砂帶深磨加工磨削熱分布研究

張偉文，范四立，左大利

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

1 引言

砂帶深磨磨削是一種高效經(jīng)濟(jì)的磨削方式［1，2］。在深磨加工時(shí)，砂帶會(huì)被施加較大的磨削壓力，磨削過程中工件會(huì)受到較長時(shí)間高磨削溫度作用，容易造成燒傷。確定磨削過程中磨削區(qū)的熱分布變化規(guī)律有助于選擇合適的磨削參數(shù)，避免燒傷的出現(xiàn)。

磨削加工磨削溫度的研究可分為基于理論分析的計(jì)算機(jī)模擬及實(shí)驗(yàn)研究兩種手段。Malkin 和Guo 總結(jié)了磨削加工中磨削熱的熱分析各種方法［3］。在理論方法方面，徐慧蓉等研究了高效深磨中溫度場［4］；郭力采用不同的連續(xù)熱源模型和有限元方法研究了對(duì)工程陶瓷在深磨中溫度場的變化規(guī)律［5］。實(shí)驗(yàn)研究方法方面，郭力等采用熱電偶測溫方法研究了磨削接觸區(qū)的最高溫度［6］。針對(duì)深磨加工，Jin 等用試驗(yàn)方法研究砂輪深磨加工磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度傳遞過程［7］。磨削熱研究多是針對(duì)固結(jié)磨具進(jìn)行的，對(duì)于砂帶形式的磨削熱研究則尚顯不足。和砂輪磨削相比，砂帶磨削的磨削熱分布不僅和砂帶速度、工件速度相關(guān)，還受接觸輪壓力、磨削深度等因素影響。在砂帶磨削過程中，彈性的砂帶與工件接觸緊密，磨削區(qū)容易產(chǎn)生持續(xù)的高溫。為了進(jìn)一步了解砂帶磨削過程中磨削溫度的變化，本文將采用實(shí)驗(yàn)方法來研究砂帶磨削加工中在磨削區(qū)的磨削熱分布規(guī)律。

2 砂帶磨削

砂帶磨削加工是常用的磨削加工方式，它可以加工大部分的金屬材料及非金屬材料。由于砂帶磨削其加工效率高，可用于深磨加工。其深磨效率甚至高于普通銑削，且可加工復(fù)雜的成型曲面工件，具有生產(chǎn)率高，加工成本低，表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 砂帶磨頭結(jié)構(gòu)及磨削過程示意圖

如圖1 所示，砂帶磨頭主要由驅(qū)動(dòng)輪、接觸輪和砂帶幾部分組成。砂帶套在接觸輪和驅(qū)動(dòng)輪的外表面，張緊并由驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，磨削面處于接觸輪上的砂帶與工件接觸面。接觸輪可以使用橡膠材料或金屬制造，橡膠材料的彈性接觸使砂帶磨削比砂輪磨削更貼合工件，磨粒的受力更為均勻，磨削效率也更高。

砂帶自身是由基材、磨料和粘結(jié)劑三部分組成（圖2所示）?；氖悄チ吓c粘結(jié)劑的承載體，一般以紙、布、化學(xué)纖維或混合基材作為主要原料，具有較好柔性。粘結(jié)劑則把磨料牢固地粘結(jié)在基體上，使其具有足夠的抗沖擊強(qiáng)度。

砂帶磨削加工過程中絕大部分磨削能將轉(zhuǎn)化為熱能，而其中大部分磨削熱能經(jīng)過磨削面?zhèn)魅牍ぜ湍チ＃瑢?duì)采用深磨方式加工時(shí)，形成的磨屑將帶走大量的磨削熱。由于砂帶自身具有冷態(tài)磨削效果，砂帶磨削和砂輪磨削相比，工件得到的磨削熱更少，更適合用于深磨加工。

圖2 砂帶結(jié)構(gòu)

砂帶深磨較慢的緩磨加工，磨削熱源作用于工件的熱傳遞過程較長，這會(huì)引起較深的熱滲透。了解該類磨削的熱滲透深度及磨削溫度對(duì)選擇合適的磨削參數(shù)十分重要。

3 磨削溫度分布測定

磨削試驗(yàn)是以工業(yè)砂帶磨機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)備的磨削方式設(shè)為恒壓磨削式，磨削溫度測量采用熱電偶深埋方式測量。測量設(shè)備由熱電偶感溫元件、溫度補(bǔ)償電路、測試試件、信號(hào)放大器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。試驗(yàn)測試的試件由兩個(gè)方塊部件經(jīng)粘合而成，熱電偶被埋設(shè)一細(xì)小凹槽中。埋設(shè)的熱電偶并軋制成薄片，熱電偶和工件之間用云母薄片（絕緣云母片厚約0.01～0.02mm）絕緣。埋設(shè)熱電偶薄片厚度很薄，小于0.1mm，能獲得較快的響應(yīng)速度，以便能較準(zhǔn)確地測量磨削溫度的變化。

圖3 磨削測溫試驗(yàn)方案

試驗(yàn)測試方案如圖3所示。測溫元件測量點(diǎn)埋設(shè)在工件表面的下方，并不直接露出表面。砂帶每磨削一次，測溫元件的埋設(shè)深度就會(huì)減少，其減少深度等于磨削深度。每次磨削，通過熱電偶信號(hào)，計(jì)算機(jī)會(huì)將每個(gè)磨削過程的溫度變化記錄下來。

單次磨削實(shí)驗(yàn)僅能記錄工件內(nèi)部單點(diǎn)的溫度變化情況，僅憑單點(diǎn)的溫度變化是不能確定磨削區(qū)域的熱分布情況。為此，假設(shè)磨削過程是反復(fù)連續(xù)進(jìn)行，磨削過后工件內(nèi)部得到了充分的冷卻作用，上一次的磨削加工不影響下一次的磨削。根據(jù)該假設(shè)，單次磨削，測溫點(diǎn)記錄的是單點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，單點(diǎn)測量的隨時(shí)間變化的測溫?cái)?shù)據(jù)可視為某一瞬間等深截面上的溫度變化。也就是說，單點(diǎn)的溫度變化反映了該點(diǎn)所在深度下，工件內(nèi)部整個(gè)截面的溫度變化情況。

從上述假設(shè)出發(fā)，可通過記錄多次不同深度下單點(diǎn)磨削溫度變化數(shù)據(jù)獲得不同深度下工件等深截面的溫度變化情況。倘若每次磨削參數(shù)均一致，每一次磨削過程溫度記錄可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)瞬時(shí)的熱分布，多次不同深度的測量數(shù)據(jù)可視為單次磨削過程不同深度下的磨削溫度變化。當(dāng)每次記錄深度差足夠小時(shí)，可通過數(shù)值插值方法獲得整個(gè)磨削區(qū)域縱向截面的熱分布。

本文試驗(yàn)中，磨削材料采用45 鋼和SK840X-P60 砂帶。和大部分金屬材料的熱導(dǎo)率一樣，45 鋼熱導(dǎo)率隨溫度增高而降低，也就是說磨削溫度越高時(shí)，越不容易散熱。當(dāng)采用緩磨時(shí)，磨削進(jìn)給速度較慢，磨削深度較大，磨削過程會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，若不能有效地把熱量傳遞出去，會(huì)導(dǎo)致較高的磨削高溫，從而引起燒傷。

磨削試驗(yàn)共記錄了7個(gè)不同磨削高度下的磨削溫度變化，每次均采用同樣的磨削參數(shù)，由于磨頭橡膠接觸輪具有一定的彈性，盡管采用統(tǒng)一的磨削參數(shù)，磨削深度有些起伏變化，整個(gè)試驗(yàn)的磨削參數(shù)如表1 所示。

表1 45 鋼磨削試驗(yàn)參數(shù)

不同深度的單點(diǎn)連續(xù)磨削溫度變化如圖4 所示。圖中每一線條代表一個(gè)磨削過程中測溫點(diǎn)的磨削溫度變化。圖中可見磨削溫度最高出現(xiàn)在試驗(yàn)07線條，接近220℃。07 線條出現(xiàn)折線處是因?yàn)闇y溫點(diǎn)與砂帶磨粒發(fā)生接觸導(dǎo)致的。圖中所有測溫線均呈駝峰形狀，駝峰狀是由于砂帶接近及離開測溫點(diǎn)過程引起的升溫及降溫形成的，駝峰處磨削溫度的變化隨著深度降低而顯得更加劇烈。本次砂帶磨削試驗(yàn)采用了較慢的進(jìn)給速度，試驗(yàn)的總體磨削溫度均不算高，最高溫約220℃，不足以造成燒傷。和砂輪磨削的緩磨相比，磨削溫度低得多，這也是砂帶磨削的冷態(tài)磨削特性所致。

圖4 不同深度下的磨削溫度測量結(jié)果

圖4的磨削溫度是記錄單點(diǎn)的溫度變化，它并不能直接反映磨削區(qū)的熱分布。根據(jù)前文所述的假設(shè)，我們可以根據(jù)多次不同深度的磨削溫度變化采用線性插值方法構(gòu)造出整個(gè)磨削縱向面的磨削熱分布。計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。圖5中等溫曲線很好地反映了磨削過程中工件在磨削區(qū)處的溫度分布情況。工件高溫主要出現(xiàn)在磨削區(qū)附近，等溫線間距很小，工件高溫?zé)岱植嫉葴厍€在磨削表面呈近倒鈍三角形。該磨削熱分布是因?yàn)榫從ゼ庸ば再|(zhì)所導(dǎo)致，磨削深度較大和較慢的進(jìn)給率，使得整個(gè)磨削區(qū)受熱時(shí)間長，從而引起較高的熱滲透，形成此種熱分布。

圖5 工件磨削溫度分布結(jié)果與分析

4 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)方式研究了砂帶緩磨加工磨削區(qū)的磨削熱分布。試驗(yàn)通過測量多次單點(diǎn)連續(xù)溫度變化，并采用數(shù)值方法還原磨削區(qū)的等溫?zé)岱植肌＝Y(jié)果表明，砂帶緩磨加工會(huì)產(chǎn)生較小的熱滲透，在磨削區(qū)處工件的熱分布呈扁平倒鈍三角形狀。此外砂帶深磨加工即使采用較大的磨削深度和較慢的進(jìn)給速度，由于砂帶冷態(tài)磨削作用以及切屑均帶走大量熱量，總體磨削溫度比砂輪磨削要低。

［1］黃云，等.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

［2］李伯民，等.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］MALKIN S，et al.Thermal analysis of grinding［M］.Annals of CIRP，2007，56（2）：760-782.

［4］徐慧蓉，等.高效深磨中溫度的理論分析［J］.機(jī)床與液壓，2004（8）：104-106.

［5］郭力，何利民，謝桂芝.工程陶瓷高效深磨溫度場的有限元仿真［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（7）：24-29.

［6］郭力，嚴(yán)勇.磨削溫度的試驗(yàn)研究［J］.精密制造與自動(dòng)化，2011（1）：13-18.

［7］JIN T，STEPHENSON D J.Heat flux distributions and convective heat transfer in deep grinding［J］.International Journal of Machine Tools &Manufacture，2006，46：1862-1868.