不同磨削參數(shù)下高溫合金磨削溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

韓昭，曹蔚，陳子琦，閆建穎，吳佳軍，胡盈盈，瞿金秀，張曼

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

磨削加工技術(shù)適用于難加工材料，比如GH4169鎳基高溫合金，但其在磨削時(shí)最高溫度可達(dá)800 ℃以上，不僅會(huì)燒傷表面，而且會(huì)以熱應(yīng)力的形式造成表面質(zhì)量嚴(yán)重降低。因此，為了提高被加工工件表面質(zhì)量，研究磨削溫度的分布特性及其影響因素具有十分重要的意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨削溫度場(chǎng)及其分布特性進(jìn)行了大量的研究。馬宏亮、李長(zhǎng)河[1]采用砂輪、磨削液一體化的能量分配模型，并對(duì)多種能量分配模型進(jìn)行比較和總結(jié)，但是沒(méi)有考慮到砂輪自身參數(shù)。LAVISSE等[2-3]用熱電偶測(cè)溫的方法研究了流量等冷卻潤(rùn)滑參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響，得到流量和噴射速度對(duì)磨削區(qū)溫度影響，但該方法對(duì)被測(cè)量工件具有破壞性，從而會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。尹國(guó)強(qiáng)等[4]將紅外熱成像儀應(yīng)用于磨削溫度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并分析了冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)表面微觀形貌的影響，但沒(méi)用紅外熱成像云圖分析表面溫度分布特性。YIN等[5-6]在ROWE[7]的研究基礎(chǔ)上繼續(xù)使用三角形熱源模型，但未對(duì)磨削接觸表面以下的溫度數(shù)值走向進(jìn)行研究。綜上所述，目前的研究沒(méi)有準(zhǔn)確考慮到砂輪參數(shù)對(duì)溫度的影響特性，并且無(wú)論是熱電偶法還是熱成像法都無(wú)法對(duì)磨削溫度特性進(jìn)行直觀的體現(xiàn)，前者對(duì)被測(cè)物件更是具有破壞性。

本文作者基于砂輪參數(shù)(組織號(hào)、粒度、尺寸、導(dǎo)熱性、密度等)，提出了改進(jìn)的砂輪磨削液一體化熱分配模型，并基于此模型建立高溫合金磨削加工溫度場(chǎng)的有限元模型。同時(shí)采用紅外熱成像法對(duì)試件在無(wú)損測(cè)量的基礎(chǔ)上，提出一種基于熱成像法研究試件表面溫度分布特性的手段，并對(duì)熱流擴(kuò)散進(jìn)行了研究，將此結(jié)果與有限元法得出的結(jié)果在單點(diǎn)最高溫度和溫度分布兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比和分析。并利用表面形貌對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了不同加工參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律，可以為實(shí)際加工提供預(yù)測(cè)，并為實(shí)際加工從數(shù)值參數(shù)和優(yōu)化處理兩方面提供了參考。

1 平面磨削溫度場(chǎng)熱量分配模型

ROWE[7]在對(duì)典型工程材料有效磨削進(jìn)行深度研究之后，提出一個(gè)理論上的假設(shè)，即將磨削產(chǎn)生的熱流分為4份，然后分別計(jì)算出不同導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)熱量的分配系數(shù)。圖1和式(1)分別為其理論分布示意和熱量分配式。

圖1 磨削溫度場(chǎng)熱分布模型

qt=qw+qs+qf+qch

(1)

式中：qt和qs、qw、qf、qch分別表示磨削中產(chǎn)生的總熱量以及熱源區(qū)域傳給砂輪、工件、切屑和冷卻劑的熱量。

在真實(shí)加工環(huán)境下，砂輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)將流到工件與砂輪夾角處的磨削液帶入磨粒間隙，當(dāng)磨削液所在區(qū)域接觸到工件時(shí)，它會(huì)與磨削區(qū)域產(chǎn)生快速對(duì)流換熱效應(yīng)，所以文中將砂輪表層和磨削液視為混合體，而砂輪的規(guī)格影響著混合體的參數(shù)，所以其一體化模型的熱屬性如下：

Vg=2(32-S)÷100

(2)

ks=Vg×kg+(1-Vg)×kl

(3)

(ρc)s=Vg×(ρc)g+(1-Vg)×(ρc)l

(4)

式中：Vg為磨粒率；S為組織號(hào)；k為導(dǎo)熱率；ρ為密度；c為比熱容；下標(biāo)s、g、l分別代表砂輪、白剛玉、磨削液。

砂輪與試件接觸曲面的總熱量可以用瞬時(shí)產(chǎn)生的功率來(lái)計(jì)算[8]，如式(5)所示：

1.4.1 s-100止血綾護(hù)理組 采用在局部麻醉下行痔核外剝內(nèi)扎切除術(shù)，手術(shù)完畢后，將紗布塞入肛門后再將s-100吸收性止血綾貼敷于創(chuàng)面處，然后常規(guī)用紗布及膠布?jí)浩葎?chuàng)面止血。術(shù)后全身應(yīng)用抗生素藥物預(yù)防感染，24 h后予創(chuàng)面換藥。

(5)

式中：Ft為平均切向磨削力；vs為砂輪速度；vw為工件速度；lg為磨削區(qū)域接觸弧長(zhǎng)；b為砂輪寬度。

而磨削過(guò)程由接觸面的單個(gè)磨粒完成，假設(shè)磨粒之間為均勻分布，并且磨粒直徑為砂輪粒度參數(shù)下的平均直徑Dmean，如圖2所示，那么接觸面磨粒數(shù)N為

圖2 砂輪磨粒分布模型

(6)

(7)

微觀狀態(tài)下磨粒切削所產(chǎn)生的碎屑分散的熱量可用極限磨削能ech[9]來(lái)表達(dá)：

(8)

結(jié)合式(2)—(4)可得傳入工件的熱量比例[10]εw為

(9)

所以傳入工件的熱流密度qw為

(10)

2 平面磨削有限元建模及其仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

利用ABAQUS建立磨削溫度場(chǎng)有限元模型[11]。將表1[12]和表2的數(shù)據(jù)[13-14]導(dǎo)入材料屬性欄。此外，將試件模型尺寸設(shè)定為和實(shí)物一樣大小的塊狀物體，長(zhǎng)、寬、高分別為30、20、15 mm。

表1 GH4169的材料屬性[12]

表2 磨削液和白剛玉磨粒的熱性能[13-14]

2.2 邊界條件及其載荷

圖3 網(wǎng)格劃分及載荷施加

(11)

(12)

式中:X為第一個(gè)接觸弧長(zhǎng)在x方向的長(zhǎng)度變量。

2.3 仿真求解

設(shè)計(jì)三因素三水平全因子試驗(yàn)參數(shù)，如表3所示，并用ABAQUS對(duì)每組參數(shù)進(jìn)行仿真。圖4為試件溫度仿真結(jié)果，可以看到在寬度方向溫度差異極小，而磨削接觸區(qū)溫度變化較大，隨著工件移動(dòng)，三角形熱源也在移動(dòng)，接觸后的高溫會(huì)在熱源附近形成較大的梯度。

表3 全因子試驗(yàn)參數(shù)與水平

圖4 有限元瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖(ABAQUS)

3 磨削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

此次試驗(yàn)選用MYH3070液壓傳動(dòng)磨床(主軸轉(zhuǎn)速1 450 r/min)精磨試件，選擇P200×20×127WA80L5V15白剛玉砂輪，砂輪轉(zhuǎn)速為15.18 m/s。采用德國(guó)德圖生產(chǎn)制造的testo868紅外熱成像儀進(jìn)行圖像采集，其測(cè)量范圍為-25～650 ℃，精度為±2 ℃，并且有相對(duì)完善的后處理功能。兩種磨削液都采用5%的配比方案?？傮w試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及結(jié)果演示

將27次試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6所示。可以看出：無(wú)論是熱源分布還是溫度場(chǎng)的分布，都與有限元結(jié)果非常相似，這也為文中研究溫度場(chǎng)提供了參考。

4 結(jié)果驗(yàn)證及分析

4.1 加工參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響

如圖7所示，切深增大時(shí)，仿真和試驗(yàn)均呈現(xiàn)出近似正比例的趨勢(shì)。其機(jī)制為：砂輪縱向進(jìn)給量增加導(dǎo)致微觀狀態(tài)下單顆微粒切削厚度增加，白剛玉微粒與試件在犁耕階段兩側(cè)包絡(luò)面增加，所以切向力和材料去除率同時(shí)增加，這使得宏觀狀態(tài)下的接觸區(qū)域生成的熱能增多，從而溫升大大增加。

圖7 磨削深度對(duì)磨削溫度的影響 圖8 工件速度對(duì)磨削溫度的影響

當(dāng)工作臺(tái)橫向移動(dòng)速度增大時(shí)，仿真和試驗(yàn)溫度都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如圖8所示。其機(jī)制是：工作臺(tái)橫向移動(dòng)速度增加，除去相同材料所花時(shí)間變少，單位時(shí)間生成熱能增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示工作臺(tái)移動(dòng)速度高于0.24 m/s后，升高速率變慢，這是因?yàn)樵嚰c砂輪滑擦相同的距離所花時(shí)間變少，導(dǎo)致隨碎屑流失的熱能增大，但總體而言還是處于上升的趨勢(shì)。

從圖9可以得到，相對(duì)于干磨環(huán)境下的溫升幅度，水基和油基磨削液分別使溫度降低了67.01%和81.46%。其機(jī)制為：干磨條件下磨削接觸區(qū)域只能與空氣對(duì)流換熱來(lái)散熱，而磨削液可以加快熱量散失。其中，水基更利于換熱，油基更適用于冷卻潤(rùn)滑和抗氧化場(chǎng)合，所以后者降溫效果較差。此外，磨粒與工件之間為微量切削，產(chǎn)生的切屑有一部分會(huì)嵌入磨?？障吨校ハ饕簳?huì)將碎屑及時(shí)沖走，降低接觸區(qū)溫度。將前兩小節(jié)極差結(jié)果與此結(jié)果對(duì)比，加工參數(shù)對(duì)溫度的影響程度大小次序?yàn)椋豪鋮s潤(rùn)滑環(huán)境>磨削深度>工件速度。

圖9 冷卻潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)磨削溫度的影響

4.2 試件表面溫度分布研究及驗(yàn)證

圖10分別演示了有限元數(shù)據(jù)測(cè)量方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量方案，其中ABAQUS采用節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出并導(dǎo)入Origin繪制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用指定區(qū)域測(cè)量法，直接用等長(zhǎng)直線讀取數(shù)據(jù)并導(dǎo)入Origin進(jìn)行繪制。

圖10 數(shù)據(jù)測(cè)量方案

圖11為第2組試驗(yàn)(干磨，ae=0.045 mm，vw=0.18 m/s)工件表面溫度分布，無(wú)論是有限元分析結(jié)果還是試驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明靠近熱源區(qū)域的溫度較高，在離表面不同深度處都是如此。這是因?yàn)闊嵩匆苿?dòng)過(guò)的區(qū)域還存在余溫，這些余溫會(huì)和新的熱源產(chǎn)生的溫升相疊加，這導(dǎo)致在實(shí)際的磨削加工中，如果加工大余量工件，連續(xù)磨削會(huì)使熱量來(lái)不及擴(kuò)散，上表面溫度會(huì)迅速上升，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到800 ℃以上，嚴(yán)重?zé)齻ぜ栽诩庸ご笥嗔吭嚰r(shí)需要及時(shí)進(jìn)行降溫處理，避免造成溫度場(chǎng)疊加從而燒傷試件。

圖11 工件表面磨削溫度分布

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：工件左側(cè)1 cm范圍和靠近右側(cè)1 cm范圍內(nèi)溫度都從120 ℃開(kāi)始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內(nèi)都是高溫區(qū)域(120～300 ℃)，仿真結(jié)果向左偏移了2 mm，不過(guò)同樣表現(xiàn)出高溫主要出現(xiàn)在中心區(qū)域。

4.3 試件縱向溫度分布研究及驗(yàn)證

對(duì)4組不同加工參數(shù)下的熱點(diǎn)(溫度最高點(diǎn))以下區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫，如圖12所示，沿深度方向的距離與磨削溫度大致呈反比例函數(shù)。

圖12 磨削溫度在深度方向的分布

將降溫幅度和測(cè)量距離的比值進(jìn)行比較，斜率從上到下分別有3個(gè)不同的階段：第一段降得非?？欤坏诙稳匀灰院芸斓乃俣认陆?，不過(guò)其下降速率變緩；第三段以一個(gè)很平緩的速率逐漸趨近于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。用多項(xiàng)式擬合法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最靠近表面的7個(gè)單位長(zhǎng)度溫差為162.6 ℃，而靠后的7個(gè)單位長(zhǎng)度溫差只有44.94 ℃，以上均說(shuō)明磨削高溫所影響的深度大約只存在于溫度影響深度的前1/3，這與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)，但是主要還是與磨削熱的分布有關(guān)。所以在實(shí)際加工時(shí)，可以參考此次試驗(yàn)，預(yù)留3 mm深度用來(lái)精磨加工，以減小溫度影響范圍，保證表面質(zhì)量。

4.4 冷卻介質(zhì)對(duì)表面完整性的影響

冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)不同導(dǎo)致溫度和潤(rùn)滑效果有明顯的差異，而這些差異最終作用于試件表面。圖13為相同加工參數(shù)不同冷卻介質(zhì)下的磨削表面微觀形貌圖。相比之下，油基磨削液和水基磨削液明顯有很好的降溫效果，表面沒(méi)有不規(guī)則劃痕，油基磨削液除控制溫度外還有較強(qiáng)的潤(rùn)滑性能，使表面更為光滑。因此，在實(shí)際加工時(shí)，在溫度可控的情況下應(yīng)選取油基磨削液進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。而在干磨條件下，溫度達(dá)到391.7 ℃，部分表面劃痕出現(xiàn)間斷，這是因?yàn)椋?1)表面磨屑無(wú)法及時(shí)沖走，通過(guò)砂輪擠壓可能附著在表面；(2)沒(méi)有降溫處理，材料受熱較高硬度會(huì)發(fā)生變化，去除材料時(shí)有沾附現(xiàn)象；(3)沒(méi)有任何潤(rùn)滑措施，磨粒切削表面材料更易留下毛刺。

圖13 不同潤(rùn)滑條件下的磨削表面微觀形貌

5 結(jié)語(yǔ)

利用有限元技術(shù)仿真了GH4169高溫合金在各加工工況下的磨削溫度場(chǎng)，并提出一種基于紅外熱成像技術(shù)的驗(yàn)證手段對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果非常接近，影響磨削溫度的因素主次順序?yàn)椋豪鋮s潤(rùn)滑環(huán)境>磨削深度>工件速度，最優(yōu)加工參數(shù)為：磨削深度0.02 mm，工件速度0.18 m/s，采用油基磨削液。

(2)靠近工件左側(cè)1 cm范圍內(nèi)和靠近右側(cè)1 cm范圍內(nèi)溫度都從120 ℃左右開(kāi)始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內(nèi)都是高溫區(qū)域(120～300 ℃)。

(3)磨削高溫所影響的深度大約只存在于溫度影響深度的前1/3，這與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)，但是主要還是與磨削熱的分布有關(guān)。所以在實(shí)際加工時(shí)，可以參考此次試驗(yàn)，預(yù)留3 mm深度用來(lái)精磨加工，減小溫度影響范圍，保證表面質(zhì)量。