磨削液對(duì)砂輪磨削軸承鋼流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響*

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 山東青島 266033)

砂輪磨削是常用的一種切削加工方法，砂輪在磨削的過(guò)程中，磨粒的負(fù)前角和工件需要長(zhǎng)時(shí)間的接觸，這樣就會(huì)使砂輪和工件產(chǎn)生大量的熱量，但是這大部分的熱量沒(méi)有被磨屑帶走，而是留在砂輪和工件中，影響砂輪的壽命和工件的表面質(zhì)量。為了減輕這種現(xiàn)象，工業(yè)上一般使用磨削液對(duì)其進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。在濕磨削的過(guò)程中，不同的磨削液對(duì)磨削性能的影響也不同。磨削液的種類(lèi)非常多，一般分為水溶性和油溶性磨削液，磨削液的性能好壞對(duì)加工質(zhì)量也存在很大影響[1]。正確選用磨削液，不僅可以降低磨削溫度，減小磨削力，降低損耗，而且可以延長(zhǎng)砂輪壽命和提高工件表面質(zhì)量。不同砂輪磨削時(shí)使用的磨削液也不同，所以有必要對(duì)不同磨削液情況下磨削區(qū)的流體動(dòng)壓效應(yīng)進(jìn)行研究。

目前對(duì)于磨削液流體動(dòng)壓效應(yīng)的研究[2-5]也比較多，但是很多學(xué)者并未研究對(duì)磨削區(qū)壓力和膜厚的影響或者不同磨削液的影響。葛培琪等[6]利用流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，通過(guò)數(shù)值分析的方法，得到了磨削區(qū)內(nèi)流體動(dòng)壓力和膜厚的分布，但是只適用于平面磨削。RYSZARD和KRZYSZTOF[7]研究了3種不同鎳基合金工件在2種不同類(lèi)型的磨削液情況下的平面磨削實(shí)驗(yàn)，分析不同磨削液對(duì)磨削力和工件表面粗糙度的影響規(guī)律，但是只研究了平面磨削。武文榮和李玉娟[8]研究了使用3種磨削液磨削3種工件時(shí)對(duì)磨削性能的影響，但是并沒(méi)有研究對(duì)磨削區(qū)壓力和膜厚的影響，而且也沒(méi)有研究磨削時(shí)溫度的影響。王立梅[9]研究了不同磨料砂輪對(duì)磨削的影響，以及在磨削液中加入不同的納米流體對(duì)磨削的影響，但是未考粗糙度和溫度的影響。

本文作者以剛玉砂輪外圓磨削軸承鋼(GCr15)為研究對(duì)象，利用多重網(wǎng)格法和多重網(wǎng)格積分法，考慮不同磨削液對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響，分析不同磨削液時(shí)磨削區(qū)溫度的變化，同時(shí)在磨削液為乳化液時(shí)考慮不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響。

1 砂輪計(jì)算模型

建立陶瓷剛玉砂輪外圓磨削的模型，將其簡(jiǎn)化為無(wú)限長(zhǎng)線接觸模型[10]。

中心膜厚的計(jì)算采用溫詩(shī)鑄和楊沛然[11]回歸出的經(jīng)驗(yàn)公式:

h0=11.9α0.4(η0U)0.74E′-0.14R0.46W-0.2

式中：α為黏壓系數(shù)；η0為乳化液的環(huán)境黏度；E′為當(dāng)量彈性模量；W為單位長(zhǎng)度上的載荷。

2 潤(rùn)滑基本方程及邊界條件

2.1 考慮熱效應(yīng)的Reynold方程

(1)

式中：ρ*和(ρ/η)e是當(dāng)量參數(shù)，與乳化液的黏度和密度有關(guān)。

當(dāng)量參數(shù)表達(dá)式如下：

式中：x為坐標(biāo)變量(m)；p為油膜壓力(Pa)；h為膜厚(m)；ρ為密度(kg/m3)；η為乳化液整體有效黏度(Pa·s)。

2.2 膜厚方程

Sa(x)-Sb(x)

(2)

其中，

(3)

式中：Sa(x)和Sb(x)分別是砂輪和工件表面的粗糙度函數(shù)；Aa和Ab分別是砂輪和工件表面的粗糙度幅值(μm)；La和Lb分別是砂輪和工件表面的粗糙度波長(zhǎng)(μm)。

2.3 黏壓黏溫方程

黏壓黏溫方程采用Roelands[12]的經(jīng)驗(yàn)公式:

(4)

式中：S為黏溫系數(shù)，S=β(T0-138)/(lnη0+9.67)，β=0.042 K-1；T為實(shí)際溫度(K)；T0為環(huán)境溫度(K)；Z0為黏壓系數(shù)。

2.4 密壓密溫方程

乳化液的密壓密溫關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式[13]為

ρ=ρ0[1+(0.6×10-9p)/(1+1.7×10-9p)-0.000 65(T-T0)]

(5)

2.5 載荷方程

(6)

式中：w為單位長(zhǎng)度上的載荷(N)。

2.6 溫度控制方程

磨削液的能量方程為

(7)

(8)

熱傳導(dǎo)方程：

(9)

式中：ca、cb分別是砂輪和工件的比熱容(J/(kg·K))；ρa(bǔ)、ρb分別是砂輪和工件的密度(kg/m3)；ka、kb分別是砂輪和工件的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))。

溫度在砂輪和磨削液膜接觸界面、工件和磨削液膜接觸界面應(yīng)該是連續(xù)的，所以應(yīng)該滿足以下界面熱流量連續(xù)條件：

(10)

砂輪熱傳導(dǎo)方程的溫度邊界條件：

(11)

工件熱傳導(dǎo)方程的溫度邊界條件：

(12)

3 方程的計(jì)算及工況參數(shù)

將上述方程進(jìn)行量綱一化，定義量綱一化參數(shù)如下：

采用多重網(wǎng)格法求解壓力，所用網(wǎng)格為6層，最底層稀疏網(wǎng)格有31個(gè)節(jié)點(diǎn)，最高層稠密網(wǎng)格有961個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用多重網(wǎng)格積分法求解彈性變形，逐列掃描法求解溫度T。

表1所示為剛玉砂輪、軸承鋼和乳化液的基本參數(shù)。

表1 砂輪和軸承鋼的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of grinding wheel and bearing steel

文中使用的參數(shù)為：砂輪半徑400 mm，工件半徑120 mm，砂輪轉(zhuǎn)速35 m/s，工件轉(zhuǎn)速100 r/min。

表2所示為4種不同磨削液的基本物理性能參數(shù)。

表2 4種磨削液的物理性能參數(shù)Table 2 Physical performance parameters of four grinding fluids

其中的乳化液采用的是水包油型乳化液，根據(jù)嚴(yán)升明和房風(fēng)浩[14]的計(jì)算方法，求得乳化液的各個(gè)參數(shù)。表2中4種磨削液中，前2種屬于水溶性磨削液，后2種屬于油溶性磨削液。

4 結(jié)果及分析

4.1 不同磨削液對(duì)壓力和膜厚的影響

分析有無(wú)考慮表面粗糙度時(shí)，4種磨削液對(duì)磨削區(qū)壓力和膜厚的影響。

4.1.1 理想光滑表面下磨削液的影響

圖1示出了在考慮熱效應(yīng)時(shí)4種不同磨削液對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響(未考慮粗糙度的影響)。

圖1 光滑表面下不同磨削液對(duì)壓力和膜厚的影響Fig 1 Influence of different grinding fluids on pressure(a) and film thickness(b) of the smooth surfaces

從圖1中可知不同的磨削液對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響是比較大的。其中2種油溶性磨削液的入口區(qū)的壓力比較大，但是整體壓力較小，整體膜厚較大；而2種油溶性的磨削液也存在差別，基液為石蠟油的磨削液的整體壓力最小、整體膜厚最大，有利于潤(rùn)滑和降低磨粒的摩擦磨損，延長(zhǎng)砂輪的使用壽命。2種水溶性磨削液的入口壓力比較小，但整體壓力較大，整體膜厚較小;2種水溶性磨削液的整體壓力差別不大，乳化液的整體膜厚略大，同時(shí)從膜厚圖中可以看出，出口區(qū)出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象。

4.1.2 粗糙表面下磨削液的影響

圖2示出了同時(shí)考慮熱效應(yīng)和粗糙度時(shí)磨削液對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響。

圖2 粗糙表面下不同磨削液對(duì)壓力和膜厚的影響Fig 2 Influence of different grinding fluids on pressure(a) and film thickness (b)of the rough surfaces

從圖2中可以看出，粗糙度對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響比較明顯，壓力和膜厚呈現(xiàn)余弦波動(dòng)的特點(diǎn);不同磨削液對(duì)壓力和膜厚的影響和不考慮粗糙度時(shí)的情況整體趨勢(shì)相同。

4.2 不同磨削液下磨削區(qū)的溫度分布

圖3示出了在相同的速度和載荷下，剛玉砂輪磨削軸承鋼(GCr15)時(shí)不同磨削液情況下的潤(rùn)滑膜溫度分布。因?yàn)樗苄阅ハ饕汉陀腿苄阅ハ饕旱哪ハ鳒囟认嗖畋容^大，所以為了便于觀察，將其分別繪制在兩幅圖中。

從圖3中可以看出，2種水溶性磨削液的最高溫度在330～340 ℃之間，2種油溶性磨削液的最高溫度在360～370 ℃之間，溫度相差比較大。在磨削的過(guò)程中，2種油溶性磨削液的潤(rùn)滑膜溫度明顯高于2種水溶性磨削液的。

通常來(lái)說(shuō)，工件材料的導(dǎo)熱性越差，則磨削區(qū)形成的磨削熱越不易導(dǎo)出，磨削區(qū)的溫度越高。因此，要求潤(rùn)滑膜有較大的耐熱強(qiáng)度，一般采用水溶性的磨削液。對(duì)于一般的磨削，通常選用乳化液或者電解質(zhì)水溶液。各種水溶性磨削液都具有其最佳的濃度比，濃度選擇適當(dāng)，可以獲得較好的磨削表面光潔度和較低的表面磨削溫度。

所以綜合以上因素選擇乳化液作為剛玉砂輪磨削軸承鋼的磨削液。

4.3 乳化液油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削區(qū)的影響

對(duì)于水包油型乳化液，油相的體積分?jǐn)?shù)不同，其物理性能參數(shù)也不同，根據(jù)文獻(xiàn)[14]的計(jì)算公式，可以得出不同油相體積分?jǐn)?shù)的基本物理性能參數(shù)，如表3所示。

從表3中可得，乳化液的含油量不同，磨削液的物理性能參數(shù)也相差較大，隨著油相體積分?jǐn)?shù)的增大，密度、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸減小黏度逐漸增大。

表3 不同油相體積分?jǐn)?shù)下乳化液的物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of emulsions under different oil phase volume fractions

4.3.1 理想光滑表面下油相體積分?jǐn)?shù)的影響

圖4示出了考慮熱效應(yīng)的情況下，水包油型乳化液不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響(未考慮粗糙度的影響)。

圖4 光滑表面下不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力和膜厚的影響Fig 4 Influence of different oil phase volume fraction on pressure (a) and film thickness(b) of the smooth surface

從圖4中可以看出，乳化液的油相體積分?jǐn)?shù)不同對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響較大，含油量越高，整體壓力越大，整體膜厚越大，對(duì)磨削區(qū)的潤(rùn)滑作用越好，有利于減少非工作磨粒的磨損、降低磨削的溫度。

4.3.2 粗糙表面下油相體積分?jǐn)?shù)的影響

圖5示出了同時(shí)考慮熱效應(yīng)和粗糙度的情況下，水包油型乳化液不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚的影響。

圖5 粗糙表面下不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力和膜厚的影響Fig 5 Influence of different oil phase volume fraction on pressure and(a) film thickness(b) of the rough surfaces

從圖5中可以看出，壓力和膜厚呈現(xiàn)余弦波動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)最大壓力和最小膜厚相比與理想光滑的表面有所增大,整體趨勢(shì)和不考慮粗糙度時(shí)的情況相同。

4.3.3 不同油相體積分?jǐn)?shù)下的溫度分布

圖6示出了乳化液在不同油相體積分?jǐn)?shù)下的磨削區(qū)溫度分布。

圖6 不同油相體積分?jǐn)?shù)下磨削區(qū)的溫度分布Fig 6 Temperature distribution of grinding area at different oil phase volume fraction

從圖6中可以看出，隨著油相體積分?jǐn)?shù)不斷增大，磨削區(qū)的溫度也不斷地增大。當(dāng)油相體積分?jǐn)?shù)從20%增大到50%時(shí)，溫度上漲約20 ℃；從50%增大到60%時(shí)，溫度上漲15 ℃?？梢?jiàn)，油相體積分?jǐn)?shù)越大，溫度上漲越迅速。

4.3.4 不同油相體積分?jǐn)?shù)下的溫度和膜厚分析

圖7示出了在不同油相體積分?jǐn)?shù)下磨削區(qū)溫度和最小膜厚的變化?？梢?jiàn)，油相體積分?jǐn)?shù)在20%以?xún)?nèi)時(shí)，溫度和最小膜厚基本是平緩的，但超過(guò)20%以后溫度上漲迅速，最小膜厚也在增大。但是磨削區(qū)的溫度不宜太高，所以油相體積分?jǐn)?shù)最好選擇在20%以?xún)?nèi)，以確保磨削區(qū)具有較低的溫度。

圖7 不同油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)溫度和最小膜厚的影響Fig 7 Influence of different oil phase volume fraction on temperature and minimum film thickness

5 結(jié)論

(1)不同磨削液對(duì)磨削區(qū)流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響比較大。2種油溶性磨削液的整體壓力較小，整體膜厚較大，基液為石蠟油的磨削液的整體壓力最小，整體膜厚最大；2種水溶性磨削液的整體壓力較大，整體膜厚較小，同時(shí)出口區(qū)出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象。

(2)不同的磨削液對(duì)磨削區(qū)的潤(rùn)滑、冷卻作用不同，水溶性磨削液的潤(rùn)滑膜溫度低于油溶性磨削液，對(duì)磨削區(qū)的冷卻作用較好，可以減輕高溫對(duì)砂輪的壽命和工件表面質(zhì)量造成的影響。

(3)綜合考慮磨削的各種因素，選用乳化液作為剛玉砂輪磨削GCr15工件的磨削液。乳化液的油相體積分?jǐn)?shù)越大，磨削區(qū)流體動(dòng)壓力和膜厚越大，對(duì)磨削區(qū)的潤(rùn)滑作用越好，但是伴隨著油相體積分?jǐn)?shù)的不斷增大，磨削區(qū)的溫度上漲也越迅速,所以油相體積分?jǐn)?shù)一般選擇在20%以?xún)?nèi)較好。