磨削弧區采用徑向射流沖擊強化換熱的試驗研究

>緩進給磨削時產生的磨削熱和由此引起的工件熱損傷是制約磨削效率的主要因素。因此，作為一項基本對策，盡可能強化磨削弧區的換熱效果，最大限度地疏散積聚在弧區的磨削熱，是有效抑制磨削燒傷和進一步提高磨削效率的關鍵。本文借鑒熱工領域的強化換熱概念，提出利用高壓射流沖擊強化磨削弧區換熱的創新構想，并通過緩進給斷續磨削試驗，研究了采用徑向射流沖擊磨削弧區表面的冷卻效果。試驗結果表明，射流沖擊強化磨削弧區換熱技術確有良好的應用前景。1射流沖擊強化磨削弧區換熱的基本原理關于緩磨燒傷的機理研究表明，發生在磨削弧區的換熱機理由于涉及到沸騰與汽液兩相流動過程而顯得極為復雜。

　　在磨削熱流密度接近但不超過臨界熱流密度，且磨削液處于泡核沸騰時，磨削液可以直接從工件表面吸收大量汽化潛熱，不僅換熱效率最高，而且工件表面溫度亦可穩定維持在磨削液發生成膜沸騰的臨界溫度以下。但磨削熱流密度是隨著砂輪的鈍化而增長的，這種增長在磨削高溫合金、鈦合金等難加工材料時尤為顯著，因而上述理想換熱狀態是無法穩定維持的，一旦磨削熱流密度增長到超過臨界熱流密度，弧區磨削液發生成膜沸騰后，磨削液就會因汽膜層阻擋而無法再與工件表面接觸，于是原本可由磨削液汽化帶走的磨削熱便會被迫改道進入工件，從而導致工件表層急劇溫升并很快發生燒傷。

　　磨削弧區的磨削熱主要是通過磨削液疏導逸散的,現有的磨削液加注方式，如普通切向供液、高壓噴注、用氣流擋板輔助加注以及利用砂輪自身多孔滲漏的砂輪內冷卻供液等，其目的都是將磨削液引入弧區，使其能參與弧區換熱過程。至于磨削液引入弧區后如何才能確保滿意的換熱效果，則是一個尚未有人研究的課題。斷續磨削能使更多磨削液進入弧區起到間斷冷卻作用。文獻研制推出一種帶徑向通液孔的CBN開槽砂輪，在解決難加工材料緩磨燒傷難題方面具有一定優勢，但從總體來看，其換熱效果與現有的弧區磨削液供液方式相比并無根本改善。

　　筆者在對深切緩磨磨削熱機理深入研究的基礎上，參照熱工領域有關強化換熱的概念，提出一項可望從根本上改善弧區換熱過程的獨創構想。該構想的核心是結合應用日趨廣泛的開槽砂輪斷續磨削工藝，構造一種可使高壓磨削液射流沿砂輪徑向直接沖擊弧區工件表面的條件，由于高壓射流可以輕易地沖破已形成汽膜的阻擋，確保磨削液與工件表面的持續接觸，因而有條件突破成膜沸騰的障礙，即使在遠高于臨界值的熱流密度下，仍可最大限度地穩定發揮核沸騰汽化換熱的優勢，將磨削弧區的換熱效率提高到一個全新的水平。2試驗裝置磨削系統的磨削液供液裝置如圖1所示,它主要由高壓柱塞泵、水箱、控制閥等組成，磨削液通過高壓泵以一定的壓力從砂輪前端特制的旋轉接頭進入封閉砂輪腔，沿砂輪徑向通液孔射出，射流出口速度為15m/s。1.水箱2.過濾器3.高壓柱塞泵4.單向閥5.壓力表6.卸荷閥7.調壓閥8.旋轉密封接頭9.砂輪腔圖1磨削弧區徑向射流沖擊換熱的新型供液裝置為了將靜止高壓水引入旋轉的帶徑向通液孔的砂輪腔，研制了帶端面密封的旋轉接頭。

　　端面密封為一種旋轉軸用動密封，由動環和靜環組成密封端面，動環與砂輪主軸一起旋轉，并與靜環保持緊密貼合接觸，達到旋轉密封的目的。旋轉密封的設計壓力為7MPa，轉速為1400rpm，密封泄漏量在5ml/h以下。砂輪結構與文獻研制的砂輪結構相似，只是將內部空腔密封。進入旋轉接頭的磨削液經砂輪法蘭座的開槽進入砂輪腔，帶徑向射流的CBN開槽砂輪的磨削液供液狀況如圖2所示。圖2帶徑向射流的CBN開槽砂輪的供液狀況3試驗條件及測試方法在航空航天領域，大量被加工零件材料均屬難加工材料，雖然針對此類材料的緩進給磨削工藝已廣泛應用，但對于緩磨時因砂輪鈍化而引起的發熱量劇增仍然很難控制，燒傷問題仍然突出。

　　因此本試驗選用導熱系數低、易燒傷的航空難加工材料鈦合金TC4進行磨削性能試驗，研究緩進給斷續磨削時徑向射流沖擊強化弧區換熱的效果。具體試驗條件見表1。表1試驗條件磨床MMD7125精密平面緩進給磨床砂輪電鍍開槽CBN砂輪，粒度80，濃度200，開槽率30%磨削液5%乳化液，冷卻液流量90l/min，最高供液壓力7MPa磨削方式切入式順磨修銳方式雙電極電解修銳為能實時檢測弧區溫度變化，試驗中采用分塊試件夾絲半人工熱電偶測量弧區工件表面溫度分布，信號直接送入3562信號分析儀采集記錄，并同時由X-Y記錄儀記錄磨床主軸功率，采用八角環測力儀測量磨削力。為試驗中記錄到的不同冷卻條件下熱電偶輸出電勢信號的原始波形圖。夾絲熱電偶未進入弧區時，信號零線光滑平直，各種干擾信號已被排除；夾絲熱電偶進入弧區后，曲線上出現的密集排布尖脈沖是磨粒磨削點溫度的反映，尖脈沖的起止位置表明了磨削時的弧區范圍，由此可確定工件的進給速度vw。曲線尖脈沖谷底的下包絡線實際就是磨削弧區前后工件表面的平均熱電勢，根據TC4-康銅與標準熱電偶標定曲線即可換算成對應的工件表面平均溫度。vs=20m/s,vw=45mm/min,ap=0.8mm(a)普通切向供液vs=20m/s,vw=45mm/min,ap=0.8mm(b)砂輪內冷卻vs=20m/s,vw=70mm/min,ap=1.2mm(c)弧區徑向射流沖擊供液圖3實測弧區磨削溫度分布曲線4試驗結果與分析1)不同冷卻方式下弧區降溫效果對比由圖3可知，在弧區徑向射流沖擊弧區工件表面換熱條件下，弧區溫度曲線谷底下包絡線確定的溫度值明顯降低。為在相同的砂輪速度vs、工作臺進給速度vw和不同的切深ap下分別采用普通切向供液、砂輪內冷卻和弧區徑向射流沖擊對磨削溫度的影響。

　　射流沖擊強化弧區換熱具有降溫效果顯著的特點。圖4三種冷卻方式磨削溫度的對比2)不同冷卻方式下弧區換熱效果對比在相同的砂輪速度、工作臺進給速度和不同的切深下測量磨削功率，由于磨削熱流密度與磨削功率N成正比，故有f=RwNJLB式中J——熱功當量Rw——磨削熱流入比率L——接觸弧長B——工件寬度在不同切深所對應的磨削溫度下，采用切向供液、砂輪內冷卻和徑向射流沖擊三種冷卻方式對弧區換熱效果的影響如圖5所示。由圖可見，采用帶徑向射流開槽砂輪強化換熱時，曲線斜率增大，換熱系數提高。由于采用帶徑向射流開槽砂輪磨削時消耗的功率比普通砂輪磨削時增大，因此，雖然磨削熱流密度相應增大，但對應的磨削溫度卻很低。

　　三種冷卻方式換熱效果的對比3)不同冷卻方式下極限切削深度的對比圖6為采用不同供液冷卻方式時磨削極限切削深度的對比情況。由圖可見，當采用普通切向供液和砂輪內冷卻方式時，極限切削深度受磨削燒傷限制；而采用弧區徑向射流沖擊強化換熱時，極限切削深度受主軸功率限制。

　　三種冷卻方式磨削極限切深的對比5結論試驗表明，使用帶徑向射流的CBN開槽砂輪實現射流對弧區工件表面的直接沖擊，是提高弧區換熱效率的有效方法。該方法可突破成膜沸騰的障礙，即使在高熱流密度下，工件表面溫度亦可維持在磨削液發生成膜沸騰的臨界溫度(水基磨削液約為120～130℃)以下，這也表明深切緩磨時不發生燒傷的材料去除率可同步提高。因此，研制開發可在生產中應用的磨削弧區徑向高壓射流沖擊換熱的新型磨削液供液裝置，對于解決難加工材料高效深切磨削燒傷問題和提高磨削效率將具有十分重要的意義。原載:《工具技術》1999年第10期