兩次變速型圓筒直進(jìn)加工過程中熱變量的數(shù)值分析

蘇日塔拉圖

（赤峰學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰024000）

兩次變速型圓筒直進(jìn)加工過程中熱變量的數(shù)值分析

蘇日塔拉圖

（赤峰學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰024000）

為了改善圓筒直進(jìn)研削加工的加工能力,我們采用兩次變速型粗磨和精磨研削加工，加工過程中，由于直進(jìn)速度及切削量的不同組合導(dǎo)致的工件內(nèi)部流入的熱量有所變化，這對(duì)加工精度來說有影響.本研究中，設(shè)計(jì)了兩次變速型研削加工的數(shù)值解析程序，并解析工件溫度分布和熱變形現(xiàn)象.

數(shù)值分析；熱變量；研削；差分法

蘇日塔拉圖，男，蒙古族，1974年9月出生于內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗，1997年7月畢業(yè)于內(nèi)蒙古師范大學(xué)數(shù)學(xué)系。2006年3月，畢業(yè)于日本國(guó)立岡山大學(xué)大學(xué)院教育學(xué)研究科數(shù)學(xué)教育專業(yè)，獲得碩士學(xué)位。2009年3月，畢業(yè)于日本國(guó)立岡山大學(xué)大學(xué)院自然科學(xué)研究科產(chǎn)業(yè)創(chuàng)成工學(xué)專業(yè)，獲得博士學(xué)位。2009年4月，擔(dān)任YUASA工機(jī)株式會(huì)社油壓機(jī)器制造部生產(chǎn)管理科技術(shù)指導(dǎo)，中方技術(shù)指導(dǎo)科科長(zhǎng)。2012年4月調(diào)入赤峰學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院工作。

對(duì)一般圓筒直進(jìn)研削加工來說，如果要提高加工品質(zhì)（熱變形量，研削精度，表面粗糙度，加工表面特性等），需要延長(zhǎng)加工時(shí)間，這導(dǎo)致加工效率變低，反過來說如果要提高加工效率熱變形量就增大，這就導(dǎo)致了加工品質(zhì)的劣化.在實(shí)際研削加工中，為了提高研削效率及保證后期加工品質(zhì)，我們使用的不是單一的定速直進(jìn)加工，而需要用兩次變速來加工，第一階段經(jīng)可能快速切削（粗研削），到了一定時(shí)間后為了保證加工品質(zhì)的要求，在進(jìn)入第二階段進(jìn)行直進(jìn)速度變速（精研削），也就是說采用兩次變速型圓筒直進(jìn)切削加工的情況比較多[1].

本研究中，探討了實(shí)現(xiàn)良好加工品質(zhì)和研削效率的條件，并且，關(guān)于粗研削和精研削過度點(diǎn)的工件溫度分布和熱變形進(jìn)行了數(shù)值分析.

1 數(shù)值分析方法

筆者在，前論文[2]建立了圓筒直進(jìn)研削現(xiàn)象的模擬模型,并結(jié)合差分法分析了非定常熱傳導(dǎo)的數(shù)值分析,確立了工件熱變形的模擬試驗(yàn)的手法.在本文中把工件熱變形的模擬試驗(yàn)的手法改良成適用兩次變速型圓筒直進(jìn)加工，并實(shí)施數(shù)值分析.

2 兩次變速型研削加工的數(shù)值解析

粗研削速度為8m/s，精研削速度為4m/s時(shí)的切削量及半徑減少量變化如圖1所示.這里用(SR)T表示熱變形時(shí)的外觀上的半徑減少量，(SR)T減去熱變形量的值表示實(shí)際半徑減少量SR如圖所示，20s(研削量160μm)時(shí)粗研削結(jié)束，明顯的熱變形伴著精磨過度而產(chǎn)生.圖2中表示，圖1同一條件下的實(shí)際半徑減少速度SR’和外觀上的半徑減少速度(SR)T’的變化過程.

圖1 兩次變速型直進(jìn)研削的切削量和半徑減少量

圖2 兩次變速型直進(jìn)研削的半徑減少速度

兩次變速型研削中，從砂輪和工件接觸就工件開始熱流入，并熱膨脹加速進(jìn)行.而且，精磨過度的同時(shí)，熱流入量減少這時(shí)工件表面散熱引起熱膨脹速度收斂下去.并且，無火花研削過程中，受到殘留熱膨脹影響，兩者的半徑減少速度明顯看到差異.

3 精研削切削量和變速影響

關(guān)于兩次變速型研削加工中，粗研削和精研削的直進(jìn)速度和切削量的搭配有幾種.那么，表格中表示粗研削直進(jìn)速度設(shè)為10m/s，精研削的總切削量在5m～320m之間變化，那么直進(jìn)速度在表1中設(shè)定后，實(shí)行數(shù)值解析.

表1 解析條件

按照表1進(jìn)行改變各參數(shù)值的時(shí)侯切削量的變化對(duì)應(yīng)于圖3所示.各研削條件的精研削在圖中的黑點(diǎn)處開始，在ts=60s處轉(zhuǎn)移到無火花研削過程.圖4中表示的是和圖3相同條件的熱膨脹量的變化.圖所示，粗研削支配條件下，熱收縮在精研削時(shí)發(fā)生.另一方面，精研削支配的條件下，熱膨脹繼續(xù)到無火花研削附近.從這個(gè)現(xiàn)象看，如果讓精研削時(shí)的熱膨脹量收斂到一定值，那么我們要選擇最適當(dāng)?shù)拇盅邢鞯骄邢鞯倪^度點(diǎn).

還有，無火花研削時(shí)熱膨脹量，在解析條件1中6.85μm，解析條件8中5.62μm，為了追求加工精度，選好粗研削和精研削的切削量及直進(jìn)速度也是一個(gè)重要的因素.

關(guān)于解析號(hào)6對(duì)應(yīng)的工件溫度分布圖，圖5所示.應(yīng)為工件的表面，最受熱流入出的影響，所以敏感地反映出對(duì)于粗研削，精研削的研削能力率的溫度變化.然而，隨著從工件表面到中心，熱傳導(dǎo)發(fā)生時(shí)間差異，同時(shí)由于從工件表面流出熱量，所以看不見溫度的急劇變化了.加上，工件表面和內(nèi)部熱傳導(dǎo)有差異，影響到表示最高溫度的研削時(shí)間，對(duì)于每個(gè)表面深度的溫度上升曲線的極大值不同，因此，在工件內(nèi)部，幾乎不怎么受到直進(jìn)速度的影響，溫度幾乎和切削周期同比例上升.到無火花加工時(shí)熱的流入急減，從工件表面放熱為主，所以表面的冷卻使表面溫度急速下降.反而在工件內(nèi)部，加工過程的熱量被儲(chǔ)積，更進(jìn)一步說，由于冷卻液的冷卻不十分起到作用所以降溫遲緩，因此，對(duì)于表示最高溫度的粗研削，抑制溫度上升有助于降低熱變形.

圖3 兩次變速型直進(jìn)研削的切削量

圖4 兩次變速型直進(jìn)研削的熱膨脹量

圖5 兩次變速型直研削的工件溫度分

4 結(jié)論

本研究中，通過數(shù)值解析討論了兩次變速型直進(jìn)研削加工對(duì)工件的溫度分布及熱變形現(xiàn)象.下面是得到的主要結(jié)論.

(1)如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)定粗研削到精研削的時(shí)間，那么在精研削時(shí)熱膨脹量幾乎控制到一定量.

(2)一方面應(yīng)為速度工件表面溫度急劇下降，另一方面，工件內(nèi)部，幾乎不會(huì)受到直進(jìn)速度的影響，溫度幾乎和切削周期同比例上升.

〔1〕中島利勝，露峯登．兩次變速直進(jìn)加工研究[J]．精密機(jī)械，1979，45（11）：47．

〔2〕坂倉(cāng)守昭，蘇日塔拉圖，長(zhǎng)谷川裕之，塚本真也．關(guān)于圓筒直進(jìn)研削加工的熱變形模擬實(shí)驗(yàn)．2007，51（9）：559．

TH161+.21

A

1673-260X（2014）07-0001-02