钛合金高速外圆磨削的温度特征实验研究

第７期　２０１３年７月　组合机床与自动化加工技术　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＮＯ．７　Ｊｕ１．２０１３　文章编号：１００１—２２６５（２０１　３）０７—００１６—０３　钛合金高速外圆磨削的温度特征实验研究米　张电丛，李蓓智，张家梁，庞静珠　（东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）　摘要：运用可磨热电偶技术多点测试钛合金磨削表面温度，并基于对ＴＣ４钛合金高速外圆磨削温度　的测试实验，分析了砂轮线速度、磨削深度及工件速度等工艺参数对工件表面磨削温度的影响机制。　揭示了表面磨削温度随着砂轮线速度的提高而上升，以及随磨削深度的增加而升高，随工件速度的　提高而下降的变化规律。实验结果可为进一步研究高速磨削机理及优化工艺参数提供依据，从而实　现改善工件表面质量、提高加工效率的目的。　关键词：高速外圆磨削；温度测试；热电偶　中图分类号：ＴＨ１６；ＴＧ６５　文献标识码：Ａ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｇｒｉｎｄｉｎｇ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　Ａｌｌｏｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｉａｎ—ｃｏｎｇ，ＬＩ　Ｂｅｉ—ｚｈｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａ—ｌｉａｎｇ，ＰＡＮＧ　Ｊｉｎｇ—ｚｈｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｍｕｌｔｉ—ｐｏｉｎｔｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒｉｎｄａｂｌｅ　ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂ　ａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｅｓｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒ—　ａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＴＣ４　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｗｈｅｅｌ　ｓｐｅｅｄ，　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｓｐｅｅｄ．ｅｔｃ　ｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ．　Ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｗｈｅｅｌ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ｒｅ—　ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｂｕｔ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｓｐｅｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．ｆ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ　０　引言　钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特　点而被广泛用于航空航天、国防等各个领域。当合　金中的氧、氮控制到低含量时，还能在低温　在磨削过程中，对于去除单位体积材料需要极　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，导致磨削区的温度急剧升高，且在表面　层形成极大的温度梯度。工件表面温度常可高达　１０００℃以上，在表面层形成极大的温度梯度（可达　（一ｌ９６ｃＣ）保持良好的塑性，可用于制作低温高压容　器　。正是由于钛合金具有热稳定性好、高温强度　高、化学活性大、热导率低、弹性模量低等材料特　性　，使钛合金成为典型的难加工材料。　６００～１００ｏＩ＝／ｍｍ），其结果将会导致零件的抗磨损性　能降低，应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性变差，从　而降低零件的使用寿命和工作性能　。此外，磨削　周期中工件的累积温升，也会导致Ｔ件产生尺寸误　差和形状误差。　磨削时因其严重的砂轮粘附作用及复杂的磨削　变形等现象，导致在磨削钛合金时产生显著的砂轮　磨削温度测试方法有很多种，目前比较可靠的　磨损、较大磨削力及较高的磨削温度。磨削温度直　接影响工件的表面加工质量、加工精度和加工效率。　因此，通过研究磨削温度特征来探索解决产生磨削　缺陷的热机理以及寻求控制磨削工件质量具有重要　的意义。　收稿日期：２０１２—１１—０４　测温方法有热电偶测温法和红外测温法两种。但是　热电偶测温法仍然是能够进入磨削区直接测量的唯　有效的方法　。现阶段我国超高速磨削发展最主　要的问题就是由于受实验装置及实验手段的限制，　一进行的高速、超高速磨削工艺实验较少，且多数止于　｛基金项目：国家９７３项目（２００９ＣＢ７２４４０３）；上海市重点学科建设项目（Ｂ６０２）　作者简介：张电丛（１９８８一），男，安徽宿州人，东华大学机械Ｔ程学院硕士研究生，主要从事高速磨削机理的研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｚｈａｎｇｄｉａｎｃｏｎｇ＠　１６３．ＣＯＩ／Ｉ。　２０１３年７月　张电丛，等：钛合金高速外圆磨削的温度特征实验研究　・１７・　平面磨削实验。文献［４—８］对和一些工件材料（如　４５钢、钛合金、工程陶瓷等）进行了一系列的磨削温　度实验研究。而本文主要研究内容的不同之处和难　点在于，采用热电偶的多点测温技术　。　（三点），测试　。搭接或焊在一起形成热电偶结点，在热电偶与测试仪　器之间形成回路。因为热电效应，会在测试回路中产　生电势差，经过调理转换后得到磨削温度信号。此种　方法获得的温度曲线是在砂轮——工件接触弧区沿工　钛合金高速外圆磨削弧区的温度，分析不同工艺参数　对磨削温度的影响规律。实验的测试方法与结果对于　今后高速外圆磨削的温度场研究有一定指导意义。　１磨削温度的测试实验　１．１　磨削温度测试的实验条件　高速外圆磨削温度测试实验平台主要由超高速　数控外圆磨床、热电偶传感器、集流环、ＮＩ　ＵＳＢ一９２１３　数据采集卡及Ｌａｂｖｉｅｗ数据采集系统组成，实际平台　如图１所示，实验条件见表１。ＮＩ　ＵＳＢ一９２１３数据采　集卡为高密度热电偶测量设备，其测量误差在一定　程度上取决于热电偶型号、热电偶自身精度、被测温　度以及冷端温度。超高速数控外圆磨床的型号为　ＭＧＫＳ１３３２／１０００．Ｈ，磨床使用陶瓷结合剂ＣＢＮ砂轮，　砂轮直径为４００ｍｍ，电机功率２８ｋＷ，主轴最高转速　为８０００ｒｐｍ。　表１磨削实验条件　磨削与冷却方式　外圆切人式磨削、逆磨、干磨　砂轮　４００（直径）×３８（宽度）、陶瓷结合剂ＣＢＮ　磨削功率　２８ｋＷ　砂轮线速度　４５　６２　７６　９１　１２０　ｍ／ｓ　工件转速　０．１、０．１２、０．１４、０．１６、０．２　ｍ／ｓ　磨削深度　３　５　８　１０　１２　１４　１７ｉｌｍ　材料去除率　０．３、０．４５、０．６…１　２、１．６８、２．０４、２．７２　ｍｍ　／ｍｍ・Ｓ　图１测温实验平台　１．２磨削温度的测试方法　磨削温度的测试采用夹片式可磨人工热电偶温度　传感器，其结构及制作过程如图２所示，所使用的热电　偶类型为Ｋ型，即镍铬、镍硅热电偶。为增大接触面　积，把热电偶丝压成均厚薄片（约０．０４ｍｍ），热电偶的　两极及两极与基体之间以厚度不超过０．０２５ｍｍ的云　母片为绝缘层隔开。传感器基体是５×１５ｒａｍ的钛合　金ＴＣ４小圆柱，将其剖开后，在其中一个半圆柱的剖　面上刻３道细槽，槽间距０．５ｍｍ，细槽宽为０．４ｍｍ，深　度１．４ｍｍ。将粘接好的热电偶置于细槽中，再将圆柱　体用高温胶粘接固定在圆盘工件中。在磨削过程中，　测量端进入磨削区域时，由于磨削过程中的塑性变形　及高磨削温度的作用，两根热电偶丝的顶端就会互相　件表面分布的最高温度。　镍铬　图２热电偶传感器结构　１．３磨削温度信号测量精度的影响因素分析　在使用热电偶技术测量磨削温度的实验中还发　现，磨削温度的测量精度与以下因素有关，应当进一　步研究：　（１）热电偶片的形状、尺寸对获得可靠的测量　温度有一定影响。厚的热电偶片在磨削时，与工件　接触的面积大，能可靠地熔焊出热电偶结，所以较厚　的热电偶片在使用过程中更可靠。而薄的热电偶片　形成的结点也比较小，产生的信号较弱，会使温度的　测量值偏小。　（２）冷却液也会对测量结果产生影响。原因可　能是冷却液体具有导电性，会在热电偶、工件和工作　台之间形成一个环路，从而影响热电偶输出的电信　号。实验中，干磨的信号就比湿磨理想，在湿磨工件　时，温度信号有时会中断。　（３）热电偶时间常数的确定有助于提高测量精　度。由于工作台速度较高，热源对热电偶的作用时　间很短，热电偶由于本身的热惯性不可能达到热平　衡状态时的温度，而只是实际温度引起的一个反应。　为得到尽量准确的温度值，还必须考虑热电偶的时　间常数，做进一步的数据修正。　（４）对温度信号的处理，也是影响结果的不可　忽略的因素。实验中若将热电偶传感器输出的信号　直接引入ＤＡＱ系统（如ＬＭＳ），则信号曲线会产生剧　烈波动，若将温度信号通过温度变送器或信号调理　机箱的放大及滤波后，则信号较为平稳。本实验中　运用的数据采集卡ＮＩ一９２１３内置信号调理冷端温度　补偿，输出的信号平稳且具有较高的精度。　（５）温度信号的测量精度与设备的采样率有较　大关联。磨削过程中，温度信号的持续时间是热源　经过弧区磨到热电偶的时间，而这个时间往往很短，　因此对采样频率的要求较高。若磨削深度为　０．０１７ｍｍ，工件转速为０．１２ｍ／ｓ，则磨削弧长约　１．５ｍｍ，砂轮经过弧区时间约１２ｍｓ，若采集卡采用频　率是１０００ＨＺ，则磨削弧区内可采集到１２个点。若提　高工件速度，弧区时间减少，可采集的点数会更少，　如此，则测量到的磨削弧区最高温度会被低估。　・１８・　组合机床与自动化加工技术　第７期　２实验结果与分析　运用可磨热电偶测试到的温度曲线如图３所　示，图中的３条曲线分别是传感器中三个测试点在　砂轮线速度　＝６２ｍ／ｓ，工件速度ｖ＝０．２ｍ／ｓ，切深　ｏ　：０．００３ｍｍ条件下测到的温度信号，从图中可看　到，曲线在传感器进入磨削弧区前，平稳在室温附　近，待砂轮磨削到热电偶传感器时，温度急剧上升直　至最高点，随着工件上的传感器转出磨削区，温度曲　线快速下降，热量传散至工件、砂轮、磨屑及周围空　气介质中。为了减少测试过程中产生的偶然误差，　本文运用的数据采用三条曲线中的最大值Ｔｍａｘ及　各曲线最大值的平均值Ｔｍｅａｎ作为分析依据。通过　单因素分析，可得到在不同的工艺条件下（砂轮线速　度、工件转速及切深等）工件表面最高温度的变化规　律，为进一步研究磨削机理、热力耦合及工件表面完　整性等提供依据。　３００　２５０　２００　５　１５０　第１点、　ｈ　第２点、、　１００　５０　第３点　．　．　０　１２　０５　ｌ２．１　１２．１５　ｌ２．２　１２　２５　ｆｆｓ】　图３传感器３点测试温度信号　２．１　砂轮线速度对磨削温度的作用机制　从图４、５可看出，干磨条件下，工件转速和磨削深　度保持恒定时，磨削弧区温度会随着砂轮线速度的提　高而增加，一方面是由于砂轮速度的提高会导致磨削　加工消耗的功率增加，而消耗的功率大多转化为弧区　的热量；另一方面，在材料去除率不变情况下，随着砂　轮速度的提高，单位时间内同时参与作用的磨粒数增　多，导致磨粒与工件之间的摩擦加剧，从而产生大量的　热。磨削温度在较小切深（ａ　＝０．００３ｍｍ）情况下随砂　轮线速度的升高而增大，但增长缓慢，而在较大切深　（ｏ　＝０．０１７）情况下增长较快。这也说明切深比砂轮　速度对温度的影响因子更大。　ｖ（ｎＶｓ）　Ｏｎ，ｓ）　图４　Ｖ　＝０．１ｍ／ｓ，ａ　＝　图５　Ｖ　＝０．１２ｍ／ｓ，ａｐ＝　０．００３ｒａｍ条件下　０．０１７ｒａｍ条件下　的变化情况　的变化情况　２．２切削深度对磨削温度断作用机制　从图６可知，随着切深增大，工件表面最高温度显　著升高。这是因为随着切深加大，磨削过程中的切削　变形力及摩擦力均随之增大，消耗的功率变大，导致磨　削温度升高。但随着ｎ。的继续增加，温升有明显减缓　的趋势。这表明当切深增加时，对应的材料去除率将　增加，但去除每单位体积所消耗的能量（比磨削能）将　减小，因此导致进入工件的热量随着切深的继续增加　而逐渐减小，即磨削过程中产生的尺寸效应。　８ｏ０　７００　６０ｏ　５０ｏ　４ｏ０　３００　２ｏ０　１０ｏ　０　图６　＝９０ｍ／ｓ，Ｖ　＝０．１２ｍ／ｓ条件下ａ，的变化情况　２．３　工件速度对磨削温度的作用机制　从图７可得到，随着工件速度的提高，其表面的　最高温度呈下降的趋势。这是由于在工件速度提高　的情况下，砂轮经过磨削弧区的时问减少，在这段时　间内磨削热传人工件的热量也就相应减少；同时，被　磨屑带走的热量也会增加。因而温度降低。在磨削　ＴＣ４时，比磨除率所涉及到的两个工艺参数（　和　ｎ　）为主要影响变量，而　的影响相对较弱一些，因　此，在磨削中我们可以选用较大的工件转速　，适中　的切深ｏ　和砂轮线速度　来获得较低的工件表面　温度，通过合理地优化磨削工艺参数组合，有利于减　少工件表面热损伤，从而获得良好的表面质量。　８２０　８００　７８０　７６０　７４０　７２０　７００　６８０　图７　Ｖ　＝１２０ｍ／ｓ，ａ　＝０．０１７ｍｍ条件下Ｖ　的变化情况　３　结论　通过开展对钛合金ＴＣ４高速外圆磨削的一系列　测温实验，可以得出结论：在保持磨削深度和工件速　度恒定情况下，在一定范围内，磨削温度会随着砂轮　线速度的提高而增加，磨削弧区内产生大量的热；随　着切深增大，工件表面最高温度显著升高，但随着切　深的继续增加，温升有明显减缓的趋势，表明当切深　增加时，去除每单位体积所消耗的能量（比磨削能）　将减小，磨削过程中出现了尺寸效应；随着工件速度　的提高，其表面的最高温度呈下降的趋势，表明在较　大工件速度条件下，磨削弧区内产生的热量被更多　更快地传散到其他介质或磨屑载体中。在一定条件　下，磨削ＴＣ４时切深和工件速度比砂轮速度对温度　的影响更大，可通过工艺参数的合理优化，达到磨削　质量与效率的最佳组合。　（下转第２１页）