南通第二机床有限公司

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技术交流

平面磨床缓进给强力磨削的温度分布特征

发布时间:2017-3-23

  平面磨床缓进给强力磨削本身具有巨大潜力,但是由于缓磨机理的研究尚无法圆满解决生产中提出的涉及加工质量和效率的若干根本性问题,因而其潜力难以得到充分发挥,其中最明显的是关于缓进给磨削工件表面烧伤问题。由于这种烧伤往往可以在看似正常的缓磨过程中突然发生,因而是生产现场最棘手的问题之一,深入研究缓进给磨削中的工件表面温度特性,对于烧伤的控制是十分必要的。

 (1)正常缓进给磨削时弧区工件表面的平均温度分布图中的曲线为用新修整的砂轮在一次缓进给磨削行程中所测量的温度一时间曲线,图中夹丝热电偶的夹丝面(测温的方法)未进入弧区时信号零线光滑平直,意味各种干扰信号已被理想排除,夹丝面进入弧区后曲线上出现的密集排列的尖脉冲是磨粒磨削点温度的反映,缓进给磨削工件表面的平均温度相当于磨削磨粒点处尖脉冲下的包络线,图中记录曲线上尖脉冲的起讫位置表明了磨削时弧区的范围。因而,此曲线下包络线实际就是磨削弧区前转表面的平均温度。

①平均温度分布曲线光滑连续,峰点位置靠近弧区高端且峰点附近曲线变化平稳,故可以认为磨床缓进给磨削时热流密度沿弧长的分布也是连续的且更接近三角形分布的热源模型。  

②弧区工件表面平均温度数值很低,弧区低端温度更低,这说明正常缓进给磨削时已加工表面的实际生成的温度是很低的,这也正是在前面所提到的缓进给磨削容易实现无应力加工的原因所在。

  ③相对于平均温度而言,磨粒磨削点上的温度虽然高一些,但高得并不多,这似乎也揭示了正常缓进给磨削时磨削热中的大部分确实未进入工件。在一定范围内改变磨削用量条件重复上述实验表明,所测得的平均温度只是有相应的比例变化,但均未超过130度。这说明正常缓进给磨削工件时表面平均温度低这一点是可以确认无疑的。有些文献中认为缓进深磨削时温度肯定高于普通往复磨削实质上是一种误解。

 (2)使用与不使用磨床磨削液时弧区温度的对比

  图中给出了使用与不使用磨削液时弧区工件表面温度的情况。图中中下部曲线是使用磨削液时记录到的弧区温度分布。由于用量小,平均峰值温度约40度。上部曲线是不使用磨削液的记录情况。由此可知,在同样的磨削用量条件下,不使用磨削液时,弧区工件表面温度一开始便陡增至1000上下。该现象足以说明缓进给磨削时磨削液在弧区换热中所起的主导作用,它也证实了以往文献中所提出的磨削液换热理论的正确性。值得指出的是,实验是在使用刚玉砂轮及常压磨削液的条件下进行,这就说明缓进给磨削低温并不只是大气孔超软砂轮与高压喷注磨削液综合作用的结果,而是缓进给磨削本身具有的现象。

 (3)烧伤前兆——弧区温度分布的特征变化

  为了解释在正常缓磨温度很低情况下常产生的突发烧伤现象,以往的研究曾认为由于平面磨床磨削液在弧区成膜沸腾导致工件瞬间产生烧伤,亦即认为当缓磨条件决定的热流密度不超过磨削液的隘界热流密度时,弧区工件表面可稳定维持正常低温,但只要磨削热流密度过临界值,则由于弧区磨削液出现成膜沸腾引起两相流换热曲线上热平衡点的跃迁,工件表面温度即由正常低温跃升到新热平衡点的温度,从而导致工件突发烧伤。近年来的研究认为:上述磨削液成膜沸腾导致瞬间突发烧伤的思想,明显地忽略了工件烧伤时必须存在一个个过程中客观事实,这种忽略导致了缓进给磨削烧伤无法控制的假想。为了清楚地研究缓进给磨削中磨削液成膜沸腾存在的事实及成膜沸腾而导致工件发生烧伤的实际演变过程,研究者采用了接近钝化的砂轮以图所示的磨削条件进行了缓进给磨削实验,并得到了图中所示的典型温度分布曲线。由图可以看出以下特点。

  ①在约占接触弧长1/10的相当局限的区段上出现了明显高于正常缓进给磨削低温的高温区,且高、低温区截然分开,几乎不存在中间过渡区。考虑到连续分布的热源不可能给出这种接近阶跃式的温度分布,因此唯一可能的合理解释就是弧区内存在有因磨削液成膜沸腾所引起的边界换热条件的突变,亦即在发生成膜的区段内,由于换热系数的陡降,绝大部分磨削热直接进入工件,从而导致了工件表面温度的剧增,而在与此相邻的尚未成膜的区段上,则因平面磨床磨削液具有接近最佳的换热效果,因而工件表面仍可保持正常的低温特征。由此可见,所记录的温度分布出现的这种变化特征确实说明了在缓进给磨削时磨削液确有成膜沸腾发生。

  ②成膜的高温段出现在弧区高端,这与通常认为的磨削热源呈三角形分布的假设相吻合,这也提示了烧伤的先发部位一定在弧区高端。

  ③成膜高温区温度虽高,但也仅只有310度,远低于材料烧伤温度。在此条件下对工件进行腐蚀试验和磨片检查也证明了该条件下确无烧伤发生。因此,缓进给磨削时弧区磨削液确实沸腾但工件并不产生烧伤。

 (4)烧伤的过程——烧伤前后温度的时空分布

  为了观察烧伤演变的全过程,采用一个特长形多块组合夹丝测温试件,使之能在一次断续缓磨中等间隔地观察到不同阶段的弧区工件表面的平均温度分布。图中所示为烧伤前后的弧区温度时空分布的实验结果。由此可知:弧区工件表面温度的时空分布清楚地表明了弧区磨削液成膜沸腾本身有逐步扩展的过程,它总是首先出现在弧区的高端,然后逐渐向低端扩展。与此同时,成膜区内工件表面的温度也有一个自低至高逐步增长的过程,一直到成膜区扩展到足够大,成膜区内温度也达到或超过工件材料的烧伤温度时,烧伤才真正发生。由此可见,自弧区高端刚出现成膜沸腾到成膜区内温度达到烧伤温度,其问经历了足够长的时间,显然,新的研究是对传统假设理论的明确否定,它确证了缓进给磨削烧伤不是瞬时产生,而是一个有明显前兆的典型缓变过程。这一结论对解决生产中的缓磨烧伤控制预报有较大意义。

 (5)弧区工件表面固定点上温度的瞬变特性

  绘制的弧区各固定点上的温度一时间曲线。由此可知,就弧区工件表面上某一点而言,其温度在其进入成膜区前后是有突变的,特别是当该点距弧区高端足够远时,其温度完全有可能自正常低温瞬时跃升至烧伤温度以上,这是因为当成膜区扩展到该点时,成膜区内温度已经达到或超过烧伤温度的缘故。需要指出的是,固定点上温度的瞬变现象,其本质上反映的只是范围在不断扩展的成膜区边界点两侧温度的阶跃突变,两者是一致的。因此如只是按测到的反映固定点上温度的瞬变曲线便武断地推定烧伤也是瞬变突发的,将会在概念上铸成大错,事实上这也是以往某些文献的问题所在。