金剛石砂輪軸向進給磨削硬質合金的磨削溫度實驗研究

蘇珍發，黃 輝，任小柯，廖信江

(1.廈門創云精智機械設備股份有限公司，福建 廈門 361006；2.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

硬質合金是由金屬碳化物(WC、TiC等)和金屬粘結劑(Co、Mo、Ni等)通過粉末冶金工藝燒結制備而成的一種合金材料[1-2]，具有高硬度、高抗壓強度、低沖擊韌性、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等系列優越性能。由于硬質合金本身具有強度高、硬度高、脆性大等特點，傳統普通機械加工無法實現其高精度和高質量要求[3]，采用金剛石砂輪磨削是其目前加工的主要工藝手段[4-6]。磨削加工過程中，由于絕大部分能量轉化成熱量，引起磨削區溫度急劇升高。磨削區的高溫會造成工件發生不同形式的熱損傷，導致工件出現磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷[7]，直接影響工件的表面加工質量、加工精度和加工效率。同時也會加速砂輪磨損，影響砂輪使用壽命。

目前已有較多文獻進行了磨削溫度的研究。胡超等[8]利用仿真方法得到硬質合金磨削溫度場整體分布規律，研究了不同工況條件下磨削區和已加工表面的溫度變化。張東生[9]利用有限元數值仿真方法對硬質合金磨削過程的傳熱進行分析，同樣得到整體溫度場的分布規律以及磨削參數對溫度場的影響。王長清等[10]基于有限元法建立了單顆磨粒磨削模型，研究了軸類零件在單顆磨粒作用下的瞬態溫度分布，并對比分析了兩種不同形狀磨粒對軸類零件磨削溫度的影響。吳玉厚[11]通過磨削氮化硅陶瓷實驗分析磨削熱特性對氮化硅陶瓷表面成形的影響。李霞等[12]通過分析磨削參數對磨削溫度的影響，基于此研究了磨削溫度對氮化硅陶瓷表面裂紋擴展的影響，結果表明適當的磨削溫度對陶瓷亞表面裂紋擴展有抑制作用。吳丹等[13]研究了3種不同溝槽形貌的結構化砂輪對細長桿外圓磨削性能的影響，對比分析了磨削力、磨削溫度以及磨削后工件表面質量，結果表明合理的溝槽參數可有效降低工件表面磨削溫度。徐正亞[14]分別使用感應釬焊金剛石砂輪和電鍍金剛石砂輪進行YG6硬質合金磨削試驗，研究了磨削深度和進給速度對工件表面磨削溫度的影響。

軸向進給磨削方法是類比軸類零件在采用外圓縱向磨削加工[15]時的砂輪與工件運動關系(圖1)，工件隨工作臺作軸向運動，其運動方向垂直于砂輪端面[16]，適用于硬質合金細長軸類零件的外圓加工。目前尚無關于此類磨削加工的溫度研究報道。

本文以GU20硬質合金為磨削對象，采取軸向進給磨削的方法，進行不同工藝參數(磨削深度、砂輪線速度和進給速度)下的磨削實驗，分析軸向進給磨削接觸面積對磨削功率和磨削溫度的影響規律，并建立磨削溫度經驗公式，定量表征磨削溫度與工藝參數的關系，揭示工藝參數對磨削溫度的影響規律。

1 實驗條件

因實際磨削細長軸類零件時的溫度難以測量，因此本磨削實驗在德國BLOHM公司的高速數控磨床HP-408上進行，磨削過程中砂輪一方面做高速旋轉運動(vs)，另一方面沿軸線方向實現進給運動(vf)。切深相比于砂輪半徑較小，因此忽略切深造成的砂輪不同位置的線速度變化，均以砂輪邊緣速度vs作為砂輪與工件接觸時的砂輪速度。磨削實驗系統示意圖及實物圖如圖2所示。磨削過程中使用水基乳化液進行冷卻。

磨削工件選用廈門金鷺特種合金有限公司生產的GU20牌號硬質合金，尺寸為30 mm×30 mm×20 mm，如圖3。其基本機械物理性能見表1。磨削所用砂輪為金屬(銅錫合金)結合劑金剛石砂輪，型號為400×18×127×5×5-D91，金剛石磨粒粒度號為230#，濃度為150%，實驗中所改變的工藝參數范圍見表2。

表1 GU20機械物理性能表Table 1 List of mechanical and physical properties of GU20

表2 硬質合金磨削工藝參數表Table 2 List of cemented carbide grinding process parameters

采用熱電偶夾絲法對磨削溫度進行測量，熱電偶使用標準K型薄片式熱電偶，單片電極厚度為15 μm，兩電極之間以及電極與硬質合金之間分別用厚度為12 μm的絕緣膜進行絕緣，夾絲示意圖如圖2所示。用DEWEsoft高速數據采集分析系統對溫度信號進行采集，并將信號傳輸電腦。設置采樣頻率為20 kHz。

2 結果分析

2.1 磨削溫度典型信號分析

圖4是所測得的磨削溫度信號通過10 Hz的低通濾波后得到的典型硬質合金磨削溫度信號。從圖4中可以看出，整個磨削過程中，溫度曲線呈先上升后下降的趨勢，以最高點為界呈大致左右對稱分布。在后續分析時，選取溫度曲線的最大值作為相應工藝參數下的磨削溫度進行分析。

2.2 磨削參數對磨削溫度的影響

圖5顯示了磨削深度對磨削溫度的影響。從圖5中可以看出，磨削溫度的變化范圍在41.86℃～114.42℃之間。當砂輪線速度和進給速度一定時，磨削溫度隨磨削深度的增加而升高。隨著磨削深度增加，砂輪與工件的接觸弧長增加，單位時間的材料去除率增大，消耗的能量也隨之增大，在接觸弧區內產生更多的熱量，從而導致磨削溫度升高。

圖6顯示了工件進給速度對磨削溫度的影響。從圖6中可以看出，當磨削深度和砂輪線速度一定時，磨削溫度隨進給速度的增加略有所升高，但是變化趨勢非常不顯著。隨著進給速度的增加，材料去除率增加。但砂輪與工件的磨削接觸弧長不變，磨削接觸面積不變，磨削弧區內的總磨粒數基本不變。因此在進給速度變化范圍不大的情況下，磨削溫度的變化也不明顯。

圖7顯示了砂輪線速度對磨削溫度的影響。從圖7中可以看出，當磨削深度和進給速度一定時，磨削溫度隨砂輪線速度的增加而降低。當切深較小時，磨削溫度隨線速度的降低并不明顯，但隨著切深的增加，磨削溫度隨線速度的降低更為顯著。這一變化與常規平面磨削中，線速度對溫度的影響有所不同。與常規磨削不同，隨著切深的增加，砂輪與工件的接觸面積也隨之增加，因此有可能增加了熱量傳遞到工具上的比例，從而導致磨削溫度的降低。

2.3 磨削溫度經驗公式建立

為了定量表征磨削溫度與工藝參數的對應關系，從而對磨削過程做出定量分析和預測，采取建立基于磨削實驗的經驗公式方法。在傳統磨削溫度經驗公式中，磨削溫度與工藝參數之間呈冪函數關系，其表達式如下：

(1)

式中：K為系數，α、β、γ為指數。

針對GU20硬質合金，在大量實驗數據的基礎上，利用概率統計法中的回歸分析和方差分析進行多因素實驗數據擬合，得到磨削溫度經驗公式如下：

(2)

從經驗公式的指數系數可以看出，磨削深度對磨削溫度的影響是正指數效應，即磨削深度增加，磨削溫度升高；砂輪線速度對磨削溫度的影響是負指數效應，即砂輪線速度增加，磨削溫度降低；進給速度對磨削溫度的影響是正指數效應，但指數系數較小，可以認為，進給速度增加，磨削溫度基本保持不變。從指數系數的大小來看，磨削深度對磨削溫度的影響程度最大，進給速度對磨削溫度的影響程度最小。

2.4 軸向進給磨削功率分析

磨削功率的產生熱量的主要原因。在軸向進給磨削過程中，根據砂輪與工件的運動關系可知，磨削功率的產生有兩方面，一方面是砂輪高速旋轉運動過程中切向力所產生的功率W1，另一方面是軸向進給運動過程中軸向力所產生的功率W2。分別可由式(3)、式(4)求得：

W1=Ft·vs

(3)

W2=Fa·vf

(4)

式中：Ft為切向力，Fa為軸向力，其方向如圖2所示。

在實驗過程中，利用9257B壓電測力儀實時測量了不同工藝參數下的磨削切向力和軸向力。根據實驗所測量的切向力和軸向力，結合式(3)、式(4)，可以計算出不同加工工藝參數下切向力產生的功率W1和軸向力產生的功率W2。

圖8顯示了整個實驗過程中，兩部分磨削功率變化對磨削溫度的影響。從圖8可知，磨削溫度大致隨磨削功率的增加而升高。這是因為磨削功率增加，產生的能量增加，當流入到工件的能量比例大致保持不變的情況下，磨削溫度隨之升高。但磨削溫度隨兩部分磨削功率增加而增大的斜率并不相同，從擬合曲線可以看出，磨削溫度隨砂輪線速度產生的功率W1的增速曲線斜率小于磨削溫度隨進給速度產生的功率W2的增速曲線斜率。這是因為隨著砂輪線速度的增加，切向力減小，而消耗功率為兩者的乘積，因此所產生的總能量增加得不多。隨著進給速度的增加，軸向力基本不變，因此砂輪線速度增加而產生的功率W1增速小于進給速度增加而產生的功率W2增速。

4 結論

(1)在軸向進給磨削硬質合金工藝方法中，磨削溫度在41.86℃～114.42℃之間.

(2)磨削溫度隨磨削深度的增大而升高，隨砂輪線速度的增大而降低，隨進給速度的增大而基本保持不變。

(3)進給速度的磨削功率變化對磨削溫度的影響比線速度的磨削功率變化對磨削溫度的影響更為顯著。