第１２期２０１３年１２月机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
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珩磨工艺参数对温度场的影响研究张永贵１，杨云江１，徐建华２，龚俊１（１．兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州７３００５０；２．宁夏银川大河数控机床有限公司，宁夏银川７５００２１）
摘要：珩磨加工为一种特殊的磨削工艺，珩磨不仅能提高工件内圆表面粗糙度，而且能提高零件的尺寸精度和几何形状精度，能去除较大的ｋ＿ｒ－余量，讨论了珩磨加工过程中珩磨参数对珩磨工件温度场的影响，分析了珩磨的磨削力对和珩磨温度之间的相互关系。在此基础上结合实际珩磨机加工工艺，利用有限元分析软件对珩磨工件的温度场进行了稳态和瞬态分析，揭示了珩磨过程中温度的变化和分布情况，为珩磨机床改善其冷却系统提供了一定的理论依据。关键词：磨削力；温度场；有限元分析；珩磨加工中图分类号：ＴＨｌ６；ＴＧ５８０．６７文献标识码：Ａ文章编号：１００１—３９９７（２０１３）１２－０１０５—０４
ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆＥｆｆｅｃｔＴｈａｔＨｏｎｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓｕｐｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄ
ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ－ｇｕｉｌ，ＹＡＮＧＹｕｎ－ｊｉａｎ９１，ＸＵＪｉａｎ—ｈｕａ２，ＧＯＮＧＪｕｎｌ
（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧａｎｓｕＬａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＮｉｎｇｘｉａＹｉｎｃｈｕａｎＲｉｖｅｒＮＣＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＮｉｎｇｘｉａＹｉｎｃｈｕａｎ７５００２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｎｉｎｇｉｓａｓｐｅｃｉａｌｆｏ珈ｉｎｉｎｔｅｒｎａｌｇｒｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ａｎｄｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓ口ｋｉｎｄｏｆｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
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ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｈａｔＣＯｌｔｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｎｅｒｃｉｒｃｌｅｓｕｏＣａｃｅｒｏｌｌｇｈｎｅｓ３，ｂｕｔａｌｓｏＣＯｌｔｉｍｐｒｏｖｅ
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ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＧｒｉｎｄｉｎｇＦｏｒｃｅ；ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ；Ｈｏｎｉｎｇ
Ｉ引言磨削加工技术是现代精密超精密加工中的最重要加工手段之一，是制造精密设备的关键工序，是机械加工中不可缺少的重要组成部分。磨削的比能比其他切削方法约大２０倍，且绝大部分变成热能，使磨削区域温度上升，它不但极大地阻碍磨削生产效率的提高，而且严重地影响工件的表面金相组织、表面应力等一系列支配工件表面完整性的因素，对磨削工序的进行和工件的性能产生很大的影响。尤其当磨削是该零（部）件机械加工工艺过程的最后一道工序时，磨削热和磨削温度的情况将决定工件的使用性能【ｌＩ。因此，磨削温度与磨削区场温度分布的分析对研究磨削理论和磨削实践具有重大的意义。珩磨是内圆磨削加工的一种特殊的磨削工艺，珩磨加工采用三方相关原理加工出精密的表面。近年来，随着对珩磨工艺高速度、高效率的需求，引起了对珩磨切削力的提高，并且出现了许多珩磨工艺，尤其是强力珩磨工艺。由于珩磨切削力的增大，在珩磨加工过程中产生的热量越大，工件的热变形业越大。因此，想要保证珩磨出高精度、高质量的工件，必须要熟知珩磨加工过程中，工件受热变形的情况。分析了珩磨加工中珩磨参数对温度场的影响，利用有限元技术得出珩磨加工工件的温度场分布，为珩磨机
床改善其冷却系统提供了一定的理论依据。２珩磨的磨削力对温度的影响珩磨的磨削力是评价砂轮或磨粒切削刃磨削状态的重要因素，也是产生磨削热的主要因素之一。磨削力Ｆ可分解为互相垂直的三个分力，即沿砂轮径向的法向磨削力Ｅ、沿砂轮切向的切向磨削力Ｅ以及沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力Ｅ（较小，可忽略不计）。珩磨工作时，如果磨削力较大使磨削区的温度较高，会使工件表层金相组织发生变化，甚至磨削烧伤；当产生的瞬时温度较高时，会形成热应力，使被加工的工件表面产生较大的残余应力，甚至使表面产生裂纹闭。所以，研究磨削力和珩磨过程中的温度场关系是很有必要的。文献口是在前人对珩磨力模型研究的基础上，建立珩磨力的数学模型，并通过实际的实验加以修正，得出切向珩磨力Ｅ最小二乘的回归公式。
Ｆ，－－０．０２７—００６ｙ，０．３”Ｋ７．３”“。‘（１）
式中：Ｂ一油缸的进给压力（Ｐａ）；Ｖ，・珩磨头旋转速度（ｍ／ｒａｉｎ）；ｙｒ一珩磨头的往复速度（ｍ／ｒａｉｎ）。ｅ；＝葛㈤
来稿日期：２０１３—０２－０９基金项目：国家科技重大项目（２０１０ＺＸ０４００２—１２２）作者简介：张永贵，（１９６６－），男，甘肃酒泉人，高级工程师，工学博士，主要研究方向：工业机器人及其应用技术，珩磨加工工艺及其专家系统技术；杨云江，（１９８５一），男，河北邢台人，硕士，主要研究方向：数控珩磨加工过程的分析与仿真万方数据１０６张永贵等：珩磨工艺参数对温度场的影响研究第１２期式中：”—笔转速度（ｍ／ｍｉｎ）；口触复速度（ｍ／ｍｉｎ）；种削深度ｍｍ）；
疋—轴向进给量（ｒａｍ）。式（２）是磨削时磨除单位体积金属的磨削能量公式闭。由公式可知切向珩磨力与珩磨时产生的能量的多少成正比。因此，磨削力对珩磨过程中所形成的温度场有重要的影响。３珩磨工艺参数对温度场的影响３．１珩磨的速度由磨加工过程的原理（三块平板互研的机理）可知：在珩磨加工过程中，珩磨网纹的形成是由于珩磨头的旋转和往复两坐标的交叉运动。因此，缺少任何一种运动都不能保证互研动作之间影响的传递。两种速度的同时作用使得油石和工件表面产生磨削热。文献回的实验是选用ＧＣ６０ｋＶ的砂轮磨削ＴＣ４钛合金；单粒金刚石修整砂轮，冷却液３％亚硝酸钾水溶液；取磨削表面温度值为后８次磨削温度的平均值。实验结果，如图１所示。
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图１速度对磨削温度的影响Ｆｉｇ．１ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＳｐｅｅｄｏｆｔｈｅＧｒｉｎｄｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
由式（２）和图１可知：珩磨的旋转速度和释放能量成正比，
此时工件温度升高；反之，珩磨的往复速度和释放的能量成反比，工件的温度下降。此外，磨削时温度的大小还和珩磨的次数有关。因此，珩磨的速度（往复速度和旋转速度的合成）是影响珩磨过程中形成温度场的重要因素。３．２珩磨的油石珩磨油石承受着珩磨压力，珩磨机开始工作之前，镶嵌在珩磨头的油石受到液压系统的进给压力贴合到工件表面。油石的进给压力大，可提高金属去除率和工作效率；但工作压力超过最佳工作压力（Ｉ临界压力），磨削热量就会加大，如果选取的油石不当以及不及时的冷却，油石便急剧磨损软化，甚至烧蚀工件。由此可知，珩磨油石的质量影响着珩磨加工过程中磨削热量，磨削热量的大小将会对工件的表面质量、磨损量和工件尺寸精度、表面粗糙度产生很大的影响。因此，选取优良油石质材，是保证珩磨质量的前提。下面利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，选取油石座的材料为４０Ｃｒ，油石的进给压力２ＭＰａ，油石材料分别为碳化硅和金刚石。其材料性质，如表１所示。表１材料性质Ｔａｂ．１ＴｈｅＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｅｒ材料名称弹性模量Ｅ／ＭＰａ泊松比ｕ密度．ｏ（ｍｍ３／ｋｇ）会刚石１０．５Ｅ５ｏｔ２０３．５Ｅ－６图２碳化硅油石应力分布Ｆｉｇ．２ＴｈｅＳｔｒｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＴａｂｌｅｏｆＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎＳｈａｑｌｅｎｉｎｇＳｔｏｎｅ图３金刚石油石应力分布Ｆｉｇ．３ＴｈｅＳｔｒｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＴａｂｌｅｏｆＤｉａｍｏｎｄＳｔｏｎｅｓ由图２和图３可知：金刚石油石所受的应力大于碳化硅油石，整体的变形量小于碳化硅油石，这样就很好的保证了加工的可靠性。由此可知：金刚石与碳化硅相比，磨粒的硬度高、产生大的切削作用；但是金刚石的自励性差、产生的磨削热大，过大的磨削热可能烧蚀工件的表面。因此，在同等的条件下选取适当的油石质材是降低磨削温度及保证珩磨质量的前提。４珩磨工件温度场的分析４．１珩磨工件干磨温度场的分析珩磨的热分析用于计算珩磨加工过程中，珩磨油石和工件间产生摩擦热时，温度在工件上的分带隋况１４１。要想得到精确的工件温度分布，则要建立准确的温度场；要想建立准确的温度场，必须要有实际珩磨工况的珩磨工艺参数。下面以在２ＭＫ２２１８ＹＳ珩磨机床上实验的工艺参数为依据，如表２所示。工件的材质为铸铁。镶嵌五条油石的珩磨头，工件内径和高度均为１００ｒａｍ，厚度为５ｍｍ，油石宽度ｂ为６ｍｍ。表２珩磨实验参数表Ｔａｂ．２ＨｏｎｉｎｇＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ＰａｒａｍｅｔｅｒＴａｂｌｅ
ｇｍ＝＿訾尺。（３）ｔ，Ｖ嚷％式中：ｑ，，广热流密度（ｗ抽２）；枷磨头直径（ｍｍ）。
由式（１）和式（３）可求解出温度载荷热流密度１．０１９ｘｌＯ似ｍ２・ｓ），空气对流系数为５ｗ抽：Ｋ，假设珩磨加工过程中没有磨削液，珩磨的瞬态分析是从珩磨开始到珩磨结束工件的温度场变化的情况。利用ＡＮＳＹＳ软件中的温度模块得出珩磨过程中的不同阶段工件的温度场变化的情况，如图４￣图７所示。
万方数据