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磨削弧区采用径向射流冲击强化换热的试验研究
时间:2005-11-12 9:06:45
国际模具网
缓进给磨削时产生的磨削热和由此引起的工件热损伤是制约磨削效率的主要因素。因此，作为一项基本对策，尽可能强化磨削弧区的换热效果，最大限度地疏散积聚在弧区的磨削热，是有效抑制磨削烧伤和进一步提高磨削效率的关键。本文借鉴热工领域的强化换热概念，提出利用高压射流冲击强化磨削弧区换热的创新构想，并通过缓进给断续磨削试验，研究了采用径向射流冲击磨削弧区表面的冷却效果。试验结果表明，射流冲击强化磨削弧区换热技术确有良好的应用前景。
1 射流冲击强化磨削弧区换热的基本原理
关于缓磨烧伤的机理研究表明，发生在磨削弧区的换热机理由于涉及到沸腾与汽液两相流动过程而显得极为复杂。在磨削热流密度接近但不超过临界热流密度，且磨削液处于泡核沸腾时，磨削液可以直接从工件表面吸收大量汽化潜热，不仅换热效率最高，而且工件表面温度亦可稳定维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度以下。但磨削热流密度是随着砂轮的钝化而增长的，这种增长在磨削高温合金、钛合金等难加工材料时尤为显著，因而上述理想换热状态是无法稳定维持的，一旦磨削热流密度增长到超过临界热流密度，弧区磨削液发生成膜沸腾后，磨削液就会因汽膜层阻挡而无法再与工件表面接触，于是原本可由磨削液汽化带走的磨削热便会被迫改道进入工件，从而导致工件表层急剧温升并很快发生烧伤。
磨削弧区的磨削热主要是通过磨削液疏导逸散的,现有的磨削液加注方式，如普通切向供液、高压喷注、用气流挡板辅助加注以及利用砂轮自身多孔渗漏的砂轮内冷却供液等，其目的都是将磨削液引入弧区，使其能参与弧区换热过程。至于磨削液引入弧区后如何才能确保满意的换热效果，则是一个尚未有人研究的课题。断续磨削能使更多磨削液进入弧区起到间断冷却作用。文献研制推出一种带径向通液孔的CBN开槽砂轮，在解决难加工材料缓磨烧伤难题方面具有一定优势，但从总体来看，其换热效果与现有的弧区磨削液供液方式相比并无根本改善。
笔者在对深切缓磨磨削热机理深入研究的基础上，参照热工领域有关强化换热的概念，提出一项可望从根本上改善弧区换热过程的独创构想。该构想的核心是结合应用日趋广泛的开槽砂轮断续磨削工艺，构造一种可使高压磨削液射流沿砂轮径向直接冲击弧区工件表面的条件，由于高压射流可以轻易地冲破已形成汽膜的阻挡，确保磨削液与工件表面的持续接触，因而有条件突破成膜沸腾的障碍，即使在远高于临界值的热流密度下，仍可最大限度地稳定发挥核沸腾汽化换热的优势，将磨削弧区的换热效率提高到一个全新的水平。
2 试验装置
磨削系统的磨削液供液装置如图1所示,它主要由高压柱塞泵、水箱、控制阀等组成，磨削液通过高压泵以一定的压力从砂轮前端特制的旋转接头进入封闭砂轮腔，沿砂轮径向通液孔射出，射流出口速度为15m/s。
1.水箱 2.过滤器 3.高压柱塞泵 4.单向阀 5.压力表6.卸荷阀 7.调压阀 8.旋转密封接头 9.砂轮腔
为了将静止高压水引入旋转的带径向通液孔的砂轮腔，研制了带端面密封的旋转接头。端面密封为一种旋转轴用动密封，由动环和静环组成密封端面，动环与砂轮主轴一起旋转，并与静环保持紧密贴合接触，达到旋转密封的目的。旋转密封的设计压力为7MPa，转速为1400rpm，密封泄漏量在5ml/h以下。砂轮结构与文献研制的砂轮结构相似，只是将内部空腔密封。进入旋转接头的磨削液经砂轮法兰座的开槽进入砂轮腔，带径向射流的CBN开槽砂轮的磨削液供液状况如图2所示。
3 试验条件及测试方法
在航空航天领域，大量被加工零件材料均属难加工材料，虽然针对此类材料的缓进给磨削工艺已广泛应用，但对于缓磨时因砂轮钝化而引起的发热量剧增仍然很难控制，烧伤问题仍然突出。因此本试验选用导热系数低、易烧伤的航空难加工材料钛合金TC4进行磨削性能试验，研究缓进给断续磨削时径向射流冲击强化弧区换热的效果。具体试验条件见表1。 表1 试验条件 磨床 MMD7125精密平面缓进给磨床
砂轮 电镀开槽CBN砂轮，粒度80，浓度200，开槽率30%
磨削液 5%乳化液，冷却液流量90l/min，最高供液压力7MPa
磨削方式 切入式顺磨
修锐方式 双电极电解修锐
为能实时检测弧区温度变化，试验中采用分块试件夹丝半人工热电偶测量弧区工件表面温度分布，信号直接送入3562信号分析仪采集记录，并同时由X-Y记录仪记录磨床主轴功率，采用八角环测力仪测量磨削力。图3为试验中记录到的不同冷却条件下热电偶输出电势信号的原始波形图。图中，夹丝热电偶未进入弧区时，信号零线光滑平直，各种干扰信号已被排除；夹丝热电偶进入弧区后，曲线上出现的密集排布尖脉冲是磨粒磨削点温度的反映，尖脉冲的起止位置表明了磨削时的弧区范围，由此可确定工件的进给速度vw。曲线尖脉冲谷底的下包络线实际就是磨削弧区前后工件表面的平均热电势，根据TC4-康铜与标准热电偶标定曲线即可换算成对应的工件表面平均温度。
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)砂轮内冷却
vs=20m/s,vw=70mm/min,ap=1.2mm
4 试验结果与分析
在弧区径向射流冲击弧区工件表面换热条件下，弧区温度曲线谷底下包络线确定的温度值明显降低。图4为在相同的砂轮速度vs、工作台进给速度vw和不同的切深ap下分别采用普通切向供液、砂轮内冷却和弧区径向射流冲击对磨削温度的影响。由图可知，射流冲击强化弧区换热具有降温效果显著的特点。
不同冷却方式下弧区换热效果对比
在相同的砂轮速度、工作台进给速度和不同的切深下测量磨削功率，由于磨削热流密度与磨削功率N成正比，故有
f= RwN
JLB
式中 J ——热功当量
Rw——磨削热流入比率
L——接触弧长
B——工件宽度
在不同切深所对应的磨削温度下，采用切向供液、砂轮内冷却和径向射流冲击三种冷却方式对弧区换热效果的影响如图5所示。由图可见，采用带径向射流开槽砂轮强化换热时，曲线斜率增大，换热系数提高。由于采用带径向射流开槽砂轮磨削时消耗的功率比普通砂轮磨削时增大，因此，虽然磨削热流密度相应增大，但对应的磨削温度却很低。
不同冷却方式下极限切削深度的对比
5 结论
试验表明，使用带径向射流的CBN开槽砂轮实现射流对弧区工件表面的直接冲击，是提高弧区换热效率的有效方法。该方法可突破成膜沸腾的障碍，即使在高热流密度下，工件表面温度亦可维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度(水基磨削液约为120～130℃)以下，这也表明深切缓磨时不发生烧伤的材料去除率可同步提高。因此，研制开发可在生产中应用的磨削弧区径向高压射流冲击换热的新型磨削液供液装置，对于解决难加工材料高效深切磨削烧伤问题和提高磨削效率将具有十分重要的意义。
国际模具网
缓进给磨削时产生的磨削热和由此引起的工件热损伤是制约磨削效率的主要因素。因此，作为一项基本对策，尽可能强化磨削弧区的换热效果，最大限度地疏散积聚在弧区的磨削热，是有效抑制磨削烧伤和进一步提高磨削效率的关键。本文借鉴热工领域的强化换热概念，提出利用高压射流冲击强化磨削弧区换热的创新构想，并通过缓进给断续磨削试验，研究了采用径向射流冲击磨削弧区表面的冷却效果。试验结果表明，射流冲击强化磨削弧区换热技术确有良好的应用前景。
1 射流冲击强化磨削弧区换热的基本原理
关于缓磨烧伤的机理研究表明，发生在磨削弧区的换热机理由于涉及到沸腾与汽液两相流动过程而显得极为复杂。在磨削热流密度接近但不超过临界热流密度，且磨削液处于泡核沸腾时，磨削液可以直接从工件表面吸收大量汽化潜热，不仅换热效率最高，而且工件表面温度亦可稳定维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度以下。但磨削热流密度是随着砂轮的钝化而增长的，这种增长在磨削高温合金、钛合金等难加工材料时尤为显著，因而上述理想换热状态是无法稳定维持的，一旦磨削热流密度增长到超过临界热流密度，弧区磨削液发生成膜沸腾后，磨削液就会因汽膜层阻挡而无法再与工件表面接触，于是原本可由磨削液汽化带走的磨削热便会被迫改道进入工件，从而导致工件表层急剧温升并很快发生烧伤。
磨削弧区的磨削热主要是通过磨削液疏导逸散的,现有的磨削液加注方式，如普通切向供液、高压喷注、用气流挡板辅助加注以及利用砂轮自身多孔渗漏的砂轮内冷却供液等，其目的都是将磨削液引入弧区，使其能参与弧区换热过程。至于磨削液引入弧区后如何才能确保满意的换热效果，则是一个尚未有人研究的课题。断续磨削能使更多磨削液进入弧区起到间断冷却作用。文献研制推出一种带径向通液孔的CBN开槽砂轮，在解决难加工材料缓磨烧伤难题方面具有一定优势，但从总体来看，其换热效果与现有的弧区磨削液供液方式相比并无根本改善。
笔者在对深切缓磨磨削热机理深入研究的基础上，参照热工领域有关强化换热的概念，提出一项可望从根本上改善弧区换热过程的独创构想。该构想的核心是结合应用日趋广泛的开槽砂轮断续磨削工艺，构造一种可使高压磨削液射流沿砂轮径向直接冲击弧区工件表面的条件，由于高压射流可以轻易地冲破已形成汽膜的阻挡，确保磨削液与工件表面的持续接触，因而有条件突破成膜沸腾的障碍，即使在远高于临界值的热流密度下，仍可最大限度地稳定发挥核沸腾汽化换热的优势，将磨削弧区的换热效率提高到一个全新的水平。
2 试验装置
磨削系统的磨削液供液装置如图1所示,它主要由高压柱塞泵、水箱、控制阀等组成，磨削液通过高压泵以一定的压力从砂轮前端特制的旋转接头进入封闭砂轮腔，沿砂轮径向通液孔射出，射流出口速度为15m/s。
1.水箱 2.过滤器 3.高压柱塞泵 4.单向阀 5.压力表6.卸荷阀 7.调压阀 8.旋转密封接头 9.砂轮腔
为了将静止高压水引入旋转的带径向通液孔的砂轮腔，研制了带端面密封的旋转接头。端面密封为一种旋转轴用动密封，由动环和静环组成密封端面，动环与砂轮主轴一起旋转，并与静环保持紧密贴合接触，达到旋转密封的目的。旋转密封的设计压力为7MPa，转速为1400rpm，密封泄漏量在5ml/h以下。砂轮结构与文献研制的砂轮结构相似，只是将内部空腔密封。进入旋转接头的磨削液经砂轮法兰座的开槽进入砂轮腔，带径向射流的CBN开槽砂轮的磨削液供液状况如图2所示。
3 试验条件及测试方法
在航空航天领域，大量被加工零件材料均属难加工材料，虽然针对此类材料的缓进给磨削工艺已广泛应用，但对于缓磨时因砂轮钝化而引起的发热量剧增仍然很难控制，烧伤问题仍然突出。因此本试验选用导热系数低、易烧伤的航空难加工材料钛合金TC4进行磨削性能试验，研究缓进给断续磨削时径向射流冲击强化弧区换热的效果。具体试验条件见表1。 表1 试验条件 磨床 MMD7125精密平面缓进给磨床
砂轮 电镀开槽CBN砂轮，粒度80，浓度200，开槽率30%
磨削液 5%乳化液，冷却液流量90l/min，最高供液压力7MPa
磨削方式 切入式顺磨
修锐方式 双电极电解修锐
为能实时检测弧区温度变化，试验中采用分块试件夹丝半人工热电偶测量弧区工件表面温度分布，信号直接送入3562信号分析仪采集记录，并同时由X-Y记录仪记录磨床主轴功率，采用八角环测力仪测量磨削力。图3为试验中记录到的不同冷却条件下热电偶输出电势信号的原始波形图。图中，夹丝热电偶未进入弧区时，信号零线光滑平直，各种干扰信号已被排除；夹丝热电偶进入弧区后，曲线上出现的密集排布尖脉冲是磨粒磨削点温度的反映，尖脉冲的起止位置表明了磨削时的弧区范围，由此可确定工件的进给速度vw。曲线尖脉冲谷底的下包络线实际就是磨削弧区前后工件表面的平均热电势，根据TC4-康铜与标准热电偶标定曲线即可换算成对应的工件表面平均温度。
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)砂轮内冷却
vs=20m/s,vw=70mm/min,ap=1.2mm
4 试验结果与分析
在弧区径向射流冲击弧区工件表面换热条件下，弧区温度曲线谷底下包络线确定的温度值明显降低。图4为在相同的砂轮速度vs、工作台进给速度vw和不同的切深ap下分别采用普通切向供液、砂轮内冷却和弧区径向射流冲击对磨削温度的影响。由图可知，射流冲击强化弧区换热具有降温效果显著的特点。
不同冷却方式下弧区换热效果对比
在相同的砂轮速度、工作台进给速度和不同的切深下测量磨削功率，由于磨削热流密度与磨削功率N成正比，故有
f= RwN
JLB
式中 J ——热功当量
Rw——磨削热流入比率
L——接触弧长
B——工件宽度
在不同切深所对应的磨削温度下，采用切向供液、砂轮内冷却和径向射流冲击三种冷却方式对弧区换热效果的影响如图5所示。由图可见，采用带径向射流开槽砂轮强化换热时，曲线斜率增大，换热系数提高。由于采用带径向射流开槽砂轮磨削时消耗的功率比普通砂轮磨削时增大，因此，虽然磨削热流密度相应增大，但对应的磨削温度却很低。
不同冷却方式下极限切削深度的对比
5 结论
试验表明，使用带径向射流的CBN开槽砂轮实现射流对弧区工件表面的直接冲击，是提高弧区换热效率的有效方法。该方法可突破成膜沸腾的障碍，即使在高热流密度下，工件表面温度亦可维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度(水基磨削液约为120～130℃)以下，这也表明深切缓磨时不发生烧伤的材料去除率可同步提高。因此，研制开发可在生产中应用的磨削弧区径向高压射流冲击换热的新型磨削液供液装置，对于解决难加工材料高效深切磨削烧伤问题和提高磨削效率将具有十分重要的意义。
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