表面結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)冷卻砂輪磨削性能的影響*

彭銳濤，高 珊，陳美良，劉 波

（1.湘潭大學(xué)，湘潭 411105；2.湘潭大學(xué)復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心，湘潭 411105；3.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002）

近年來(lái)，我國(guó)航空航天事業(yè)飛速發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的使用性能、使用壽命及可靠性，對(duì)其核心零件制造工藝提出了更嚴(yán)苛的目標(biāo)要求。鎳基高溫合金等難加工材料是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要原材料，其高溫強(qiáng)度十分優(yōu)異，但其熱導(dǎo)率有限，磨削加工性能差，所以在磨削過(guò)程中存在磨削溫度高、磨削力較大等問(wèn)題[1–3]。較高的磨削溫度會(huì)使工件表面層金相組織發(fā)生變化，而較大的磨削力會(huì)使工件表面出現(xiàn)劃痕、溝壑等[4–5]，這些問(wèn)題都將導(dǎo)致工件加工質(zhì)量下降。然而常用的外部澆注式磨削方式存在著極大的弊端，即使消耗大量冷卻液，也只能達(dá)到事倍功半的效果[6–7]。導(dǎo)致這種情況發(fā)生的主要原因在于氣障效應(yīng)，即砂輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣流會(huì)在砂輪周圍形成一層屏障阻止冷卻液進(jìn)入磨削弧區(qū)[8–9]。因此，探索有效提高冷卻介質(zhì)在磨削弧區(qū)熱交換能力的工藝方法尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)強(qiáng)化換熱問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，提出了熱管冷卻、多孔材料冷卻、內(nèi)冷卻等多種強(qiáng)化換熱的方法。傅玉燦等[10]將砂輪與振蕩熱管技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制備了一種有顯著換熱效果的熱管砂輪。Ma等[11]以氧化鋁為造孔劑設(shè)計(jì)制備了多孔砂輪，砂輪基體中的孔隙對(duì)加強(qiáng)磨削區(qū)換熱有著非常重要的作用。Li等[12]研制了一種自吸式杯形分段砂輪，與傳統(tǒng)冷卻條件相比磨削溫度降低30%以上。Sieniawski等[13]研制了一種分區(qū)式內(nèi)冷卻砂輪，對(duì)于工件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)有著積極的影響。

為進(jìn)一步強(qiáng)化磨削區(qū)換熱能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砂輪表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出開(kāi)槽砂輪斷續(xù)磨削方法[14–15]及磨粒有序排布或磨粒仿生葉序排布方法[16–17]。開(kāi)槽砂輪原理在于將連續(xù)移動(dòng)熱源變?yōu)閿嗬m(xù)移動(dòng)熱源，有利于去除磨屑及減少磨削弧區(qū)磨削熱的產(chǎn)生。磨粒規(guī)則性分布能有效引導(dǎo)冷卻液規(guī)則流動(dòng)，相較于無(wú)序排布，保證冷卻液分布更加均勻，換熱效果更加良好。Lu等[18]設(shè)計(jì)了一種基于葉脈的仿生分形分支開(kāi)槽砂輪，以提高冷卻劑的流動(dòng)效率，試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)獲得了較光滑的磨削表面。Yu等[19]根據(jù)仿生葉序理論，設(shè)計(jì)了一種磨料葉序排布砂輪。通過(guò)表面粗糙度和磨料磨損的相關(guān)試驗(yàn)，證明了其良好的實(shí)用性。

基于以上研究現(xiàn)狀，本研究針對(duì)鎳基高溫合金在磨削加工中易產(chǎn)生大量磨削熱影響工件表面加工質(zhì)量，以及氣障效應(yīng)阻礙磨削液進(jìn)入磨削弧區(qū)，影響磨削冷卻效果的問(wèn)題，提出了一種內(nèi)冷卻方法。設(shè)計(jì)了一種可更換磨料環(huán)的內(nèi)冷卻砂輪，建立了內(nèi)冷卻砂輪磨削弧區(qū)流場(chǎng)分布模型，分析了不同砂輪表面結(jié)構(gòu)磨削弧區(qū)的流場(chǎng)分布特性。針對(duì)鎳基高溫合金GH4169開(kāi)展了磨削試驗(yàn)，與外冷卻方法進(jìn)行對(duì)比研究?jī)?nèi)冷卻砂輪的磨削性能，并且研究不同砂輪表面結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)冷卻砂輪磨削性能的影響規(guī)律。

1 砂輪設(shè)計(jì)

1.1 砂輪結(jié)構(gòu)及工作原理

在磨削加工過(guò)程中，砂輪高速旋轉(zhuǎn)所形成的氣障效應(yīng)使得在外部澆注方式下的冷卻液難以進(jìn)入磨削弧區(qū)，致使磨削區(qū)的熱量難以及時(shí)疏散，從而降低冷卻效果，嚴(yán)重影響工件表面質(zhì)量。為改善這一現(xiàn)象所帶來(lái)的不良影響，提高冷卻液在磨削弧區(qū)的熱交換能力，設(shè)計(jì)了一款圖1所示的新型內(nèi)冷卻磨削砂輪。砂輪主要由內(nèi)冷主軸、蓋板、流道模塊、砂輪基體以及磨料環(huán)組成。冷卻液由內(nèi)冷主軸加壓注入，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力送入型腔內(nèi)部。流道模塊設(shè)計(jì)為兩級(jí)型腔流道，兩次分流更易于冷卻液的均勻分布。冷卻液先進(jìn)入具有4通孔的一級(jí)型腔，再進(jìn)入具有8通孔的二級(jí)型腔，經(jīng)由微流道直達(dá)磨削弧區(qū)。為避免砂輪基體對(duì)冷卻液流動(dòng)的阻礙，保證冷卻液能夠直接噴射至磨削區(qū)，將微流道出口開(kāi)設(shè)在磨料環(huán)中心位置。

圖1 內(nèi)冷卻砂輪原理圖Fig.1 Schematic of internal cooling grinding wheel

1.2 內(nèi)流道設(shè)計(jì)

如圖2所示，砂輪內(nèi)流道設(shè)計(jì)為兩級(jí)型腔微流道獨(dú)立模塊。這種設(shè)計(jì)保證了冷卻液進(jìn)入內(nèi)流道后能夠均勻分布在每個(gè)微流道內(nèi)，從而確保每個(gè)流道出口流出等量冷卻液，使砂輪和工件表面得到均勻冷卻。為了減少磨削液在砂輪微通道中流動(dòng)的壓力損失，盡量選擇流通能力較好的過(guò)流截面。工程應(yīng)用中常用水力直徑作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有

圖2 砂輪內(nèi)流道模塊示意圖Fig.2 Internal flow channel module of grinding wheel

式中，A為微流道過(guò)流截面，χ為濕周長(zhǎng)。根據(jù)流體力學(xué)原理，假設(shè)冷卻液流動(dòng)時(shí)充滿微通道內(nèi)部，此時(shí)水力直徑越大，越有利于微流道內(nèi)冷卻液的輸送。當(dāng)微通道截面為圓形時(shí)，相較于相同面積的其他形狀截面，具有最大水力直徑。因此，確定微通道的截面形狀為直徑2mm的圓形。同時(shí)，在微流道彎曲處采用圓弧過(guò)渡，使磨削液在微流道內(nèi)流動(dòng)的壓力損失最小，獲得更大的出口流量和壓力。

1.3 磨料環(huán)設(shè)計(jì)

如圖3所示，磨料環(huán)為外徑110mm、內(nèi)徑90mm的環(huán)體結(jié)構(gòu)，與基體相互獨(dú)立，由8個(gè)緊定螺釘連接。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于方便磨料環(huán)拆卸和更換。當(dāng)磨粒磨損嚴(yán)重時(shí)，可及時(shí)更換磨料環(huán)，有效節(jié)省時(shí)間和制備成本。

圖3 磨料環(huán)結(jié)構(gòu)（以矩形出口為例）Fig.3 Structure of abrasive ring(rectangle outlet)

如圖4所示，基于Vogel數(shù)學(xué)模型[20]，將磨料環(huán)表面的磨粒設(shè)計(jì)為仿葵花籽葉序排列，葉序發(fā)散角α為137.508°，葉序分布生長(zhǎng)系數(shù)K為1.6。磨料環(huán)表面磨粒選用80#粒度的CBN材料，采用電鍍工藝制備，可以保證磨粒形狀的均勻性，避免不規(guī)則磨粒造成工件表面不均勻的現(xiàn)象。

圖4 磨粒葉序排布方式（°）Fig.4 Arrangement of abrasive leaf order（°）

磨料環(huán)表面設(shè)有16個(gè)出口，分別對(duì)應(yīng)16個(gè)微流道。出口形狀影響冷卻液能否高效地輸送至磨削弧區(qū)，本研究將流道出口形狀設(shè)計(jì)為圓形與矩形兩種，如圖5所示。圓形出口設(shè)計(jì)能夠保證冷卻液的流速不會(huì)大幅衰減，矩形出口的設(shè)計(jì)受兩級(jí)型腔微流道設(shè)計(jì)的啟發(fā)，出口位置可看作一個(gè)微腔結(jié)構(gòu)，冷卻液流入矩形腔體得到緩沖后均勻流入磨削弧區(qū)。

圖5 磨料環(huán)出口內(nèi)冷卻液分散情況Fig.5 Dispersion of coolant at outlet of abrasive rings

2 磨削流場(chǎng)仿真

2.1 仿真分析模型

為研究?jī)煞N不同出口形狀磨料環(huán)的磨削弧區(qū)流場(chǎng)分布規(guī)律，建立磨削弧區(qū)流場(chǎng)有限元模型。根據(jù)磨粒族三維輪廓檢測(cè)結(jié)果，將磨粒族簡(jiǎn)化為直徑2mm、高0.2mm的圓柱體?？紤]到磨削弧區(qū)冷卻液流動(dòng)情況復(fù)雜，以單元尺寸為0.1mm的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流場(chǎng)模型及邊界條件設(shè)置如圖6所示，入口流速由內(nèi)流道流場(chǎng)仿真獲取[21]。分別對(duì)圓形出口、矩形出口磨料環(huán)在入口壓力0.7MPa，砂輪轉(zhuǎn)速1000r/min、2000r/min、3000r/min下進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。

圖6 磨削流場(chǎng)仿真網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置Fig.6 Meshing and boundary condition setting

2.2 仿真結(jié)果分析

圖7反映了供液壓力為0.7MPa，不同砂輪轉(zhuǎn)速下內(nèi)冷卻砂輪磨削弧區(qū)流場(chǎng)分布情況。可以看出，隨砂輪轉(zhuǎn)速逐漸增加，離心力逐漸增大，冷卻液出口流速加快。圖7中空白部分表示沒(méi)有冷卻液分布，可以看出同種出口不同流速下流體分布面積鮮有變化，說(shuō)明冷卻液流動(dòng)范圍不因流速變化而改變。矩形出口磨料環(huán)因其出口過(guò)流面積大，雖出口流速有所降低，但磨削弧區(qū)流線更多且更加流暢、密集，分布面積更加廣泛且均勻。對(duì)比圓形出口來(lái)看，矩形出口長(zhǎng)邊沿磨料環(huán)周向開(kāi)設(shè)，剛好解決了相鄰兩出口中間位置出現(xiàn)冷卻盲區(qū)的問(wèn)題。又因?yàn)槟チ７律~序排布的設(shè)計(jì)，磨料環(huán)表面為冷卻液提供了更多且更規(guī)律的流通空間，同時(shí)也提供了更多容屑空間，可以有效防止磨屑對(duì)工件表面及磨粒造成不必要的損傷。

圖7 磨粒葉序排布磨料環(huán)磨削弧區(qū)流場(chǎng)分布情況Fig.7 Flow field distribution in arc zone of abrasive ring with ordered arrangement of abrasive particles

3 磨削試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

按照前文設(shè)計(jì)制備了內(nèi)冷卻砂輪基體、內(nèi)流道模塊及兩種不同出口的磨料環(huán)。砂輪基體材料采用45鋼，內(nèi)流道采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制備。裝配并進(jìn)行砂輪密封性檢測(cè)，如圖8所示，砂輪噴射效果良好，無(wú)漏液情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 裝配及密封性檢測(cè)Fig.8 Assembly and sealing test

采用MVC650立式加工中心開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，并將外冷卻方法作為對(duì)照試驗(yàn)組。磨削試驗(yàn)供液系統(tǒng)采用獨(dú)立的外置供液系統(tǒng)，以方便試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻液供液參數(shù)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 磨削試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Grinding test system

試件材料為鎳基高溫合金GH4169，試件尺寸為80mm×20mm×10mm。采用Omega K型快速響應(yīng)熱電偶測(cè)量磨削溫度，如圖10所示，通過(guò)在工件底部設(shè)置盲孔的方式布置熱電偶。

圖10 熱電偶布置方式示意圖（mm）Fig.10 Schematic diagram of thermocouple arrangement（mm）

3.2 試驗(yàn)方案

參考流場(chǎng)仿真分析設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)方案如表1所示。研究不同砂輪表面結(jié)構(gòu)在不同砂輪轉(zhuǎn)速下對(duì)磨削性能的影響。為降低試驗(yàn)誤差，每組磨削試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)采用全新磨料環(huán)與工件，在試驗(yàn)前對(duì)磨料環(huán)與工件作統(tǒng)一平整處理。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 磨削溫度

磨削溫度是決定工件表面質(zhì)量及加工精度的重要因素之一，大量的磨削熱對(duì)工件及機(jī)床都有不利影響。圖11為不同砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削溫度的影響。隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，磨粒參與磨削頻次增加，整體磨削溫度隨之升高。外冷卻方法因氣障效應(yīng)阻止了大量冷卻液進(jìn)入磨削弧區(qū)進(jìn)行對(duì)流換熱，所以冷卻效果不甚理想，可以直觀地看出其與內(nèi)冷卻方法之間的差距，內(nèi)冷卻方法相較于外冷卻方法磨削溫度平均降低了36.10%。而同樣是內(nèi)冷卻方法，矩形出口磨料環(huán)相較于圓形出口磨料環(huán)所獲得的磨削溫度偏低。故可得出雖然冷卻液流速降低，但冷卻液分布更廣泛更均勻，對(duì)降低磨削熱的效果更加明顯。在砂輪轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，矩形出口磨料環(huán)換熱能力最好，相較于圓形出口磨料環(huán)磨削溫度平均降低了24.12%，而相較于外冷卻方法磨削溫度更是平均降低了51.42%，換熱能力大幅提高。

圖11 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削溫度的影響Fig.11 Effect of rotation speed on grinding temperature

4.2 工件表面粗糙度

工件表面粗糙度是衡量加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。采用MarSurf PS 10粗糙度儀，在工件表面隨機(jī)取5點(diǎn)測(cè)量表面粗糙度值，取平均值繪制了如圖12所示的折線圖?？梢钥闯?，隨砂輪轉(zhuǎn)速的提高，表面粗糙度曲線均呈下降趨勢(shì)。原因在于砂輪轉(zhuǎn)速增加，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒增加，磨削弧區(qū)冷卻液的流速加快，單位時(shí)間內(nèi)參與對(duì)流換熱的流體增加，磨削弧區(qū)冷卻液的換熱能力越來(lái)越好，從而獲得更低的表面粗糙度。其中外冷卻方法因其有效參與換熱冷卻液較少，無(wú)法及時(shí)帶走磨削弧區(qū)所產(chǎn)生的熱量，換熱能力較弱，故所獲得的工件表面更粗糙。相比之下，采用內(nèi)冷卻方法所獲得的表面粗糙度平均降低了25.15%。對(duì)于不同表面結(jié)構(gòu)磨料環(huán)，矩形出口磨料環(huán)因其具有更大的容屑空間，磨削弧區(qū)冷卻液分布更廣，能夠有效避免磨屑對(duì)工件造成劃痕等問(wèn)題，換熱能力更快速高效，所獲得的表面粗糙度值更低。相較于圓形出口磨料環(huán)表面粗糙度平均降低了18.50%，故采用內(nèi)冷卻方法矩形出口表面結(jié)構(gòu)磨料環(huán)更有助于改善工件加工表面質(zhì)量。

圖12 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響Fig.12 Effect of rotation speed on surface roughness

4.3 工件表面殘余應(yīng)力

過(guò)高的磨削熱會(huì)致使工件表面二次硬化燒傷，并在表面形成過(guò)高的殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致零件出現(xiàn)異質(zhì)性問(wèn)題。在磨削加工中，往往期望獲得較大的壓縮殘余應(yīng)力，以保證核心零件疲勞壽命。采用PROTO–LXRD單晶應(yīng)力測(cè)量?jī)x檢測(cè)工件加工面殘余應(yīng)力，得到如圖13所示的殘余應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖。隨著砂輪轉(zhuǎn)速的不斷提高，磨削溫度升高，殘余拉應(yīng)力隨之提高，但由于內(nèi)冷卻方法換熱效果良好，進(jìn)給速度較慢，磨削深度較小，磨削力與擠壓力協(xié)同作用的機(jī)械效應(yīng)依然占據(jù)主導(dǎo)位置，故殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨砂輪轉(zhuǎn)速提高而增加。從圖13中可以再一次驗(yàn)證矩形出口磨料環(huán)內(nèi)冷卻砂輪具有良好的換熱效果，能夠獲得更高的殘余壓應(yīng)力，有效避免工件燒傷等問(wèn)題。

圖13 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響Fig.13 Effect of rotation speed on surface residual stress

4.4 工件表面形貌

在KEYENCE VHX–500FE超景深三維顯微鏡下觀測(cè)工件表面得出如圖14所示的表面形貌圖，可以看出，由左至右隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增加，工件表面紋理變得均勻、細(xì)密。砂輪轉(zhuǎn)速越快，砂輪旋轉(zhuǎn)所形成的氣障效應(yīng)越顯著，故采用外冷卻方法時(shí)冷卻液越難進(jìn)入磨削弧區(qū)，工件加工表面質(zhì)量較差，存在大量燒傷、凹陷等問(wèn)題。對(duì)比來(lái)看，矩形出口磨料環(huán)內(nèi)冷卻砂輪所獲得的工件表面形貌更加規(guī)整，沒(méi)有磨屑黏附。在砂輪轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，矩形出口磨料環(huán)內(nèi)冷卻砂輪對(duì)應(yīng)的工件表面形貌最為優(yōu)異。原因在于內(nèi)冷卻的砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了砂輪高速旋轉(zhuǎn)形成的氣障效應(yīng)阻止冷卻液進(jìn)入的問(wèn)題，提高了冷卻液的利用率，并且磨粒葉序排布與矩形出口的設(shè)計(jì)使砂輪具有良好的容屑容冷卻液的能力，能夠有效避免磨屑對(duì)工件表面造成二次損傷的同時(shí)，提升磨削弧區(qū)冷卻液的熱交換能力。

圖14 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面形貌的影響Fig.14 Effect of rotation speed on workpiece surface morphology

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)制備了一種新型內(nèi)冷卻砂輪，其具有方便更換的獨(dú)立磨料環(huán)，并將磨粒設(shè)計(jì)為葵花籽仿生葉序排布，將磨料環(huán)流道出口設(shè)計(jì)為圓形與矩形兩種形狀。

（2）建立磨削流場(chǎng)模型，在相同供液壓力下，改變砂輪轉(zhuǎn)速，對(duì)比分析不同表面結(jié)構(gòu)內(nèi)冷卻砂輪的磨削性能。結(jié)果表明，磨粒葉序排布矩形出口磨料環(huán)獲得的流場(chǎng)分布更均勻，流線盲區(qū)更小。

（3）采用外冷卻方法與內(nèi)冷卻方法針對(duì)鎳基高溫合金GH4169開(kāi)展了磨削試驗(yàn)，研究了內(nèi)冷卻方法優(yōu)異性能及不同砂輪表面結(jié)構(gòu)對(duì)磨削性能的影響。結(jié)果表明，內(nèi)冷卻方法相較于外冷卻方法磨削溫度降低了36.10%，表面粗糙度平均降低了25.15%，避免了氣障效應(yīng)并獲得了較為優(yōu)質(zhì)的工件加工表面質(zhì)量；矩形出口磨料環(huán)相較于圓形出口磨料環(huán)磨削溫度平均降低了24.12%，表面粗糙度平均降低了18.50%，獲得了更加平整的加工表面。