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氮化硅陶瓷高效深磨温度的研究

发布时间:

第 45 卷第 3 期 2009 年 3 月

机 械 工 程 学 报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vo l . 4 5 Mar.

No.3 2009

DOI:10.3901/JME.2009.03.109

氮化硅陶瓷高效深磨温度的研究*
谢桂芝 1 黄 含 1, 2 徐西鹏 3 黄红武 1, 4
(1.湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心 长沙 410082; 2.昆士兰大学工程学院 布里斯班 QLD 4072 澳大利亚; 3.华侨大学机电及自动化学院 泉州 362011; 4.厦门理工学院机械系 厦门 361005)
摘要:采用K型可磨热电偶对氮化硅陶瓷高效深磨的温度进行了测量,讨论高效深磨中不同磨削参数对磨削区温度和能量分 配的影响。研究结果显示,氮化硅陶瓷高效深磨中,磨削区温度通常在200~300 ℃之间,磨削能量分配系数在2%~5%之间。 这表明大部分热量被磨屑和冷却液带走,避免了磨削区的高温。磨削区温度与弧区的*均热流密度有着较好的线性关系,即 热流密度越高对应的磨削区温度越高。当砂轮线速度或磨削深度高于临界值时,磨削弧区的温度先逐渐升高到约250 ℃,然 后急剧上升至接*干磨时的温度。 关键词:高效深磨 中图分类号:TH16 磨削温度 能量分配 氮化硅

Study on the Temperature in the High Efficiency Deep Grinding of Silicon Nitride
XIE Guizhi1 HUANG Han1, 2 XU Xipeng3 HUANG Hongwu1, 4
(1. National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha 410082; 2. School of Engineering, The University of Queensland, Brisbane QLD 4072, Australia; 3. College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Quanzhou 362011; 4. Department of Mechanical Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361005)
Abstract:The grinding temperature in the wheel-workpiece contact zone in the high efficiency deep grinding (HEDG) of silicon nitride is measured by using a grindable K type thermocouple. The effects of grinding parameters on the grinding temperature and on the energy partition are investigated. The results indicate that in the HEDG of silicon nitride, the grinding zone temperature is generally between 200 and 300 ℃, and the partition coefficient of grinding energy is between 2% and 5%, which means most heat is carried away by grinding chips and coolant, thereby avoiding the high temperature in grinding zone. The grinding zone temperature exhibits a sound linear relationship with the average heat flux, i.e. the higher the heat flux, the higher the corresponding grinding zone temperature will be. However, when the wheel linear velocity or the grinding depth exceeds the critical value, the grinding zone temperature will first rise gradually to 250 ℃, then rapidly rise to nearby the temperature of dry grinding. Key words:High efficiency deep grinding Grinding temperature Energy partition Silicon nitride

0 前言*
在陶瓷材料中氮化硅的热膨胀系数小,弯曲强 度比较高,硬度也很高,同时具有自润滑性,作为
* 教育部科学技术研究(304021)和澳大利亚研究委员会资助项目。 20080311 收到初稿,20081117 收到修改稿

机械耐磨材料使用具有较大的潜力[1]。也正由于其 具有高硬度和耐磨性,磨削、研磨和抛光是目前加 工氮化硅最主要的方法[2]。加工至零件要求的尺寸 和精度,需要消耗比金属高得多的成本,效率也极 低。氮化硅陶瓷磨削加工成本高、效率低及加工损 伤限制了它的广泛应用。经过系统的试验,研究发 现高效深磨技术是解决这一问题的有效途径[3-4]。

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磨削过程中消耗的能量几乎全部转化为热能, 并在磨削表面层形成局部高温。当温度在界面上超 过某一临界值时,就会导致砂轮损耗和工件表面热 损伤[5]。但磨削温度也能促使工程陶瓷材料产生塑 性变形,使得磨削表面破碎减少塑性流动显著增 加[6]。显然磨削温度对工程陶瓷材料高效深磨去除 机理有很大影响。 磨削温度的研究一直是开发先进磨削工艺中的 一个重要课题。过去几十年来,研究者们一直在不 懈地努力探讨磨削过程中的温度测量、传热机制和 热能分配。 ROWE[7]和 JIN 等[8]对高效深磨过程的热 特性进行分析,提出了高效深磨的温度模型,并指 出高效深磨中磨削倾角对磨削区温度及其分布有重 要影响;磨除率越高磨屑从磨削区带走的热量越多 传入工件的热量越少。BATAKO 等[9]介绍了各种测 温方法,并讨论了深切缓进给和高效深磨中接触面 温度的测量技术。XU 等[10]利用三种不同的测温方 法研究了普通干磨过程中传入工件热量所占的比 例,得到了相似的结果。其中半人工热电偶还检测 到了与砂轮转动频率相同的周期脉冲信号。KOHLI 等[11-12]采用温度匹配方法分析研究了进入被磨工件 的磨削能系数。这些研究表明:磨削加工中温度的 测量和对能量分配的探讨对认识磨削机理具有重要 意义。文献检索也表明:目前对工程陶瓷高效深磨 温度进行的研究还很缺少。因此,采用可磨热电偶 对高效深磨氮化硅的温度进行测量,并采用温度匹 配方法对进入工件的能量进行分析。研究了不同工 况对高效深磨温度,能量分配的影响,以及热流密 度与磨削区温度的关系。

为 8 MPa。分别使用压电测力仪(Kistler 9257B) 和 K 型热电偶测量磨削力和磨削区温度。力和温度信 号同时被采集系统记录。 试验考察了砂轮线速度、工作台速度、磨削深 度及冷却液对高效深磨磨削区温度和工件能量分配 的影响。采用的磨削参数如表 1 所示。
表1
序 砂轮线速度 号 1 vs/(m·s–1) 60, 90, 120, 160 120

磨削参数
磨削深 单位砂轮宽度磨除率 度 ae/mm z'w/(mm3·mm–1·s–1) 1.0 40

工件进给速度 vw/(m·min–1) 2.4 2.4, 3.6, 4.8, 6.0 2.4

2

0.5 0.5, 1.0, 1.5, 2.0

20, 30, 40, 50

3

120

20, 40, 60, 80

1.2

磨削温度测量

本试验中采用夹丝 K 型可磨热电偶法测量磨削 区温度。该热电偶的制作过程如下:首先,将尺寸 为 50 mm×10 mm×15 mm 的 两 工 件 的 各 一 个 50 mm×15 mm 面研磨抛光, 并在其中一个工件的抛 光面上采用脉冲激光技术开横截面约为 0.8 mm×0.3 mm 的通槽;然后,在工件的抛光面两端(离开开槽 部位)涂上环氧树脂胶,将热电偶薄片(横截面约为 0.60 mm×0.15 mm)、 云母片(厚度约为 0.02 mm)按如 图 2 所示放入槽中;最后,将两工件贴合,夹紧, 固化约 24 h。K 型可磨热电偶测量磨削温度的原理 是依靠两种热电偶金属薄片在磨削过程中受砂轮磨 粒挤压延伸接触形成热接点来测量磨削温度。试验 采集的典型磨削温度信号如图 3 所示。读取温度曲 线的最大值作为磨削区的温度。

1 试验条件和分析方法
1.1 磨削装置和参数 本试验是在湖南大学自行研制的超高速磨削试 验台上以顺磨方式高效深磨氮化硅陶瓷。试验系统 如图 1 所示,磨削试验采用 120/140#树脂结合剂金 刚石砂轮(直径为 350 mm, 宽度为 6 mm, 砂轮外圆 跳动不大于 10 ?m)和水基冷却液,冷却液供液压力
图2 热电偶结构图

1.3

磨削力测量

图1

试验系统图

磨削力用 KISTLER 压电晶体测力仪测量。在 高速磨削加工中,冷却液的供液压力会对工件产生 较大的作用力。因此磨削过程中所测力值减去相同 工况下空磨削时所得力值才能是真正的磨削力。

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磨削区工件表面的温度。如图 4 所示,移动坐标系 统 x'z'以热源移动速度 v 移动,磨削区的热流密度 为 q,与工作台的夹角为?。

图4

*均热源流倾斜移动二维热传输模型

根据该热源模型得到工件表面的温度公式 如下
[13]

θ=
图3 典型的磨削温度信号

?? 2ε q ? ? vx′ ? ? ? ? v ( x′ ? lc ) , cos ? ? ? ?i ? , cos ? ? ? i ? πc ρ v ? ? 2α ? ? 2α ? ?? ? i ( p, ξ ) = ∫ exp( ? ξ u )K 0 (u )du
0

(5) (6)

p

另外,测力仪测得的是水*(x)方向和垂直(z) 方向的磨削力,磨削过程的法向和切向力,可由下 式计算获得 ? ? Fn = Fx sin θ + Fz cosθ (1) ? ? Fτ = Fz sin θ ? Fx cosθ ?

q = Fc vs (7) 式中,c、 ρ 和 α 分别为工件材料的比热容、密度 和热扩散系数, α = λ / ρ c ,λ为热导率,K0 为改进
的二阶贝赛尔函数。

? 2a ? 2 θ = arccos ?1 ? e ? (2) 3 ds ? ? 式中 Fx 为测力仪测得的 x 向磨削力,Fz 为测力仪测
得的 z 向磨削力,Fn 为法向磨削力,Fτ 为切向磨削 力, θ 为法向磨削力与工作台垂直方向的夹角, ds 为砂轮直径。 而*均单位面积切向磨削力可由式(3)定义 F Fc = τ (3) lc w 式中 Fc 为单位面积切向磨削力,lc 为磨削区的接触 弧长,w 为砂轮宽度。由于本试验所采用工件的沿 磨削方向的尺寸在某些工况下要小于完成整个接触 弧长磨削所需的尺寸,这时的单位面积切向磨削力 计算公式为

2 试验结果分析
2.1 磨削力 求解进入工件的磨削能分配系数需要单位面积 切向磨削力。本试验获得的氮化硅高效深磨单位面 积切向磨削力如表 2 所示,对氮化硅高效深磨磨削 力的讨论见文献[4]。
表2
砂轮线速度 vs/(m·s–1) 60 90 120 160 120 120 120 120 120 120

各工况的单位面积切向磨削力
磨削深度 ae/mm 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 1.5 2.0 单位面积切向磨削力 Fc/(N·mm–2) 1.288 1±0.210 8 0.765 8±0.035 1 0.583 8±0.009 1 0.482 3±0.022 9 0.419 7±0.038 6 0.619 5±0.039 0 0.698 4±0.108 3 0.889 1±0.144 5 1.001 5±0.195 8 1.209 7±0.097 2

工件进给速度 vw/(m·min–1) 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 3.6 4.8 6.0 2.4 2.4

Fc ≈

( Fz sin θ ? Fx cosθ )
wb d s

ds ? ae

(4)

式中 b 为工件沿磨削方向的宽度。 1.4 磨削能量分配 采用温度匹配法 对磨削过程中进入工件的 能量进行分析。该方法令理论计算温度值和测量值 相等得到进入工件的能量,然后将得到的能量值除 以总的磨削能就得到了进入工件的能量分配系数 ε 。采用*均热源倾斜移动二维热传输模型来计算
[11-12]

2.2

磨削温度和能量分配

2.2.1 砂轮线速度的影响 砂轮线速度对磨削温度和进入工件的能量分配 系数的影响规律如图 5 所示。 由图 5a 可知, 砂轮线 速度由 60 m/s 升高至 120 m/s,磨削温度逐渐降低, 且保持在 200~300 ℃之间;当砂轮线速度升高至

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160 m/s 时, 同一工况下的磨削温度值相差很大, 最 高温度达 1 100 ℃,较低温度约为 200 ℃。由图 5b 可知,当砂轮线速度由 60 m/s 升高至 120 m/s,* 均的能量分配系数稍有降低,且都不大于 4%;当砂 轮线速度升高至 160 m/s 时,同一工况的磨削能分配 系数差距很大, 最高值达 12%以上, 最小值约为 2%。

图6

工作台速度对磨削温度和能量分配系数 的影响(vs=120 m/s, ae=0.5 mm)

图5

砂轮线速度对磨削温度和能量分配系数 的影响( vw =2.4 m/min, ae=1 mm)

2.2.2 工作台速度的影响 工作台速度对磨削温度和进入工件的能量分配 系数的影响规律如图 6 所示。 由图 6a 可知, 随着工 作台速度的提高,磨削温度升高,总的来说,所有 的温度*均值保持在 200~250℃之间。由图 6b 可 知, 随着工作台速度的提高, 磨削能分配系数升高, 且都不大于 5%。 2.2.3 磨削深度的影响 磨削深度对磨削温度和进入工件的能量分配系 数的影响规律如图 7 所示。 由图 7a 可知, 随着磨削 深度由 0.5 mm 增至 1 mm,工件表面磨削温度约为 200 ℃,变化不大;当磨削深度达到 1.5 mm,磨削 温度突然增大。由图 7b 可知,随着磨削深度由 0.5 mm 增至 1 mm,磨削能分配系数变化也不大, 在 2%~4%之间;当磨削深度达到 1.5 mm,磨削能 分配系数也突然增大。

图7

磨削深度对磨削温度和能量分配系数 的影响(vs=120 m/s, vw=2.4 m/min)

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热流密度越高对应的磨削区温度越高。

3 讨论
砂轮线速度小于 160 m/s 时,随着砂轮线速度 增加, 磨削温度稍有降低, 且保持在 200~300 ℃之 间。这是由于砂轮线速度增加,单位面积磨削力减 小, 速度和力对磨削区热流密度(Fcvs)的影响相互抵 消,因此在砂轮线速度小于 160 m/s 时磨削温度变 化不大(图 5)。 工作台速度对磨削温度的影响也不显 著。 随着工作台速度的增加, 单位面积磨削力增加, 磨削区的热流密度增加,但是工作台速度的升高也 使排屑速度增加,大量的磨削热没来得及传入工件 就被磨屑带走。在这两方面因素的综合影响下,工 作台速度升高只导致磨削温度稍微上升,变化幅度 仅在 200~250 ℃之间(图 6)。 随着磨削深度的增加, 单位面积磨削力增加,磨削区的热流密度增加, 且 接触弧长变长,磨粒与工件摩擦作用路径增长,因 此磨削深度对磨削温度的影响很大(图 7)。 从图 5 和图 7 中可以看到,当砂轮线速度达到 160 m/s 或者磨削深度大于 1.5 mm,磨削温度会发 生显著升高的现象。最高温度可达 1 100 ℃。典型 的温度信号如图 8 所示,磨削弧区的温度先逐渐升 高至约 250 ℃,然后就急剧上升并贯穿接下来的整 个区域。为进一步理解磨削区温度中途急剧升高的 现象,特进行了一组干湿磨对比试验,其磨削条件 为:vs=160 m/s, ae =0.5 mm, vw=1.2 m/min。干磨温 度信号如图 3a 所示,最高温度达 1 200 ℃,相应的 能量分配系数为 28%。湿磨时磨削温度急剧升高达 到 1 100 ℃,与干磨的最高温度相*,说明温度急 剧升高时磨削区域内的冷却条件接*干磨。

图9

磨削温度与热流密度的关系

图8

磨削温度信号

由以上分析可以看出磨削区的热流密度对磨削 温度的影响很大。为了进一步说明这种影响,将图 5~7 中的*均温度数据和由式(7)计算得到的热流 密度值重新画于图 9 中。图中空心的正方形和三角 形符号分别代表在高速和大切深工况下温度急剧升 高时的数值,实心符号表示没有发生温度突然升高 的数据。图 9 表明,除发生温度急剧升高的情况, 磨削区的温度与热流密度有着较好的线性关系,即

导致磨削区冷却条件恶化磨削温度突然升高的 原因是什么呢?仔细分析磨削工况后不难发现,发 生此现象的工况是超高速(vs=160 mm/s)或高速大切 深(vs=120 mm/s,ae≥1.5 mm)加工。高效深磨中,砂 轮线速度提高,磨削接触区前的气障增强,使得冷 却液进入磨削区遇到的阻力增大。一旦冷却液不能 克服气流阻力,进入磨削区的有效冷却液减少,冷 却效果下降,磨削区的温度急剧升高[14]。这就导致 了砂轮线速度达到 160 m/s 时,磨削温度的急剧升 高。由图 5 可知,当砂轮线速度为 160 m/s 时,磨 削温度在较大的范围内变化,说明本试验工况下线 速度为 160 m/s 时形成的气流阻力可能是冷却液注 入的临界不稳定点。在砂轮线速度为 120 m/s 磨削 深度为 1.5 和 2.0 mm 时,磨削温度也突然增大。 这是由于磨削深度增加至一定的值后,磨削区的热 流密度将相当高,如图 9 所示大于 120 W? mm–2。 这种由于磨削深度增加磨削弧区温度急剧升高的现 象,在深切缓进给磨削中[15-16]和碳钢的高效深磨中 也发生过[17],且被认为是由于磨削区的热流密度超 过磨削液的临界热流密度值,磨削区冷却液成膜沸 腾,冷却效果降低,导致工件表面的高温。 在氮化硅高效深磨中,只要不发生磨削过程中 温度突然升高现象,大部分热量将被磨屑和冷却液 带走,磨削区温度通常在 200~300℃之间,能量分 配系数在 2%~5%之间。当砂轮线速度或磨削深度 超过临界值,磨削过程中温度突然升高,可高达 800~1 100 ℃,此时相应的能量分配系数达 12%。 磨削温度如此之高无疑会对工件和砂轮带来热损 伤。这种现象可以通过改变冷却液供液条件来改善, 如采用靴型喷嘴,使冷却液更有效地进入磨削区。这 也是高速深磨工程陶瓷未来研究的重大课题。

4 结论
(1) 当砂轮线速度不大于 120 m/s,磨削深度不

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报 Manufacture, 2001, 41:1-19.

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大于 1.5 mm 时的磨削温度一般在 200~300 ℃之 间,大部分磨削热量被磨屑和冷却液带走,进入工 件的能量分配系数通常在 2%~5%之间,且磨削温 度与热流密度有着较好的线性关系,即热流密度越 高对应的磨削区温度越高。 (2) 当砂轮线速度高达 160 m/s,或磨削深度高 于 1.5 mm 时,冷却液冷却效果显著下降。因此磨 削温度会急剧上升,接*干磨时的温度。 参 考 文 献

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作者简介:谢桂芝,女,1977 年出生,博士研究生。主要研究方向为难 加工材料高效深磨。 E-mail:guizhixie@yahoo.com.cn




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