在高速磨削中冷却液速度的分析与实验研究参考文献

附录B英文翻译在高速磨削中冷却液速度的分析与实验研究K.Ramesh，H.Huang，L.Yin（制造技术SIMTeach研究所，新加坡，638075）摘要在高速磨削中，必须使用以水为主的冷却液，以避免热烧伤，形成更好的工件表面质量，提高磨削效率。但是，由于在冷却液中加入了有毒害作用的化学物质，从而引起了环境问题。政府规定，使用和处理冷却液必须严格遵守相关法律规定，但这些费用占到了全部加工成本的7－17％。本文阐述了冷却液流量的最小化以及延长冷却液的再循环时间等问题，通过计量冷却液（MQC）喷嘴来实现对冷却液流量的控制，提供磨削区域所需要的冷却液。研究表明，冷却液速度对高速磨削性能有重大影响。当△达不到一定的速度，冷却液将无法进入磨削区域。增大△可以减小喷嘴的开放区域，减少冷却液的使用量。通过减少冷却液的再循环时间和提高△，对减少环境污染和降低加工成本都有重大意义。关键词：高速磨削，冷却液速度，冷却液流量1、引言高速磨削需要消耗五到六倍于普通磨削所需的能量，因此，使用大量的冷却液，以避免热烧伤，获得更好的表面质量和更长的刀具寿命已经非常普遍[1]。但是，在冷却液中加入地有害化学物质，给操作人员的身体健康带来了危害。有数据表明，在一个工件的加工成本中，冷却液润滑的费用占到了7－17％。处理使用过的冷却液需要焚烧，全球变暖就有一小部分源于此。因此需要制订一个方案，以便于进一步研究冷却液流动装置。从这点来说，绿色加工已经有重大意义。绿色加工有以下两种：1、干切削；2、通过优化和喷嘴设计，高效利用冷却液并延长其使用时间。本文阐述冷却液流量的最小化以及相关的磨削特性。2、分析砂轮与工件之间的相互作用产生热，这是由摩擦和表面的塑性变化导致的，热量分别传给了工件、磨屑、冷却液和砂轮等(如图1所示)。以前的模型测量实际的磨削上升温度和冷却效果，强调冷却液后的物理特性。由此可以得知，冷却液的作用是带走高速磨削后产生的热。砂轮是由很薄的磨料层（由不规则形状的磨料粘结而成）一层层组成，砂轮高速旋转与缓慢转动的工件表面接触。下列的一些假设用来建立冷却液速度和它的散热特性之间的关系：§液体流动速度为液体的平均速度；§砂轮已进行充分挤压，各粗砂粒之间的间隙相同；§所有的流动都发生在砂轮宽度以内，砂轮两边没有；§对流是热传递的主要形式§这个问题被认为是强迫对流。在这种情况下，热传递的效率取决于经验和对流类型。对流类型可以通过方程（1）计算雷诺系数来估计。（1）其中是冷却液密度（998.2Kg/ms），是冷却液速度（3.6——16.91m/s），是接触长度，是粘性系数。在方程（1）中计算得到的雷诺系数表明了冷却液的流动类型。雷诺系数介于16030.9和73719之间，当雷诺系数小于时，冷却液为紊流，热传递效率可由强迫对流的经验公式计算得出：（2）其中为努塞尔系数，为雷诺系数，为普朗特系数，还可以进一步定义为：；；（3）其中k为冷却液的热传导率（W/m.k），Cp为比定压热容。结合方程（1）和（2），可得到对流效率为：（4）h为对流效率（），Vc为冷却液速度（）。公式（4）表明，在任何磨削条件下，冷却液速度直接影响到冷却液的散热特性。因此设计了一套装备，它可以使冷却液速度发生变化。这个设计包括一个测流计喷嘴，冷却液从此喷嘴进入磨削区域，流动特性取决于冷却液速度，例如图2所示的冷却液喷嘴。伯努力方程用来计算冷却液的速度。（5）其中是冷却液的流出速度，是冷却液的流入速度。P1为喷嘴入口处的压力，p2为喷嘴出口处的压力。雷诺系数可以确定冷却液的流动是否为稳态流动。方程（5）利用连续方程（）可以改写为：（6）这个方程表明，出口和入口处的压力比对调整冷却液的速度有非常重要的意义。3、冷却液供给方法普通的冷却液装置在磨削区域供给大量的冷却液，而计量喷嘴与其不同。如图3所示，这个系统由一个流量计、一个压力计和一个可以调节的喷嘴，构成的这个系统中有三个不同的喷嘴，它们的横截面积为15.14——50.2。喷嘴的特性（如流量、压力和速度）如表1所示。图4为喷嘴装置的图片，包括流量计、压力计和砂轮架等。4、实验条件每一个喷嘴都在事先确定的实验条件下，在SS304上进行一系列的磨削测试，冷却液的速度和压力都要调节到磨削测试实验要求达到的数据。在这个过程中，法向力和切向力可以用926SB测得，以便计算法向力和切向力之比、变化的能量Q和磨削能量E。在磨削过程中，能量Q可以用方程（7）来表示：Power—flux（Q）＝（7）其中是切向力（单位为N），V是砂轮的线速度（单位为m/s），v是工作台移动的速度（单位为m/s），b为砂轮宽度（单位为mm），D为砂轮直径（单位为mm），Δ是磨削深度（单位为mm）。方程（7）表明，增加砂轮线速度和切向力可以增大能量Q，但增加接触面积，则会减小能量Q。切削能量就是切削能减去滑行所需的能量剩下的能量。可以用方程（8）表示:（8）其中V是砂轮线速度，v是工作台移动的速度，Δ是切削深度，f是砂轮在切削方向的磨削力。以标准的样品为参照，用电子扫描显微镜（放大倍数为1000和500）来测量工件，以分析磨削后的工件表面质量。用光学干涉测面仪拍出来表面的3D显微图像，来分析冷却液速度对工件表面质量的影响。表2列出了实验的磨削条件。5、结论与探讨5.1、力之比砂轮工作表面之间的摩擦和工件磨削区域内的原子层之间的摩擦生成热，这种趋势可以从切向力和法向力之比中看出来。图5显示了切向力和法向力之比的趋势。这是在SS304上，以不同的横截面积的喷嘴和砂轮线速度测得的。当砂轮线速度为42m/s时，被测试的喷嘴横截面积为15.14——50.25力之比分别从0.44减小到0.26、从0.44到0.38和0.52到0.40，冷却液速度分别从3.5m/s增加到7m/s、从4m/s增加到11m/s和从10.5m/s增加到16m/s，在相同的磨削条件下（冷却液速度相同，但砂轮线速度为104m/s时），力之比分别从0.24减小到0.16、从0.38减小到0.24和从0.24减小到0.20。这些结果表明，冷却液的速度越高，冷却液穿入磨削区域的深度越深，从而增强润滑作用，减小砂轮和工件之间的摩擦。在研磨工件的时候，摩擦使工件首先发生弹性变形，然后才是塑性变形和材料滑移。据预测，碎屑的成形过程取决于砂轮和工件的相互作用，如塑性变形或材料滑移等。因此为了更加详细了解冷却液速度的作用，还需要做更多的实验。5.2、变化的能量图6所示为在确定的实验条件下（见表2），能量与冷却液之间的关系。能量可以利用方程（7）计算得到。很明显，当冷却液速度分别从3.5增加到8m/s、从4增加到10.5m./s和从11.5增加到13.5m/s时，能量流的数值分别从28减小到22W/，从38减小到28W/和从32减小到22W/，这种减小的趋势描叙了在不同的冷却液速度下，能量的变化情况。同样还可以分析出，对流效率h的作用，在图6中还绘制了对流效率h从22增加到46km/时的图像。增加冷却液速度可以增加更多未使用的冷却液。从而带走更多的热量，避免减少能量流的趋势。5.3、磨削能量图7所示为SS304在不同的冷却液速度下所消耗的磨削能量。在低速时，能量消耗非常小，但是，当分别使用横截面积为50.26、28.56和15.14时，随着冷却液速度的增量趋近于一个最小值，大约分别为10、15和13J/。当冷却液速度很低时，磨削能量反而很大，这种现象于碎屑成形模型不同。这表明，只有一部分磨削能量和碎屑成形有关，因此必须用另一机械装置来计算剩余的能量。另一种与磨削过程有关的机械装置产生耕犁现象。耕犁的能量以工件材料的变形来计算，而不把去除材料的能量计算在内。因此可以这样理解，当冷却液速度较低时，存在耕犁现象的原因是，砂轮工作表面之间的摩擦和工件磨削区域内的原子层之间的摩擦十分严重，而当冷却液速度很高时，耕犁作用所需的能量趋近于零，最小的切削能量对应于相应的碎屑成形所需的能量（这个能量被认为是一个常量），因此，所得到的实验结果中这一部分能量，即当冷却液速度为9.5——15.5m/s时，碎屑成形所需的能量为10——13J/。这就说明当冷却液速度较高时，耕犁作用比较小，切削作用占主要方面，这正是冷却液速度较高的一个好处。研究表明，当冷却液速度教低时，会有大量的耕犁和材料向边上流动的现象。5.4、表面特性过去的研究表明，使用大量的冷却液可以使材料发生塑性流动，它们以耕犁作用产生的沟槽和条痕为主要特征。图8为使用以水为主的冷却液，在不同的冷却液速度下得到的工件微结构图像。在砂轮速度较高和较低的情况下，冷却液速度为3.5m/s时，样品表面生成的耕犁沟槽较少，如图8（A）和（D）。图8（C）和（F）所示为SS304在冷却液速度为16m/s是时的图像。从图像上可以看到有很多的耕犁沟槽和条痕，也可以从中得知，当冷却液速度为3.5m/s时，样品表面有大量的材料粘贴，这是由于过量的热损伤生成大量的热来不及散去导致的，还有大量的材料扭断带，它们呈白色的条状。在以前的研究中，这种现象被称为剪断带，这个结果还可以进一步验证样品的硬度。5.5、硬度SS304的标注表面受热灼伤，试件的硬度特性与其相同[13]。如图9所示的微观图，当Vc为42m/s，△从3.5增加到了7m/s，从4增加到9.5m/s，从10.5增加到15.5m/s时，表面硬度分别从400减少到330HV，从360减少到330HV，从370减少到340HV，当砂轮速度Vc为104m/s时，也有类似硬度降低的趋势发生，这进一步证实了△的重大意义。当然，它也表明，微观下所有试件的硬度值都远远高于所能接受的硬度值（200HV），这是源于磨削热和机械拉力。结果表明，增加△可以减少热灼伤，因此在微观下得到的硬度较低。5.6、表面粗糙度工件表面是由占主导地位的热或机械拉力，或两者同时使工件生成具有一定粗糙度值的表面。图10所示为在已知磨削条件下的表面粗糙度图。在所测得的磨削实验中，据观察，随着△的增加，表面粗糙度下降。在实验范围内，当△从3.5增加到了8m/s，从4增加到11m/s，从7增加到15.5m/s时，表面粗糙度值分别从1.2减小到0.6um，从1.2减小到0.55um，从1.2减小到0.56um，这是因为较高的△带来了更好的润滑作用合散热条件。5.7、冷却液的流动速度在试验范围内，△在控制SS304的磨削性能中起到非常重要的作用使用横截面积为15.14－50.26之间的喷嘴，并使用流量控制阀，使△在3.5到16m/s之间变动。△通过以下两种方法增加：（1）减小喷嘴的横截面积；（2）通过控制流量阀。使用具有独特横截面积的喷嘴可以增加△。从另一方面来说，减小横截面积，可以增大△。△和流动速度的范围如表3所示。为了既不破坏环境，又增加冷却效率，减小冷却液流动速度和增大△是十分必要的，这样可以延长循环时间，增强渗透效果。表4总结了各种冷却液流动速度的情况。当△较高，而冷却液流动速度较低时，各种磨削性能，如Fe/Fn之比，能量流Q和表面质量都较差。当流动速度在18－20lpm之间时，磨削性能的改善仍然很小，这表明在已定条件下，流动速度对磨削性能的限制作用。△从35减小