（机械制造及其自动化专业论文）超高速磨削温度的研究.pdf

硕l 学位论文 摘要 高速高效磨削是一种可以极大地提高生产效率、提高零件表面加工质量、实 现难加工材料的精密加工的一种新技术，是目前国内外磨削技术的发展趋势。但 是磨削加工切除单位体积材料时需要非常高的能量输入，并且大部分会以热能的 形式进入工件，导致磨削区的温度升高。当磨削温度较高时，零件金相组织将发 生变化，甚至出现磨削烧伤和磨削裂纹的一系列磨自q 缺陷。因此，研究磨削温度 来探索解决产生磨削缺陷的热机理以及寻求控制磨削工件质量将具有重要的现 实意义。 论文首先在文献综述的基础上介绍了高速高效磨削温度研究的历史和现状， 在对磨削温度原理进行了概述的基础上，提出了高速高效磨削温度测试的实验研 究方案，并对该方案进行了详细的介绍。 其次，本文采用湖南大学3 1 4 m s 超高速平面磨削实验台，利用热电偶测温 的方法，对4 5 结构钢、4 0 c r 合金钢的磨削温度进行了实验研究，较详细地分析 了磨削参数如砂轮线速度、工件磨削深度、工作台速度等对这两种材料高速高效 磨削时磨削温度的影响规律，实验结果表明：在其他两个磨削参数不变的情况下， 磨削温度随着砂轮线速度的提高呈现先升高后下降的趋势。经文献检索到目前为 止还没有发现类似的报道，这是在磨削温度研究方面的一个新的见解。另外磨削 温度随着磨削深度的增加而升高，随着工作台速度的提高而下降。 因为磨削的实际过程无法得到其精确的模型，并且会有很多的因素影响我们 的实验结果，因此磨削过程的仿真和控制是一大难题。本文还利用w b ，r o w e 的 高效深切磨削温度计算模型进行了理论值的计算；并在最后利用有限元软件 a n s y s ，对高速磨削时的磨削温度进行了预测。预测结果表明有限元分析精度较 高，可以部分代替实验；且增加节点个数、使用足够多的实验数据对有限元模型 进行完善能进一步提高预测精度。 本文的研究成果对揭示高速高效磨削温度的内在规律，建立完善的高速高效 磨削基础理论体系，充实高速磨削工艺数据库、指导生产实践意义重大。当然， 认真设计、改进实验，重复做实验以验证试验结果；改进高速高效磨削温度理论 模型；并完善a n s y s 有限元移动热源仿真模型，使三者匹配将是后续的一项很 重要的也很有意义的工作。 关键词：高速高效磨削；磨削温度；热电偶；工艺实验研究；理论模型；有限元 仿真 i i a b s t r a c t h i g h s p e e da n dh i g h e f f i c i e n c yg r i n d i n g ，b e c a u s eo fi t sh i g h e rp r o d u c t i v e e f f i c i e n c y ，b e t t e rs u r f a c ef i n i s h i n gt h a ng e n e r a lg r i n d i n g ，i st h ec u r r e n tt r e n do f g r i n d i n gt e c h n o l o g yi nt h e2 1c e n t u r y b u t ，t h es p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g yi sv e r yh i g h ， a n dm o s to ft h ee n e r g yw i l lf l o wi n t ot h ew o r k p i e c e ，w h i c hw i l lm a k et e m p e r a t u r eo f t h eg r i n d i n gz o n eg ou p w h e nt h et e m p e r a t u r ei s v e r yh i g h ，t h em e t a l l u r g i c a l s t r u c t u r eo ft h ew o r k p i e c ew i l lc h a n g e ，i tc a ne v e ni n d i c a t et h e r m a ld a m a g ea n d g r i n d i n gc r a c k l e s o ，i th a sv e r yi m p o r t a n ta n dr e a l i s t i cm e a n i n g t or e s e a r c hg r i n d i n g t e m p e r a t u r ea n dt oe x p l o r et h et h e r m a lp r i n c i p l ea n dt oc o n t r o lt h eg r i n d i n gs u r f a c e i nag o o dc o n d i t i o n f i r s t ，b a s e do nt h el i t e r a t u r er e v i e w s ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fu l t r a h i g h s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c yg r i n d i n gt e m p e r a t u r et e c h n o l o g y a r es u m m a r i z e d t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h eo v e r v i e wo fg r i n d i n gt e m p e r a t u r et h e o r y ，a sw e l la st h e t r a i no ft h o u g h tf o rs t u d y i n gi t t h et h e s i sc o m p r e h e n s i v e l yi n t r o d u c e st h es c h e m e f o rt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi nh i g h s p e e da n dh i g h e f f i c i e n c yg r i n d i n gt e m p e r a t u r e t e s t i n g t h e n ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t so ft w od i f f e r e n tm a t e r i a l s ( 4 5 # c a r b o ns t e e l ， 4 0 c ra l l o ys t e e l ) o p e r a t e do nt h e314 m ss u p e rh i g hs p e e ds u r f a c eg r i n d i n gm a c h i n e i nh u n a nu n i v e r s i t y , t h eh i g hs p e e dg r i n d i n gt e m p e r a t u r e sa r es t u d i e di nd e t a i li nt h e m e t h o do ft h e r m o c o u p l e t h ee f f e c t so fg r i n d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sw h e e lv e l o c i t y ， g r i n d i n gd e p t ho fg r i n d i n gw h e e l ，w o r k p i e c ev e l o c i t yo ng r i n d i n gt e m p e r a t u r eh a v e b e e na n a l y z e d w ef i n dt h a t i nt h ec o n d i t i o nt h a tk e e pt h eo t h e rt w op a r a m e t e r s c o n s t a n t ，t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r eg o e su pa n dt h e ng o e sd o w nw h e nt h ew h e e l v e l o c i t yg o e su p ；i tg o e su pw h e nt h eg r i n d i n gd e p t ho fg r i n d i n gw h e e lg o e sd e e p e r ； i tg o e sd o w nw h e nt h ew o r k p i e c ev e l o c i t yg o e su p b e c a u s ei ti sd i f f i c u l t yt og e tap r e c i s em o d e lo fg r i n d i n g ，i ti sd i f f i c u l tt oh a v e t h es i m u l a t i o na n dc o n t r o lo fg r i n d i n gp r o c e s s i nt h i st h e s i s t h i sa r t i c l er i s e t e m p e r a t u r em o d e lo ft h eh i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ( h e d g ) t oc a l c u l a t et h e t h e o r e t i c a la m o u n t t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r e sa r ea l s op r e d i c t e db a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa tl a s t i tt u r n so u tt h a t i tc a ne v e ns u b s t i t u t ef o r e x p e r i m e n t sp a r t l yb e c a u s eo fi t sh i g hp r e c i s i o na n dw i t hs u f f i c i e n tn o d e st op e r f e c t t h ea n s y sm o d e l ，t h ep r e d i c t i o nc a nr e a c hah i g h e rp r e c i s i o no fp r e d i c t i o n 1 i l t h er e s e a r c b , f i n d i n g so ft h i st h e s i sm e a n sm u c ht or e v e a lt h ei n t e r n a l r u l eo ：t h i g hs p e e dg r i n d i n gt e m p e r a t u r e e n r i c ht h eh i g h s p e e dg r i n d i n g p r o o 。5 8d a t a b a s e a n ds u p e f v i s et h ef a c t o r yp r a c t i c e a n d ，i t sv e r yi m p o r t a n t t od e s i g na n dt o1 m p r o v e t h et e s tc a r e f u l l y , t or e p e a tt h et e s tal o tt ov e r i f yt h er e s u l t ，t oi m p r o v et h et h e o 。y m o d e lo fg r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，t or e f o r mt h ea n s y sm o v i n gt h e r m a lm o d e l , a n d t o m a t c ht h et h r e e k e yw o r d s ：h i g hs p e e d a n dh i g he f f i c i e n c yg r i n d i n g ；g r i n d i n g t e m p 。8 t u 。 t h e r m o c o u p l e ；p r o c e s se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ；t h e o r y “o d 。l f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 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。除了文中特另d d l ：l 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：涨国半日期：汐侈年弘月7 日 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 沦文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密讯 ( 请在以上相应方框内打- 7 ) 作者签名：张目华 导师签名：哳古 日期：调g 年 e t 期：细侔 够月7e l 弘月 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 磨削加工是指用磨料来切除材料的加工方法，根据工艺目的和要求不同，磨 削加工已发展为多种形式的加工工艺。通常按工具类型进行分类，可分为使用固 定磨粒的和游离磨粒的两大类，各种加工形式的用途、工作原理和加工运动情况 有相当大的差别，但都存在摩擦、微切削和表面化学反应等现象，只是形式和程 度不同而已。 磨削和其它加工方法相比，有很多特点： ( 1 ) 砂轮表面上同时参加切削的有效磨粒数不确定。 ( 2 ) 砂轮上磨刃前角为负值，形成负前角切削。 ( 3 ) 切屑尺寸很小，单位磨削力很大。 ( 4 1 磨削温度很高，易产生磨削烧伤。 f 5 ) 砂轮有自锐作用。 近年来，磨削加工的生产率不断提高，超高速磨削技术的应用，磨削过程自 动化、数控化和智能化的发展，使磨削和磨料加工在机械制造领域占有越来越重 要的地位。对于提高砂轮线速度所带来的效益，人们很早就给予了充分的注意和 重视。 和普通磨削相比，超高速磨削显示出极大的优越性【2 j ： r 1 ) 大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。原因是在工作台速度和进给 速度不变的前提下，砂轮线速度提高，可以导致单个磨粒的平均切削厚度变小， 则磨屑的厚度就会变小，甚至仅为普通磨削的几十分之一，从而可以导致单个 磨粒的平均磨削力大大降低，则我们就可以调整工作台速度和迸给速度使磨削 厚度保持不变，所以单位时间内磨去的金属体积就会大大增加。 ( 2 1 磨削力小，零件加工精度高。速度3 6 0 m s 以下的实验表明，在一个较 窄的速度范围内( 1 8 0 2 0 0 m s ) ，摩擦状态由固态向液态急居变化，并伴随着磨削 力的急剧下降。 ( 3 ) 在一定的超高速磨削条件下，磨削温度会随着磨除率的升高而升高，达 到一定的极值之后反而会下降。 ( 4 ) 降低加工工件表面粗糙度，因为磨屑形成的时间降低。在其他条件相同 时，分别以3 3 m s 、1 0 0 m s 、2 0 0 m s 的速度磨削时，表面粗糙度值分别为r a 2 0 1 a m 、 r a l 4 1 a m 和r a l 1 p m 。 超高速鼯削温度的研究 ( 5 ) 砂轮寿命延长。在金属切除率相同的条件下，砂轮速度由8 0 m s 提高到 2 0 0 m s ，砂轮寿命提高8 5 倍。 ( 6 ) 可获得不发生表面热损伤，具有完整性好的表面。 ( 7 ) 使硬脆材料磨削时，不再是脆性断裂，而是以塑性变形方式产生磨屑。 由于这些优点，高速、超高速磨削的出现，使磨削效率发生了根本性的变化， 磨削己不仅仅是传统概念的精整加工，而开始成为与其它切削加工方法相抗衡的 切除手段【3 】。现在在加工某些工件时，高速、超高速磨削已成功地取代了车削、 铣削和刨削加工，效率不低于这些加工方法，同时又可使工件达到较高的精度和 表面质量。在1 9 9 6 年国际生产工程学会( c i r p ) 年会上超高速磨削技术被正式确 定为面向二十一世纪的中心研究方向。 1 2 超高速磨削加工及磨削温度研究的历史与现状 1 2 1 国内外超高速磨削技术的历史与发展 超高速磨削是通过提高砂轮线速度和切削深度来达到提高磨削去除率和磨 削质量的工艺方法。一般砂轮线速度v 。高于4 5 m s 时就属高速磨削，德国居林 自动化公司( g u h r i n g a u t o n m t i o n ) 已推出1 4 0 1 6 0 m s 的c b n 磨床。阿享( a a c h e n ) 工科大学磨削1 6 m n s c r 材料将砂轮速度由1 8 0 m s 提高到3 4 0 m s ，单位时间磨削 截面积( 效率) 由18 0 0 0 m m 2 m i n 提高到5 4 0 0 0 m m 2 m i n 。并用居林自动化公司研制 的主轴转速3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 f f m i n 和电机功率3 0 k w 的磨床，进行以5 0 0 m s 为目标 的超高速磨削试验，对砂轮和磨床作综合研究。 超高速磨削有如下优点：磨料的未变形切屑厚度减小，磨削力下降。砂 轮磨损减少，提高砂轮寿命。在磨粒最大未变形切屑厚度不变条件下，可加大 磨削深度或工件速度，提高磨削效率。切屑变形程度小，磨料残留切痕深度减 小，磨削厚度变薄，可以改善表面质量及减小尺寸和形状误差。超高速磨削存在 离心力大，易导致砂轮破裂，需要开发高强度砂轮。要求机床有足够功率、刚度 及精度和安全防护措施。 1 国内 我国超高速磨削研究起步较晚。1 9 7 4 年，第一汽车厂、中国一拖、第一砂 轮厂、瓦房店轴承厂、华中科技大学、郑州磨料磨具与磨削研究所( 简称三磨所) 、 长沙市第二机床厂等先后进行了5 0 6 0 m s 的磨削实验；湖南大学进行了6 0 8 0 m s 高速磨削实验。1 9 7 5 年1 0 月，南阳机床厂试制成功了m s l 3 2 型8 0 m s 高 速外圆磨床。1 9 7 6 年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨所、华中科技大学、 上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速磨削实验小组， 对8 0 m s 、1 0 0 m s 高速磨削工艺进行了实验研究。与此同时上海机床厂设计制造 了m b s a l 3 3 2 型8 0 m s 半自动高速外圆磨床，磨削效率达到了车削和铣削的生 产率。1 9 7 7 年，湖南大学在实验室利用砂瓦进行了l o o m s 、1 2 0 m s 高速磨削实 验。 现阶段我国超高速磨削发展最主要的问题就是由于受实验装置及实验手段 的限制，进行的c b n 砂轮高速、超高速磨削工艺实验较少，有报道称东北大学 进行了2 0 0 m s 超高速磨削实验，但相关的论文还未见刊出，另外，c b n 砂轮磨 削实验方面，辽宁工学院的金滩进行了c b n 砂轮高速磨削条件下工件表面质量 的综合控制研究【4 】，砂轮线速度范围为3 0 1 0 0 m s ，砂轮速度较低；东北大学冯 宝富、宋贵亮、蔡光起等在改制的超高速实验机床上进行了一系列单颗粒c b n 磨粒磨削实验，对高速单颗磨粒磨削机理进行研究，实验c b n 磨粒线速度最高 达到了1 2 0 m s ，磨削材料为4 5 钢、2 0 c r 钢和钛合金t c 4 以及高温合金g h 4 1 9 1 。9 1 。 但是需要指出的是使用单颗磨粒和使用砂轮进行高速磨削实验研究是不同的：由 于砂轮磨粒数量太多，并且每颗磨粒尺寸、形状不同以及磨粒分布的随机性都造 成了磨削运动规律的复杂性，对单颗磨粒实验的研究远不能准确地模拟整个砂轮 磨削的磨削结果，所以进行c b n 砂轮高速磨削工艺实验研究是必须的。 2 欧洲 欧洲高速磨削技术的发展起步早。早在6 0 年代末，欧洲，实验室磨削速度 己达2 1 0 2 3 0 m s 。7 0 年代末期，高速磨削采用c b n ( c u b i cb o r o nn i t r i d e 立方氮 化硼) 砂轮。意大利的法米尔( f a m i r ) 公司在1 9 7 3 年9 月西德汉诺威国际机床展览 会上，展出了砂轮圆周速度1 2 0 m s 的r f t c 1 2 0 5 0 r 型磨轴承内套圈外沟的高 速适用化磨床。9 0 年代初，已经实现了最高速度3 5 0 m s 的磨削实验。目前，实 际应用中，高速磨削和精密磨削最大磨削速度在2 0 0 2 5 0 m s 之间1 1 1 , 1 2 1 。 德国在超高速磨削技术研究和应用方面最先发展，现在仍居世界领先地位。 在c b n 砂轮应用的基础上，集砂轮超高速、搿进给速度( o 5 1 0 m m i n ) 和大切 深( o 1 3 0 m m ) 为一体的高效深磨( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ) 技术是超高速 磨削在高效磨削方面应用的典型。它可以获得远高于普通切削加工的金属去除 率。超高速磨削可以大幅度提高磨削效率、延长砂轮使用寿命和降低加工工件表 丽粗糙度，可以对脆性材料实现延展性域磨削，对高塑性和难磨材料也有良好的 表现。 德国的g u h r i n g a u t o m a t i o n 公司在超高速磨床的研制方面较为著名。该公司 十几年以前即最先推出超高速磨床，并为阿亨( a a c h e n ) t 业大学开展5 0 0 m s 的 磨削研究制造了设备【7 】。在r b 6 2 5 超高速外圆磨床上由毛坯直接磨成曲轴，每 分钟可磨除2 千克金属( c b n 砂轮，砂轮线速度1 2 0 1 6 0 m s ) 。在f d 6 13 超高速 平面磨床上磨削宽1 1 0 m m 、深3 0 r a m 的转子槽时，迸给速度可达 3 0 0 0 m m m i n ( c b n 砂轮，砂轮线速度1 5 0 m s ) 。该公司的n u 5 3 4 、n u 5 3 5 r 和n u 6 3 5 _ ；_ 3 ：= ： = ：= ：= 堡塞堡璧型堡! ! ! ! 塑塞! ：= ：= ! ：! ：! ：= ： 型沟槽磨床使用陶瓷结合剂c b n 砂轮，砂轮线速度1 2 5 m s ，一次快进给磨出 q 5 2 0 m m 钻头沟槽，磨削去除率达5 0 0 m m 3 ( m m s ) 。k a p p 公司制造的高效深磨 用超高速磨床可以利用3 0 0 m s 砂轮线速度，在6 0 s 内对有1 0 个沟槽的成组转子 毛坯完成一次磨削成型，砂轮寿命可完成1 3 0 0 个转子的加工，宽度精度为2 1 x m 。 德国s t u d e r 公司、s c h a u d t 公司也相继开发并推出了各自的超高速磨床。s o n g m a c h i n e r y 公司、n a x o su n i o n 公司等企业在超高速磨削应用方面也卓有建树， 反映出欧洲企业在高效深磨技术实用化方面的领先地位。 德国的阿亨f a a c h e n ) 工业大学、b r e m e n 大学的研究人员在高效深磨技术的 研究上取得了世界公认的高水平成果，并在铝合金、钛合金、康镍合金等难磨材 料方面进行了高效深磨的有益探讨。b r a u n s c h w e i g 大学、柏林( b e r l i n ) 丁业大学 等也进行了高效深磨技术的研究。 英国的利物浦j o h n m o o r e s 大学研制了高效深磨试验台，采用直线电机进给 系统( 3 ，3 m s ) ，切深可以达到3 0 m m ，主轴功率5 2 k w ，砂轮最大速度1 4 5 m s ，高 效深磨砂轮最大直径4 5 0 m m ，工作台最大行程8 0 5 m m ，磨削液的供液系统为 d r e n t hh i g h p r e s s u r es y s t e m ，实验台如下图所示【1 3 l ； 图1 1 高效深磨实验台 3 日本 曰本在超精密磨削方面的研究居世界领先水平。日本的超高速磨削主要不是 以获得高主产率为目的，而对磨削过程的综合性能更感兴趣。它的磨除效率普遍 维持在6 0 m m 3 ( m m s ) 以下。因此，日本的超高速磨削可称为精密超高速磨削。 日本的丰田工机、三菱重工等公司均能生产应用c b n ( 立方氮化硼c u b i c 4 坝十学位论文 ! = 皇= = = = = = = = 竺= = = = 竺= = 烹詈= = = = ! ! ! ：= = = 。：! ! 竺：! ：= = ：= =：= = = ： b o r o n n i t r i d e ) 砂轮的超高速磨床，闩本的三菱重工推出的c a 3 2 一u 5 0 a 型c n c 超高速磨床，采用陶瓷结合剂c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 0 m s 。丰田工机在 g z 5 0 型c n c 超高速外圆磨床上装备了其最新研制的t o y o d as t a t eb e a r i n g 轴承， 使用圆周速度2 0 0 m s 的薄片陶瓷结合剂。 c b n 砂轮对回转体零件沿其形状进行次性纵磨来完成整个工件的柔性加 工过程，并首先在曲轴销加工方面应用成功。冈本机床制作所等多家企业也急起 直追，推出c n c 超高速磨床，己在日产等大企业销售使用，加工的工件主要是 曲轴等回转体零件。 日本学者对超高速磨削机理进行了研究，井上孝二在c b n 砂轮磨床上曾对 三种不同砂轮线速度的磨削效果进行了对比，指出在金属磨除率为2 0 m m 3 ( m m s ) 不变的情况下，提高砂轮线速度可显著增大磨削比，降低磨削力，且使工件表面 层产生均匀的压应力。此外，大下秀阳、小川养三、汪川、庄司克雄、稻日丰、 横川宗彦和长谷川等都对精密超高速磨削的磨削效率、磨削方法和磨削性能优化 等方面进行了研究。日本还研究了利用超高速磨削实现对硬脆材料的高性能加 工，高桥正行等从普通砂轮线速度到2 0 0 m s 对玻璃的加工性能进行了对比研究， 指出超高速磨削玻璃表面粗糙度要比普通速度磨削小得多。其加工状态随磨粒切 深的变化可分为三个阶段：延性域、延脆性混合域和脆性域。大幅度提高砂轮线 速度，可显著减少单颗磨粒切深，使玻璃加工始终处于延性域内进行，促使加工 工件表面质量提高。 4 美国 美国在缓进给深切磨削方面的研究现在居世界领先水平。1 9 7 0 年美国的本 迪克斯公司曾出产了9 1 m s 切入式高速磨床。超高速磨削由于设备研究投资大周 期长技术复杂等而一度搁浅，后来在政府的特殊资助下得以起步。1 9 9 3 年，美 国的e d g e t e km a c h i n ec o r p 是美国唯一能够生产高效深磨机床的企业。该公司首 次推出的超高速磨床采用单层c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 3 m s ，用以加工淬 硬的锯齿等可以达到很高的金属切除率。该公司生产的小型3 轴、4 轴及5 轴 c n c 经济型高效深磨机床，其床身及立柱均采用铸铁材料或封有花岗岩的钢基 体以提高刚性减少振动，利用成形c b n 砂轮对淬硬钢实现了高效磨削，表面质 量可与普通磨削相比。美国c o n n e c t i c u t 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨 床，最高磨削速度达到2 5 0 m s 1 4 - 1 6 】。 目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用c b n 砂轮。可实现1 6 0 m s 的速度7 5 m m 3 ( m m s ) 的切除率，对高温合金i n c o n e l 7 1 8 进行高效磨削，加工后 达r a l 2 m ，尺寸公差1 3 p m 。另外采用直径4 0 0 m m 的陶瓷c b n 砂轮，以 1 5 0 - - 2 0 0 m s 的速度磨削，可达到r a 0 - 8 m ，尺寸公差2 5 5 m 。美国高速磨 削的一个重要研究方向是低损伤磨削高级陶瓷。传统的方法是采用多工序磨削， 超高速磨a u 温度的研究 而高速磨削试图采用粗精加工一次磨削，以高的材料去除率和低成本加工高质量 的氮化硅陶瓷零件。 1 2 2 磨削温度研究的历程与现状 磨削加工实质上是一种由大量无规则的离散分布在砂轮工作面上的麽粒所 完成的划擦、耕犁和切削作用的随机综合，切屑厚度一般多在微米数量级，切削 速度高达2 0 0 0 m m i n 。如此小的切削厚度使得比切削力很大、比能很高并且产生 大量的热。切削消耗的能量约有7 0 8 0 ( 普通切削时仅为1 0 ) 会以热能的形式 进入工件，导致磨削区的温度升高。磨削的热效应对工件的表面质量和实用性 能有极大影响。温度过高引起的表面热损伤将会导致零件的抗磨损性能降低，应 力锈蚀的灵敏性增加，抗疲劳性能下降，从而降低零件的使用寿命和工作可靠性。 因此，研究磨削温度来探索解决产生磨削缺陷的热机理以及寻求控制磨削制件质 量将具有重要的现实意义。 下表1 列出了近几十年来磨削热模型的发展【l 副： 表1 磨削热模型的主要发展 年份作者内容 1 9 5 2o u t w a t e r 剪切面分配模型 1 9 6 2h a h n 磨粒与t 什之间的热量分配模型 1 9 6 6m a k i n o 实际接触长度l e l g 1 9 7 0d e sr u i s s e a u x 磨削液对流 19 7 1m a l k i n 限制切削能 1 9 7 8 s n o e y三角形热流分布 1 9 8 7h o w e s 磨削液沸腾膜 1 9 8 8p e t t i t 砂轮与工件之间的热量分配模型 1 9 8 9l a v i n e 锥形磨粒模型 1 9 9 】 m o r g a n瞬时热传递 1 9 9 3 q i基于接触力的接触长度 1 9 9 4 高航 断续磨削热模型 1 9 9 5 t o n s h o f f 产生拉鹿力的临界温度 1 9 9 6r o w e 综合考虑了较多磨削参数的模型 1 9 9 9c g u o 考虑磨削液的模型 1 、q i 发现接触长度可以由几何接触长度和由于接触力产生的弹性接触长度 来进行预测。 2 、h o w s 也发现当磨削区的温度超过磨削液的沸腾温度时，磨削液的沸腾 膜严重的限制了冷却。因此得出结论，对于浅磨削，磨削液的重要性是由于更有 效的润滑来减少磨削力和磨削温度的。 6 坝 学位论文 3 、r o w e 在前人研究的基础上综合了较多的磨削参数建立了一种简化的传 热模型，此模型考虑了砂轮和工件的热特性、砂轮的锋利程度、砂轮和工件的速 度、切削深度以及接触长度的影响。 1 9 9 9 年，c g u o 在r o w e 模型的基础上作了改进，建立了一个新的模型，此 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比。 从目前国内外磨削温度研究的历史和成果可以看到，对于干磨条件下工件的 温度场分布已经有了比较成熟的理论，但由于湿磨温度场的复杂性，对湿磨条件下 工件温度分布的研究还很不完善。李伟引入热源形状系数n 来描述湿磨和干磨时 温度场的区别有一定道理，但由于磨削液在磨削表面的对流系数随温度变化而变 化，在不同磨削条件下磨削液在磨削弧内的状态并不确定。 综上所述，在对磨削温度场的研究中，应综合考虑影响磨削温度场的各种不确 定因素，如磨削弧内磨削液的状态、磨削弧内较大的温度变化对位于磨削弧内的 冷却液的对流换热系数的影响以及工件本身变化的物理性能常数对磨削温度场 的影响等，从而得出较为精确的工件温度分布状态。借助计算机技术可以对研究 中涉及的庞大计算量进行精确高效的计算。 1 3 本文选题的意义和主要研究工作 1 3 1 本文选题的背景和意义 超高速磨削因其诸多优势已经成为磨削技术的发展趋势。我国超高速磨削及 相关技术的科学研究在最近几年才开始，并取得了一定的成绩。超高速磨削工艺 实验是研究超高速磨削机理的最直接最有效的方法，但由于超高速磨削的研究对 于磨床性能、实验手段、测量技术等都有很高的要求，而国内由于设备及实验手 段的限制，只有湖南大学、东北大学等少数几家单位在进行研究。且不论研究的 广度还是深度和发达国家比起来都有较大的差距。例如，国外对超高速磨削研究 的结果使得其实用平面磨削砂轮线速度已经达到2 0 0 2 5 0 m s ，但是在我国，见 诸报道的平面磨削实验最高砂轮线速度为2 0 0 m s ，且实际生产中，我国平面磨 削线速度仍然在普通磨削区域3 5 m s 左右。 在硬脆材料磨削方面，日本、美国、德国和英国已经在十几年前就开始研究， 关键技术已相当成熟，但真正定型的用于加工硬脆材料特种磨削设备还不多。发 达国家也一直限制这些技术和装备对我国的输入。我国东北大学和湖南大学等单 位已经开展了一定研究工作，但总的来看与国际先进水平存在着大的差距，为此， 国家“九五”、“十五”科技发展纲要已将超超高速磨削关键技术作为重点支持的 研究方向，为此开发具有自主知识产权的超超商速特种磨削技术及设备是一项刻 不容缓的任务。 7 超局速齄自0 温度的研究 本课题正是这样的背景下产生的，课题来源于湖南大学承接的教育部2 0 0 2 年科技攻关重大项目( 2 0 0 2 0 2 1 7 ) 超高速精密数控磨削关键技术及工艺实验装置 研究”以及教育部科学技术研究重大项目“硬脆难加工材料的超超高速特种磨削 关键技术及样机研制”。 1 3 2 本文的主要研究工作 “超高速磨削温度的研究”这一课题，是以教育部2 0 0 2 年科技攻关重大项目 ( 2 0 0 2 0 2 1 7 ) “超高速精密数控磨削关键技术及工艺实验装置研究”和教育部科学 技术研究重大项目“硬脆难加工材料的超超高速特种磨削关键技术及样机研制” 为背景，进行了4 5 钢、4 0 c r 进行了超高速磨削温度实验，分析不同磨削参数下 磨削温度的变化规律。其次，在实验数据的基础上，利用数学模型进行了外推计 算。再次，还进行了磨削温度理论模型的计算和有限元仿真计算。论文主要内容 包括： 第l 章绪论阐述了本文的研究背景、超高速磨削加工的历史与现状，磨削温 度研究的历史与现状；最后本章阐述了本文研究的理论意义和实用价值。 第2 章综合论述了传热学的基础知识，国内外学者对磨削机理研究中磨削磨 削温度的研究成果，并总结了一些磨削温度的测量方法，为超高速磨削的实验研 究提供了研究思路和理论基础。 第3 章首先介绍了实验材料的性能参数，尤其是热特性参数，确定了实验 方法，。然后对实验系统和设备作了全面介绍，并对热电偶的制作和标定作了重点 介绍，最后对磨削参数方案作了详细介绍。 第4 章在超高速磨削温度实验结果的基础上考虑了热电偶的时间常数，并对 实验结果进行的数学模型的夕 推分析，在外推过程中还应用了最小二乘法来确定 数学模型的系数同时，给出了磨削参数对磨削温度的影响规律和最终的外推结 果，指出了高的磨削速度对磨削温度影响的新的发现 第5 章在纯理论的前提下，结合了w b r o w e 的磨削温度计算模型，并代入 超高速磨削试验的磨削参数，得出了由传统磨削理论基础上得出的理论磨削温度 值。 第6 章首先介绍了有限元方法的思路和原理，然后介绍了a n s y s 的理论基础 以及在热分析中的应用，还建立了有限元方法中移动热源的简单模型以仿真和计 算磨削温度，并且与实验结果进行对比验证和讨论。 最后总结回顾了本文对超高速磨削温度研究过程并得出了结论，展望了今后 超高速磨削温度研究的发展方向。 本文研究所要达到的目的是：分析超高速磨削过程中磨削参数对磨削温度的 影响规律，对不同材料超高速磨削机理进行研究，为超高速磨削机理的研究做出 8 贡献；对有限元仿真在高速磨削中的应用进行一些研究，力求寻找超高速磨削温 度仿真和预测的方法，提供一条可能降低实验成本的途径。 超高速磨削温度的研究 第2 章磨削温度的机理 磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材料干涉的结果。磨粒切刃与工件的干 涉与砂轮形貌、砂轮与工件的几何形状以及运动关系有关。磨削机理也就是磨粒 与工件的干涉机理。 理论上的分析是实验研究的基础。本章综合了国内外学者在普通磨削机理研 究中关于磨削温度形成机理的研究成果 17 - 2 1 】，为超高速磨削工艺实验研究提供 研究思路。文献中给出的单位面积磨削力、磨削温度等的计算方法是以后磨削实 验结果的处理和分析的基础。 2 1 传热学基础 热量传递有热传导、热对流、热辐射三神基本方式，它们可以单独存在，但 往往以复合的传热方式出现。磨削温度的传散过程实际上就是热量的传递过程， 其中传到工件中、磨屑中、砂轮中，磨削液中和空气中的热量分别是通过热传导， 热对流和热辐射的方式来进行的。 物体内部存在温度差时，热量会从高温部分传递到低温部分；不同温度的物 体相互接触时热量也会由高温物体传递到低温物体，这种热量传递过程称为热传 导或导热过程。解释导热现象的微观机理目前还不太完善，但从宏观的现象看， 它是因物质直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显的物质转 移，或没有物质的相对位移。 物体内部的温度可以随空间坐标和时间变化，即 t 2 f ( x ，y ，z ，t )( 2 1 ) 式中x , y ，z 为空间坐标变量，t 为时间变量。上式描述的温度分布称为温度场， 因此温度场是任一瞬间空间所有点上的温度值的总称。温度场就时间而言可分为 稳态温度场和非稳态温度场。由于物体内的任何一点不可能同时具有两个不同的 温度，因此等温面或等温线绝不会彼此相交。显然，只有穿过等温面刁。有温度变 化而且沿着等温面的法线方向温度变化最显著。温度沿等温面法线方向的变化率 为 n ! ! 坐坐：g r a d t ：n 旦 f 2 2 、 a n 专0 从o n g r a dt 称为温度梯度。温度梯度是一个向量，方向为n 。1 1 为等温面法向的单位 向_ 晕= ，指向温度增加的方向。因此，热流的方向正好与温度梯度方向相反。& o n 为温度沿等温面法线方向的导数，它是一个标量，为方便起见，有时也把它称为 - 1 0 - 坝士学位论文 温度梯度。 确定物体内的温度场是研究导热问题的一个内容，另一个研究内容是求导热 量。18 2 2 年，法国数学家傅里叶首先以式( 2 3 ) 的微分形式来描述导热的宏观现 象，如下 q “f 警w ( 2 3 ) 即 q ：一, 4 ，fa t w ( 2 4 ) 或 q ：昙：一丑昙w m 2( 2 5 ) 。劳一丑瓦驯时 ( 2 5 上两式称为傅里叶表示式。傅里叶定律可表述为单位时间内物体单位面积的导热 量与温度梯度成正比。式( 2 ，4 ) 及( 2 5 ) 中的负号表示热能方向与温度梯度反方向， 式中的比例系数九成为导热系数，表示物体导热能力的大小1 9 】。 其中q 为单位时间内的热流量，x 为热传导率，f 为平面面积，t l 、t 2 分别 为两个面的温度，x 为两个平面之间的距离。q 为单位面积的热流率。 2 2 磨削力 磨削力产生的原因是磨削过程中的切削、摩擦及粘附等现象，在磨削过程中， 当磨粒与材料切削表面发生滑擦作用时，磨粒受到摩擦力的作用；当磨粒在产生 耕犁作用时，磨粒受到材料变形力和摩擦力两个方面的作用；当磨粒产生切削作 用时，被切离的磨屑由于强烈的变形会对磨粒产生变形抗力。而磨粒表面与工件 已加工表面和磨屑之间的摩擦也会产生摩擦抗力。此外处于接触区的结合剂也 会与工件产生摩擦。所以，磨削力主要是由切削力和摩擦力两部分组成，磨削力 起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合 剂与工件表面之间的摩擦作用l lj 。研究磨削力的目的，在于搞清楚磨削过程的一 些基本情况，它不仅是磨床设计的基础，也是磨削研究的主要问题，在磨削温度 计算过程中也是一个不可缺少的参数，磨削力几乎与所有的磨削参数有关系。本 节给出了磨削力的计算公式，是实验研究的理论基础。 现有磨削力计算，公式大体上可以分为三类，一类是根据因次解析法建立的磨 削力计算公式；第二类是根据实验数据建立的磨削力计算公式；第三类是根据因 次解析和实验研究相结合的方法建立的通用磨削力计算公式。本文用到的数据是 用第二种方法建立起来的。 4 5 钢和4 0 c r 的磨削力公式分别如下； ：! =： ：=塑至蒌童型兰鐾型譬坠：= ：= =：= le = 2 7 0 8 v s - 0 6 6 5 v 。“”3 l # = 3 8 0 5 o “5 v s0 9 0 5 v 。o ” 其中f 。f t 分别为法向磨削力和切向磨削力，a n 、v 。、v 。分别为切削深度 砂轮线速度和工件速度。 2 3 磨削温度 磨削过程与其他切削过程相比，单位磨削力大，磨削速度很高，因此，其 比磨削能比其他切削方法大很多倍，这些能量绝大部分转化为热能。而这些热能 的分配与其他切削有很大的不同，约有8 0 传入工件( 车削约3 - 9 ) ，切屑带走 约4 8 ，