磨削淬硬中磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程偉，王貴成，梁萍

(1.淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223003;2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212013)

由于磨削加工切除單位體積材料時(shí)需要非常高的能量輸入，這些能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱量，其中60% ～95%的熱量傳入工件并聚集在很薄的表面層里，致使工件表層溫度急劇升高。當(dāng)磨削溫度較高時(shí)，會(huì)使工件表層金相組織發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)磨削燒傷和磨削裂紋，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致工件的抗磨損性能降低，應(yīng)力銹蝕靈敏性增加以及抗疲勞性變差，從而降低工件的使用壽命和工作可靠性。因此通過研究磨削溫度來探索解決磨削過程中熱損傷和提高工件加工質(zhì)量一直是磨削加工技術(shù)重要的研究?jī)?nèi)容之一。在磨削過程中，通常人們關(guān)注如何減少磨削熱的產(chǎn)生以及熱從工件上的傳出，把磨削熱看作是一個(gè)消極的因素，使用冷卻液和選擇合適的工藝條件來加以限制，而對(duì)磨削熱的科學(xué)作用研究較少。因此，如何主動(dòng)有效地利用磨削加工中的熱、機(jī)械作用直接對(duì)工件進(jìn)行表面淬火——磨削淬硬，成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械工程專家和學(xué)者們關(guān)注的工藝技術(shù)重點(diǎn)研究問題之一［1-4］。磨削淬硬加工不僅是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械、力和熱的復(fù)合作用過程，也是被加工材料表層組織和性能顯著變化的過程。在磨削熱方面的研究中，NGUYEN 等以液態(tài)氮對(duì)磨削淬火區(qū)域進(jìn)行冷卻，研究發(fā)現(xiàn)在殘余應(yīng)力、表面氧化和硬化層等方面可以獲得令人滿意的磨削表面質(zhì)量，同時(shí)，這也促進(jìn)了綠色加工技術(shù)的發(fā)展［5］。傅玉燦等利用熱管技術(shù)研制了具有熱管結(jié)構(gòu)的砂輪，提高了磨削熱的傳遞效率［6］。王貴成等利用伽遼金方法建立了磨削淬硬加工溫度場(chǎng)的有限元模型，并采用三角形熱源模型基于ANSYS 有限元分析軟件對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算［7］。

磨削的高溫?zé)嵝?yīng)對(duì)工件的質(zhì)量和使用性能有很大的影響，特別是當(dāng)溫度在界面上超過某一臨界值時(shí)會(huì)引起表面的熱損傷(包括表面的氧化、燒傷、殘余應(yīng)力和裂紋)，而且磨削高溫會(huì)導(dǎo)致磨削白層的產(chǎn)生，白層的脆性會(huì)使工件表面易形成裂紋，嚴(yán)重降低工件的疲勞強(qiáng)度，給工件的使用性能造成很大的安全隱患。磨削淬硬是利用磨削中砂輪與工件之間的熱量對(duì)工件進(jìn)行淬火的過程，同樣，適當(dāng)磨削溫度下才能獲得滿意的淬硬工件表面。因此，在磨削淬硬過程中，必須對(duì)磨削溫度加以控制。但是，由于理論研究的局限性以及磨削過程無法準(zhǔn)確描述，目前還不能準(zhǔn)確地計(jì)算一定工況下的磨削溫度。因此，磨削溫度的控制是解決磨削淬硬加工中工件表面熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵問題，如何控制磨削淬硬加工過程中的溫度變化，使其能夠保持較好的等溫一致性，可以說是解決磨削淬硬工件表面質(zhì)量的途徑。

1 磨削淬硬中磨削區(qū)溫度的影響因素

在磨削過程中，為了防止工件的熱損傷，通常采用澆注切削液、合理的磨削參數(shù)、冷風(fēng)冷卻以及熱管砂輪等方法降低磨削區(qū)溫度或加速磨削區(qū)熱量的傳遞，從而保證工件表面質(zhì)量，都取得了一定的效果。在磨削淬硬過程中，磨削淬硬的原因是工件表面磨削溫度達(dá)到或超過淬火相變溫度，因此，磨削區(qū)溫度的控制是保證磨削淬硬工件表面質(zhì)量的關(guān)鍵。一般只要工件表層的磨削溫度超過淬火相變溫度Ac3以上，通過自冷卻淬火都能得到以馬氏體為主的相變硬化組織，并具有較高的顯微硬度和殘余壓應(yīng)力。但是，在實(shí)際的磨削淬硬過程中，工件表面的淬硬效果會(huì)受到許多因素的影響而不穩(wěn)定。磨削淬硬層深度可以直接反映磨削淬硬效果的好壞［4］。在磨削加工中，工件表層的溫度分布可通過距表面不同深度處的溫升θz來獲得。工件表層不同深度處的溫升θz近似計(jì)算式為［8］:

式中:Z 為量綱為一的深度，可由下式計(jì)算:

式中:z 為距工件表面的深度。

將式(2)代入式(1)并經(jīng)轉(zhuǎn)換、整理后，可得磨削淬硬層深度估算式如下:

式中:Ac1為常用表面淬火鋼的淬火臨界溫度，即亞共析鋼的淬火臨界溫度。

由式(3)可知:磨削淬硬層深度與磨削淬硬加工區(qū)域表面最高溫升θghmax、工件材料的熱擴(kuò)散率K及其淬火臨界溫度Ac1、工件進(jìn)給速度vw以及磨削區(qū)接觸長(zhǎng)度lc直接相關(guān)。隨著θghmax、K 以及l(fā)c的增大，磨削淬硬層深度相應(yīng)增加。隨著vw和Ac1的提高，磨削淬硬層深度相應(yīng)減小。因此，控制磨削淬硬加工區(qū)域表面最高溫升θghmax以及工件進(jìn)給速度vw可以對(duì)磨削淬硬層進(jìn)行控制，以滿足對(duì)磨削淬硬效果的要求。

2 磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨削淬硬是利用磨削過程中產(chǎn)生的熱、機(jī)械作用直接對(duì)非淬硬鋼進(jìn)行表面形變淬火的過程。當(dāng)磨削溫度超過工件材料的淬火相變溫度時(shí)，在工件表層的冷卻速度大于臨界冷卻速度將形成奧氏體組織。然而，由于影響磨削溫度的因素較多，對(duì)磨削區(qū)的等溫性能提出了要求，即在磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量足以使得工件表面的溫度達(dá)到淬火臨界溫度Ac1以上，并保持一定時(shí)間，從而使得工件表面的內(nèi)層獲得足夠的熱量，在冷卻速度大于淬火臨界冷速使其組織形成馬氏體。同時(shí)，要注意的是工件表面的溫度不能過高而造成表面燒傷等破壞。因此，磨削淬硬中磨削區(qū)溫度的控制系統(tǒng)將高溫?zé)峁芗夹g(shù)應(yīng)用于磨削淬硬過程中，利用高溫?zé)峁芨叩膿Q熱效率、優(yōu)異的均溫性能，采用高溫?zé)峁茏鳛閭鳠嵩c工件接觸，當(dāng)工件溫度高于設(shè)定值(淬火臨界溫度)時(shí)，高溫?zé)峁芸裳杆賹⒍嘤嗟臒崃總鞒?，保持工件在磨削中的溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，以達(dá)到淬火的效果而表面不至燒傷。

2.1 高溫?zé)峁艿倪x擇

熱管是一種能以較小的溫度梯度來遠(yuǎn)距離地傳輸熱量、而無需外加動(dòng)力的傳熱組件。它利用工質(zhì)蒸發(fā)的汽化潛熱把熱量從蒸發(fā)段傳輸?shù)嚼淠危哂泻芨叩膫鳠崧?。在系統(tǒng)中高溫?zé)峁苁且环N能以較小的溫度梯度來遠(yuǎn)距離地傳輸熱量、而無需外加動(dòng)力的傳熱組件。它利用工質(zhì)蒸發(fā)的汽化潛熱把熱量從蒸發(fā)段傳輸?shù)嚼淠危哂泻芨叩膫鳠崧?，如圖1所示。在熱管傳熱過程中，熱管與工件的接觸間隙，即熱阻是影響傳熱效率的重要因素，在系統(tǒng)中，由于磨削淬硬過程是在粗磨階段，因此可以在工件表面上用一個(gè)連接塊一側(cè)與工件緊密地動(dòng)接觸，熱管則與連接塊靜接觸，一方面，避免高溫?zé)峁艿墓鼙谂c工件的摩擦，防止熱管的磨損，另一方面，可以調(diào)節(jié)熱阻以控制熱量的傳出。高溫?zé)峁艿膫鳠峋瓤梢钥刂圃? ℃左右，可以滿足在淬火臨界溫度到相變溫度之間的變化控制要求。

圖1 高溫?zé)峁苣Ｐ驮韴D

2.2 磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

如圖2所示，在外圓磨削淬硬時(shí)，砂輪采用適合的工藝參數(shù)對(duì)工件進(jìn)行磨削，使工件表面的溫度處于淬火臨界溫度范圍的上限值附近。在高溫?zé)峁軅鳠徇^程中，熱管與工件的接觸間隙，即接觸熱阻是影響傳熱效率的重要因素，由于磨削淬硬過程是在粗磨階段，因此可以在工件表面上用一個(gè)連接塊一側(cè)與工件緊密地接觸，高溫?zé)峁軅鳠岫藙t與連接塊另一側(cè)的孔形成間隙配合接觸，在接觸交界處充有一定量的導(dǎo)熱膠，在高溫?zé)峁芘c連接塊間采用密封圈防止導(dǎo)熱膠從間隙中擠出。高溫?zé)峁茉谶B接塊孔內(nèi)移動(dòng)時(shí)，利用高溫?zé)峁軅鳠岫撕瓦B接塊孔底間隙的容積與導(dǎo)熱膠體積的變化差值可以實(shí)現(xiàn)接觸熱阻的調(diào)節(jié)。通過這樣的接觸方式，一方面避免高溫?zé)峁艿墓鼙谂c工件的直接摩擦，防止高溫?zé)峁艿哪p;另一方面，可以調(diào)節(jié)接觸熱阻以控制熱量的傳出。連接塊的材料可以采用導(dǎo)熱性好、材質(zhì)較軟的銅或鎳基合金。導(dǎo)熱膠可以采用環(huán)氧樹脂與石墨粉混合，在傳熱過程中，石墨粉體的顆粒形成微通道碳管與高溫?zé)峁軅鳠岫私佑|可以高效地傳出熱量，高溫?zé)峁軅鳠岫伺c導(dǎo)熱膠的接觸面積大小對(duì)應(yīng)于不同的接觸熱阻。

圖2 磨削淬硬中磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

紅外輻射測(cè)溫儀實(shí)時(shí)檢測(cè)工件加工表面的溫度變化，通過PID 控制器，將檢測(cè)到的工件表面溫度數(shù)據(jù)和磨削淬硬的溫度參考值進(jìn)行比較，如果高于設(shè)定值時(shí)，則驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元調(diào)節(jié)高溫?zé)峁芘c連接塊和導(dǎo)熱膠的接觸面積，減小接觸熱阻以傳出多余的熱量，保持工件在磨削中的溫度穩(wěn)定在一定范圍以達(dá)到淬硬的效果而表面不至燒傷，高溫?zé)峁艿膬蓚?cè)為散熱翅片。在砂輪一側(cè)安放有噴頭，砂輪與噴頭間用隔板隔開，噴頭可以根據(jù)淬火需要對(duì)工件表面進(jìn)行噴淋。在粗磨階段，工件的轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)連接塊與工件緊密接觸時(shí)會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生一定熱量，這一熱量大小與磨削熱量相比很小。連接塊與工件的緊密接觸可以起到輔助支撐的作用，提高工件在磨削過程中的剛度［9］。

在磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用PID 控制器控制高溫?zé)峁芘c連接塊的接觸位置來控制熱阻。其控制原理如圖3所示，其中檢測(cè)裝置為紅外輻射測(cè)溫儀，控制對(duì)象為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元，用以改變高溫?zé)峁芘c連接塊的位移。在磨削淬硬過程中，工件表層的組織在極短時(shí)間內(nèi)由奧氏體經(jīng)自淬火向馬氏體相變，其相變的溫度很難確定，但是，可以通過紅外輻射測(cè)溫儀檢測(cè)工件表面的溫度，然后利用PID 控制器控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單元，用以改變高溫?zé)峁芘c連接塊和導(dǎo)熱膠的接觸面積，以調(diào)節(jié)兩者間的接觸熱阻，而連接塊與工件間的緊密抱合接觸可以認(rèn)為兩者是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以保存一定的熱量，起到保溫層的作用，這樣，控制由高溫?zé)峁軅鞒龅臒崃浚构ぜ砻婺軌蛟诜€(wěn)定的溫度范圍和環(huán)境里實(shí)現(xiàn)完全淬火，既可以避免溫度過高產(chǎn)生燒傷，也可以防止工件淬火的不均勻。雖然工件組織的變化是瞬時(shí)的，但是從工件表面的整體來看，工件表層的溫度傳遞需要一定的時(shí)間過程，只要高溫?zé)峁芴幱谶B續(xù)工作狀態(tài)，控制好磨削過程中的工件表面溫度變化在一定范圍內(nèi)完全可以滿足淬火的要求。

圖3 PID 控制系統(tǒng)原理圖

在系統(tǒng)中采用PID 控制器對(duì)高溫?zé)峁芘c連接塊(工件)的接觸位置來控制熱阻。其控制原理如圖3所示，其中檢測(cè)裝置為紅外輻射測(cè)溫儀，控制對(duì)象為高溫?zé)峁芘c連接塊(工件)的位移。

PID 控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:

或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式

式中:e(t)= R(t)－y(t)，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

在磨削淬硬過程中，工件表層的組織在極短時(shí)間內(nèi)由奧氏體化經(jīng)自淬火向馬氏體相變，其相變的溫度很難確定，但是，可以確定其溫度范圍，因此，可以通過PID 控制器調(diào)節(jié)高溫?zé)峁芘c連接塊(工件)的接觸熱阻，從而控制由高溫?zé)峁軅鞒龅臒崃?，使工件能夠在穩(wěn)定的溫度范圍里實(shí)現(xiàn)完全淬火和淬硬層厚度的要求，既可以避免溫度過高產(chǎn)生燒傷，也可以防止工件淬火的不均勻。

在磨削區(qū)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，高溫?zé)峁艿膯?dòng)性能是影響熱量傳出的重要因素，在系統(tǒng)中考慮高溫?zé)峁艿恼舭l(fā)段、冷凝段和絕熱段三者的長(zhǎng)度比例，高溫?zé)峁艿膯?dòng)可以不受冷凍啟動(dòng)極限的影響［10］。

3 結(jié)論

通過對(duì)工件在磨削區(qū)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用高溫?zé)峁堋⒓t外輻射測(cè)溫儀以及PID 控制器等可以使工件在磨削淬硬過程中表面溫度處于穩(wěn)定的范圍，控制工件表面的淬硬質(zhì)量和淬硬層厚度滿足要求，為實(shí)現(xiàn)磨削淬硬的自動(dòng)控制提供了技術(shù)支持和基礎(chǔ)。同樣，該系統(tǒng)也可以適用于其他形式的磨削過程中，將提高磨削過程中磨削區(qū)熱量的傳出效率并且增加了磨削系統(tǒng)的剛性，其應(yīng)用將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

【1】BRINKSMEIER E，BROCKHOFF T.Utilization of Grinding Heat as a New Heat Treatment Process［J］.Annals of the CIRP，1996，45(1):283 -286.

【2】ZHANG L C.Grinding-hardening of Steel Surfaces:A Focused Review［J］.International Journal of Abrasive Technology，2007(1):3 -36.

【3】葛培琪，孫建國(guó)，劉鎮(zhèn)昌.磨削淬硬—磨削加工與表面淬火集成制造技術(shù)［J］.工具技術(shù)，2001(1):7 -10.

【4】劉菊東，王貴成，陳康敏.非淬硬鋼磨削表面硬化層的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16(11):1013 -1017.

【5】NENYEN T，ZARUDI I，ZHANG L C.Grinding-hardening with Liquid Nitrogen:Mechanisms and Technology［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2007，47(1):97 -106.

【6】南京航空航天大學(xué).一種熱管砂輪的制作裝置及方法:中國(guó)，CN 201010236305.4［P］.2011 -11 -30.

【7】王貴成，裴宏杰，劉菊東，等.磨削淬硬加工區(qū)域溫度的數(shù)值模擬［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3):411 -417.

【8】劉菊東.磨削淬硬的形成機(jī)理及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2005.

【9】江蘇大學(xué)，淮陰工學(xué)院.一種磨削加工零件溫度控制裝置:中國(guó)，201120351641.3［P］.2012 -07 -11.

【10】趙蔚琳.高溫?zé)峁艿睦鋬銎饎?dòng)極限［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(2):169 -172.