（机械制造及其自动化专业论文）平面磨削温度场的研究.pdf

硕卜学位论文 摘要 磨削是加工制造领域尤其是精密加工领域中的一种重要加工方法，但磨削过 程对于去除单位体积材料需要极高的能量输入，这些能量几乎全部转化为热量并 集中在磨削区内，导致磨削区的温度急剧升高，且在工件表层形成极大的温度梯 度。如果磨削温度超过一定的临界值就会引起工件表面热损伤，如表面烧伤、材 料氧化、残余应力和裂纹等，从而影响零件的使用寿命和工作性能，同时还会影 响砂轮的使用寿命。因此对磨削温度的研究具有重要的理论意义和实际价值。本 文采用理论推导、实验分析和数值仿真等手段，对平面磨削温度场进行了研究， 所研究的主要内容如下： ( 1 ) 对磨削温度场的理论研究。探讨了不同热源分布模型对工件温度分布、 工件表面温度的变化速度和最高磨削温度所在位置等方面的影响，分析了磨削热 的产生和磨削区热量的传递途径，并介绍了三种典型的热量分配比例理论模型。 ( 2 ) 对磨削温度进行了系统的实验研究。根据实验结果，深入分析了磨削 参数、磨削方式和砂轮性质等因素对磨削温度的影响。磨削温度会随着磨削深度、 砂轮速度和工件速度的增大而升高，对磨削温度影响最大的磨削参数是切深，其 次是工件速度，而砂轮速度的影响较小；顺磨与逆磨时切屑的形成机理和变形等 不同，导致顺磨与逆磨的热效应存在较大差异，因此顺磨时磨削区温度较高； c b n 磨粒导热性能比氧化铝磨粒好，从而c b n 砂轮磨削后工件的表面温度较低。 ( 3 ) 对砂轮一工件接触长度进行了深入的理论分析和实验研究。研究发现， 实际接触长度大于几何接触长度，当切深较小、工件速度较大时，二者的差距更 大；接触长度随着切深、工件速度、砂轮直径的增大而增大；当磨削温度升高时， 工件变软，使得接触长度增大；此外随着磨削力的增大，砂轮、工件和磨粒的变 形增大，从而接触长度增大。 ( 4 ) 对磨削温度场的三维数值仿真研究。考虑工件材料物理性能与温度的 非线性关系，采用三角形热源模型，对一些典型的磨削工况进行了三维有限元仿 真，获得了工件的温度分布；分析了热源分布模型、磨削液和工件材料的变物性 等因素对磨削温度场的影响，研究表明有限元仿真值与实验测量值吻合较好，并 利用表面粗糙度仪探测了工件轮廓，验证了湿磨时磨削温度沿工件宽度方向的变化规律。 关键词：平面磨削；温度场；热源分布模型；接触长度；有限元 i i 甲面磨削温度场的研究 a b s t r a c t g r i n d i n gp r o c e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s i n gm e t h o d si nm a c h i n i n g m a n u f a c t u r ea r e a ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fp r e c i s i o nm a c h i n i n g i t r e q u i r e s e x t r e m e l yh i g hs p e c i f i ce n e r g y ，a n da l m o s ta l lo ft h ee n e r g yi sc o n v e r t e di n t oh e a t w h i c hi sc o n c e n t r a t e di nt h eg r i n d i n gz o n e t h i su s u a l l yr e s u l t si n r i s ef o rt h e t e m p e r a t u r eo fb o t ht h ew h e e la n dw o r k p i e c e ，a n dt h et r e m e n d o u st e m p e r a t u r e g r a d i e n ta p p e a r si nt h es u r f a c el a y e ro ft h ew o r k p i e c e i ft h es u r f a c eg r i n d i n g t e m p e r a t u r ei sb e y o n dc r i t i c a lt e m p e r a t u r ei ng r i n d i n gz o n e ，i tw i l lc a u s et h es u r f a c e t h e r m a ld a m a g e s ，s u c ha ss u r f a c eb u r n s ，m a t e r i a lo x i d a t i o n ，r e s i d u a ls t r e s s e s ，c r a c k ， e t c t h u st h eu s e f u ll i f ep e r i o do ft h ep a r t sw i l lb es h o r t e n e da n dt h er e l i a b i l i t yo f t h ep a r t sw i l lb er e d u c e d m e a n w h i l e ，t h eu s e f u ll i f ep e r i o do fg r i n d i n gw h e e lw i l l a l s ob es h o r t e n e d t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei so f i m p o r t a n c et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h et e m p e r a t u r ef i e l di ns u r f a c eg r i n d i n g i si n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e rc o n t a i n sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l di ns u r f a c eg r i n d i n gi s t h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d d i f f e r e n th e a ts o u r c em o d e l sw h i c ha f f e c tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nw o r k p i e c e ，t h e r a t eo ft h ew o r k p i e c es u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g ea n dt h ep o s i t i o no ft h em a x i m u m g r i n d i n gt e m p e r a t u r ea r ed i s c u s s e d t h eg e n e r a t i o no fg r i n d i n gh e a ta n dt h et r a n s f e r c h a n n e l so fe n e r g yi nt h eg r i n d i n gz o n ea r ea n a l y z e d a n dt h r e et y p i c a le n e r g y p a r t i t i o n i n gm o d e l sa r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei se x p e r i m e n t a ls t u d i e d t h ee f f e c t so ft h e g r i n d i n gp a r a m e t e r ，t h eg r i n d i n gm a n n e r sa n dt h eg r i n d i n gw h e e lp r o p e r t i e so nt h e g r i n d i n gt e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e dd e e p l yo nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t i ti sf o u n d t h a tt h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sw i t ht h ec u t t i n gd e p t h ，t h ew h e e ls p e e da n d t h et a b l es p e e d t h ec u t t i n gd e p t hi sp r i m a r ya n dt h ew h e e ls p e e di ss e c o n d a r yf a c t o r f o rt h ei n c r e a s i n go ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r eo ft h e d o w n g r i n d i n g i sh i g h e rt h a nt h a to ft h eu p g r i n d i n g ，b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n th e a te f f e c tb e t w e e n t h ed o w n g r i n d i n ga n dt h eu p - g r i n d i n gr e s u l t e df r o mt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d d e f o r m a t i o no fc u t t i n gc h i p t h et e m p e r a t u r ei nt h ew o r k p i e c es u r f a c ew h i c hi s g r o u n db yc b nw h e e li sh i g h e rt h a nt h a tb ya l u m i n i u mo x i d ew h e e la sar e s u l to ft h e h e a tc o n d u c t i o np e r f o r m a n c eo fc b n g r a i ni sb e t t e rt h a nt h a to fa l u m i n i u mo x i d eg r a i n ( 3 ) t h ec o n t a c tl e n g t hb e t w e e nt h ew h e e la n dw o r k p i e c ei sa n a l y z e d i ti s i i i 硕十学位论文 f o u n dt h a tt h er e a lc o n t a c tl e n g t hi ss i g n i f i c a n t l yl a r g e rt h a nt h eg e o m e t r i cc o n t a c t l e n g t h ，e s p e c i a l l ya t as m a l lc u t t i n gd e p t ho rah i g ht a b l es p e e d t h ec o n t a c tl e n g t h i n c r e a s e so nt h ec o n d i t i o n so fl a r g e rc u t t i n gd e p t h ，h i g h e rt a b l es p e e do rb i g g e r w h e e ld i a m e t e r ah i g ht e m p e r a t u r em a k e st h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c es o f t e n s e r i o u s l y ，c o n s e q u e n t l yt h e r e a lc o n t a c tl e n g t hi n c r e a s e s w h e e l ，w o r k p i e c ea n d w h e e lg r a i n sd e f o r ms u b j e c t e dt ot h eg r i n d i n gf o r c e ，t h u st h er e a lc o n t a c tl e n g t hi n c r e a s e s ( 4 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l di ns u r f a c eg r i n d i n gi sr e s e a r c h e dt h r o u g ht h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ew o r k p i e c em a t e r i a l a r ec o n s i d e r e dt ob en o n 1 i n e a ra c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r e t h r e ed i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rs o m et y p i c a lg r i n d i n gc o n d i t i o n sa r ec a r r i e do u tb yu s i n g t h et r i a n g l eh e a ts o u r c em o d e lu n d e rt h ef o r e n a m e dv a r i e dm a t e r i a lp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fw o r k p i e c ei so b t a i n e de a s i l y t h e f a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da r ea n a l y z e ds u c ha st h eh e a t s o u r c em o d e l ，t h eg r i n d i n gf l u i da n dt h ev a r i e dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ew o r k p i e c e m a t e r i a l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo b t a i n e df r o me x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s ag o o da g r e e m e n ti sf o u n d b e t w e e nt h ef e mr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s i no r d e r t ov e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h ew e t g r i n d i n g ，t h eo u t l i n eo ft h ew o r k p i e c ei sd e t e c t e db yt h es u r f a c er o u g h n e s s d e v i c e k e y w o r d s ：s u r f a c eg r i n d i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；h e a ts o u r c em o d e l ；c o n t a c tl e n g t h ； f e m i v 硕j ：学位论文 插图索引 图1 1 红外测温仪结构原理6 图2 1 导热分析所用的微元体1 1 图2 2j a e g e r 关于移动热源问题的考虑方法1 5 图2 3 高效深磨中磨削区运动简图1 6 图2 4 一维均匀分布热源模型1 6 图2 5 一维三角形分布热源模型1 6 图2 6 圆弧热源模型1 7 图2 7 综合热源分布模型1 9 图2 8 不同热源分布模型示意图1 9 图2 9 随着疗值的不同而变化的温度场2 l 图2 1 0 平面磨削的传热学模型2 1 图2 1 1 瞬时点热源温度场坐标2 3 图2 12 三角形热源模型一2 3 图2 13 磨削热生成示意图2 4 图2 1 4 磨粒热传递模型示意图2 4 图3 1 工件的几何尺寸2 9 图3 2 超精密平面磨床3 0 图3 3k i s t l e r 测力仪31 图3 4 实验测量系统31 图3 5 典型的磨削力信号3 2 图3 6 热电偶测温原理图3 2 图3 7 热电偶结构材料图3 2 图3 8 温差电势原理图3 4 图3 9 热电偶回路电势分布图3 4 图3 10 可磨式单极热电偶示意图3 5 图3 1 1 温度测量系统实物图3 5 图3 1 2 信号放大与滤波电路原理图3 6 图3 1 3 温度标定装置示意图3 6 图3 1 4 几种半人工热电偶的热电特性3 6 图4 1 磨削力与工件速度的关系4 0 图4 2 磨削力与砂轮速度的关系4 0 v i l l 平面磨削温度场的研究 图4 3 磨削力与磨削方式的关系4 l 图4 4 磨削力与工件材料的关系4 l 图4 5 磨削力比与材料去除率的关系4 2 图4 6 典型的温度信号4 3 图4 7 磨削区表面温度和磨粒磨削点温度示意图4 3 图4 8 最高磨削温度与磨削参数的关系4 4 图4 9 最高磨削温度与磨削方式的关系4 4 图4 1 0 温度曲线特征的对比4 5 图4 1 1 顺磨和逆磨的磨粒切削轨迹及切屑形状示意图4 5 图4 1 2 氧化铝砂轮与c b n 砂轮的比磨削能4 7 图4 1 3 氧化铝砂轮与c b n 砂轮的磨削温度4 7 图4 1 4 工件材料对磨削温度的影响。4 7 图5 1 砂轮与工件接触状态示意图5 0 图5 2 磨削区工件表面划痕示意图5 0 图5 3 双半沟槽测量接触长度示意图5 2 图5 4 接触区不同区域示意图5 2 图5 5p e k l e n i k 测量接触长度技术示意图5 3 图5 6 临界接触状态法和p e k l e n i k 法的比较5 3 图5 1 0 不同砂轮直径下接触长度5 5 图5 1 2 不同砂轮硬度下的接触长度5 5 图5 1 3 不同磨粒下的接触长度5 5 图5 1 4 不同工件材料下的接触长度5 6 图5 15 不同磨削状态下的接触长度5 6 图5 1 6 磨削力与接触长度的关系5 6 图5 1 7 磨削温度与接触长度的关系5 6 图6 1 三角形热源模型6 5 图6 2 工件实体模型6 6 图6 3 离散化的实体模型6 6 图6 4 平面磨削温度场加载流程图6 7 图6 6 矩形模型流入工件的热流密度图6 8 图6 8 第2 0 个时间步工件侧面的等温线6 8 图6 9 第2 0 个时间步工件内部的热流密度6 9 图6 1 0 第2 0 个时间步工件内部的温度梯度6 9 图6 1 l 砂轮与工件接触区温度分布：7 0 图6 1 2 不同时间步接触区温度分布6 9 i x 硕卜学位论文 图6 1 3 距磨削表面不同深度的温度场6 9 图6 1 4 磨削温度与距磨削表面深度的关系6 9 图6 1 7 不同深度表面的温度分布比较7 0 图6 1 8 不同热源模型下温度沿深度的变化7 0 图6 1 9 湿磨时三角形模型流入工件的热流密度图7 2 图6 2 0 湿磨时磨削表面宽度方向温度分布7 2 图6 2 1 磨削状态下温度对时间的响应7 2 图6 2 2 湿磨时磨削表面宽度方向温度分布7 3 图6 2 3 不同深度表面的温度分布比较7 3 图6 2 4 不同物性下的温度分布7 3 图6 2 6 测量的温度值与仿真值的比较一7 4 图6 2 7 切深为0 2 5 m m 的已磨表面沿工件宽度方向的轮廓7 5 x 平面磨削温度场的研究 附表索引 表1 1 磨削热模型的主要发展历程4 表3 14 5 钢的力学性能2 8 表3 24 5 钢的物理性能2 8 表3 3h t l 5 0 灰铸铁的力学性能2 9 表3 4h t l 5 0 灰铸铁的物理性能2 9 表3 5 平面磨削实验条件3 7 表5 1 接触长度理论模型的发展历程5 1 表6 1 平面磨削条件6 3 表6 2 磨削温度场仿真参数一6 4 表6 3 不同温度下4 5 钢的物理性能值6 5 表6 4 仿真值与实验值的比较7 4 x i 硕l 学位论文 主要符号索引 磨削深度 砂轮宽度 砂轮等效直径 砂轮材料弹性模量 砂轮切向磨削力 导热系数 磨粒导热系数 砂轮工件局部接触长度 砂轮工件几何接触长度 砂轮工件最大接触长度 磨削功率 流入磨削液的热流密度 磨削区总热流密度 流入砂轮的热量 流入工件的热量 时间 磨粒相对初始温度的温升 工件材料熔点温度 工件速度 磨粒的热扩散率 砂轮一热电偶的接触时间 x i i 磨削宽度 工件材料比热 工件材料弹性模量 砂轮法向磨削力 工件材料导热系数 砂轮工作面上磨粒间平均距离 砂轮工件理论接触长度 砂轮工件动态接触长度 砂轮工件实际接触长度 进入磨屑的热流密度 流向砂轮的热流密度 流进工件的热流密度 砂轮磨粒的有效接触半径 磨粒与工件的接触时间 磨削区最高磨削温度 砂轮速度 热扩散率 流入工件的热量分配比例 工件材料泊松比 工件材料密度 6 勺瓦e k，乞吼吼b乙口 f 风 b 吐e c 七k 乞名o p以吼q瓯，瓦匕f 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： f 虱蛳 日期：啡j 侈月r e 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：囚觋 日期：。毋年h 碉fe l 翩戳谰1 量嗍：孵棚日 硕- i ：学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 磨削加工是指用磨料或磨具进行加工的总称。磨削加工虽然本质上是一种切 削加工，但与车削、铣削等切削加工方式相比较有以下显著特点【l 】：砂轮表面 上同时参加切削的有效磨粒数不确定；磨刃的前角多是负前角，以较大的负前 角进行磨削，因此磨削力较大；一颗磨粒切下的磨屑体积很小，根据尺寸效应 原理，则单位磨削力很大：磨削的高速运行产生很高的磨削温度，进而易产生 磨削烧伤、残余应力等热损伤；磨削力比较大，一般c f 达到3 1 4 。砂轮 有自锐作用。 同其它加工方法相比，磨削具有加工精度高、应用范围广和加工表面质量好 等优点。但是，磨削过程对于去除单位体积材料需要极高的能量输入，这些能量 几乎全部转化为热量集中在磨削区内，导致磨削区的温度急剧升高，且在表面层 形成极大的温度梯度。主要原因在于磨削过程中被切削的金属层比较薄，与切削 相比相差几十倍或几百倍，如此小的切削厚度会使其比磨削力非常大，比磨削能 非常高，产生大量的热量，其中大约6 0 9 5 的热量传入工件，仅有不到1 0 的 热量被磨屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处，而 聚集在表面层里形成局部高温。工件表面温度常可高达1 0 0 0 以上，在表面层 形成极大的温度梯度( 可达6 0 0 l0 0 0 m m ) ，所以磨削的热效应对工件表面质 量和使用性能影响极大，特别是当磨削温度在界面上超过某一临界值时就会引起 工件表面的热损伤，如表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹等，其结果将会导致零 件的抗磨损性能降低，应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性变差，从而降低零件的 使用寿命和工作性能。此外，磨削周期中工件的累积温升，也会导致工件产生尺 寸误差和形状误差。 另一方面，磨削区的磨削热也影响砂轮的使用寿命。因此，通过研究磨削温 度来分析磨削过程中的热作用机制，从而抑制温度对工件和刀具的影响，一直是 磨削加工技术的重要研究内容之一。研究工件上磨削区的温度分布状况，是研究 磨削机理和被磨零件表面完整性的重要问题1 2 l 。 1 2 磨削温度研究的历史与现状 磨削温度是加工时由磨削热所引起的工件温度升高的总称。磨削过程就其本 质而言是一种由大量无规则的离散分布在砂轮表面的磨粒所完成的滑擦、耕犁、 甲面磨削温度场的研究 切削作用的随机综合。从磨削热效应的角度看，正在进行磨削的每一颗磨粒都可 以被看作是一个不断发出热量的点热源，磨削时，砂轮与工件接触面附近的温度 升高，显然应该就是接触面内这些离散分布的点热源综合作用的结果。 1 2 1 磨削温度的理论研究 ( 1 ) 热源分布模型的研究。对于干式磨削时工件表层及内部的温度分布状 况( 即磨削温度场) ，国内外学者已做了大量研究，并提出了磨削区温度场的理 论计算公式，其计算结果与实验室的实测结果基本相符，因而己被逐步应用到实 际生产中。由于磨削区热源强度来源于磨削时所产生的热量，而热量的一部分散 失在砂轮、磨屑和空气中( 湿磨时则被磨削液带走一部分) ，因此计算过程极为复杂。 目前对于干式磨削温度场的理论解析已经有了较为成熟的理论，国内外学者 均有不少研究成果，主要以1 9 4 2 年j a e g e r 3 j 移动热源理论为基础。j a e g e r 的移动 热源理论模型假定带状热源在半无限大物体上以工件速度圪运动，当到达某一 位置时设时间f = 0 ，再对宽度为d 。的线状热源在半无限大物体中的温度场在该位 置所造成的温升进行积分，得到带状热源对该位置造成的温升。早在2 0 世纪6 0 年代，哈工大的侯镇冰、上海交通大学的贝季瑶等人就开始进行磨削温度的理论 研究4 1 ，贝季瑶首先用实验方法肯定了按l ：、厩作为磨削区接触长度的合理 性，考虑到在砂轮与工件的接触弧上，磨粒的磨削厚度不一致的特点，认为磨削 接触区热源的发热功率不可能均匀分布，提出了热源强度沿接触长度上为三角形 分布的假设，从而分别按单向导热和双向导热推导了计算磨削区温度的公式，实 践证明，这个理论是比较符合实际的。在大多数情况下，加工表面下不同深度z 处的最高温度以。非常重要，高泽孝哉【5 】引用j a e g e r 的分析结论按均布热源模型 推导出磨削接触弧区最高温度以。与深度z 的关系式。山东石油大学孟庆国1 6 j 认 为，磨削温度场的分布规律主要取决于磨削区热源强度的分布规律，导热方向对 其影响较小。日本河村末久1 7 】引用j a e g e r 的分析结论按三角形分布移动热源模型 也导出了半无限大导热体的温度场计算公式。南京航空航天大学李伟博士【8 j 在充 分考虑热源形状对磨削温度场影响的情况下，求出了干磨和湿磨状态下温度场分 布的解析解。张磊 9 1 考虑了磨削过程中磨粒与工件间的相互作用后，建立了热源 分布综合模型。 根据不同的磨削条件，广大学者建立与之相适应的热源模型：蔡光起教授【l o 】 在研究高速重负荷钢坯修磨时建立了钢坯修磨热模型：高航教授j 在研究断续 磨削时分别建立了卧轴周边断续磨削和立轴端面断续磨削的热源模型；金滩博士 【1 2 l 在研究高效深切磨削技术时，对高效深磨的传热机制进行了系统的理论研究， 分别用均布和三角形分布热源假设，建立了倾斜移动热源的传热模型。赵恒华1 1 3 j 在金滩的基础上，建立了平面磨削条件下圆弧热源模型、均匀热源模型和三角形 2 硕上学位论文 热源模型三种热模型。林彬【1 4 1 和田晓【1 5 】采用不同方法分析杯形砂轮平面磨削温 度场并给出其解析表达式。徐慧蓉【l6 】提出了高效深磨的热模型，该热模型中工 件与砂轮的接触用圆弧面表述，研究发现接触角和p e c l e t 数对磨削区温度有很强 的影响。 ( 2 ) 热量分配比的研究。在磨削过程中，磨削区内的产生的热量主要是通 过工件、磨削液、切屑和砂轮等传递出去，其中由于传入工件的热量是导致其温 度升高而产生热损伤的直接原因，因此传入工件的热量是人们所关注的重点。热 量分配比是计算进入工件磨削热量的重要参数。在磨削加工中，热量分配比是一 个变化的量值，与砂轮和工件的属性、磨削深度、工件的进给速度和砂轮线速度 等因素均有关系。对热量分配比的计算，一直是个十分复杂的问题，尚没有准确 简便的办法来计算大小【l 。7 1 。 研究磨削区热量的传递过程，首先必须建立一个能够真实反映其实质的热源 模型，然而，磨削是一个非常复杂的过程，要建立一个能够完全符合磨削区热量 传递真实情况的模型非常困难，因此在建立热源模型时需要对一些条件做各种各 样的理想化假设，于是使得理论模型与原始情况存在着不同程度的差异。近几十 年来，为了能够尽量准确地描述磨削过程的热量传递情况，各国研究学者从不同 的角度对磨削热理论模型开展了各个方面的研究工作。表1 1 列出了热量分配比 例模型的主要发展历程【l s 】。 1 9 5 2 年，由o u t w a t e r 和s h a w t l 9 1 首先采用j a e g e r 的移动热源理论，对热现 象进行了解释，同时采用了热电偶测温方法进行了实验验证。他们假定磨削能都 是在剪切面产生并在此传递出去的，并基于剪切面移动热源理论建立了热量传递 给工件的热源模型，因此，磨削中产生的热量一部分传递到工件，一部分传递到 磨屑。由于剪切面热源理论对在实际中出现的大量摩擦能问题不能进行合理解 释，h a h n f 2 0 从磨削能的角度出发，提出了大部分热量是在磨粒磨损平面上产生 的理论，认为热量的产生可以通过考虑磨损平面上的力和忽略剪切面上的力来进 行精确描述。 m a l k i n 发现实际热源长度是几何接触长度的2 3 倍。q i 发现接触长度可以 由几何接触长度和由接触力产生的弹性接触长度来进行预测。不过m a l k i n 的研 究结果表明在几何接触长度内有超过2 3 的能量进入工件。因此对模型进行了合 适的调整，建议使用几何接触长度来计算。1 9 7 0 年，r u i s s e a u x 和z e r k l e t 2 1 1 扩展 了j a e g e r 模型，在热模型上叠加了冷却剂在磨削表面的冷却效果，发现了对于 典型的p e c l e t 数和对流换热系数，重要的对流冷却将不发生在接触区。在该模型 中，假设在磨粒接触位置传入工件的一部分热量能够迅速地通过磨削液带走。如 果传播速度足够快，则传入工件的热量来不及传入工件深处而被磨削液带走，使 得磨削区工件的温度不会过高。由于磨削区工件表面出现高温的持续时间过长会 平面磨削温度场的研究 导致工件材料出现相变和氧化反应，因此磨削区工件最高磨削温度一直是人们所 关注的问题。1 9 7 4 年m a l k i n 和a n d e r s o n 对金属材料的磨削热理论进行了详细 的阐述，他们认为切屑变形能中的剪切能大约等于每单位体积工件金属材料的熔 化能；几乎所有的耕犁能和滑移能都以热能的形式传入工件，而切屑变形的能量 仅有5 5 传入工件。这种基于磨削能量分配的研究结果，得到了许多学者的承 认和证实。19 7 5 年v e r k e r k 通过测量热波动，研究了在磨削中真正的接触长度厶， 他发现真正的接触长度比所计算出的几何尺寸值大得多。 表1 1 磨削热模型的主要发展历程 h o w e s i 2 2j 也发现当磨削区温度超过磨削液的沸腾温度时，磨削液的沸腾膜严 重地降低了冷却效果，因此得出结论，磨削液所起的作用是其有效的润滑性能减 小了磨削力并降低了磨削温度。p e t t i t 基于砂轮材料的复合体特性建立了一个热 源模型，该模型提供了确定能量传递给工件的比率的一种简便方法。l a v i n e 建 立了热量传递给单个锥形磨粒的磨粒传热模型，该模型考虑了不同的圆锥角度对 传热的影响，试验证明此模型对于小锥度角是合理精确的。l a v i n e 假设4 5 0 圆锥 角度作为评定分配率的基准，m o r g a n 改进了圆锥磨粒模型，考虑了在接触区内 瞬时发热对分配率的影响，同时把磨削温度建立在磨削点的温度之上，结果表明 瞬时效应减少了分配率。s h a k o 2 3 1 提出在缓进给磨削中，磨削液的对流冷却非常 重要，有时候在接触区磨削液对流冷却带走的热量比其它要素带走热量的总和还 要多。但是他也提出当磨削液沸腾时，对流冷却带走的热量大大减少了。r o w e t 2 4 l 4 硕士学位论文 分析了磨削热的四种不同传递方式中每一种散热途径的能量分配比例，采用流入 工件热量的最大值和最小值，分别计算了磨削区的两个极限温度，此模型考虑了 砂轮的有效热属性。后来，r o w e 2 5 也7 1 又把磨削热的四种传热方式结合起来，将 砂轮工件接触假设为一系列的磨粒离散接触，获得了一个更加简单、准确的计 算模型。1 9 9 9 年g u o 2 8 1 在r o w e 模型的基础上做了改进，建立了一个新的模型， 模型考虑了磨削液的影响，通过分别考虑热传递给磨粒和磨削液来确定分配率。 1 2 2 磨削温度的测量技术 获取磨削区温度的分布情况对于弄清磨削热损伤的机理极其重要，而通过测 量温度获取数据是了解热损伤机理、避免热损伤和提高加工表面质量的前提条 件。国内外广大学者在磨削温度的测量技术方面进行了很长时间的研究，开发了 许多的测量技术。迄今为止，已经出现了许多方法用于测量磨削温度，新方法的 出现，为磨削温度研究提供了新的手段，但是在所有实验测量方法中，最基本的 方法是用热电偶直接测量法。近年来，利用红外辐射测量磨削温度方面也取得了很大 的进展。 ( 1 ) 热电偶技术。在磨削温度场的测量方法中，较为常用的方法是利用热 电偶测量磨削温度。热电偶测温法是利用热电偶原理来测量磨削温度的，该方法 简单方便，成本低廉。按照热电偶测量的方式可分为人工热电偶和半人工热电偶。 如果工件的导电性良好，可以由单根热电偶丝和工件匹配构成半人工热电偶。如 果工件是不良的导电体，例如陶瓷、大理石等，就采用两根热电偶丝构成的人工 热电偶，人工热电偶的两根热电偶丝之间需要焊接在一起。根据热电偶丝的放置 位置不同，又可分为夹丝测温法和顶丝测温法( 又称埋丝测温法) 。 夹丝测温法是根据切削过程中塑性变形及在高温作用下，工件本体与热电丝 ( 箔片) 在顶部互相搭接或焊在一起形成热电偶结点。夹丝测温法可以测量磨削 表面温度，可以用于连续磨削测量。顶丝测温法是在工件试样本体上钻出一个或 几个台阶孔( 为了一个工件做几次测温用) ，孔径根据工艺尽量取小。热电丝端 头打磨成尖形，并绕出小段成螺旋弹簧状，套以适当粗细的绝缘套管，装入台阶 孔中，热电丝端头与孔底接触之处就是热电偶的结点。磨削过程中，孔与顶面的 距离在改变，因而每次磨削所输出的热电势是反映磨削表面下不同深度处的温 度。夹丝法和顶丝法的缺点是破坏了工件的整体性，造成热量的传导与实体工件 有差异，影响测量温度的精度。 ( 2 ) 红外测温技术。热是一种能量，分子中各原子的相对运动，分子的旋 转，物质晶体中的原子的振动都会随着温度的增加而加剧。要对物体进行加热， 必须将物体分子激跃至更高的能量层。当分子回跃至较低的能量层时，物体就向 外辐射能量。物体受热温度越高，能量辐射越强烈。该过程即所谓的热辐射，同 甲面磨削温度场的研究 时也是红外测温仪的工作原理。红外测温仪按设计原理，分为全辐射