超高速磨削溫度的實驗研究*

郭 力 盛曉敏

(湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，湖南長沙 410082)

目前，超高速磨削技術在飛速發展［1］，使磨削和磨料加工在機械制造領域占有越來越重要的地位。在磨削研究中，磨削溫度反映磨削過程的基本特征，是研究磨削過程的重要參數。它與材料顯微結構及性能、磨削用量、砂輪特性、材料去除機制、機床剛度以及磨削液的選用等都有密切關系［2］。同時，它對磨削工藝的制定和表面/亞表面損傷都有影響，也是評價材料可磨削性優劣的一個重要指標。通過測量磨削溫度來研究其磨削機制;甚至可以通過測量磨削溫度監測砂輪的磨損狀況來及時修整或更換砂輪。因此對磨削溫度進行研究有著重要的理論價值和實際意義。又因為磨削的熱效應對工件的表面質量有極大影響，因此，研究磨削溫度來探索解決產生磨削缺陷的熱機制以及尋求控制磨削工件質量將具有重要的現實意義。

磨削與其他切削過程相比，單位磨削力大，磨削速度很高，因此，其比磨削能較其他切削方法大很多倍。這些能量絕大部分轉化為熱能。而這些熱能的分配與其他切削方式也有很大的不同，約80%的磨削熱傳入工件(車削約3% ～9%)，切屑帶走約4% ～8%，砂輪帶走約10%～16%，另有少部分以傳導和輻射形式散出。由于磨削速度高，熱量來不及傳入工件深處而瞬時集聚在很薄的表層，形成表層中極大的溫度梯度。磨粒磨削點的溫度高達1 000℃以上，而表層下1 mm處只有幾十攝氏度。當局部溫度很高時，加工表面就會出現磨削燒傷、熱應力和裂紋等種種熱損傷及熱變形，影響加工表面質量與加工精度。因此控制與降低磨削溫度是保證磨削質量的重要環節。

磨削溫度的測量是磨削機理研究中的一個重要課題，而要準確地測量其真實值是很困難的，通常只能測量磨削區內的平均溫度。測量磨削溫度的主要方法有:組織觀察法、磨削燒傷觀察法、紅外線輻射測量法及熱電偶法。最近出現了用紅外光導纖維測量磨削溫度方面的研究，并且已經取得了一定的成果和突破。但是熱電偶測溫法仍然是能夠進入磨削區直接測量的唯一有效的方法［2］。本文是使用熱電偶測溫法測量砂輪和工件接觸區域的溫度值。文獻［3－6］對工程陶瓷的高速深磨磨削溫度做了實驗研究;但是目前對40Cr鋼和45#鋼超高速磨削溫度的實驗研究還做得很少。本文利用熱電偶測溫的方法，通過對45#鋼、40Cr進行超高速磨削溫度實驗，分析不同磨削參數下磨削溫度的變化規律。其實驗結論對研究磨削溫度在超高速磨削加工中的機制有一定的指導意義。

1 磨削溫度測試

1.1 磨削溫度測試系統

磨削區域溫度的測試原理是將制作好的人工熱電偶夾緊在夾具中，并用螺釘固聯在工作臺上，在磨削過程中靠磨削力與磨削熱將兩種不同的熱電偶絲壓焊在試件上，形成熱電偶結點，于是，兩種熱電偶絲與測試儀器便形成測試回路，由于兩種熱電偶絲材料的熱物理特性不同，在形成搭接時，測試回路中便有微小電流通過，形成電勢差。這種微小的電勢差信號經放大、采集，進入電腦進行數據分析處理［3－6］。然后根據標定值推算出所測溫度的高低。如圖1所示。其中:人工熱電偶是自行制作;直流放大器是采用南京安正軟件公司AZ－802型通道信號適配儀，放大倍數為×1、×10、×100，低通濾波截止頻率為 0.1、0.5、1、10 kHz。采集箱是采用南京安正軟件公司AZ－216R型數據采集箱，輸入16通道，A/D轉換12 bit，最高采樣頻率100 kHz;信號分析測試系統是采用南京安正軟件公司開發的CRAS通用軟件V6.1。

1.2 人工熱電偶的制作與標定

熱電偶采用夾式結構，即將試件剖成兩半(為了將溫度場破壞程度減至最小，被剖開的結合表面應磨平、拋光，使之在夾緊中能緊密結合在一起)，在一邊剖切面上開一小槽，尺寸為0.3 mm×1 mm。將鎳鉻絲(φ0.28 mm)與鎳硅絲(φ0.28 mm)端部延展為箔片，厚度不大于0.1 mm，高溫絕緣層采用人工剝離的云母片，厚度為0.01 mm左右，鎳鉻絲和鎳硅絲夾在兩片試件之間的槽中，并用3片云母片使試件與鎳鉻絲、鎳硅絲之間絕緣。熱電偶試件用環氧樹脂粘接。在磨削過程中靠磨削力與磨削熱將鎳鉻絲、鎳硅絲壓焊在試件上，形成人工熱電偶。

表1 實驗材料及性能

表2 工藝參數及磨削條件

表3 砂輪規格

溫度標定指的是確定熱電偶的熱電特性。溫度標定的方法是:管式電爐的爐溫可以手工調節或自動調節。標準熱電偶及標定熱電偶的熱電勢由電位差計測得。根據標準熱電偶的熱電勢確定爐溫，與在該爐溫下測得的標定熱電偶的熱電勢相對應就可以畫出待標定熱電偶的熱電特性曲線，如圖2、3所示。

1.3 磨削實驗系統

試驗在湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心研制的超高速數控平面磨削實驗臺(見圖4)上進行。實驗臺主要技術參數為:陶瓷軸承電主軸功率40 kW，最高轉速25 000 r/min，砂輪最高線速度可達314 m/s。采用SBS4500動平衡系統對主軸進行實時動平衡;工作臺驅動電動機功率5 kW;三軸的行程分別為X(－550～10 mm)，Y(－45～33 mm)，Z(－8.4～2.85 mm);試驗采用干磨，磨削方式為順磨［7］。實驗材料及性能、工藝參數及磨削條件、砂輪規格分別見表1～3。

2 實驗數據分析及機理研究

2.1 磨削溫度與砂輪線速度、切削深度的關系

圖5、6分別為45#鋼與40Cr鋼在工作臺速度為2 m/min時所測得的磨削溫度與砂輪線速度、切削深度之間的關系。從該圖可以看出，隨著砂輪線速度的提高，磨削溫度先是逐漸升高，然后，從某一速度開始下降。對于45#鋼和40Cr鋼，砂輪線速度均在120 m/s處開始呈現下降的趨勢。而對于45#鋼，在切削深度為0.03 mm時，砂輪線速度從120 m/s至150 m/s時，磨削溫度急速下降，而速度超過150 m/s后，磨削溫度下降緩慢，并趨于穩定;在切削深度為0.05 mm時，砂輪線速度從150 m/s至180 m/s時，磨削溫度急速下降，而速度超過180 m/s后，溫度略有上升，但起伏不大。對于40Cr鋼，砂輪線速度在超過120 m/s后，磨削溫度就一直呈逐漸下降的趨勢。這是因為隨著砂輪線速度的提高，單位時間切過工件表面的磨粒數增多，磨屑厚度減小，摩擦作用加劇，磨削產生的熱量顯著增加，而且越高的砂輪線速度磨出的磨屑分割得越細，也需要越多的切屑變形能，因而總的磨削能在增加，磨削溫度升高。但當砂輪線速度超過一特定值后，切屑去除速度加快，切屑帶走的切削熱的速度大大增加，從而使得磨削溫度呈現下降的趨勢。從該圖也可看出，在相同條件下，切削深度越大，磨削時產生的溫度值就越高，這是因為切削厚度加大，消耗的功率越大，磨削時所積聚的熱量越不容易散發。

2.2 磨削溫度與工作臺速度的關系

圖7、8為45#鋼與40Cr鋼在磨削深度為0.03 mm時，磨削溫度與工作臺速度的關系。從中可看出，在本實驗的工作臺速度條件下，工作臺速度越快，磨削溫度越高。這是因為工作臺速度加快，未變形切屑厚度增大，切削同樣的深度所耗費的能量就越多，因而產生的熱量越大。

3 比磨削能

比磨削能是指去除單位體積金屬所消耗的能量，可用式(1)計算:

根據已測得［1］的包含水、氣壓值的實測切向磨削力和去除水、氣壓值的實際切向磨削力以及已知的工藝參數可計算出在不同工況下的實測比磨削能和實際比磨削能。

3.1 比磨削能與砂輪線速度及切削深度的關系

圖9、10分別為45#鋼、40Cr鋼在工作臺速度為2 m/min時，比磨削能與砂輪線速度及切削深度的關系圖。從中可看出，在切削深度不變的情況下，隨著砂輪線速度的增加，磨削比磨削能增大。這是因為砂輪線速度的提高使磨削厚度減小，材料易產生塑性變形，消耗能量增大。還可以看到隨著砂輪磨削深度的增大，比磨削能減小。其原因是磨削深度越小，材料越容易產生塑性變形，其消耗的能量就越大。同時，發現在大切深時，隨著砂輪線速度的提高，比磨削能的增幅有限，并逐漸趨于平穩，這也說明在大切深時，提高砂輪線速度并不會使磨削條件繼續惡化，而是可以在保證加工質量的前提下提高加工效率。

3.2 比磨削能與工作臺速度的關系

圖11是45#鋼與40Cr鋼在砂輪線速度為90 m/s時，比磨削能與工作臺速度的關系圖。其中，工作臺速度為2 m/min時的比磨削能均大于工作臺速度為4 m/min時的比磨削能，也就是說，隨著工作臺速度的提高，比磨削能在減小。這是因為提高工作臺速度，磨粒實際磨削厚度增大，材料更多地被脆性去除，脆性剝落增多，因此比磨削能減小。

4 結語

(1)提高砂輪線速度，磨削溫度隨之升高，但繼續提高砂輪線速度，磨削溫度卻呈明顯下降的趨勢。而材料和加工條件不同，這個速度的磨削溫度所謂“死谷”也各不相同。對于45#和40Cr，在砂輪線速度超過120 m/s后，磨削溫度均開始下降，而對于45#，在切削深度為0.03 mm時，砂輪線速度從120 m/s至150 m/s時，磨削溫度急速下降，而速度超過150 m/s后，磨削溫度下降緩慢，并趨于穩定;在切削深度為0.05 mm時，砂輪線速度從150 m/s至180 m/s時，磨削溫度急速下降。

(2)在本實驗的工作臺速度條件下，工作臺速度越快，溫度越高。切削深度越大，磨削溫度就越高。

(3)比磨削能隨切深及工作臺速度的增加呈逐漸減小的趨勢，而砂輪線速度的提高又使比磨削能加大。在大切深時，隨著砂輪線速度的提高，比磨削能的增幅有限，并逐漸趨于平穩，這說明在大切深時，提高砂輪線速度并不會使磨削條件繼續惡化，而是可以在保證加工質量的前提下提高加工效率。

(4)在超高速磨削條件下，考慮磨削溫度和比磨削能，可以發現:40Cr鋼的磨削性能優于45#鋼。

［1］盛曉敏，郭力，謝貴芝，等.超高速磨削技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］郭力，李波，盛曉敏，等.工程陶瓷磨削溫度研究的進展［J］.中國機械工程，2007，18(19):2388 －2393.

［3］郭力，何利民，謝桂芝.工程陶瓷高效深磨溫度場的有限元仿真［J］.湖南大學學報，2009，36(7):24 －29.

［4］GUO Li，XIE Guizhi，LI Bo.Grinding temperature in high speed deep grinding of engineering ceramics［J］.International Journal of Abrasive Technology，2009，2(3):245 －258.

［5］XIE G Z，HUANG H.An experimental investigation of temperature in high speed deep grinding of partially stabilized zirconia［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2008，48(14):1562 －1568.

［6］謝桂芝，黃含，徐西鵬，等.氮化硅陶瓷高效深磨溫度的研究［J］.機械工程學報，2009，45(3):109 －114.

［7］陳濤，盛曉敏，宓海青.40Cr超高速磨削工藝實驗研究［J］.湖南大學學報，2007，34(10):39 －43.