断续缓磨射流冲击强化磨削弧区换热的实验研究

魔神

    近年来，断续磨削以其独特的降温效果和明显的综合工艺优势引起人们的重视．由于其间断冷却作用，使磨削热积聚显著减小，从而有效地避免了工件表层的热损伤，对难加工材料的磨削更具优越性．将断续磨削降温优势、CBN砂轮的耐磨特性以及缓磨的低温特性三者相结合，砂轮断续缓磨工艺在解决缓磨烧伤方面显示出很大的潜力．
　　关于缓磨烧伤的机理研究已揭示，当磨削热流密度超过临界值时，弧区发生成膜沸腾，磨削液就会因气膜阻隔无法再与工件表面接触，于是原本可由磨削液汽化带走的大量磨削热被迫改道进入工件，从而导致工件表层急剧温升并很快发生烧伤．缓磨所面临的高热流密度下沸腾换热危机导致工件烧伤问题在热工领域早己通过采用强化换热技术得以有效解决．因此，本文根据强化换热思想，结合开槽砂轮断续缓磨工艺，提出一种利用高压射流直接冲击弧区工件表面的磨削液加注方式，藉此冲破已形成的气膜，使弧区在高热流密度下仍可发挥核沸腾汽化换热优势，换热效率提高到一个新水平．通过断续缓磨时采用侧向射流冲击弧区表面的冷却方式进行的磨削性能实验研究，显示出射流冲击强化磨削弧区换热技术具有广阔的应用前景q．

1　实验条件及测试系统

　　开槽砂轮比整体砂轮更容易使磨削液导入弧区，但普通切向供液方式很难实现射流件对弧区工的直接冲击．因此，本文采用图1所示的侧向射流对弧区直接冲击方式．由于采用高压柱塞泵和特制的实验用矩形喷嘴，射流出口速度可达80m/s，同时磨削试件宽度小于砂轮宽度．具体的实验条件如下表．试件选用导热系数低、易烧伤航空难加工材料钛合金TC4进行磨削性能实验，研究断续磨削时射流冲击强化弧区换热的效果．

图1　射流侧向冲击

实验条件表

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，开槽数177
磨削液	5%乳化液，冷却液流量90L/min，最高供液压力7MPa
修锐方式	双电极电解修锐

为了能实时测试弧区温度变化，实验中采用分块试件夹丝半人工热电偶测温，信号直接由3562信号分析仪显示记录，并同时由X-Y记录仪记录磨床主轴功率． 2　实验结果与分析 2.1　弧区普通切向与射流侧向喷射冷却效果对比实验 　　图2为在相同砂轮速度Vs，工作台进给速度VW，不同切深ap下，采用切向供液与侧向射流冲击对磨削温度的影响．图3为在相同磨削条件下，普通供液法与侧向射流冲击换热情况下，由信号分析仪捕捉的磨削温度变化曲线，由图可得出射流冲击强化弧区换热具有明显的降温特点．

图2　两种冷却方式磨削温度的对比

图3　实测磨削温度波

　　图4为在相同砂轮速度，工作台进给速度，不同切深所对应的磨削温度下，采用切向供液与侧向射流冲击对磨削功率的影响．由图可得，在磨削功率相差不大的情况下，侧向喷射比切向供液对应的磨削温度低．由于磨削热流密度q与磨削功率N成正比

式中　J－热功当量；
　　　R－磨削热流入工件比率；
　　　L－接触弧长；
　　　B－工件宽度．

图4两种冷却方式磨削功率的对比

　　亦即表明在磨削热流密度相近的条件下，侧向射流冲击所对应的磨削温度低，换热效率提高．

2.2　侧向高速射流与低速射流弧区换热效果对比实验
　　图5为在相同砂轮速度，工作台进给速度，不同切深下，采用侧向高速射流与低速射流冲击对磨削温度的影响．由图可得，高速射流冲击具有显著的降温优势，即使在大切深下仍未出现烧伤．

图5　高、低速射流磨削温度的对比

3　结论

　　实验表明，射流冲击强化换热技术是提高弧区换热效率的有效方法，射流速度越高，换热效果越好．它可以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磨削液发生成膜沸腾的临界温度约120～130℃以下（水基磨削液），也就表明深切缓磨时不发生烧伤的材料去除率同步提高．但由于受实验条件限制，本文所采用的侧向射流冲击弧区工件表面方法，其换热效率还远不如射流沿砂轮径向较垂直的冲击工件表面，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，对有效避免工件烧伤，提高磨削效率有十分重大的意义．