超高速磨削溫度的實(shí)驗(yàn)研究*

郭 力 盛曉敏

(湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410082)

目前，超高速磨削技術(shù)在飛速發(fā)展［1］，使磨削和磨料加工在機(jī)械制造領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。在磨削研究中，磨削溫度反映磨削過(guò)程的基本特征，是研究磨削過(guò)程的重要參數(shù)。它與材料顯微結(jié)構(gòu)及性能、磨削用量、砂輪特性、材料去除機(jī)制、機(jī)床剛度以及磨削液的選用等都有密切關(guān)系［2］。同時(shí)，它對(duì)磨削工藝的制定和表面/亞表面損傷都有影響，也是評(píng)價(jià)材料可磨削性優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量磨削溫度來(lái)研究其磨削機(jī)制;甚至可以通過(guò)測(cè)量磨削溫度監(jiān)測(cè)砂輪的磨損狀況來(lái)及時(shí)修整或更換砂輪。因此對(duì)磨削溫度進(jìn)行研究有著重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。又因?yàn)槟ハ鞯臒嵝?yīng)對(duì)工件的表面質(zhì)量有極大影響，因此，研究磨削溫度來(lái)探索解決產(chǎn)生磨削缺陷的熱機(jī)制以及尋求控制磨削工件質(zhì)量將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

磨削與其他切削過(guò)程相比，單位磨削力大，磨削速度很高，因此，其比磨削能較其他切削方法大很多倍。這些能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能。而這些熱能的分配與其他切削方式也有很大的不同，約80%的磨削熱傳入工件(車(chē)削約3% ～9%)，切屑帶走約4% ～8%，砂輪帶走約10%～16%，另有少部分以傳導(dǎo)和輻射形式散出。由于磨削速度高，熱量來(lái)不及傳入工件深處而瞬時(shí)集聚在很薄的表層，形成表層中極大的溫度梯度。磨粒磨削點(diǎn)的溫度高達(dá)1 000℃以上，而表層下1 mm處只有幾十?dāng)z氏度。當(dāng)局部溫度很高時(shí)，加工表面就會(huì)出現(xiàn)磨削燒傷、熱應(yīng)力和裂紋等種種熱損傷及熱變形，影響加工表面質(zhì)量與加工精度。因此控制與降低磨削溫度是保證磨削質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

磨削溫度的測(cè)量是磨削機(jī)理研究中的一個(gè)重要課題，而要準(zhǔn)確地測(cè)量其真實(shí)值是很困難的，通常只能測(cè)量磨削區(qū)內(nèi)的平均溫度。測(cè)量磨削溫度的主要方法有:組織觀察法、磨削燒傷觀察法、紅外線輻射測(cè)量法及熱電偶法。最近出現(xiàn)了用紅外光導(dǎo)纖維測(cè)量磨削溫度方面的研究，并且已經(jīng)取得了一定的成果和突破。但是熱電偶測(cè)溫法仍然是能夠進(jìn)入磨削區(qū)直接測(cè)量的唯一有效的方法［2］。本文是使用熱電偶測(cè)溫法測(cè)量砂輪和工件接觸區(qū)域的溫度值。文獻(xiàn)［3－6］對(duì)工程陶瓷的高速深磨磨削溫度做了實(shí)驗(yàn)研究;但是目前對(duì)40Cr鋼和45#鋼超高速磨削溫度的實(shí)驗(yàn)研究還做得很少。本文利用熱電偶測(cè)溫的方法，通過(guò)對(duì)45#鋼、40Cr進(jìn)行超高速磨削溫度實(shí)驗(yàn)，分析不同磨削參數(shù)下磨削溫度的變化規(guī)律。其實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)研究磨削溫度在超高速磨削加工中的機(jī)制有一定的指導(dǎo)意義。

1 磨削溫度測(cè)試

1.1 磨削溫度測(cè)試系統(tǒng)

磨削區(qū)域溫度的測(cè)試原理是將制作好的人工熱電偶夾緊在夾具中，并用螺釘固聯(lián)在工作臺(tái)上，在磨削過(guò)程中靠磨削力與磨削熱將兩種不同的熱電偶絲壓焊在試件上，形成熱電偶結(jié)點(diǎn)，于是，兩種熱電偶絲與測(cè)試儀器便形成測(cè)試回路，由于兩種熱電偶絲材料的熱物理特性不同，在形成搭接時(shí)，測(cè)試回路中便有微小電流通過(guò)，形成電勢(shì)差。這種微小的電勢(shì)差信號(hào)經(jīng)放大、采集，進(jìn)入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理［3－6］。然后根據(jù)標(biāo)定值推算出所測(cè)溫度的高低。如圖1所示。其中:人工熱電偶是自行制作;直流放大器是采用南京安正軟件公司AZ－802型通道信號(hào)適配儀，放大倍數(shù)為×1、×10、×100，低通濾波截止頻率為 0.1、0.5、1、10 kHz。采集箱是采用南京安正軟件公司AZ－216R型數(shù)據(jù)采集箱，輸入16通道，A/D轉(zhuǎn)換12 bit，最高采樣頻率100 kHz;信號(hào)分析測(cè)試系統(tǒng)是采用南京安正軟件公司開(kāi)發(fā)的CRAS通用軟件V6.1。

1.2 人工熱電偶的制作與標(biāo)定

熱電偶采用夾式結(jié)構(gòu)，即將試件剖成兩半(為了將溫度場(chǎng)破壞程度減至最小，被剖開(kāi)的結(jié)合表面應(yīng)磨平、拋光，使之在夾緊中能緊密結(jié)合在一起)，在一邊剖切面上開(kāi)一小槽，尺寸為0.3 mm×1 mm。將鎳鉻絲(φ0.28 mm)與鎳硅絲(φ0.28 mm)端部延展為箔片，厚度不大于0.1 mm，高溫絕緣層采用人工剝離的云母片，厚度為0.01 mm左右，鎳鉻絲和鎳硅絲夾在兩片試件之間的槽中，并用3片云母片使試件與鎳鉻絲、鎳硅絲之間絕緣。熱電偶試件用環(huán)氧樹(shù)脂粘接。在磨削過(guò)程中靠磨削力與磨削熱將鎳鉻絲、鎳硅絲壓焊在試件上，形成人工熱電偶。

表1 實(shí)驗(yàn)材料及性能

表2 工藝參數(shù)及磨削條件

表3 砂輪規(guī)格

溫度標(biāo)定指的是確定熱電偶的熱電特性。溫度標(biāo)定的方法是:管式電爐的爐溫可以手工調(diào)節(jié)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及標(biāo)定熱電偶的熱電勢(shì)由電位差計(jì)測(cè)得。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)確定爐溫，與在該爐溫下測(cè)得的標(biāo)定熱電偶的熱電勢(shì)相對(duì)應(yīng)就可以畫(huà)出待標(biāo)定熱電偶的熱電特性曲線，如圖2、3所示。

1.3 磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制的超高速數(shù)控平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖4)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)為:陶瓷軸承電主軸功率40 kW，最高轉(zhuǎn)速25 000 r/min，砂輪最高線速度可達(dá)314 m/s。采用SBS4500動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡;工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率5 kW;三軸的行程分別為X(－550～10 mm)，Y(－45～33 mm)，Z(－8.4～2.85 mm);試驗(yàn)采用干磨，磨削方式為順磨［7］。實(shí)驗(yàn)材料及性能、工藝參數(shù)及磨削條件、砂輪規(guī)格分別見(jiàn)表1～3。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及機(jī)理研究

2.1 磨削溫度與砂輪線速度、切削深度的關(guān)系

圖5、6分別為45#鋼與40Cr鋼在工作臺(tái)速度為2 m/min時(shí)所測(cè)得的磨削溫度與砂輪線速度、切削深度之間的關(guān)系。從該圖可以看出，隨著砂輪線速度的提高，磨削溫度先是逐漸升高，然后，從某一速度開(kāi)始下降。對(duì)于45#鋼和40Cr鋼，砂輪線速度均在120 m/s處開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。而對(duì)于45#鋼，在切削深度為0.03 mm時(shí)，砂輪線速度從120 m/s至150 m/s時(shí)，磨削溫度急速下降，而速度超過(guò)150 m/s后，磨削溫度下降緩慢，并趨于穩(wěn)定;在切削深度為0.05 mm時(shí)，砂輪線速度從150 m/s至180 m/s時(shí)，磨削溫度急速下降，而速度超過(guò)180 m/s后，溫度略有上升，但起伏不大。對(duì)于40Cr鋼，砂輪線速度在超過(guò)120 m/s后，磨削溫度就一直呈逐漸下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著砂輪線速度的提高，單位時(shí)間切過(guò)工件表面的磨粒數(shù)增多，磨屑厚度減小，摩擦作用加劇，磨削產(chǎn)生的熱量顯著增加，而且越高的砂輪線速度磨出的磨屑分割得越細(xì)，也需要越多的切屑變形能，因而總的磨削能在增加，磨削溫度升高。但當(dāng)砂輪線速度超過(guò)一特定值后，切屑去除速度加快，切屑帶走的切削熱的速度大大增加，從而使得磨削溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。從該圖也可看出，在相同條件下，切削深度越大，磨削時(shí)產(chǎn)生的溫度值就越高，這是因?yàn)榍邢骱穸燃哟?，消耗的功率越大，磨削時(shí)所積聚的熱量越不容易散發(fā)。

2.2 磨削溫度與工作臺(tái)速度的關(guān)系

圖7、8為45#鋼與40Cr鋼在磨削深度為0.03 mm時(shí)，磨削溫度與工作臺(tái)速度的關(guān)系。從中可看出，在本實(shí)驗(yàn)的工作臺(tái)速度條件下，工作臺(tái)速度越快，磨削溫度越高。這是因?yàn)楣ぷ髋_(tái)速度加快，未變形切屑厚度增大，切削同樣的深度所耗費(fèi)的能量就越多，因而產(chǎn)生的熱量越大。

3 比磨削能

比磨削能是指去除單位體積金屬所消耗的能量，可用式(1)計(jì)算:

根據(jù)已測(cè)得［1］的包含水、氣壓值的實(shí)測(cè)切向磨削力和去除水、氣壓值的實(shí)際切向磨削力以及已知的工藝參數(shù)可計(jì)算出在不同工況下的實(shí)測(cè)比磨削能和實(shí)際比磨削能。

3.1 比磨削能與砂輪線速度及切削深度的關(guān)系

圖9、10分別為45#鋼、40Cr鋼在工作臺(tái)速度為2 m/min時(shí)，比磨削能與砂輪線速度及切削深度的關(guān)系圖。從中可看出，在切削深度不變的情況下，隨著砂輪線速度的增加，磨削比磨削能增大。這是因?yàn)樯拜喚€速度的提高使磨削厚度減小，材料易產(chǎn)生塑性變形，消耗能量增大。還可以看到隨著砂輪磨削深度的增大，比磨削能減小。其原因是磨削深度越小，材料越容易產(chǎn)生塑性變形，其消耗的能量就越大。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在大切深時(shí)，隨著砂輪線速度的提高，比磨削能的增幅有限，并逐漸趨于平穩(wěn)，這也說(shuō)明在大切深時(shí)，提高砂輪線速度并不會(huì)使磨削條件繼續(xù)惡化，而是可以在保證加工質(zhì)量的前提下提高加工效率。

3.2 比磨削能與工作臺(tái)速度的關(guān)系

圖11是45#鋼與40Cr鋼在砂輪線速度為90 m/s時(shí)，比磨削能與工作臺(tái)速度的關(guān)系圖。其中，工作臺(tái)速度為2 m/min時(shí)的比磨削能均大于工作臺(tái)速度為4 m/min時(shí)的比磨削能，也就是說(shuō)，隨著工作臺(tái)速度的提高，比磨削能在減小。這是因?yàn)樘岣吖ぷ髋_(tái)速度，磨粒實(shí)際磨削厚度增大，材料更多地被脆性去除，脆性剝落增多，因此比磨削能減小。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)提高砂輪線速度，磨削溫度隨之升高，但繼續(xù)提高砂輪線速度，磨削溫度卻呈明顯下降的趨勢(shì)。而材料和加工條件不同，這個(gè)速度的磨削溫度所謂“死谷”也各不相同。對(duì)于45#和40Cr，在砂輪線速度超過(guò)120 m/s后，磨削溫度均開(kāi)始下降，而對(duì)于45#，在切削深度為0.03 mm時(shí)，砂輪線速度從120 m/s至150 m/s時(shí)，磨削溫度急速下降，而速度超過(guò)150 m/s后，磨削溫度下降緩慢，并趨于穩(wěn)定;在切削深度為0.05 mm時(shí)，砂輪線速度從150 m/s至180 m/s時(shí)，磨削溫度急速下降。

(2)在本實(shí)驗(yàn)的工作臺(tái)速度條件下，工作臺(tái)速度越快，溫度越高。切削深度越大，磨削溫度就越高。

(3)比磨削能隨切深及工作臺(tái)速度的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，而砂輪線速度的提高又使比磨削能加大。在大切深時(shí)，隨著砂輪線速度的提高，比磨削能的增幅有限，并逐漸趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明在大切深時(shí)，提高砂輪線速度并不會(huì)使磨削條件繼續(xù)惡化，而是可以在保證加工質(zhì)量的前提下提高加工效率。

(4)在超高速磨削條件下，考慮磨削溫度和比磨削能，可以發(fā)現(xiàn):40Cr鋼的磨削性能優(yōu)于45#鋼。

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