磨削温度理论研究的现状与进展

 　　磨削加工是一种重要的加工工艺，它被广泛应用于高精度和高光洁度工件的生产过程中。与其他加工工艺相比，磨削加工切除单位体积材料时需要非常高的能量输入，这些能量几乎全部转化为热量集中在磨削区内，导致磨削区的温度升高。当磨削温度较高时，会使零件表层金相组织发生变化，甚至出现磨削烧伤和磨削裂纹。

因此通过研究磨削温度来探索解决磨削热损伤的途径一直是磨削加工技术重要的研究内容之一。

1 磨削热模型的发展

在磨削过程中，磨削区内的热量通过工件、磨削液、切屑和砂轮传递出去，其中特别注意的应该是传递给工件的热量，因为工件上的热量是导致温升产生热损伤的直接因素。因此，各国研究者们对磨削区内热量的传递进行了大量的研究，为能够合理准确地监视和控制热损伤奠定了坚实的基础。下表1列出了近几十年来磨削热模型的发展。


早在50年代，Outwater和Shaw基于剪切面移动热源理论建立了热量传递给工件的热源模型。Hahn提出了热量产生在磨粒磨损平面上的理论，认为热量的产生可以通过考虑磨损平面上的力和忽略剪切面上的力来进行精确描述。Malkino发现实际热源长度是几何接触长度的2～3倍。Qi发现接触长度可以由几何接触长度和由于接触力产生的弹性接触长度来进行预测。不过，Malkin的研究结果表明在几何接触长度内有超过2/3的能量进入工件。因此，对模型进行了合适的调整，建议使用几何接触长度来计算。Des Ruis-seaux发现对于典型的Peclet数和对流换热系数，重要的对流冷却将不发生在接触区。Howes也发现当磨削区的温度超过磨削液的沸腾温度时，磨削液的沸腾膜严重地限制了冷却。因此得出结论，对于浅磨削，磨削液的重要性是由于更有效的润滑来减少磨削力和磨削温度的。

Malkin经过试验得出结论:切屑带走的最大能量受熔化所需的能量限制。因此，提出滑擦、耕犁和切削能可以被分别定义。Pettit基于砂轮材料的复合体特性建立了一个热源模型(见图1)，此模型提供了确定能量传递给工件的比率Rw的一种简便方法。


Lavine建立了热量传递给单个锥形磨粒的磨粒传热模型(见图2)。此模型考虑了不同的圆锥角度对传热的影响。试验证明此模型对于小锥度角是合理精确的。Lavine假设45°圆锥角度作为评定分配率的基准。Morgan改进了圆锥磨粒模型，考虑了在接触区内瞬时发热对分配率的影响，同时把磨削温度建立在磨削点的温度之上。结果表明瞬时效应减少了分配率。


Black研究发现对于大多数含铁材料，在回火颜色发生时往往伴随着表面的严重损伤，一般回火颜色发生的临界温度在450℃至500℃。Hahn的平面模型给出了最大可能传递给磨粒的能量。Black的结果表明40°圆锥角的圆锥模型等于平面模型。因此建议使用Hahn的磨粒模型。

Rowe在前人研究的基础上综合了较多的磨削参数建立了一种简化的传热模型，此模型考虑了砂轮和工件的热特性、砂轮的锋利程度、砂轮和工件的速度、切深以及接触长度影响，1999年，C.Guo在Rowe模型的基础上做了改进，建立了一个新的模型(见图3)。


此模型考虑了磨削液的影响，通过分别考虑热传递给磨粒和磨削液来确定分配率。

我国学者也很早就开展了磨削温度的理论研究。早在60年代，哈工大的侯镇冰，上海交通大学的贝季瑶等人就开始了磨削温度的理论研究。贝季瑶用实验方法肯定了按l=(D·t)^1/2作为磨削区接触弧长的合理性，然后根据实际情况的分析，提出了热源强度在沿接触弧长上为三角形分布的假设，从而分别按单向导热和双向导热推导了计算磨削区温度的公式。东北大学在磨削温度方面的研究成果比较显著:蔡光起教授在研究高速重负荷钢坯修磨时建立了钢坯修磨热模型;高航教授在研究断续磨削时分别建立了卧轴周边断续磨削和立轴端面断续磨削的热源模型;金滩博士在研究高效深切磨削技术时，对高效深磨的传热机制进行了系统的理论研究，分别用均布和三角形分布热源假设，建立了倾斜移动热源的三种传热模型。

2 磨削温度的计算方法

磨削温度的求解一般有基于移动热源理论的近似解析法和基于离散数学的数值解法。近似解析法以数学分析为基础，得到用函数形式表示的解。在整个求解过程中，物理概念及逻辑推理清楚，所得的解能够比较清楚地表示出各种因素对热传导过程或温度分布的影响。但情况稍微复杂，解析解法就很难或不可能求解了，除非对原有问题进行简化。

由于上述原因，采用近似解析解法时研究者们往往要做出许多假设，如简化零部件形状、简化导热体表面传热状态、简化热源、热源沿表面均匀移动、热源均匀分布或三角形分布、热量大部分传入工件等等，这在一定程度上影响了求解的准确性。

数值解法以离散数学为基础，以计算机为工具，其理论基础虽不如解析解法那样严密，但对实际问题有很大的适应性。一般稍微复杂的热传导问题，几乎都通过数值解法来求解。常用的数值解法有数值积分法、有限差分法和有限元法3种，而以后2种为主。

上述表1中的大部分学者提出的磨削热模型为表达各参数对磨削温度的影响规律，多采用近似解析法进行求解和分析。

3 磨削温度测量技术

获取磨削区温度的分布对于弄清磨削热损伤的机理是极其重要的，而通过测量温度获取数据是了解热损伤机理、避免热损伤、提高加工表面质量的前提条件。

磨削温度是加工时由磨削热所引起的工件温升的一个总称。在工程研究中又按照不同的要求进一步将其区分成工件总体的平均温度、工件表层温度、砂轮磨削区的温度以及磨粒磨削点的温度等不同部位的温度来加以研究。表2是近几十年来先后见诸文献的有关磨削温度测量方法的一个汇总。


上述磨削温度的测量方法部分在文献中有详细的介绍，本文不再叙述。从目前国内外磨削温度的研究情况来看，磨削温度的测量基本上是沿用上述方法。但也有一些新的方法，如，东南大学的史金飞博士采用红外探测器采集磨屑流热辐射信号来测量磨削区的温度。目前，磨削温度的测量还不是一项十分成熟的技术，它本身还处在不断的探索、完善与发展之中，不管是对哪一种磨削温度，要真正测准一个数据都不是一件容易的事情。

4 磨削温度理论研究的发展趋势

综上所知，在磨削热模型方面，虽然许多学者已根据不同的磨削条件建立了相应的磨削热模型及其计算方法，但阐述尚不能令人完全满意。例如磨粒模型和接触区模型所考虑的因素还不够全面。在温度测量方面，测量仪器及测量方法还有待进一步的发展。目前，高速及超高速磨削技术在迅速发展，将为磨削温度的研究提供新的研究领域，对磨削温度的研究提出新的挑战。

此外，磨削温度场的研究还将在以下几个方面得到进一步的发展:

·建立能够综合反映不同磨削过程的热模型及能够对磨削温度进行动态仿真的软件;

·寻求在给定的工艺条件下准确确定热量传给工件比例R的方法;

·磨料、工件材料热特性数据库的丰富;

·综合考虑砂轮磨料、磨削液、磨屑等对磨削温度的影响;

·测量温度的试验方法及设备的改进。

目前，随着现代磨削技术的不断发展，磨削温度的研究也得到了迅速的发展;而磨削温度理论的深入研究必将进一步推动磨削技术的发展并为生产实践和磨削新技术的应用提供更为完善的理论基础。