低溫冷風磨削加工參數優化試驗

劉業鳳 胡海濤 張 華 姚 俊 黃海濤 房小艷

(1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

(2上海機床廠有限公司 上海 200093)

1 引言

磨削加工是精密加工和高硬材料加工的主要加工方法，磨削加工時多數熱量會傳入工件，僅有不到10%的熱量會被磨屑帶走。這些傳入工件的熱量在磨削過程中常來不及傳入工件深處，會聚集在工件表層里形成局部高溫和極大的溫度梯度(可達600—1 000℃/mm)［1］。如果不能及時、有效地對它們進行降溫冷卻，不僅可能導致工件燒傷、合金元素的再沉積、表層物理化學性能的變化、應力腐蝕、殘余拉應力、表面次表面裂紋和疲勞壽命降低等缺陷，還會嚴重影響砂輪耐用度，縮短砂輪的使用壽命［1］。為降低磨削溫度，提升潤滑性能，延長砂輪使用壽命，通常會向磨削區域澆注大量切削液，但這些含有添加劑的切削液的大量使用會破壞自然環境，危害人體健康，也增加了制造成本［2-4］。因此，很有必要探索研究磨削加工的綠色降溫冷卻技術。

研究表明，低溫冷風切削能夠顯著均勻降低切削區、刀具及工件的溫度，延長刀具的使用壽命，改善已加工表面質量，適合鈦合金、不銹鋼、高硅鋁合金等難加工材料的高速切削加工［2-5］。橫川和彥等人［2］在水基切削液、常溫風和低溫風3種冷卻潤滑條件下，用硬質合金銑刀以50 m/min的速度銑削中碳鋼時，觀察側刃后刀面的磨損發現:常溫風(+10℃)冷卻時，切削2 min后刀具磨損急劇增加;-30℃冷風條件下，刀具的磨損過程較為平穩;而在采用切削液時，磨損量和磨損速率都較大，電鏡觀察表明這時刀面上產生了熱裂紋。在上述冷卻潤滑條件下，低溫風冷卻時的銑刀耐用度分別是常溫風冷和切削液冷卻時的1.5—2.0 倍。M Rahman 等人［2］發現在冷風切削下，吹入冷風的刀刃上由于較大的溫度梯度易形成裂紋。這表明采用低溫冷風切削時并不是冷風溫度越低越好，冷風的溫度還存在這一個優化值。任家隆［2］對軸承鋼和45鋼分別采用水基切削液、自然冷卻和低溫冷風3種不同冷卻方式進行了對比切削試驗。結果表明:低溫冷風切削能獲得良好的冷卻效果，且隨著切削力和切削熱增大冷卻效果也變好。楊穎等人［2］通過對45鋼的干式切削和低溫冷風切削對比實驗，探討了低溫冷風射流對切屑折斷的影響。通過實驗獲得了最佳的冷風射流吹入角度、冷風溫度影響范圍和冷風的工作壓力范圍，為工業化生產提供了依據。東北大學趙恒華等人［2］使用鋼瓶裝低溫高壓CO2氣體，通過導管輸送到磨削區域降溫冷卻，發現在冷氣壓力不大于1 MPa實驗條件下，外冷卻的效果優于內冷卻，但隨著冷氣壓力的增加，內冷卻的優勢逐漸明顯。當冷氣壓力達到1 MPa時，內冷卻效果略優于外冷卻。

由于影響試件磨削加工表面質量的因素與低溫壓縮空氣、工件材料、砂輪及磨床參數等有關，因此研究各影響因素對磨削效果的影響、探討合理的磨削加工參數，對綠色磨削技術的推廣應用具有重要意義。

2 低溫冷風磨削實驗裝置

低溫冷風系統流程如圖1所示，該裝置由空氣壓縮機、儲氣罐、除油除水過濾器、高效除油過濾器、吸附式干燥機、除塵過濾器、金屬轉子流量計、制冷系統、電動閥、噴嘴等部分組成。環境空氣經過空氣壓縮機后進入儲氣罐來存儲氣體并減少氣流脈動，然后進入利用離心原理的除水除油過濾器來分離空氣中較大的油、水和固態微粒，初步凈化空氣;高效除油過濾器則是用來進一步除去壓縮空氣中的油等雜質。雜質去除之后的壓縮空氣要經過微熱型吸附式干燥機利用吸附劑氧化鋁干燥，并經除塵過濾器除塵。制冷系統的蒸發器對壓縮干燥的空氣降溫冷卻;旁通閥用來連續協助調節噴嘴出口的冷風溫度;最后處理完的低溫冷風經噴嘴送向加工區的試件和砂輪，對磨削區域進行降溫冷卻。金屬轉子流量計測量壓縮空氣的流量;壓力表測量系統內空氣壓力;使用T型熱電偶配合美國Agilent公司的34970A數字采集儀來采集溫度數據。

圖1 低溫冷風磨削系統流程Fig.1 Schematic view of cooling-air grinding system

為了達到-80℃的蒸發溫度，實驗裝置采用兩級復疊式蒸氣壓縮制冷系統，高溫級制冷劑為R410a，低溫級制冷劑為R23。采用高壓空氣的原因就是在高速磨削過程中，砂輪圓周上會形成具有一定速度和壓力的空氣邊界層，而傳統的澆注式冷卻方式下的磨削液并不能突破氣障層，有效地降低磨削區域溫度。

裝置性能測試表明:該裝置能夠提供溫度范圍-40 ℃至 -80 ℃、絕對壓力 0.3—0.6 MPa、流量范圍0—34 Nm3/h的低溫壓縮空氣。本文主要探討溫度、送風壓力、進給量及砂輪粒度對磨削質量的影響，為未來低溫冷風磨削替代傳統磨削做準備。

3 低溫冷風磨削實驗結果

3.1 實驗材料及環境

加工試件選用磨削常用材料40Cr，直徑100 mm，寬度18 mm，經淬火后洛氏硬度為 HRC50—HRC52;砂輪為陶瓷結合劑CBN砂輪，砂輪尺寸為直徑170 mm，寬度 20 mm;機床為萬能外圓磨床MK1432/H(見圖2);磨削加工時噴嘴距離磨削區距離為20 mm，環境溫度為20℃(見圖3)。

圖2 實驗用磨床Fig.2 Grinding machine used in experiment

圖3 冷風磨削照片Fig.3 View of cooling-air grinding

3.2 實驗結果及分析

3.2.1 低溫冷風溫度對磨削質量的影響

在空氣相對壓力0.4 MPa，進給量為2μm，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉速為15 r/min，砂輪粒度為140/170的條件下，通過調節低溫機組空氣側的旁通閥來改變噴嘴出口的溫度。通過改變噴嘴出口的低溫冷風的溫度來進行磨削試驗，分析低溫冷風溫度對磨削試驗的影響。圖4和圖5所示為在上述條件下，改變噴嘴出口低溫冷風的溫度對試件表面粗糙度及圓度的影響。

圖4 低溫機組出口空氣溫度對試件表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of outlet air temperature of cooling-air unit on specimen surface roughness

圖5 低溫機組出口空氣溫度對試件圓度的影響Fig.5 Effect of outlet air temperature of cooling-air unit on specimen roundness

由圖4和圖5可以看出:隨著噴嘴出口冷風溫度的降低，磨削出來的試件表面粗糙度大小有波動，在低溫機組出口空氣溫度在-60℃—70℃范圍內時，磨削出來的試件表面粗糙度最小。這說明冷風溫度并不是越低越好，與文獻［11］的研究結果一致。另外，隨著低溫機組出口空氣溫度的降低，磨削出來試件的圓度也有較大的波動，但是在低溫機組出口空氣溫度為-60℃時，磨削出來的試件圓度值最小。因此在冷風溫度為-60℃時，磨削后試件的表面粗糙度和圓度值最小，磨削質量最佳。

3.2.2 噴嘴出口低溫冷風壓力對磨削質量的影響

在空氣溫度為-60℃，進刀量為2μm，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉速為15 r/min，砂輪粒度為140/170條件下，調節壓縮空氣的壓力，進行磨削試驗。通過分析磨削試件的表面粗糙度、圓度等試驗結果，分析空氣壓力對磨削質量的影響，結果見圖6和圖7。

圖6 噴嘴出口空氣壓力對試件表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of air pressure of nozzle outlet on specimen surface roughness

圖7 噴嘴出口空氣壓力對試件圓度的影響Fig.7 Effect of air pressure of nozzle outlet on specimen roundness

結果表明:隨著冷風壓力的增大，磨削出來的試件表面粗糙度值減小，加工的試件表面質量越好，但總體上冷風壓力對試件表面粗糙度影響不大。但低溫冷風壓力的變化對磨削工件的圓度影響很明顯，隨著冷空氣壓力的升高，圓度值也逐漸增大，試件的磨削質量越差。綜合考慮這兩個因素，噴嘴出口空氣壓力應該控制在0.4 MPa，磨削出來的試件綜合質量才能達到最理想。

3.2.3 磨削進給量及砂輪粒度對磨削質量的影響

在空氣相對壓力為0.4 MPa，空氣溫度為-60℃，砂輪線速度為40 m/s，頭架轉速為15 r/min，砂輪粒度分別為140/170和120/140的條件下，通過調節機床操控平臺來改變磨削試件時的磨削進給量進行磨削試驗。通過分析試件磨削質量，分析磨削進給量及砂輪粒度對磨削質量的影響，結果見圖8和圖9。

圖8 磨削進給量對試件表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed amount on specimen surface roughness

圖9 磨削進給量對試件圓度的影響Fig.9 Effect of feed amount on specimen roundness

試驗結果表明:對于低溫冷風磨削，磨削進給量的變化對試件表面粗糙度的影響不大。但是采用140/170的砂輪加工出來試件的表面粗糙度比采用120/140砂輪加工的要小很多，磨削質量要好，這與東華大學宋琬堯［2］的實驗結論相一致:砂輪粒度越大，磨粒越細，磨削試件的表面粗糙度越小。但在磨削進給量為2μm時，140/170和120/140砂輪磨削出來的試件的圓度值最小，質量最好。因此，綜合考慮表面粗糙度與圓度因素后可以確定，當磨削進給量為2μm時，試件的磨削質量能達到理想的效果。

3.3 優化磨削參數提高磨削質量

參考上述磨削規律，對各參數進行優化組合，在低溫冷風溫度-60℃，低溫空氣壓力0.4 MPa，磨削進給量2μm，砂輪粒度140/170，并在最后進行無火花磨削工藝時，工件表面粗糙度可以達到0.2μm甚至更高，達到采用傳統磨削加工方法的精磨標準。

4 結論

自行開發了一套低溫冷風磨削裝置，磨削采用常見磨削材料40Cr，研究了溫度、壓力、進給量及砂輪粒度對加工試件表面質量的影響。試驗結果表明:低溫冷風能夠有效降低磨削區域砂輪及工件的溫度，提高工件表面質量，在使用140/170砂輪的情況下可使表面粗糙度低于0.3μm，在對各參數優化組合后，工件表面粗糙度可以達到0.2μm甚至更高，達到采用傳統磨削加工方法的精磨標準。研究結果表明:通過對磨削參數的優化組合，低溫冷風磨削完全可以代替傳統的磨削液磨削，達到精磨標準。本研究對低溫冷風磨削應用的推廣具有重要意義。

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