磨削技術(shù)
高效深切磨削溫度 |
| 發(fā)布時(shí)間：2020/6/17 |
| 高效深切磨削溫度 由于磨削的幾何區(qū)域和運(yùn)動(dòng)學(xué)上的改變，與平面磨削相比，外圓磨削熱傳導(dǎo)和磨削液的供給條件都有所不同。在高效深磨條件下，無(wú)論是平面磨削，還是外圓磨削，比磨削都能降到很低水平(低至7.25J /mm3)，比磨削能隨著磨屑厚度的增加而降低。為了成功地將高效深磨應(yīng)用于外圓磨削，并取得很高的材料磨除率和高效的熱傳導(dǎo)條件，經(jīng)實(shí)踐證明，從理論上預(yù)測(cè)磨削溫度并加上表面完整性的研究是行之有效的工具。 在大磨削深度磨削狀態(tài)下，接觸區(qū)和加工面上的磨削溫度都可以通過(guò)最新開(kāi)發(fā)的圓弧熱度一源模型來(lái)估算，它能計(jì)算出傳導(dǎo)到或者說(shuō)轉(zhuǎn)換到磨削區(qū)內(nèi)正處于接觸狀態(tài)的各個(gè)元素上的熱量，這些元素包括工件、砂輪、磨屑和磨削液。根據(jù)磨屑溫度從環(huán)境溫度增加到接近該材料熔點(diǎn)，可以估算出磨屑從磨削區(qū)帶走的熱量。從最新發(fā)表的論文中可以找到大磨削深度磨削條件下如何計(jì)算磨削溫度的具體過(guò)程。較高的溫度通常會(huì)導(dǎo)致被磨工件表面顯微結(jié)構(gòu)的改變并使表面殘留有拉應(yīng)力。 (1)圓弧熱源模型 如圖8所示，磨削面熱源的作用可看成是半徑為R的圓弧上的無(wú)數(shù)條移動(dòng)線熱源作用的總和，先熱源線熱源位于以速度u移動(dòng)的坐標(biāo)系中。工件內(nèi)任意點(diǎn)M(z，z)，受弧長(zhǎng)為z，的整個(gè)面熱源作用，在時(shí)間t后的溫升可表達(dá)為一磨削長(zhǎng)度)的解接近穩(wěn)態(tài)解。  圖8圓弧熱源模型 高效深磨溫度的求解一般有基于圓弧移動(dòng)熱源理論的近似解析法和基于離散數(shù)學(xué)的數(shù)值解法，高效深磨中的圓弧熱源模型，已被大多數(shù)研究者所采用。該模型與實(shí)際磨削狀況比較吻合。 盡管解析法所得的解能夠比較清楚地表示出各種因素對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程或溫度分布的影響，但情況稍微復(fù)雜，解析解法就很難或不可能求解了，除非對(duì)原有問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。如簡(jiǎn)化零部件形狀、簡(jiǎn)化導(dǎo)熱體表面?zhèn)鳠釥顟B(tài)等，這在一定程度上影響了求解的準(zhǔn)確性。 數(shù)值解法以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析法那樣嚴(yán)密，但對(duì)實(shí)際問(wèn)題有很大的適應(yīng)性。不需要像近似解析解法那樣要進(jìn)行許多假設(shè)。因而一般稍微復(fù)雜的高效深磨溫度計(jì)算，都是通過(guò)數(shù)值解法求解，主要的數(shù)值解法為有限元法。 可以發(fā)現(xiàn)：隨著工件速度的增大，磨削熱在工件的滲透減小。因此，在高效深磨加工中，其熱滲透層要比緩進(jìn)給深磨小。比較已加工面和接觸面上的平均速度，可知在高效深磨加工中，已加工面的溫度比接觸面低得多。在高效深磨加工中，磨削熱進(jìn)人工件的深度比緩進(jìn)給深磨要淺；磨削熱集中在砂輪與工件的接觸層，而該層在加工中作為磨屑被快速而且連續(xù)地去除，從而帶走了大量的磨削熱。因此，在高磨除率(即高工件速度)條件下，工件的磨削溫度較低。高效深磨加工的優(yōu)點(diǎn)在于：比磨削能和進(jìn)入工件的磨削熱都減小，這樣就抵消熱流密度的增加，再輔之以有效的磨削液冷卻，可見(jiàn)在非常高的材料磨除率條件下，磨削接觸區(qū)的溫度是較低的，從而有效地避免了工件的磨削燒傷。 在高效深磨條件下，隨著材料的比磨除率增大，分配給磨屑的磨削熱比例R。h增大，而且可以說(shuō)絕大部分磨削熱由磨屑帶走。隨著比磨除率的增加，分配到工件的磨削熱比例R。減少；同時(shí)，分配到磨削液中的磨削熱只占總磨削熱中的--,b部分，也隨比磨除率的增加而減少。但是，磨削液的充分供給有助于降低磨削能，也就是降低磨削熱的大小，這時(shí)磨削液主要是保證砂輪和工件之間有充分的潤(rùn)滑。 在比磨除率很高的條件下，分配到工件的磨削熱Qw值變得與磨屑溫度Tch有關(guān)。當(dāng) Tch升高到材料的熔點(diǎn)1500度時(shí)，Qw下降到一個(gè)非常小的值；同樣，分配到工件的磨削熱的比例Rw也隨比磨除率的增加而減小，最終會(huì)小于總磨削熱的10％。由此可見(jiàn)，在非常高的磨削溫度下，工件表面的磨削溫度會(huì)低到不會(huì)有磨削燒傷。盡管在高效深磨條件下，磨削熱的總量很高，但由于其分配給工件磨削熱的比例Rw低，再加上工件已加工面的磨削溫度要比接觸面低得多，所以，工件已加工面的磨削溫度會(huì)低到可以避免燒傷。 在高效深磨加工中，比磨削能之所以低，部分原因是高的比磨除率，這時(shí)磨屑厚度很大，導(dǎo)致了磨粒的自銳作用增強(qiáng)，從而在磨削中磨粒的磨削作用更有效，而其摩擦和耕犁作用大為減弱；同時(shí)，另外部分原因是；在磨削剪切區(qū)，工件材料受熱變軟，而這主要是因?yàn)榉浅８叩膽?yīng)變率(變形速度)和接近絕熱的磨屑剪切工藝過(guò)程。 在設(shè)計(jì)高效深磨工藝時(shí)，選擇合適的加工工藝參數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。只要選擇一個(gè)最優(yōu)的加工工藝參數(shù)，就能在很高的磨削加工材料磨除率條件下，獲得好的磨削加工工件表面的完整性。同時(shí)，選擇一個(gè)好的磨削加工條件也能使磨削液的冷卻作用充分發(fā)揮出來(lái)。 當(dāng)然，砂輪的狀態(tài)也很重要。砂輪抗磨損性能好、砂輪的自銳性好及砂輪修整效果好等，都對(duì)高效深磨工藝有好的影響。 (2)高效深磨溫度的理論公式 英國(guó)的W.B.Rowe在金屬材料的高效深磨方面做了大量研究，提出了在磨削過(guò)程中，總的熱量主要分配在工件、砂輪、磨屑和磨削液中的理論模型，也對(duì)其進(jìn)行了大量驗(yàn)證，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，是到目前為止考慮各種影響因素最全面的一種。根據(jù)他的理論模型和溫度的估算公式，可以推導(dǎo)出一個(gè)熱量分配到工件中的部分占總體熱量比例的一個(gè)模型。 通過(guò)匹配理論接觸溫度值和沿接觸弧長(zhǎng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，又得到了磨削熱分配到工件中間去的平均系數(shù)。需要指出的是，沿著接觸弧長(zhǎng)，不同地方分配系數(shù)的值還是有些差異的。事實(shí)上，很難沿著整個(gè)接觸弧長(zhǎng)匹配所有的溫度值，所以，這里的平均系數(shù)是通過(guò)匹配平均理論接觸溫度值和沿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值簡(jiǎn)化得到的，這種方法更加直接一些。高效深磨溫度的理論模型簡(jiǎn)述如下。 對(duì)于高效深磨來(lái)說(shuō)，C值由接觸面的溫度所決定，受磨削中的Peclet數(shù)和砂輪工件接觸角的影響，這里接觸角由下式推出已加工表面上最大溫度Tfin可由其與最大接觸面溫度Tcon的關(guān)系表達(dá)，其比值隨著Pelect數(shù)和接觸角的增大而減小。 ?、贙s磨粒的傳熱系數(shù)來(lái)自Hahn提出的一顆磨粒在工件上滑動(dòng)的模型。這種分析與熱傳遞給磨屑和磨削液無(wú)關(guān)，則砂輪和工件子系統(tǒng)的熱分配比Rws為 在得出以上四個(gè)傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以得出以下最大接觸溫度的計(jì)算公式，在得到了最大接觸溫度的條件下就可以將其代人式(6)去求得傳人工件、砂輪、磨削液和磨屑中的熱量qw、qs、gf和qch，也就是可以反推出傳人工件的熱量占總熱量的比例的求解公式范圍內(nèi)變化。 |
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