彭銳濤 李仲平 黃曉芳 唐新姿 胡云波

1.湘潭大學機械工程學院，湘潭，4111052.中國航發(fā)湖南南方宇航工業(yè)有限公司，株洲，412002

加壓內(nèi)冷卻方法在高溫合金磨削中的應用

彭銳濤1李仲平1黃曉芳1唐新姿1胡云波2

1.湘潭大學機械工程學院，湘潭，4111052.中國航發(fā)湖南南方宇航工業(yè)有限公司，株洲，412002

針對鎳基高溫合金在磨削加工中大量磨削熱的冷卻問題，提出采用加壓內(nèi)冷卻與斷續(xù)磨削結(jié)合的冷卻方法，實現(xiàn)磨削過程中充分冷卻磨削弧區(qū)高溫的目的。設計制備磨粒有序排布的加壓內(nèi)冷卻砂輪，采用Fluent有限元軟件建立砂輪磨削GH4169高溫合金的溫度場模型，模擬分析砂輪轉(zhuǎn)速和冷卻液壓力對砂輪散熱性能的影響。開展加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削GH4169實驗研究，分別對磨削溫度、表面粗糙度以及表面微觀形貌進行對比和分析。結(jié)果表明：在相同的磨削參數(shù)條件下，相對外冷卻方式，內(nèi)冷卻方式能獲得更優(yōu)良的加工表面質(zhì)量，磨削溫度和表面粗糙度均明顯降低；在其他磨削參數(shù)相同時，冷卻液壓力越大，磨削溫度越低且表面粗糙度越小，表面形貌更加規(guī)則、完整。

加壓內(nèi)冷卻；GH4169高溫合金；有限元模擬；磨削溫度；已加工表面質(zhì)量

0 引言

鎳基高溫合金作為一種難加工材料，具有優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性等特點，被廣泛應用于制造航空、船舶及化學等工業(yè)中的關鍵零部件，例如航空發(fā)動機葉片、渦輪盤和傳動軸等[1-2]。然而，由于鎳基高溫合金在磨削加工過程中磨削力大、磨削溫度高，導致工件表層極易產(chǎn)生磨削燒傷、裂紋和熱變形等現(xiàn)象，嚴重影響工件的加工表面質(zhì)量，同時縮短砂輪的使用壽命[3-4]。為了提高材料的磨削效率，保證零件具有良好的加工質(zhì)量，常采用有效的冷卻方式來避免磨削燒傷，消除材料熱變形等難題[5]。但是，磨削過程中砂輪高速旋轉(zhuǎn)引起的氣障效應，導致冷卻液不易進入磨削區(qū)進行有效的冷卻和潤滑，使得傳統(tǒng)的冷卻技術難以達到良好的熱量疏導效果[6]，因此，探究新的磨削冷卻技術，對提高鎳基高溫合金等難加工材料的加工尺寸精度和表面質(zhì)量具有重要意義。

國內(nèi)外學者對磨削冷卻技術進行了大量研究，如低溫液氮冷卻[7-8]、微量潤滑[9-10]、空氣冷風射流[11-12]、固體潤滑[13]、熱管換熱[14]以及液體冷卻噴射[15]等技術，以上冷卻方式在磨削加工中雖然一定程度上起到了較好的冷卻和潤滑效果，但是存在一定缺點(如有限的冷卻能力、高成本、高壓系統(tǒng)需求、環(huán)境問題以及技術困難等[16-18])，導致在實際加工中難以得到廣泛應用。為了進一步提高冷卻效率，一些學者對改善砂輪結(jié)構、探索更有效的冷卻方式做了較多研究。經(jīng)研究表明，內(nèi)部冷卻方式能有效地降低磨削溫度，提高加工表面質(zhì)量。LI[6]采用一種自吸式內(nèi)冷卻杯型砂輪，對GH4169進行磨削實驗，結(jié)果表明，相對于常規(guī)外冷卻，內(nèi)冷卻方式可以有效降低磨削表面溫度，同時磨削力減小20%。AURICH等[19]設計加工出一種盤形內(nèi)冷卻CBN砂輪，上下盤裝配形成內(nèi)部冷卻通道，在磨削過程中冷卻液的供給不受周圍氣流層的干擾，從而形成一個良好的磨削散熱環(huán)境。NADOLNY[20]設計制備出一種用于內(nèi)圓磨削的內(nèi)冷卻砂輪，流道噴射口位于磨粒附近，使得冷卻液在磨削過程中能夠充分進入到磨削弧區(qū)進行散熱和潤滑，其磨削實驗結(jié)果表明，內(nèi)冷卻方式能夠有效降低磨削溫度，改善工件加工表面質(zhì)量。

為了提高GH4169的磨削效果，本文提出將砂輪內(nèi)冷卻、冷卻液加壓和斷續(xù)磨削技術相結(jié)合，設計出一種新型加壓內(nèi)冷卻開槽砂輪[21]，以達到在磨削加工中沖破環(huán)繞氣流阻礙、實現(xiàn)磨削弧區(qū)充分冷卻的目的。本文根據(jù)新型砂輪的工作原理，制備出磨粒有序排布的加壓內(nèi)冷卻釬焊CBN砂輪。采用Fluent軟件對砂輪磨削鎳基高溫合金的溫度場進行模擬分析，研究砂輪轉(zhuǎn)速和冷卻液壓力大小對砂輪散熱性能的影響。通過單因素實驗方案，對GH4169進行磨削實驗，研究新型加壓內(nèi)冷卻砂輪的磨削性能。

1 加壓內(nèi)冷卻砂輪的設計與制備

1.1 砂輪的結(jié)構設計

為對磨削弧區(qū)進行有效冷卻，傳統(tǒng)的澆注法是將冷卻液以一定壓力和流量噴射至砂輪與工件的接觸區(qū)域，然而砂輪在磨削過程中高速旋轉(zhuǎn)，砂輪表面與空氣的摩擦以及離心力作用,產(chǎn)生一個速度較高的回旋氣流，在砂輪周圍形成氣障，使磨削液難以進入磨削區(qū)，影響散熱和潤滑效果。鑒于此，本文考慮將冷卻液經(jīng)外部加壓后注入砂輪內(nèi)部型腔，在外部壓力和砂輪高速旋轉(zhuǎn)離心力的綜合作用下，加壓后冷卻液經(jīng)細小的內(nèi)冷卻流道，以較高流速從砂輪內(nèi)部噴射至磨削弧區(qū)，從而有效避免氣障效應，快速帶走大量磨削熱，降低磨削弧區(qū)溫度。

砂輪結(jié)構如圖1所示，由上基體、下基體和蓋板構成，在砂輪中部加工出圓環(huán)形深腔用于儲存冷卻液，并通過蓋板和密封圈裝配后形成冷卻液型腔。蓋板上開有冷卻液注入孔，砂輪上基體空腔壁內(nèi)均布有冷卻液流道，與下基體外壁加工出的半圓形流道裝配后形成封閉的圓形直線流道，磨料均布固結(jié)于上基體空腔壁下方。冷卻液流道入口位于冷卻液型腔內(nèi)，噴射口位于磨料處。上基體、下基體和蓋板通過中軸和螺母進行裝配。磨削過程中，主軸帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，并通過外置的加壓系統(tǒng)來調(diào)控注入冷卻液的壓力，從而有效調(diào)節(jié)噴射出口冷卻液的流速。

圖1 內(nèi)冷卻砂輪結(jié)構設計圖[21]Fig.1 Structural design of the internal cooling grinding wheel[21]

1.2 砂輪的制備

加壓內(nèi)冷卻釬焊CBN砂輪的制作流程主要包括零部件加工、磨料釬焊、砂輪體組裝與密封。零部件主要有上基體、下基體、中軸、蓋板以及漲圈密封環(huán)。砂輪基體材料為45鋼，密封環(huán)材料為聚氟乙烯。磨粒材料為CBN，粒度為80，采用真空高溫釬焊工藝進行CBN磨粒與砂輪基體的結(jié)合。將砂輪各零部件通過螺栓、螺母和墊片依次組裝后，進行靜平衡、動平衡測試，以保證砂輪的安全可靠。基于磨粒有序排布的加壓內(nèi)冷卻釬焊CBN砂輪裝配實物如圖2所示。砂輪磨料工作面外徑d1=150 mm，內(nèi)徑d2=130 mm，砂輪線速度v與轉(zhuǎn)速n的關系為v=π(d1+d2)n/2。砂輪表面磨料微觀形貌如圖3所示，磨粒排傾斜角度為45°，橫向間距為1 mm，縱向間距為粒徑大小[22]。

圖2 加壓內(nèi)冷卻砂輪 圖3 磨料微觀形貌 Fig.2 The grindingwheel Fig.3 Microstructure ofabrasive

2 加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削的有限元模擬

為了探究加壓內(nèi)冷卻砂輪在磨削過程中磨削弧區(qū)的散熱性能，本文采用Fluent軟件對砂輪磨削鎳基高溫合金的溫度場進行仿真分析。首先在不同的熱流密度情況下，對比分析加壓內(nèi)冷卻砂輪在內(nèi)通冷卻液與不通冷卻液兩種方式下磨削弧區(qū)溫度的變化趨勢，然后通過改變砂輪轉(zhuǎn)速和冷卻液壓力大小，來進一步研究其對加壓內(nèi)冷卻砂輪散熱性能的影響。

2.1 仿真模型的建立

在磨削過程中，由于磨削熱主要通過砂輪、冷卻液和工件三個途徑進行疏導，因此分別對其建立幾何仿真模型，如圖4所示。采用FEM進行網(wǎng)格劃分，考慮到計算成本和計算精度，砂輪體網(wǎng)格自上向下逐漸細化。

(a)砂輪(1/4剖面) (b)工件 (c)冷卻液流道圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

在Fluent有限元軟件中建立加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削高溫合金的溫度場模型，如圖5所示。砂輪材料為45鋼，磨料為CBN，磨削液為5%的水溶性冷卻液，工件為GH4169，各材料參數(shù)設置如表1所示。模型計算域包括固體域(砂輪基體與磨料層)和流體域(冷卻液流道)；由于砂輪相對工件做旋轉(zhuǎn)運動，因此選擇滑移網(wǎng)格模型，砂輪和冷卻液流道設置為同種運動形式且轉(zhuǎn)速相同；壁面邊界條件為給定熱通量類型，選擇壓力入口邊界條件和速度出口邊界條件；初始溫度定義為20 ℃。

表1 材料屬性Tab.1 The material properties

圖5 砂輪的溫度場模型Fig.5 The temperature field model of grinding wheel

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 砂輪在內(nèi)通和不通冷卻液的弧區(qū)溫度對比

在熱流密度q=30 W/cm2、砂輪轉(zhuǎn)速n=2100 r/min、冷卻液壓力p=0.75 MPa的情況下，加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削GH4169的溫度場分布如圖6所示，由圖可知，磨削弧區(qū)是整個砂輪在磨削過程中溫度最高的區(qū)域。圖7為弧區(qū)溫度隨時間的變化曲線，其溫度值隨磨削時間的增加而增大，當時間接近20 s時弧區(qū)溫度達到平衡，即弧區(qū)產(chǎn)生的熱量與砂輪對流換熱、冷卻液散熱等帶走的熱量相等。

為了研究加壓內(nèi)冷卻砂輪對磨削弧區(qū)的散熱性能，在砂輪轉(zhuǎn)速n和冷卻液壓力p相同的情況下，通過改變熱流密度大小，對比分析砂輪在內(nèi)通加壓冷卻液與不通冷卻液兩種方式下的溫度場，其弧區(qū)溫度的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，在同一熱流密度下，內(nèi)通加壓冷卻液時的弧區(qū)溫度明顯低于不通冷卻液時的弧區(qū)溫度，且隨著熱流密度的增大，內(nèi)通冷卻液時砂輪的換熱效果更為顯著，說明加壓內(nèi)冷卻砂輪對磨削弧區(qū)溫度能起到較好的抑制作用。

2.2.2 砂輪轉(zhuǎn)速對磨削弧區(qū)溫度的影響

為了探究砂輪轉(zhuǎn)速對砂輪換熱能力的影響，在熱流密度q=45 W/cm2，冷卻液壓力p=0.75 MPa情況下，得到不同砂輪轉(zhuǎn)速下砂輪的溫度場(圖9)，弧區(qū)最高溫度與砂輪轉(zhuǎn)速的關系曲線如圖10所示。由此可知，隨著砂輪轉(zhuǎn)速提高，磨削弧區(qū)溫度略有升高，其原因是隨著砂輪轉(zhuǎn)速增大，單位時間內(nèi)磨料層與工件的滑移接觸時間增加，產(chǎn)生的熱量變多，從而使得弧區(qū)溫度上升。

2.2.3 冷卻液壓力對磨削弧區(qū)溫度的影響

加壓內(nèi)冷卻砂輪將冷卻液通過外部壓力和離心力的作用直接噴至磨削弧區(qū)來快速轉(zhuǎn)移熱量，因此冷卻液壓力是砂輪散熱能力的一個重要因素。為了探究冷卻液壓力對砂輪性能的影響規(guī)律，本文在熱流密度q=45 W/cm2、砂輪轉(zhuǎn)速n=2100 r/min的情況下，獲得不同冷卻液壓力下的溫度場(圖11)，弧區(qū)最高溫度隨冷卻液壓力的變化曲線如圖12所示。

(a)t=2 s

(b)t=4 s

(c)t=8 s

(d)t=20 s圖6 磨削過程的溫度場分布Fig.6 Temperature field distribution in grinding process

圖7 磨削弧區(qū)溫度隨時間的變化曲線Fig.7 The variation curve of grinding arc area temperature with time

圖8 冷卻液對磨削弧區(qū)溫度的影響Fig.8 Influence of coolant on grinding temperature

(a)n=1500 r/min

(b)n=1800 r/min

(c)n=2100 r/min

(d)n=2400 r/min圖9 不同砂輪轉(zhuǎn)速的溫度場Fig.9 The temperature field with different grinding wheel speed

圖10 磨削溫度隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.10 Variation curve of grinding temperature with rotating speed

(a)p=0.25 MPa

(b)p=0.5 MPa

(c)p=0.75 MPa

(d)p=1.0 MPa圖11 不同冷卻液壓力的溫度場Fig.11 The temperature field with different coolant pressure

圖12 磨削弧區(qū)溫度隨冷卻液壓力的變化曲線Fig.12 Variation curve of grinding temperature with coolant pressure

由圖11、圖12可知，磨削弧區(qū)最高溫度隨冷卻液壓力的增大而減小，當冷卻液壓力從0.25 MPa提高至1.0 MPa時磨削弧區(qū)溫度下降約85 ℃，其原因是冷卻液壓力增加，流速變大，導致冷卻液與砂輪和工件之間的對流換熱系數(shù)增大，單位時間內(nèi)冷卻液從壁面帶走更多的熱量，溫度隨之降低。

3 加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削實驗研究

3.1 實驗條件及實驗方案

實驗砂輪為新型加壓內(nèi)冷卻釬焊CBN砂輪，試件材料為塊狀鎳基高溫合金GH4169，磨削實驗平臺如圖13所示。采用標準半人工K型熱電偶法測量磨削弧區(qū)溫度，采用JB-1(C)型表面粗糙度測量儀和KEYENCEVHX-500FE型超景深三維顯微鏡分別測量工件的加工表面粗糙度和表面微觀形貌。

(a)實驗機床 (b)砂輪及工件圖13 磨削實驗平臺Fig.13 Grinding experimental platform

為了研究新型砂輪的磨削加工性能，設計單因素實驗方案，如表2所示，每組實驗均采用新的工件，每組方案均測量3次數(shù)據(jù)并取平均值。

表2 單因素設計實驗方案Tab.2 The experimental program of single-factor design

3.2 實驗結(jié)果與分析

3.2.1 磨削溫度

加壓內(nèi)冷卻與外冷卻方式下的磨削溫度如圖14、圖15所示。結(jié)果表明，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，磨削溫度呈上升趨勢，這是由于單位時間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)目增加，使其與工件的摩擦加劇，從而導致溫度升高；隨著冷卻液壓力的增大，磨削溫度都降低，這是因為冷卻液流速的提高使得單位時間內(nèi)帶走的熱量增多；在相同磨削參數(shù)條件下，內(nèi)冷卻方式比外冷卻方式能獲得更低的磨削溫度，這是由于內(nèi)冷卻方式下磨削液通過砂輪內(nèi)部直接噴射至磨削弧區(qū)，使參與冷卻的磨削液增加，并帶走大量的磨削熱，而外冷卻方式受砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣障影響，僅有少量冷卻液進入弧區(qū)進行換熱，其冷卻效率較低。綜上，加壓內(nèi)冷卻方式較外冷卻方式能在一定程度上降低磨削溫度。

圖14 砂輪轉(zhuǎn)速對磨削溫度的影響Fig.14 Influence of grinding wheel speed on grinding temperature

圖15 冷卻液壓力對磨削溫度的影響Fig.15 Influence of coolant pressure on grinding temperature

3.2.2 表面粗糙度

圖16、圖17分別為砂輪轉(zhuǎn)速n和冷卻液壓力p對加工表面粗糙度的影響曲線。結(jié)果表明，在其他參數(shù)一定的條件下，隨著砂輪轉(zhuǎn)速n或冷卻液壓力p的增大，工件加工表面粗糙度均減??；當磨削參數(shù)相同時，內(nèi)冷卻方式比外冷卻方式能獲得更小的表面粗糙度，這是因為內(nèi)冷卻方式下的磨削液能更有效地進入磨削弧區(qū)，對切屑與磨粒的沖刷和潤滑作用更為顯著，從而可獲得較好的加工表面質(zhì)量。

圖17 冷卻液壓力對表面粗糙度的影響Fig.17 Influence of coolant pressure on surface roughness

3.2.3 表面微觀形貌

圖18為在一定磨削參數(shù)條件下(n=4000 r/min，vw=600 mm/min，ap=20 μm)，采用內(nèi)冷卻方式與外冷卻方式磨削GH4169獲得的工件表面形貌圖。結(jié)果表明，在相同磨削參數(shù)條件下，內(nèi)冷卻方式下磨粒加工更加穩(wěn)定，獲得的表面形貌在溝槽附近更加連續(xù)、均勻，而外冷卻方式下加工表面形成的溝槽有明顯的斷點或波動，且工件表面局部產(chǎn)生較為明顯的磨削燒傷現(xiàn)象；在其他磨削參數(shù)一定時，冷卻液壓力增大，加工表面紋理更加規(guī)則、完整。這說明內(nèi)冷卻方式相比外冷卻方式能有效避免磨削燒傷，同時冷卻液壓力的提高有助于獲得更優(yōu)良的加工表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)本文提出了加壓內(nèi)冷卻與斷續(xù)磨削結(jié)合的冷卻方法，設計制備了磨粒有序排布的加壓內(nèi)冷卻釬焊CBN砂輪。

(a)內(nèi)冷卻(p=0.3 MPa)(b)內(nèi)冷卻(p=0.3 MPa)局部放大圖

(c)外冷卻(p=0.3 MPa)(d)外冷卻(p=0.3 MPa)局部放大圖

(e)內(nèi)冷卻(p=0.8 MPa) (f)內(nèi)冷卻(p=0.8 MPa)局部放大圖

(g)外冷卻(p=0.8 MPa)(h)外冷卻(p=0.8 MPa)局部放大圖圖18 不同冷卻方式對工件表面形貌的影響Fig.18 Influence of different cooling methods on surface morphology

(2)建立了加壓內(nèi)冷卻砂輪磨削GH4169高溫合金的溫度場模型，仿真分析了加壓內(nèi)冷卻砂輪對磨削弧區(qū)溫度的散熱能力，并研究了砂輪轉(zhuǎn)速和冷卻液壓力對加壓內(nèi)冷卻砂輪散熱性能的影響。結(jié)果表明：加壓內(nèi)冷卻砂輪具有良好的散熱性能；砂輪轉(zhuǎn)速越大，磨削弧區(qū)最高溫度越高；冷卻液壓力越大，磨削弧區(qū)最高溫度越低。

(3)基于單因素實驗方案，開展GH4169磨削實驗，研究了新型加壓內(nèi)冷卻砂輪的磨削性能。結(jié)果表明：在磨削參數(shù)相同時，內(nèi)冷卻方式比外冷卻方式能有效降低磨削溫度和工件表面粗糙度值，所獲加工表面形貌更加規(guī)整，紋理更加清晰；砂輪轉(zhuǎn)速越大，表面粗糙度越?。焕鋮s液壓力越大，磨削溫度和表面粗糙度越小。

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(編輯 王旻玥)

Applications of Pressurized Internal Cooling Method in Superalloy Grinding Processes

PENG Ruitao1LI Zhongping1HUANG Xiaofang1TANG Xinzi1HU Yunbo2

1.School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,Hunan,4111052.AECC Hunan South Astronautics Industry Co.Ltd.,Zhuzhou,Hunan,412002

In view of the cooling problems of much grinding heats generated in the grinding processes of nickel-based superalloy, a cooling method that combined pressurized internal cooling and intermittent grinding was proposed to actively control the high temperatures of grinding arc areas effectively. The pressurized internal cooling wheel with abrasive orderly was designed and fabricated. The temperature field model of GH4169 superalloy grinding processes was established in Fluent software. The effects of wheel speeds and coolant pressures on the cooling performance of the grinding wheels were simulated and analyzed. The grinding experiments of GH4169 using press-internal cooling wheel was conducted, the grinding temperature, machined surface roughness and surface topography were compared and studied. The results show that: under the same grinding parameters, compared with external cooling, internal cooling method may obtain more excellent machining surface quality, the grinding temperatures and surface roughnesses are significantly lower; when other grinding parameters are the same, the greater coolant pressure, the lower grinding temperatures and surface roughnesses, meanwhile with better and more regular surface morphology.

pressurized internal cooling； GH4169 superalloy； finite element simulation； grinding temperature； machined surface quality

2017-03-14

國家自然科學基金資助項目(51475404,11602212，51405413);復雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心開放基金資助項目(07KZ/KZ070040119)

TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.017

彭銳濤，男，1982年生。湘潭大學機械工程學院副教授、博士研究生導師。主要研究方向為制造工藝模擬及優(yōu)化、機電系統(tǒng)的結(jié)構動態(tài)性能優(yōu)化。E-mail：pengruitao@163.com。李仲平，男，1990年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。黃曉芳，女，1993年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。唐新姿，女，1982年生。湘潭大學機械工程學院副教授。胡云波，男，1978年生。中國航發(fā)湖南南方宇航工業(yè)有限公司高級工程師。