磨削加工是一種重要的加工工藝，它被廣泛應(yīng)用于高精度和高光潔度工件的生產(chǎn)過(guò)程中。與其他加工工藝相比，磨削加工切除單位體積材料時(shí)需要非常高的能量輸入，這些能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量集中在磨削區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致磨削區(qū)的溫度升高。當(dāng)磨削溫度較高時(shí)，會(huì)使零件表層金相組織發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)磨削燒傷和磨削裂紋。

因此通過(guò)研究磨削溫度來(lái)探索解決磨削熱損傷的途徑一直是磨削加工技術(shù)重要的研究?jī)?nèi)容之一。

1 磨削熱模型的發(fā)展

在磨削過(guò)程中，磨削區(qū)內(nèi)的熱量通過(guò)工件、磨削液、切屑和砂輪傳遞出去，其中特別注意的應(yīng)該是傳遞給工件的熱量，因?yàn)楣ぜ系臒崃渴菍?dǎo)致溫升產(chǎn)生熱損傷的直接因素。因此，各國(guó)研究者們對(duì)磨削區(qū)內(nèi)熱量的傳遞進(jìn)行了大量的研究，為能夠合理準(zhǔn)確地監(jiān)視和控制熱損傷奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下表1列出了近幾十年來(lái)磨削熱模型的發(fā)展。


早在50年代，Outwater和Shaw基于剪切面移動(dòng)熱源理論建立了熱量傳遞給工件的熱源模型。Hahn提出了熱量產(chǎn)生在磨粒磨損平面上的理論，認(rèn)為熱量的產(chǎn)生可以通過(guò)考慮磨損平面上的力和忽略剪切面上的力來(lái)進(jìn)行精確描述。Malkino發(fā)現(xiàn)實(shí)際熱源長(zhǎng)度是幾何接觸長(zhǎng)度的2～3倍。Qi發(fā)現(xiàn)接觸長(zhǎng)度可以由幾何接觸長(zhǎng)度和由于接觸力產(chǎn)生的彈性接觸長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。不過(guò)，Malkin的研究結(jié)果表明在幾何接觸長(zhǎng)度內(nèi)有超過(guò)2/3的能量進(jìn)入工件。因此，對(duì)模型進(jìn)行了合適的調(diào)整，建議使用幾何接觸長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。Des Ruis-seaux發(fā)現(xiàn)對(duì)于典型的Peclet數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)，重要的對(duì)流冷卻將不發(fā)生在接觸區(qū)。Howes也發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削區(qū)的溫度超過(guò)磨削液的沸騰溫度時(shí)，磨削液的沸騰膜嚴(yán)重地限制了冷卻。因此得出結(jié)論，對(duì)于淺磨削，磨削液的重要性是由于更有效的潤(rùn)滑來(lái)減少磨削力和磨削溫度的。

Malkin經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論:切屑帶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別定義。Pettit基于砂輪材料的復(fù)合體特性建立了一個(gè)熱源模型(見圖1)，此模型提供了確定能量傳遞給工件的比率Rw的一種簡(jiǎn)便方法。


Lavine建立了熱量傳遞給單個(gè)錐形磨粒的磨粒傳熱模型(見圖2)。此模型考慮了不同的圓錐角度對(duì)傳熱的影響。試驗(yàn)證明此模型對(duì)于小錐度角是合理精確的。Lavine假設(shè)45°圓錐角度作為評(píng)定分配率的基準(zhǔn)。Morgan改進(jìn)了圓錐磨粒模型，考慮了在接觸區(qū)內(nèi)瞬時(shí)發(fā)熱對(duì)分配率的影響，同時(shí)把磨削溫度建立在磨削點(diǎn)的溫度之上。結(jié)果表明瞬時(shí)效應(yīng)減少了分配率。


Black研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)含鐵材料，在回火顏色發(fā)生時(shí)往往伴隨著表面的嚴(yán)重?fù)p傷，一般回火顏色發(fā)生的臨界溫度在450℃至500℃。Hahn的平面模型給出了最大可能傳遞給磨粒的能量。Black的結(jié)果表明40°圓錐角的圓錐模型等于平面模型。因此建議使用Hahn的磨粒模型。

Rowe在前人研究的基礎(chǔ)上綜合了較多的磨削參數(shù)建立了一種簡(jiǎn)化的傳熱模型，此模型考慮了砂輪和工件的熱特性、砂輪的鋒利程度、砂輪和工件的速度、切深以及接觸長(zhǎng)度影響，1999年，C.Guo在Rowe模型的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，建立了一個(gè)新的模型(見圖3)。


此模型考慮了磨削液的影響，通過(guò)分別考慮熱傳遞給磨粒和磨削液來(lái)確定分配率。

我國(guó)學(xué)者也很早就開展了磨削溫度的理論研究。早在60年代，哈工大的侯鎮(zhèn)冰，上海交通大學(xué)的貝季瑤等人就開始了磨削溫度的理論研究。貝季瑤用實(shí)驗(yàn)方法肯定了按l=(D·t)^1/2作為磨削區(qū)接觸弧長(zhǎng)的合理性，然后根據(jù)實(shí)際情況的分析，提出了熱源強(qiáng)度在沿接觸弧長(zhǎng)上為三角形分布的假設(shè)，從而分別按單向?qū)岷碗p向?qū)嵬茖?dǎo)了計(jì)算磨削區(qū)溫度的公式。東北大學(xué)在磨削溫度方面的研究成果比較顯著:蔡光起教授在研究高速重負(fù)荷鋼坯修磨時(shí)建立了鋼坯修磨熱模型;高航教授在研究斷續(xù)磨削時(shí)分別建立了臥軸周邊斷續(xù)磨削和立軸端面斷續(xù)磨削的熱源模型;金灘博士在研究高效深切磨削技術(shù)時(shí)，對(duì)高效深磨的傳熱機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，分別用均布和三角形分布熱源假設(shè)，建立了傾斜移動(dòng)熱源的三種傳熱模型。

2 磨削溫度的計(jì)算方法

磨削溫度的求解一般有基于移動(dòng)熱源理論的近似解析法和基于離散數(shù)學(xué)的數(shù)值解法。近似解析法以數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)，得到用函數(shù)形式表示的解。在整個(gè)求解過(guò)程中，物理概念及邏輯推理清楚，所得的解能夠比較清楚地表示出各種因素對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程或溫度分布的影響。但情況稍微復(fù)雜，解析解法就很難或不可能求解了，除非對(duì)原有問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。

由于上述原因，采用近似解析解法時(shí)研究者們往往要做出許多假設(shè)，如簡(jiǎn)化零部件形狀、簡(jiǎn)化導(dǎo)熱體表面?zhèn)鳠釥顟B(tài)、簡(jiǎn)化熱源、熱源沿表面均勻移動(dòng)、熱源均勻分布或三角形分布、熱量大部分傳入工件等等，這在一定程度上影響了求解的準(zhǔn)確性。

數(shù)值解法以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析解法那樣嚴(yán)密，但對(duì)實(shí)際問(wèn)題有很大的適應(yīng)性。一般稍微復(fù)雜的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，幾乎都通過(guò)數(shù)值解法來(lái)求解。常用的數(shù)值解法有數(shù)值積分法、有限差分法和有限元法3種，而以后2種為主。

上述表1中的大部分學(xué)者提出的磨削熱模型為表達(dá)各參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律，多采用近似解析法進(jìn)行求解和分析。

3 磨削溫度測(cè)量技術(shù)

獲取磨削區(qū)溫度的分布對(duì)于弄清磨削熱損傷的機(jī)理是極其重要的，而通過(guò)測(cè)量溫度獲取數(shù)據(jù)是了解熱損傷機(jī)理、避免熱損傷、提高加工表面質(zhì)量的前提條件。

磨削溫度是加工時(shí)由磨削熱所引起的工件溫升的一個(gè)總稱。在工程研究中又按照不同的要求進(jìn)一步將其區(qū)分成工件總體的平均溫度、工件表層溫度、砂輪磨削區(qū)的溫度以及磨粒磨削點(diǎn)的溫度等不同部位的溫度來(lái)加以研究。表2是近幾十年來(lái)先后見諸文獻(xiàn)的有關(guān)磨削溫度測(cè)量方法的一個(gè)匯總。


上述磨削溫度的測(cè)量方法部分在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的介紹，本文不再敘述。從目前國(guó)內(nèi)外磨削溫度的研究情況來(lái)看，磨削溫度的測(cè)量基本上是沿用上述方法。但也有一些新的方法，如，東南大學(xué)的史金飛博士采用紅外探測(cè)器采集磨屑流熱輻射信號(hào)來(lái)測(cè)量磨削區(qū)的溫度。目前，磨削溫度的測(cè)量還不是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，它本身還處在不斷的探索、完善與發(fā)展之中，不管是對(duì)哪一種磨削溫度，要真正測(cè)準(zhǔn)一個(gè)數(shù)據(jù)都不是一件容易的事情。

4 磨削溫度理論研究的發(fā)展趨勢(shì)

綜上所知，在磨削熱模型方面，雖然許多學(xué)者已根據(jù)不同的磨削條件建立了相應(yīng)的磨削熱模型及其計(jì)算方法，但闡述尚不能令人完全滿意。例如磨粒模型和接觸區(qū)模型所考慮的因素還不夠全面。在溫度測(cè)量方面，測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法還有待進(jìn)一步的發(fā)展。目前，高速及超高速磨削技術(shù)在迅速發(fā)展，將為磨削溫度的研究提供新的研究領(lǐng)域，對(duì)磨削溫度的研究提出新的挑戰(zhàn)。

此外，磨削溫度場(chǎng)的研究還將在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步的發(fā)展:

·建立能夠綜合反映不同磨削過(guò)程的熱模型及能夠?qū)δハ鳒囟冗M(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真的軟件;

·尋求在給定的工藝條件下準(zhǔn)確確定熱量傳給工件比例R的方法;

·磨料、工件材料熱特性數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富;

·綜合考慮砂輪磨料、磨削液、磨屑等對(duì)磨削溫度的影響;

·測(cè)量溫度的試驗(yàn)方法及設(shè)備的改進(jìn)。

目前，隨著現(xiàn)代磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，磨削溫度的研究也得到了迅速的發(fā)展;而磨削溫度理論的深入研究必將進(jìn)一步推動(dòng)磨削技術(shù)的發(fā)展并為生產(chǎn)實(shí)踐和磨削新技術(shù)的應(yīng)用提供更為完善的理論基礎(chǔ)。