張偉文，范四立，左大利

（東莞職業(yè)技術(shù)學院，廣東 東莞 523808）

1 引言

砂帶深磨磨削是一種高效經(jīng)濟的磨削方式［1，2］。在深磨加工時，砂帶會被施加較大的磨削壓力，磨削過程中工件會受到較長時間高磨削溫度作用，容易造成燒傷。確定磨削過程中磨削區(qū)的熱分布變化規(guī)律有助于選擇合適的磨削參數(shù)，避免燒傷的出現(xiàn)。

磨削加工磨削溫度的研究可分為基于理論分析的計算機模擬及實驗研究兩種手段。Malkin 和Guo 總結(jié)了磨削加工中磨削熱的熱分析各種方法［3］。在理論方法方面，徐慧蓉等研究了高效深磨中溫度場［4］；郭力采用不同的連續(xù)熱源模型和有限元方法研究了對工程陶瓷在深磨中溫度場的變化規(guī)律［5］。實驗研究方法方面，郭力等采用熱電偶測溫方法研究了磨削接觸區(qū)的最高溫度［6］。針對深磨加工，Jin 等用試驗方法研究砂輪深磨加工磨削區(qū)的瞬時溫度傳遞過程［7］。磨削熱研究多是針對固結(jié)磨具進行的，對于砂帶形式的磨削熱研究則尚顯不足。和砂輪磨削相比，砂帶磨削的磨削熱分布不僅和砂帶速度、工件速度相關(guān)，還受接觸輪壓力、磨削深度等因素影響。在砂帶磨削過程中，彈性的砂帶與工件接觸緊密，磨削區(qū)容易產(chǎn)生持續(xù)的高溫。為了進一步了解砂帶磨削過程中磨削溫度的變化，本文將采用實驗方法來研究砂帶磨削加工中在磨削區(qū)的磨削熱分布規(guī)律。

2 砂帶磨削

砂帶磨削加工是常用的磨削加工方式，它可以加工大部分的金屬材料及非金屬材料。由于砂帶磨削其加工效率高，可用于深磨加工。其深磨效率甚至高于普通銑削，且可加工復(fù)雜的成型曲面工件，具有生產(chǎn)率高，加工成本低，表面質(zhì)量高等優(yōu)點。

圖1 砂帶磨頭結(jié)構(gòu)及磨削過程示意圖

如圖1 所示，砂帶磨頭主要由驅(qū)動輪、接觸輪和砂帶幾部分組成。砂帶套在接觸輪和驅(qū)動輪的外表面，張緊并由驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，磨削面處于接觸輪上的砂帶與工件接觸面。接觸輪可以使用橡膠材料或金屬制造，橡膠材料的彈性接觸使砂帶磨削比砂輪磨削更貼合工件，磨粒的受力更為均勻，磨削效率也更高。

砂帶自身是由基材、磨料和粘結(jié)劑三部分組成（圖2所示）?；氖悄チ吓c粘結(jié)劑的承載體，一般以紙、布、化學纖維或混合基材作為主要原料，具有較好柔性。粘結(jié)劑則把磨料牢固地粘結(jié)在基體上，使其具有足夠的抗沖擊強度。

砂帶磨削加工過程中絕大部分磨削能將轉(zhuǎn)化為熱能，而其中大部分磨削熱能經(jīng)過磨削面?zhèn)魅牍ぜ湍チ?，對采用深磨方式加工時，形成的磨屑將帶走大量的磨削熱。由于砂帶自身具有冷態(tài)磨削效果，砂帶磨削和砂輪磨削相比，工件得到的磨削熱更少，更適合用于深磨加工。

圖2 砂帶結(jié)構(gòu)

砂帶深磨較慢的緩磨加工，磨削熱源作用于工件的熱傳遞過程較長，這會引起較深的熱滲透。了解該類磨削的熱滲透深度及磨削溫度對選擇合適的磨削參數(shù)十分重要。

3 磨削溫度分布測定

磨削試驗是以工業(yè)砂帶磨機為實驗平臺，設(shè)備的磨削方式設(shè)為恒壓磨削式，磨削溫度測量采用熱電偶深埋方式測量。測量設(shè)備由熱電偶感溫元件、溫度補償電路、測試試件、信號放大器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。試驗測試的試件由兩個方塊部件經(jīng)粘合而成，熱電偶被埋設(shè)一細小凹槽中。埋設(shè)的熱電偶并軋制成薄片，熱電偶和工件之間用云母薄片（絕緣云母片厚約0.01～0.02mm）絕緣。埋設(shè)熱電偶薄片厚度很薄，小于0.1mm，能獲得較快的響應(yīng)速度，以便能較準確地測量磨削溫度的變化。

圖3 磨削測溫試驗方案

試驗測試方案如圖3所示。測溫元件測量點埋設(shè)在工件表面的下方，并不直接露出表面。砂帶每磨削一次，測溫元件的埋設(shè)深度就會減少，其減少深度等于磨削深度。每次磨削，通過熱電偶信號，計算機會將每個磨削過程的溫度變化記錄下來。

單次磨削實驗僅能記錄工件內(nèi)部單點的溫度變化情況，僅憑單點的溫度變化是不能確定磨削區(qū)域的熱分布情況。為此，假設(shè)磨削過程是反復(fù)連續(xù)進行，磨削過后工件內(nèi)部得到了充分的冷卻作用，上一次的磨削加工不影響下一次的磨削。根據(jù)該假設(shè)，單次磨削，測溫點記錄的是單點溫度隨時間的變化，單點測量的隨時間變化的測溫數(shù)據(jù)可視為某一瞬間等深截面上的溫度變化。也就是說，單點的溫度變化反映了該點所在深度下，工件內(nèi)部整個截面的溫度變化情況。

從上述假設(shè)出發(fā)，可通過記錄多次不同深度下單點磨削溫度變化數(shù)據(jù)獲得不同深度下工件等深截面的溫度變化情況。倘若每次磨削參數(shù)均一致，每一次磨削過程溫度記錄可以轉(zhuǎn)化為一個瞬時的熱分布，多次不同深度的測量數(shù)據(jù)可視為單次磨削過程不同深度下的磨削溫度變化。當每次記錄深度差足夠小時，可通過數(shù)值插值方法獲得整個磨削區(qū)域縱向截面的熱分布。

本文試驗中，磨削材料采用45 鋼和SK840X-P60 砂帶。和大部分金屬材料的熱導(dǎo)率一樣，45 鋼熱導(dǎo)率隨溫度增高而降低，也就是說磨削溫度越高時，越不容易散熱。當采用緩磨時，磨削進給速度較慢，磨削深度較大，磨削過程會產(chǎn)生很大的熱量，若不能有效地把熱量傳遞出去，會導(dǎo)致較高的磨削高溫，從而引起燒傷。

磨削試驗共記錄了7個不同磨削高度下的磨削溫度變化，每次均采用同樣的磨削參數(shù)，由于磨頭橡膠接觸輪具有一定的彈性，盡管采用統(tǒng)一的磨削參數(shù)，磨削深度有些起伏變化，整個試驗的磨削參數(shù)如表1 所示。

表1 45 鋼磨削試驗參數(shù)

不同深度的單點連續(xù)磨削溫度變化如圖4 所示。圖中每一線條代表一個磨削過程中測溫點的磨削溫度變化。圖中可見磨削溫度最高出現(xiàn)在試驗07線條，接近220℃。07 線條出現(xiàn)折線處是因為測溫點與砂帶磨粒發(fā)生接觸導(dǎo)致的。圖中所有測溫線均呈駝峰形狀，駝峰狀是由于砂帶接近及離開測溫點過程引起的升溫及降溫形成的，駝峰處磨削溫度的變化隨著深度降低而顯得更加劇烈。本次砂帶磨削試驗采用了較慢的進給速度，試驗的總體磨削溫度均不算高，最高溫約220℃，不足以造成燒傷。和砂輪磨削的緩磨相比，磨削溫度低得多，這也是砂帶磨削的冷態(tài)磨削特性所致。

圖4 不同深度下的磨削溫度測量結(jié)果

圖4的磨削溫度是記錄單點的溫度變化，它并不能直接反映磨削區(qū)的熱分布。根據(jù)前文所述的假設(shè)，我們可以根據(jù)多次不同深度的磨削溫度變化采用線性插值方法構(gòu)造出整個磨削縱向面的磨削熱分布。計算結(jié)果如圖5 所示。圖5中等溫曲線很好地反映了磨削過程中工件在磨削區(qū)處的溫度分布情況。工件高溫主要出現(xiàn)在磨削區(qū)附近，等溫線間距很小，工件高溫熱分布等溫曲線在磨削表面呈近倒鈍三角形。該磨削熱分布是因為緩磨加工性質(zhì)所導(dǎo)致，磨削深度較大和較慢的進給率，使得整個磨削區(qū)受熱時間長，從而引起較高的熱滲透，形成此種熱分布。

圖5 工件磨削溫度分布結(jié)果與分析

4 結(jié)論

本文采用試驗方式研究了砂帶緩磨加工磨削區(qū)的磨削熱分布。試驗通過測量多次單點連續(xù)溫度變化，并采用數(shù)值方法還原磨削區(qū)的等溫熱分布。結(jié)果表明，砂帶緩磨加工會產(chǎn)生較小的熱滲透，在磨削區(qū)處工件的熱分布呈扁平倒鈍三角形狀。此外砂帶深磨加工即使采用較大的磨削深度和較慢的進給速度，由于砂帶冷態(tài)磨削作用以及切屑均帶走大量熱量，總體磨削溫度比砂輪磨削要低。

［1］黃云，等.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學出版社，2009.

［2］李伯民，等.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［3］MALKIN S，et al.Thermal analysis of grinding［M］.Annals of CIRP，2007，56（2）：760-782.

［4］徐慧蓉，等.高效深磨中溫度的理論分析［J］.機床與液壓，2004（8）：104-106.

［5］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（7）：24-29.

［6］郭力，嚴勇.磨削溫度的試驗研究［J］.精密制造與自動化，2011（1）：13-18.

［7］JIN T，STEPHENSON D J.Heat flux distributions and convective heat transfer in deep grinding［J］.International Journal of Machine Tools &Manufacture，2006，46：1862-1868.