朱 濤，王慶霞，李蓓智，曾省忠

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

微細(xì)加工磨削溫度的理論分析和試驗(yàn)研究*

朱 濤，王慶霞，李蓓智，曾省忠

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

磨削溫度在磨削力的研究和磨削加工過程監(jiān)控中起到重要作用。通過理論計(jì)算和試驗(yàn)，研究了磨削區(qū)的最高磨削溫度及熱電偶測溫技術(shù)。建立了3J33的三角形移動熱源模型，通過Matlab擬合獲得了3J33微細(xì)加工磨削弧區(qū)溫度。試驗(yàn)采用對高彈性合金3J33馬氏體時效鋼進(jìn)行平面微磨削加工，使用人工熱電偶測量磨削表面的最高溫度。通過對理論計(jì)算值與測量溫度值進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)熱模型理論的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。研究結(jié)果還表明，熱電偶結(jié)的大小對信號的準(zhǔn)確性有很大的影響。

高彈性合金鋼；平面微磨削；磨削溫度

0 引言

在小型化產(chǎn)品需求日益增加和小型化產(chǎn)品制造技術(shù)及理論相對落后的矛盾下，對微細(xì)加工進(jìn)行研究勢在必行。特別是在航空領(lǐng)域，慣性導(dǎo)航件陀螺儀上的一體式撓性接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，微細(xì)磨削是本文選擇的精密加工制造技術(shù)。而在磨削加工中，磨削溫度是一個重要的參數(shù)，溫度的大小與材料的性能及去除機(jī)制有密切關(guān)系，還與磨削用量、砂輪磨頭特性、機(jī)床剛度等因素也緊密相關(guān)［1］。本文通過理論計(jì)算與工藝試驗(yàn)對撓性接頭材料微細(xì)加工磨削溫度進(jìn)行研究。

1 材料與性能

本課題研究對象為慣性導(dǎo)航件陀螺儀上的一體式撓性接頭，其所用材料3J33屬于低碳高鎳型超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼，被業(yè)內(nèi)稱為高彈性合金鋼，其物理性能參數(shù)見表1。其彈性極限高、內(nèi)耗低、儲能比大、彈性模量的溫度系數(shù)小、強(qiáng)度高、韌性好、耐疲勞、抗應(yīng)力腐蝕及抗沖擊性能好，并具有良好的加工性能和熱穩(wěn)定性，是一種理想的一體式撓性接頭材料［2］。

表1 3J33的物理性能參數(shù)

2 砂輪

對于微細(xì)磨削砂輪材料的選擇，CBN具有強(qiáng)度好、硬度高、顆粒形狀好、良好的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，其磨削能力強(qiáng)、磨削性能優(yōu)良，針對高彈性合金鋼材料的特性，CBN的熱穩(wěn)定性強(qiáng)、化學(xué)惰性優(yōu)，不易與其他化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)，是理想的磨粒材料。本文采用砂輪是粒度為230#、磨頭直徑為2mm的CBN砂輪，砂輪整體形狀如圖1所示，磨頭表面形貌如圖2所示，每顆磨粒直徑在50μm左右。

圖1 砂輪整體形狀

圖2 磨頭表面形貌

3 磨削溫度的熱模型理論

測量出的磨削溫度應(yīng)該與理論計(jì)算值對比，為3J33微細(xì)加工磨削溫度場的研究打下基礎(chǔ)。下面介紹由N.K.Kim等提出的三角形移動熱源分布模型［3］，并利用這種模型進(jìn)行Matlab仿真計(jì)算，分析按照此模型應(yīng)該得到的溫度值。

在磨削過程中產(chǎn)生的熱量近似為一個三角形熱源沿磨削接觸區(qū)移動，基于Jaeger J.C.提出的移動熱源模型［4］，移動熱源理論認(rèn)為；帶狀熱源在半無限大體上以速度到達(dá)某點(diǎn)時，對寬度為dx的線熱源在半無限大體中對該點(diǎn)所造成的溫升進(jìn)行積分，可得到移動三角形帶狀熱源對該點(diǎn)造成的溫升。根據(jù)該理論推導(dǎo)得到的工件表面m點(diǎn)的溫度解析式為；

lc是幾何接觸弧長，對于平面磨削其計(jì)算公式為ds是砂輪等效直徑；ap是實(shí)際切深；λ是3J33的導(dǎo)熱系數(shù)為30.7J/m·K；α是3J33的熱擴(kuò)散率為25.4N/s·K；ko（u）為零階二類修正貝賽爾函數(shù)，x為m點(diǎn)在坐標(biāo)方向離開線熱源的距離，xi指第i個線熱源坐標(biāo)；v是砂輪線速度；

熱通量q可以表示如下；

vw是工件線速度；在等式（2）中符號ε表示是分配到工件上能量比例，可以通過比磨削能u和切屑變形能量uc計(jì)算出來，如等式（3）。

比磨削能u可以通過單位寬度上的切向磨削力Ft計(jì)算；

將等式（1）通過Matlab模型擬合［5］，將試驗(yàn)參數(shù)（ds=0.002m，v=1.25m/s對應(yīng)的砂輪轉(zhuǎn)速為12000 r/min，vw=0.001m/s，ap=0.00001m，以及試驗(yàn)測得的Ft=9N）設(shè)置在擬合程序中，得到圖3所示的磨削溫度。橫坐標(biāo)表示磨削弧區(qū)長度，單位為mm，縱坐標(biāo)表示溫度，單位為℃。

圖3 三角形熱源分布Matlab模型擬合的磨削弧區(qū)溫度

4 磨削溫度的試驗(yàn)研究

圖4所示為試驗(yàn)裝置原理圖。試驗(yàn)中所用砂輪如圖1所示，砂輪轉(zhuǎn)速12000 r/min，vw=0.001m/s，ap= 10μm，磨削方式為單行程平面磨削。采用Kistler 9256C2型測力儀來測量磨削過程中的切向磨削力。在溫度測量中，采用直徑為0.26mm的K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅）［6］，由于研究中砂輪弧形熱源的移動速度相對較慢，故熱電偶時間常數(shù)能滿足磨削溫度的測量要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由NI公司的數(shù)據(jù)采集卡（其型號是NI-USB9213）和Labview軟件構(gòu)成。

圖4 微細(xì)加工磨削力、磨削熱測試平臺原理圖

圖5 微細(xì)加工磨削力、磨削熱測試平臺實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)加工機(jī)床采用上海海成機(jī)械制造有限公司的數(shù)控銑床，其型號為XK1360，機(jī)床主軸電機(jī)功率為10kW，進(jìn)給軸的分辨率為1μm。同時根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速對加工質(zhì)量的影響可知，主軸轉(zhuǎn)速越高，其加工精度越好。為了增加主軸轉(zhuǎn)速，在銑床上安裝了一個6倍增速的主軸增速器，最高轉(zhuǎn)速20000r/min。

圖5中磨削工件由工件夾具夾持，夾具和工件一起固定在測力傳感器上，測力傳感器通過安裝底板安裝在機(jī)床工作臺上，CBN砂輪則安裝在主軸增速器上。為了防止溫度測量中的電氣干擾，用云母片將工件與夾具體進(jìn)行電氣隔離。

工件表面磨削溫度的測量方法很關(guān)鍵，文獻(xiàn)［7-8］均利用熱電偶法測得了磨削溫度。目前，使用熱電偶的測溫方式通常是將熱電偶預(yù)埋在磨削表面下方的盲孔內(nèi)，并使盲孔底面盡量接近磨削表面，從而間接獲得磨削表面溫度，如圖6a所示。這種測溫方法存在間接測量的誤差，由于獲取的是磨削表面以下某深度的溫度值，熱量通過3J33和熱電偶絕緣層才能傳到熱電偶結(jié)點(diǎn)，而絕緣層的熱屬性往往被忽視，導(dǎo)致溫度測量誤差較大，并且磨削表面溫度梯度很大而且成非線性，故測量精度依賴于外推法的精度，由于磨削表面溫度梯度變化成非線性，所以目前還沒有一種精度較高的外推法。本文研究了一種自耗式熱電偶測溫法來測量磨削表面溫度，如圖6b所示，該方法的主要思想是將熱電偶測溫結(jié)點(diǎn)和工件表面同時被磨削來獲得工件表面較為精確的磨削溫度，并采用環(huán)氧樹脂膠水將工件和熱電偶固結(jié)。

圖7 微細(xì)磨削試驗(yàn)熱電偶溫度測量結(jié)果（與M atlab擬合的試驗(yàn)參數(shù)相同）

由圖7可見，試驗(yàn)參數(shù)相同的情況下，實(shí)際磨削過程中的溫度與模型擬合的結(jié)果基本一致。但其實(shí)際磨削最高溫度低于Matlab模型擬合最高溫度，誤差原因可能為；盡管本次試驗(yàn)中已經(jīng)選擇較細(xì)尺寸的熱電偶，然而把它壓在工件中，兩熱電偶絲之間仍然有0.1mm的縫隙，而在工件磨削表面區(qū)域，溫度梯度很大，0.1mm縫隙產(chǎn)生的熱對流對溫度場也會產(chǎn)生一定的影響；在磨削過程中，由于砂輪表面具有一定的粗糙度及砂輪整體的塑性變形［9］，導(dǎo)致實(shí)際接觸到工件的砂輪面積與理論上的砂輪幾何面積不一致，而在理論計(jì)算時所采用的熱源面積是根據(jù)砂輪幾何接觸面積計(jì)算得到的，因此也會產(chǎn)生一定的誤差，大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算的結(jié)果會比實(shí)際測得的結(jié)果高10℃～30℃。綜合這些因素，理論計(jì)算的結(jié)果可以較準(zhǔn)確地反映工件表面實(shí)際磨削溫度。

5 結(jié)束語

本文首先建立了3J33的三角形移動熱源模型，通過Matlab擬合獲得了3J33微細(xì)加工磨削弧區(qū)溫度；提出了一種自耗式熱電偶結(jié)點(diǎn)連接測溫方式，基于此試驗(yàn)研究了3J33微細(xì)加工表面磨削溫度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，本文數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究方法可行，為3J33微細(xì)磨削溫度場分析提供了一種有效的研究方法。

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（編輯 李秀敏）

Theoretical Analysis and Experimental Study of Micro Machining Grinding Temperature

ZHU Tao，WANG Qing-xia，LIBei-zhi，ZENG Xing-zhong
（School of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai201620，China）

；The grinding temperature play an important role in the study of grinding force and grinding process monitoring.In this paper，the highest temperature of grinding zone and the thermocouple measurement technology were studied by theoretical calculation and experiment.The triangular moving heat source model of 3J33 has established，through the Matlab fitting 3J33 micro machining grinding zone temperature was obtained.Experiment on high elastic alloy 3J33 maraging steel was micro plane grinding，using artificial thermocouple to measure the highest temperature of grinding surface.The calculated value was compared with the measured temperature value，discovered that the theoretical results calculated using a thermal model are consistent with the experimental results.The results also show that，the size of the thermocouple junction have a great impact on signal accuracy.

；high elastic alloy steel；micro planegrinding；grinding temperature

TH16；TG65

A

1001-2265（2015）05-0014-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.004

2014-09-01；

2014-10-18

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA041309）

朱濤（1989—），男，安徽宿州人，東華大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒛ハ鳈C(jī)理與試驗(yàn)，（E-mail）1113836324.com。