凸輪軸高速磨削溫度的實驗研究

鄧朝暉 　劉　濤　廖禮鵬,3　劉　偉 　萬林林　彭克立

1. 湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭，4112012. 湖南海捷精密工業(yè)有限公司，長沙，4102053.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲，412000

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凸輪軸高速磨削溫度的實驗研究

鄧朝暉1劉濤1廖禮鵬1,3劉偉1萬林林1彭克立2

1. 湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭，4112012. 湖南海捷精密工業(yè)有限公司，長沙，4102053.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲，412000

為深入探討凸輪軸高速磨削過程中磨削溫度的演變規(guī)律，設(shè)計了基于紅外熱像儀的凸輪軸高速磨削工件表面溫度的實驗測試裝置。采用正交試驗法和單因素試驗法設(shè)計磨削實驗，開展了不同磨削工藝參數(shù)下的磨削溫度實驗，運用極差法和方差法綜合分析了相關(guān)磨削工藝參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，基于工件表面磨削溫度和表面粗糙度分析了凸輪軸高速高效磨削的可行性，為解決凸輪磨削表面熱損傷等問題提供了參考。

凸輪軸; 磨削溫度; 紅外熱像儀；多因素方差法

0　引言

凸輪軸是汽車、摩托車、內(nèi)燃機和柴油發(fā)動機的核心部件，通過合理設(shè)計凸輪輪廓型線可達到控制氣門運動的目的，從而實現(xiàn)缸內(nèi)氣體的有效更換。汽車、船舶等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得凸輪軸的需求量越來越大，但隨著全球排放法規(guī)日益嚴(yán)格和國家新凸輪軸設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的出臺，燃油系統(tǒng)不斷向壓力更高、轉(zhuǎn)速更高以及響應(yīng)更快的方向發(fā)展，這對凸輪軸的加工提出了更高的要求。磨削加工技術(shù)是現(xiàn)代機械制造業(yè)實現(xiàn)精密加工、超精密加工中最有效、應(yīng)用最廣的工藝技術(shù)[1]，也是凸輪軸加工中最關(guān)鍵的工序環(huán)節(jié)。國內(nèi)外研究與實踐證明，高速磨削在一定條件下，可以實現(xiàn)質(zhì)量和效率的完美結(jié)合[2]，這也是目前凸輪軸加工技術(shù)的發(fā)展趨勢。凸輪高速磨削過程中會產(chǎn)生大量的熱量，大部分熱量會以熱能的形式進入工件，導(dǎo)致磨削弧區(qū)的局部溫度急劇升高，極大地影響凸輪的表面完整性及其使用性能，甚至引起凸輪表面的熱損傷(包括表面的燒傷、裂紋、殘余應(yīng)力等)[3]，這將會導(dǎo)致凸輪軸的抗磨損性能降低，抗疲勞性能下降，從而縮短其使用壽命和降低可靠性。

通過研究磨削溫度來分析磨削加工過程中的熱作用機制，進而改善和抑制磨削熱對工具和工件的負(fù)面影響，一直以來都是磨削加工技術(shù)和減少工件表面磨削燒傷研究的重要內(nèi)容之一[4]。

對于磨削溫度的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多工作，提出了許多假說和理論模型，使用了多種測量方法并獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)[5-12]。然而， 之前關(guān)于磨削熱的研究主要集中在平面磨削和外圓磨削[13-17]，而對于凸輪這種非圓輪廓的磨削熱的研究還不多見。

磨削弧區(qū)溫度的分布研究一般采用實驗的方法和數(shù)值模擬的方法，但磨削本身的復(fù)雜性使得磨削溫度的研究更多依賴于實驗方法。目前比較成熟的實驗測量技術(shù)主要包括熱電偶技術(shù)和熱成像測量技術(shù)。使用熱電偶測量磨削溫度往往需要破壞工件的完整性，測量的傳熱情況不符合實際，影響測得溫度的真實性且響應(yīng)速度慢，因此不適用于溫度梯度大的場合[18]。凸輪軸作為典型的非圓輪廓工件，工件厚度不均勻，工件表面磨削溫度梯度大，使用熱電偶測溫法難以測量到整個凸輪表面的溫度變化，且在高速磨削過程中，熱源對熱電偶的作用時間極短難以達到熱平衡時的溫度。所以，以往常用的熱電偶測量方式主要是針對平面磨削或均勻的外圓磨削，而不適用于非圓輪廓工件的磨削溫度測量。

熱成像技術(shù)是采用紅外熱像儀記錄工件表面的溫度場分布的，應(yīng)用該技術(shù)測溫將得到包括磨削區(qū)以外適當(dāng)距離范圍內(nèi)的整個溫度場的圖像，具有實時測量表面溫度的優(yōu)點，可以直接讀取整個磨削過程的溫度場圖，熱成像技術(shù)能在不破壞工件的情況下測量工件表面的磨削溫度，適用于測量脆性材料和非導(dǎo)材料、非圓輪廓工件的磨削溫度，近些年已在國內(nèi)外得到廣泛使用[19]。

據(jù)此，針對非圓輪廓磨削弧區(qū)溫度測量的特殊要求，本文設(shè)計基于紅外熱像儀的溫度測試裝置，用于測量凸輪軸高速磨削過程中的工件表面溫度，采用正交試驗法和單因素試驗法相結(jié)合的方式設(shè)計實驗，通過數(shù)字功率計測量磨削過程中的實時功率，用超景深顯微鏡觀察已磨凸輪表面，并用MarSurf M300便攜式粗糙度儀檢測工件表面粗糙度。然后以極差法和方差法分析砂輪線速度、磨削深度、凸輪基圓處工件轉(zhuǎn)速(簡稱工件轉(zhuǎn)速)等磨削工藝參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，進而分析凸輪軸高速高效磨削的可行性。

1　實驗

1.1凸輪軸高速磨削工件表面溫度測試實驗裝置

凸輪軸高速磨削工件表面溫度測試實驗裝置主要由超高速凸輪軸復(fù)合磨床、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字功率計等組成，如圖1所示。超高速凸輪軸數(shù)控復(fù)合磨床型號為CNC8325，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，三軸二聯(lián)動，大砂輪的主軸系統(tǒng)采用內(nèi)置式電機電主軸(安裝有在線動平衡系統(tǒng))，最高轉(zhuǎn)速可以達到10000 r/min。磨床使用粒度為120目、濃度為125%的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，砂輪半徑為200 mm，砂輪寬度為25 mm，砂輪最大線速度為200 m/s，采用金剛石滾輪對砂輪進行修整。紅外熱像儀型號為FLIR SC300-Series，測量范圍為-20～1200℃。在實驗之前，根據(jù)FLIR SYSTEM自帶輻射率表推薦值，并通過使用熱電偶標(biāo)定了紅外熱像儀在同種材料相同磨削情況下的輻射率，確保了溫度測量的精確度。為了適應(yīng)凸輪輪廓多變的特征，設(shè)計了可自由活動的紅外熱像儀安裝基座，通過該活動基座可手動實現(xiàn)紅外攝像頭上下位置、角度等的調(diào)節(jié)，使其處于最佳測量位置。數(shù)字功率計采用的是日本橫田生產(chǎn)的WT330系列功率分析儀，采樣頻率為0.1 s，用于測量主軸系統(tǒng)功率。

圖1　凸輪軸高速磨削工件表面溫度測試實驗裝置示意圖

1.2實驗條件

以型號th465凸輪軸為實驗試件，凸輪片寬度為20 mm，凸輪輪廓結(jié)構(gòu)如圖2所示。開展不同砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速及磨削深度下的磨削弧區(qū)工件表面溫度正交試驗以研究磨削工藝參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，為直觀揭示單個參數(shù)對磨削溫度的影響規(guī)律，進一步采用單因素試驗法進行深入探究，磨削實驗條件如表1所示。為了保證每次磨削時的起始條件一致，將第7片凸輪(紅外熱像儀測量的最佳區(qū)域是第7片凸輪)先磨削至同一尺寸，每組實驗加工3次，每次磨削5圈，工件表面最高溫度取3次加工的算術(shù)平均值，同時每進行5組實驗砂輪修整一次。

圖2　進氣凸輪輪廓圖

項目參數(shù)磨削方式干磨砂輪粒度120目、濃度為125%的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪,半徑為200mm,寬度為25mm砂輪修整方式金剛石滾輪修整凸輪軸試件th465型冷激鑄鐵凸輪軸紅外熱像儀測量范圍-20～1200℃砂輪線速度vs(m/s)60,90,120,130,140,150工件轉(zhuǎn)速nw(r/min)30,60,90,120,150磨削深度ap(mm)0.001,0.003,0.005,0.010,0.015

其中，從正交表中選擇標(biāo)準(zhǔn)的三因素四水平正交表L16(34)設(shè)計實驗方案，分別測量16組實驗后工件表面磨削溫度并觀察已磨工件表面，各因素及其水平如表2所示。

表2　正交試驗各因素及水平

2　凸輪軸高速磨削溫度實驗結(jié)果與分析

2.1磨削溫度測試實驗結(jié)果

在vs=130 m/s，nw=90 r/min，ap=0.010 mm條件下，測試結(jié)果如圖3所示。前面兩圈采集到的溫度明顯小于后面幾圈采集到的溫度，直到第三圈溫度才達到穩(wěn)定值。主要原因是：在磨削過程中，砂輪與工件接觸會發(fā)生彈性退讓現(xiàn)象，導(dǎo)致實際磨削深度小于設(shè)定磨削深度，造成磨削溫度未能達到穩(wěn)定值。而隨著磨削的持續(xù)，砂輪退讓程度會越來越小，實際磨削深度基本達到設(shè)定磨削深度。

圖3　磨削弧區(qū)工件表面溫度實測曲線

在磨削進行到第3圈以后，磨削狀態(tài)基本穩(wěn)定，可視為理想的磨削溫度采集區(qū)間。由凸輪磨削第4圈時工件表面溫度實時測試結(jié)果局部放大圖及采集的數(shù)據(jù)分析可知，在凸輪桃尖兩側(cè)位置發(fā)生溫度突變，其中工件表面最高溫度發(fā)生在桃尖右側(cè)(從工件順時針轉(zhuǎn)動方向觀察)10°處，伴隨著嚴(yán)重?zé)齻鐖D4所示。

圖4　凸輪表面最高溫度區(qū)域觀測圖

2.2磨削工藝參數(shù)對凸輪軸高速磨削弧區(qū)工件表面溫度的影響

2.2.1 正交試驗數(shù)據(jù)處理與分析

凸輪軸高速磨削弧區(qū)工件表面溫度正交試驗數(shù)據(jù)與極差計算結(jié)果如表3所示，方差計算結(jié)果如表4所示。

表3　L16(34)正交試驗數(shù)據(jù)與極差計算

表4　L16(34)正交試驗方差分析

2.2.2 單因素試驗數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素法進行多次試驗，探索砂輪線速度、磨削深度及工件轉(zhuǎn)速單個因素對磨削溫度的影響進行規(guī)律，得到不同磨削工藝參數(shù)影響下的凸輪軸表面不同位置(工件表面最高溫度、頂圓磨削溫度、基圓段磨削溫度)磨削溫度變化曲線，如圖5所示。

(a)砂輪線速度的影響(nw=90 r/min,ap=0.01 mm)

(b)工件轉(zhuǎn)速的影響(vs=120 m/s,ap=0.015 mm)

(c)磨削深度的影響(vs=120 m/s,nw=90 r/min)1.工件表面最高溫度　2.頂圓磨削溫度　3.基圓段磨削溫度圖5　磨削工藝參數(shù)對磨削弧區(qū)工件表面溫度的影響

由圖5a分析可知，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速nw和磨削深度ap恒定時，在60 m/s130 m/s時，溫度開始緩慢下降。

圖5b所示為工件轉(zhuǎn)速對磨削弧區(qū)工件表面最高溫度的影響規(guī)律。在砂輪線速度vs和磨削深度ap恒定的條件下，nw增大時，對應(yīng)的材料去除率將增加，磨削時間縮短，熱量在極短的時間內(nèi)來不及進入工件內(nèi)部就被砂輪和磨屑帶走，所以磨削弧區(qū)工件表面溫度隨著工件轉(zhuǎn)速的增加而有所降低。

由圖5c可知，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速nw和砂輪線速度vs恒定時，磨削深度ap的增大將使工件表面出現(xiàn)明顯的溫升，這是由于ap的增大，使得磨削功率增大，同時磨削接觸弧長變長，磨削時所聚集的熱量在更深處不容易散發(fā)，所以在ap增大時出現(xiàn)了磨削弧區(qū)工件表面溫度較大幅度上升的現(xiàn)象。

2.2.3 凸輪軸高速高效磨削參數(shù)組合下磨削溫度及表面粗糙度的變化規(guī)律

在正交試驗與單因素試驗的基礎(chǔ)上，為進一步研究高速高效磨削參數(shù)組合對磨削溫度及表面粗糙度的影響，進行了以下實驗。在磨削深度不變的情況下，同比例增大砂輪線速度和工件轉(zhuǎn)速，測量了工件表面磨削溫度并采用MarSurf M300便攜式粗糙度儀檢測了凸輪基圓、頂圓以及升程部分三處的表面粗糙度，繪制了最高磨削溫度以及升程部分的表面粗糙度隨磨削工藝參數(shù)變化的曲線，見圖6。

圖6　磨削工藝參數(shù)對工件表面最高溫度及表面粗糙度的綜合影響(ap=0.015 mm)

分析圖6可知，保持速比不變時，隨著工件轉(zhuǎn)速和砂輪線速度的同時增大，磨削溫度曲線呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，而表面粗糙度曲線呈現(xiàn)出略有增大的趨勢，但變動范圍很小。這表明在高工件轉(zhuǎn)速與高砂輪線速度工況下，凸輪磨削工件表面粗糙度的變化不大而磨削溫度呈現(xiàn)下降趨勢。這一發(fā)現(xiàn)對凸輪的磨削加工中實現(xiàn)高效率和高精度具有重要意義。

3　結(jié)論

(1)正交試驗結(jié)果及其極差分析與方差分析表明：對于工件表面最高磨削溫度的影響大小排序為磨削深度、砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速。

(2)通過單因素試驗發(fā)現(xiàn)，磨削溫度會隨著砂輪線速度的增大先上升后下降，其最大值出現(xiàn)在vs=130 m/s附近；磨削深度的增加將導(dǎo)致磨削溫度的快速上升；磨削溫度會隨著工件轉(zhuǎn)速的增大而下降，但影響不顯著。

(3)通過開展高速高效磨削實驗發(fā)現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速與高砂輪線速度工況下，凸輪磨削工件表面粗糙度的變化不大而磨削溫度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。這表明在機床和砂輪允許的情況下，凸輪軸高砂輪線速度與高工件轉(zhuǎn)速磨削具有可行性。

(4)在凸輪桃尖兩側(cè)范圍內(nèi)的接觸弧區(qū)工件表面溫度非常高，容易發(fā)生燒傷，所以建議在實際加工過程中加大該區(qū)域的冷卻力度或進行工件轉(zhuǎn)速優(yōu)化。

[1]周志雄, 鄧朝暉, 陳根余,等. 磨削技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國機械工程, 2000, 11(1)： 195-198．

Zhou Zhixiong, Deng Zhaohui, Chen Genyu, et al. Development and Key Technology of Grinding[J]. China Mechanical Engineering, 2000, 11(1):195-198.

[2]李蓓智.高速高質(zhì)量磨削理論、工藝、裝備與應(yīng)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012.

[3]陳榮蓮，程維明，賀耀龍，等．重型凸輪磨削溫度場的仿真與實驗研究[J]．中國機械工程，2009，20(20)：2431-2434．

Chen Ronglian, Cheng Weiming, He Yaolong, et al. Analytical and Experimental Study of Grinding Temperature Field on Heavy-duty Cam [J]. China Mechanical Engineering, 2009,20(20):2431-2434.

[4]Rowe W B. Thermal Analysis of High Efficiency Deep Grinding [J]. International Journal of Machine Tool & Manufacture, 2001,41:1-19.

[5]Jin T, Stephenson D J, Xie G Z, et al. Investigation on Cooling Efficiency of Grinding Fluids in Deep Grinding[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011,60:343-349.

[6]周志雄，毛聰，周德旺，等．平面磨削溫度及其對表面質(zhì)量影響的實驗研究[J]．中國機械工程,2008,19(8)：980-984．

Zhou Zhixiong, Mao Cong, Zhou Dewang，et al. Experimental Investigation of Grinding Temperature and Its Effects on Surface Quality in Surface Grinding[J]. China Mechanical Engineering, 2008,19(8)：980-984．

[7]Anderson D,Warkentin A,Bauer R. Experimental Validation of Numerical Thermal Models for Shallow and Deep Dry Grinding[J]．Journal of Materials Processing Technology, 2008,204:269-278.

[8]毛聰，鄒洪富，黃勇，等．微量潤滑平面磨削接觸區(qū)換熱機理的研究[J]．中國機械工程，2014,25(6)：826- 831．

Mao Cong, Zou Hongfu, Huang Yong, et al. Research on Heat Transfer Mechanism in Grinding Zone for MQL Surface Grinding [J]. China Mechanical Engineering, 2014,25(6):826- 831.

[9]Lefebvre A, Lanzetta F, Lipinski P, et al．Measurement of Grinding Temperatures Using a Foil/Workpiece Thermocouple[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012,58:1-10.

[10]郭力，盛曉敏．超高速磨削溫度的實驗研究[J]．制造技術(shù)與機床，2012(4)：99-103．

Guo Li, Sheng Xiaomin. Experimental Research on Super High Speed Grinding Temperature[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2012(4):99-103.

[11]尹國強，鞏亞東，王超，等．新型點磨削砂輪磨削參數(shù)對磨削溫度影響研究[J]．中國機械工程，2015,26(6)：716-720．Yin Guojiang, Gong Yadong, Wang Chao, et al. Study on Effects of Novel Point Grinding Wheels Processing Parameters on Grinding Temperature [J]. China Mechanical Engineering, 2015,26(6):716-720.

[12]趙恒華，蔡光起，李長河，等．高效深磨中磨削溫度和表面燒傷研究[J]．中國機械工程，2004,25(22)：74-77．

Zhao Henghua, Cai Guangqi, Li Changhe, et al. Study on Grinding Temperature and Surface Burn out in High Efficiency Deep Grinding [J]. China Mechanical Engineering, 2004,25(22):74-77.

[13]García E, Méresse D, Pombo I,et al. Identification of Heat Partition in Grinding Related to Process Parameters, Using the Inverse Heat Flux Conduction Model[J].Applied Thermal Engineering, 2014,66:122-30.

[14]王德祥，葛培琪，畢文波，等．磨削弧區(qū)熱源分布形狀研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2015,49(8)：116-121．

Wang Dexiang, Ge Peiqi, Bi Wenbo, et al. Heat Source Profile in Grinding Zone [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015,49(8):116-121.

[15]Zhu D H, Li B Z, Yang J G. Research on Heat Flux Distuibution in Deep Grinding [C]//ASME 2009:Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition.Flomda, 2009:1793-1799.

[16]龐靜珠. 高速精密外圓磨削熱及其監(jiān)控方法的研究與應(yīng)用[D].上海:東華大學(xué); 2015.

[17]呂長飛，李郝林．外圓磨削溫度仿真建模[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2013,25(7)：1663-1667．

Lü Changfei, Li Haolin. Simulation and Modelling of Cylindrical Grinding Temperature[J]. Journal of System Simulation, 2013,25(7):1663-1667.

[18]Brosse A，Naisson P，Hamdi H，et al．Temperature Measurement and Heat Flux Characterization in Grinding Using Thermography[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008,201:590-595.

[19]Anderson D, Warkentin A,Bauer R. Comparison of Numerically and Analytically Predicted Contact Temperatures in Shallow and Deep Dry Grinding with Infrared Measurements[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008,48:320-328.

(編輯袁興玲)

Experimental Investigation on Temperature in Camshaft High Speed Grinding

Deng Zhaohui1Liu Tao1Liao Lipeng1，3Liu Wei1Wan Linlin1Peng Keli2

1. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult to Machine Material, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, Hunan, 411201 2. Hunan Hicam Precision Industry Co., Ltd., Changsha, 410205 3.Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou, Hunan, 412000

For further study the evolvement rule of grinding temperature in camshaft high speed grinding, a testing device of workpiece surface temperature in camshaft high-speed grinding was designed based on infrared thermal imager.The orthogonal test method and single factor method were applied to design of experiments. Grinding temperature experiments were carried out under different grinding process parameters, and the range method and variance method were used to analyse the influences of grinding process parameters on the grinding temperature. The feasibility of high speed and high efficiency grinding based on workpiece surface temperature and surface roughness were analysed. These experiments provided reliable evidence to solve the problems of camshaft grinding surface thermal damage.

camshaft; grinding temperature; infrared thermal imager; multi-factor analysis of variance

2015-12-02

國家自然科學(xué)基金資助項目(51175163)；國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF23B01)

TG580.14

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.004

鄧朝暉，男，1968年生。湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為高效精密智能磨削技術(shù)。發(fā)表論文150余篇。劉濤，男，1990年生。湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生。廖禮鵬，男，1984年生。湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生，湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。劉偉，男，1986年生。湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院講師、博士。萬林林，男，1984年生。湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院講師、博士。彭克立，男，1976年生。湖南海捷精密工業(yè)有限公司副總經(jīng)理、高級工程師。