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)過程中。與其他加工工藝相比，磨削加工切除單位體積材料時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，會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。

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

1 磨削熱模型的發(fā)展

在磨削過程中，磨削區(qū)內(nèi)的熱量通過工件、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，因為工件上的熱量是導(dǎo)致溫升產(chǎn)生熱損傷的直接因素。因此，各國研究者們對磨削區(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實的基礎(chǔ)。下表1列出了近幾十年來磨削熱模型的發(fā)展。


早在50年代，Outwater和Shaw基于剪切面移動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)生可以通過考慮磨損平面上的力和忽略剪切面上的力來進(jìn)行精確描述。Malkino發(fā)現(xiàn)實際熱源長度是幾何接觸長度的2～3倍。Qi發(fā)現(xiàn)接觸長度可以由幾何接觸長度和由于接觸力產(chǎn)生的彈性接觸長度來進(jìn)行預(yù)測。不過，Malkin的研究結(jié)果表明在幾何接觸長度內(nèi)有超過2/3的能量進(jìn)入工件。因此，對模型進(jìn)行了合適的調(diào)整，建議使用幾何接觸長度來計算。Des Ruis-seaux發(fā)現(xiàn)對于典型的Peclet數(shù)和對流換熱系數(shù)，重要的對流冷卻將不發(fā)生在接觸區(qū)。Howes也發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削區(qū)的溫度超過磨削液的沸騰溫度時，磨削液的沸騰膜嚴(yán)重地限制了冷卻。因此得出結(jié)論，對于淺磨削，磨削液的重要性是由于更有效的潤滑來減少磨削力和磨削溫度的。

Malkin經(jīng)過試驗得出結(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的一種簡便方法。


Lavine建立了熱量傳遞給單個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傳熱的影響。試驗證明此模型對于小錐度角是合理精確的。Lavine假設(shè)45°圓錐角度作為評定分配率的基準(zhǔn)。Morgan改進(jìn)了圓錐磨粒模型，考慮了在接觸區(qū)內(nèi)瞬時發(fā)熱對分配率的影響，同時把磨削溫度建立在磨削點的溫度之上。結(jié)果表明瞬時效應(yīng)減少了分配率。


Black研究發(fā)現(xiàn)對于大多數(shù)含鐵材料，在回火顏色發(fā)生時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)，建立了一個新的模型(見圖3)。


此模型考慮了磨削液的影響，通過分別考慮熱傳遞給磨粒和磨削液來確定分配率。

我國學(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。貝季瑤用實驗方法肯定了按l=(D·t)^1/2作為磨削區(qū)接觸弧長的合理性，然后根據(jù)實際情況的分析，提出了熱源強(qiáng)度在沿接觸弧長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)荷鋼坯修磨時建立了鋼坯修磨熱模型;高航教授在研究斷續(xù)磨削時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，對高效深磨的傳熱機(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)，建立了傾斜移動熱源的三種傳熱模型。

2 磨削溫度的計算方法

磨削溫度的求解一般有基于移動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。在整個求解過程中，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熱傳導(dǎo)過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，除非對原有問題進(jìn)行簡化。

由于上述原因，采用近似解析解法時研究者們往往要做出許多假設(shè)，如簡化零部件形狀、簡化導(dǎo)熱體表面?zhèn)鳠釥顟B(tài)、簡化熱源、熱源沿表面均勻移動、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，但對實際問題有很大的適應(yīng)性。一般稍微復(fù)雜的熱傳導(dǎo)問題，幾乎都通過數(shù)值解法來求解。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 磨削溫度測量技術(shù)

獲取磨削區(qū)溫度的分布對于弄清磨削熱損傷的機(jī)理是極其重要的，而通過測量溫度獲取數(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。

磨削溫度是加工時由磨削熱所引起的工件溫升的一個總稱。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的溫度等不同部位的溫度來加以研究。表2是近幾十年來先后見諸文獻(xiàn)的有關(guān)磨削溫度測量方法的一個匯總。


上述磨削溫度的測量方法部分在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的介紹，本文不再敘述。從目前國內(nèi)外磨削溫度的研究情況來看，磨削溫度的測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器采集磨屑流熱輻射信號來測量磨削區(qū)的溫度。目前，磨削溫度的測量還不是一項十分成熟的技術(shù)，它本身還處在不斷的探索、完善與發(fā)展之中，不管是對哪一種磨削溫度，要真正測準(zhǔn)一個數(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

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。在溫度測量方面，測量儀器及測量方法還有待進(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，對磨削溫度的研究提出新的挑戰(zhàn)。

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

·建立能夠綜合反映不同磨削過程的熱模型及能夠?qū)δハ鳒囟冗M(jìn)行動態(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)庫的豐富;

·綜合考慮砂輪磨料、磨削液、磨屑等對磨削溫度的影響;

·測量溫度的試驗方法及設(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)一步推動磨削技術(shù)的發(fā)展并為生產(chǎn)實踐和磨削新技術(shù)的應(yīng)用提供更為完善的理論基礎(chǔ)。