使得磨削溫度升高。

三片砂輪中θ=16°的砂輪磨削溫度最低,θ=10°的砂輪磨削溫度稍高些,θ=0°的砂輪磨削溫度最高。這是由于粗磨區(qū)傾角θ的存在使切屑更容易排出磨削區(qū)，從而減少了磨屑堆積現(xiàn)象。因砂輪與工件的接觸區(qū)域變小，磨削時(shí)的整體磨削力減小，磨削過(guò)程更平穩(wěn)，因而磨削溫度也有所降低。

4　結(jié)論

(1)點(diǎn)磨削偏轉(zhuǎn)角α的正負(fù)對(duì)溫度影響不大，對(duì)磨削區(qū)溫度的影響主要取決于其絕對(duì)值的大小。隨著偏轉(zhuǎn)角α絕對(duì)值增大,溫度值整體上呈遞減趨勢(shì)。

(2)隨著磨削深度的增大，磨削溫度不斷升高。隨著工件軸向進(jìn)給速度的增大，磨削溫度呈遞增趨勢(shì)。隨著砂輪速度的增大，磨削溫度也逐漸升高。

(3)粗磨削區(qū)傾角θ的存在降低了磨削溫度,θ=16°的砂輪磨削溫度最低,θ=0°的砂輪磨削溫度最高。

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(編輯袁興玲)

Study on Effects of Novel Point Grinding Wheels Processing Parameters on Grinding Temperature

Yin Guoqiang Gong Yadong Wang Chao Cui Quan

Northeastern University,Shenyang,110819

A vitrified bond CBN point grinding wheel with coarse grinding area slope angleθwas presented.The removing rate of new grinding wheels is higher and the machining accuracy is better than that of conventional wheels.The theory of grinding heat generation and distribution and infrared temperature measurement were studied.These wheels with different coarse grinding area slope angleθwere used to grind the stepped shaft of QT700 with a series of grinding parameters.Thermovision A40M were used to measure the grinding contact area temperature.The effects of different grinding parameters such as deflection angleα, grinding depthap,workpiece axial feed ratevfand wheel speedvson grinding temperature were generalized.In the same group of grinding parameters,the effects of these different wheels on grinding temperature were contrasted.

coarse grinding area slope angle；point grinding；grinding parameter;grinding temperature

2013-07-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075064,51205053)

TG580.6DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.002

尹國(guó)強(qiáng),男,1983年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)槟ハ髋c精密加工。發(fā)表論文10余篇。鞏亞?wèn)|，男,1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。王超,男,1986年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。崔權(quán)，男,1986年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。