不同磨削參數下高溫合金磨削溫度場的數值模擬及試驗研究

韓昭，曹蔚，陳子琦，閆建穎，吳佳軍，胡盈盈，瞿金秀，張曼

(西安工業大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 前言

磨削加工技術適用于難加工材料，比如GH4169鎳基高溫合金，但其在磨削時最高溫度可達800 ℃以上，不僅會燒傷表面，而且會以熱應力的形式造成表面質量嚴重降低。因此，為了提高被加工工件表面質量，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。

近年來國內外學者對磨削溫度場及其分布特性進行了大量的研究。馬宏亮、李長河[1]采用砂輪、磨削液一體化的能量分配模型，并對多種能量分配模型進行比較和總結，但是沒有考慮到砂輪自身參數。LAVISSE等[2-3]用熱電偶測溫的方法研究了流量等冷卻潤滑參數對磨削溫度的影響，得到流量和噴射速度對磨削區溫度影響，但該方法對被測量工件具有破壞性，從而會影響試驗結果的準確性。尹國強等[4]將紅外熱成像儀應用于磨削溫度的試驗數據采集，并分析了冷卻潤滑介質對表面微觀形貌的影響，但沒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]的研究基礎上繼續使用三角形熱源模型，但未對磨削接觸表面以下的溫度數值走向進行研究。綜上所述，目前的研究沒有準確考慮到砂輪參數對溫度的影響特性，并且無論是熱電偶法還是熱成像法都無法對磨削溫度特性進行直觀的體現，前者對被測物件更是具有破壞性。

本文作者基于砂輪參數(組織號、粒度、尺寸、導熱性、密度等)，提出了改進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的有限元模型。同時采用紅外熱成像法對試件在無損測量的基礎上，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，并對熱流擴散進行了研究，將此結果與有限元法得出的結果在單點最高溫度和溫度分布兩個方面進行對比和分析。并利用表面形貌對加工質量進行了驗證，得到了不同加工參數對磨削溫度的影響規律，可以為實際加工提供預測，并為實際加工從數值參數和優化處理兩方面提供了參考。

1 平面磨削溫度場熱量分配模型

ROWE[7]在對典型工程材料有效磨削進行深度研究之后，提出一個理論上的假設，即將磨削產生的熱流分為4份，然后分別計算出不同導熱介質對熱量的分配系數。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分別表示磨削中產生的總熱量以及熱源區域傳給砂輪、工件、切屑和冷卻劑的熱量。

在真實加工環境下，砂輪的旋轉會將流到工件與砂輪夾角處的磨削液帶入磨粒間隙，當磨削液所在區域接觸到工件時，它會與磨削區域產生快速對流換熱效應，所以文中將砂輪表層和磨削液視為混合體，而砂輪的規格影響著混合體的參數，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；k為導熱率；ρ為密度；c為比熱容；下標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產生的功率來計算[8]，如式(5)所示：

1.4.1 s-100止血綾護理組 采用在局部麻醉下行痔核外剝內扎切除術，手術完畢后，將紗布塞入肛門后再將s-100吸收性止血綾貼敷于創面處，然后常規用紗布及膠布壓迫創面止血。術后全身應用抗生素藥物預防感染，24 h后予創面換藥。

(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為磨削區域接觸弧長；b為砂輪寬度。

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

圖2 砂輪磨粒分布模型

(6)

(7)

微觀狀態下磨粒切削所產生的碎屑分散的熱量可用極限磨削能ech[9]來表達：

(8)

結合式(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 仿真參數設置

利用ABAQUS建立磨削溫度場有限元模型[11]。將表1[12]和表2的數據[13-14]導入材料屬性欄。此外，將試件模型尺寸設定為和實物一樣大小的塊狀物體，長、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 網格劃分及載荷施加

(11)

(12)

式中:X為第一個接觸弧長在x方向的長度變量。

2.3 仿真求解

設計三因素三水平全因子試驗參數，如表3所示，并用ABAQUS對每組參數進行仿真。圖4為試件溫度仿真結果，可以看到在寬度方向溫度差異極小，而磨削接觸區溫度變化較大，隨著工件移動，三角形熱源也在移動，接觸后的高溫會在熱源附近形成較大的梯度。

表3 全因子試驗參數與水平

圖4 有限元瞬態溫度場分布云圖(ABAQUS)

3 磨削試驗

3.1 試驗設備與方案

此次試驗選用MYH3070液壓傳動磨床(主軸轉速1 450 r/min)精磨試件，選擇P200×20×127WA80L5V15白剛玉砂輪，砂輪轉速為15.18 m/s。采用德國德圖生產制造的testo868紅外熱成像儀進行圖像采集，其測量范圍為-25～650 ℃，精度為±2 ℃，并且有相對完善的后處理功能。兩種磨削液都采用5%的配比方案。總體試驗設備如圖5所示。

圖5 試驗設備及數據采集

3.2 試驗數據采集及結果演示

將27次試驗所得數據進行處理，結果如圖6所示。可以看出：無論是熱源分布還是溫度場的分布，都與有限元結果非常相似，這也為文中研究溫度場提供了參考。

4 結果驗證及分析

4.1 加工參數對磨削溫度的影響

如圖7所示，切深增大時，仿真和試驗均呈現出近似正比例的趨勢。其機制為：砂輪縱向進給量增加導致微觀狀態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包絡面增加，所以切向力和材料去除率同時增加，這使得宏觀狀態下的接觸區域生成的熱能增多，從而溫升大大增加。

圖7 磨削深度對磨削溫度的影響 圖8 工件速度對磨削溫度的影響

當工作臺橫向移動速度增大時，仿真和試驗溫度都呈現上升趨勢，如圖8所示。其機制是：工作臺橫向移動速度增加，除去相同材料所花時間變少，單位時間生成熱能增加。試驗數據顯示工作臺移動速度高于0.24 m/s后，升高速率變慢，這是因為試件與砂輪滑擦相同的距離所花時間變少，導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。

從圖9可以得到，相對于干磨環境下的溫升幅度，水基和油基磨削液分別使溫度降低了67.01%和81.46%。其機制為：干磨條件下磨削接觸區域只能與空氣對流換熱來散熱，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滑和抗氧化場合，所以后者降溫效果較差。此外，磨粒與工件之間為微量切削，產生的切屑有一部分會嵌入磨粒空隙中，而磨削液會將碎屑及時沖走，降低接觸區溫度。將前兩小節極差結果與此結果對比，加工參數對溫度的影響程度大小次序為：冷卻潤滑環境>磨削深度>工件速度。

圖9 冷卻潤滑環境對磨削溫度的影響

4.2 試件表面溫度分布研究及驗證

圖10分別演示了有限元數據測量方案及試驗數據測量方案，其中ABAQUS采用節點數據輸出并導入Origin繪制，試驗數據采用指定區域測量法，直接用等長直線讀取數據并導入Origin進行繪制。

圖10 數據測量方案

圖11為第2組試驗(干磨，ae=0.045 mm，vw=0.18 m/s)工件表面溫度分布，無論是有限元分析結果還是試驗數據都表明靠近熱源區域的溫度較高，在離表面不同深度處都是如此。這是因為熱源移動過的區域還存在余溫，這些余溫會和新的熱源產生的溫升相疊加，這導致在實際的磨削加工中，如果加工大余量工件，連續磨削會使熱量來不及擴散，上表面溫度會迅速上升，有時甚至會達到800 ℃以上，嚴重燒傷工件，所以在加工大余量試件時需要及時進行降溫處理，避免造成溫度場疊加從而燒傷試件。

圖11 工件表面磨削溫度分布

從試驗數據可以得出：工件左側1 cm范圍和靠近右側1 cm范圍內溫度都從120 ℃開始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內都是高溫區域(120～300 ℃)，仿真結果向左偏移了2 mm，不過同樣表現出高溫主要出現在中心區域。

4.3 試件縱向溫度分布研究及驗證

對4組不同加工參數下的熱點(溫度最高點)以下區域進行測溫，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。

圖12 磨削溫度在深度方向的分布

將降溫幅度和測量距離的比值進行比較，斜率從上到下分別有3個不同的階段：第一段降得非常快；第二段仍然以很快的速度下降，不過其下降速率變緩；第三段以一個很平緩的速率逐漸趨近于一個穩定的數值。用多項式擬合法對試驗數據進行處理，最靠近表面的7個單位長度溫差為162.6 ℃，而靠后的7個單位長度溫差只有44.94 ℃，以上均說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，這與材料的導熱性能有關，但是主要還是與磨削熱的分布有關。所以在實際加工時，可以參考此次試驗，預留3 mm深度用來精磨加工，以減小溫度影響范圍，保證表面質量。

4.4 冷卻介質對表面完整性的影響

冷卻潤滑介質不同導致溫度和潤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為相同加工參數不同冷卻介質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，表面沒有不規則劃痕，油基磨削液除控制溫度外還有較強的潤滑性能，使表面更為光滑。因此，在實際加工時，在溫度可控的情況下應選取油基磨削液進行冷卻潤滑。而在干磨條件下，溫度達到391.7 ℃，部分表面劃痕出現間斷，這是因為：(1)表面磨屑無法及時沖走，通過砂輪擠壓可能附著在表面；(2)沒有降溫處理，材料受熱較高硬度會發生變化，去除材料時有沾附現象；(3)沒有任何潤滑措施，磨粒切削表面材料更易留下毛刺。

圖13 不同潤滑條件下的磨削表面微觀形貌

5 結語

利用有限元技術仿真了GH4169高溫合金在各加工工況下的磨削溫度場，并提出一種基于紅外熱成像技術的驗證手段對溫度場進行了研究，得出以下結論：

(1)有限元結果和試驗結果非常接近，影響磨削溫度的因素主次順序為：冷卻潤滑環境>磨削深度>工件速度，最優加工參數為：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1 cm范圍內和靠近右側1 cm范圍內溫度都從120 ℃左右開始接近常溫，而靠近工件中心1 cm范圍內都是高溫區域(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，這與材料的導熱性能有關，但是主要還是與磨削熱的分布有關。所以在實際加工時，可以參考此次試驗，預留3 mm深度用來精磨加工，減小溫度影響范圍，保證表面質量。