熱電偶技術(shù)的磨削溫度研究

摘要:為防止磨削燒傷，磨削溫度的實(shí)驗(yàn)一直是金屬磨削研究中的熱點(diǎn)。運(yùn)用半人工熱電偶技術(shù)，進(jìn)行了3種特殊金屬材料(灰鑄鐵、M50鋼、38MnSiVs6鋼)在不同磨削切深條件下的平面磨削溫度實(shí)驗(yàn)，以選最優(yōu)的切深來(lái)防止其磨削燒傷。用絕緣的電木做夾具避免磨削液對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的不利影響。同時(shí)用有限元方法分析了磨削溫度。發(fā)現(xiàn)測(cè)量的磨削溫度與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。
　　磨削加工實(shí)質(zhì)上是-種由大量無(wú)規(guī)則的離散分布在砂輪工作面上的磨粒所完成的劃擦、耕犁和切削作用的隨機(jī)綜合，磨削厚度-般多在微米數(shù)量級(jí)，磨削速度很高"。但是目前在實(shí)際生產(chǎn)中，磨削的砂輪線速度仍然在普通磨削區(qū)域，即30-60m/s。實(shí)際磨削中，如此小的磨削厚度使得比磨削能很高并產(chǎn)生大量的熱。大部分磨削熱將進(jìn)入工件，導(dǎo)致工件的磨削溫度升高，而過(guò)高的磨削溫度會(huì)引起被磨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。為了控制和防止磨削高溫和燒傷，必須對(duì)磨削溫度進(jìn)行深入研究。因此，研究磨削溫度來(lái)探索解決產(chǎn)生磨削缺陷的熱機(jī)理以及尋求控制磨削工件質(zhì)量的方法將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　金屬材料常用的磨削溫度測(cè)量方法為半人工熱電偶測(cè)溫法。此種測(cè)溫方法是一種傳統(tǒng)的方法，也是到目前為止唯一能夠進(jìn)入磨削區(qū)測(cè)溫的方法。許多研究者2用該方法來(lái)測(cè)量了常用金屬材料的磨削溫度。但是磨削液的導(dǎo)電性對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的不利影響等問(wèn)題沒有解決;還有許多特殊金屬材料(例如灰鑄鐵)的磨削溫度沒有測(cè)試。筆者對(duì)半人工熱電偶測(cè)量金屬磨削溫度實(shí)驗(yàn)研究的方法做了深入的研究,測(cè)量了灰鑄鐵等3種特殊金屬材料在不同磨削切深條件下的磨削力和磨削溫度。同時(shí)用有限元法分析了磨削溫度;并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了比較。
1半人工熱電偶測(cè)溫方法
　　金屬材料磨削區(qū)域溫度的測(cè)試原理是將工件作為一極、熱電偶絲(這里是康銅絲)作為另外一極，形成半人工熱電偶;將熱電偶夾緊在夾具中，并用螺釘固聯(lián)在工作臺(tái).上。夾具材料是絕緣的電木，這樣保證金屬工件與夾具絕緣。在磨削過(guò)程中靠磨削力與磨削熱將康銅絲壓焊在試件上,形成熱電偶結(jié)點(diǎn)，于是工件、康銅絲與測(cè)試儀器便形成測(cè)試回路。由于工件和康銅絲2種材料的熱物理特性不同，在形成搭接時(shí),測(cè)試回路中便有微小電流通過(guò)，形成電勢(shì)差。這種微小的電勢(shì)差信號(hào)經(jīng)放大濾波、采集，進(jìn)人電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。然后根據(jù)其標(biāo)定的電勢(shì)值推算出所測(cè)溫度的大小。
　　磨削冷卻液會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。冷卻液體由于其導(dǎo)電性，會(huì)在熱電偶、工件、夾具和工作臺(tái)之間形成一個(gè)導(dǎo)電環(huán)路，從而影響熱電偶輸出的磨削溫度電信號(hào)的正確性。一般實(shí)驗(yàn)中，干磨的磨削溫度信號(hào)比濕磨理想。為了解決這個(gè)難題,我們用絕緣的電木做夾具，同時(shí)用塑料將實(shí)驗(yàn)工件夾具包起來(lái),防止磨削液在熱電偶、工件、夾具和工作臺(tái)之間形成-個(gè)導(dǎo)電回路。這樣保證熱電偶、金屬工件、工作臺(tái)與夾具絕緣。實(shí)驗(yàn)表明，濕磨溫度信號(hào)大為改善，接近干磨溫度的信號(hào)。
　　半人工熱電偶的制作，在2片工件中的1片工件的表面刻上1個(gè)槽,槽的尺寸約為0.6mmx0.3mm。在工件和熱電偶片(這里是康銅絲)之間需要夾人大約10um厚的云母片作為高溫絕緣層，如圖1所示。
 
　　先將康銅絲端部壓平,再將云母片和康銅絲放人工件表面刻的槽中，并用環(huán)氧樹脂將2片工件粘結(jié)即可。注意試件在粘合時(shí)，膠層厚度應(yīng)控制在10pum以內(nèi)。這樣的半.人工熱電偶能反映磨削區(qū)表面的平均溫度,且重復(fù)性好。半人工熱電偶比人工熱電偶層數(shù)少，裝配更簡(jiǎn)單，尺寸小，因而測(cè)試精度和可靠性更高。由于半人工熱電偶需要依靠熱電偶片(這里是康銅絲)在磨削時(shí)由于磨削高溫與工件接觸形成熱點(diǎn)偶結(jié)點(diǎn)來(lái)測(cè)量溫度信號(hào)，因此熱電偶片較寬較厚。常用的康銅絲，測(cè)量端長(zhǎng)約10mm,寬15pum,厚度30~40pum。
　　在測(cè)量前，首先要確定熱電偶的熱電特性，也就是確定熱電偶的溫度-電勢(shì)曲線，即進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定中，管式電爐的爐溫可以手工調(diào)節(jié)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(鉑鐒-鉑)及標(biāo)定的半人工熱電偶(例如M50鋼絲和康銅絲組成的熱電偶)的熱電勢(shì)由電位差計(jì)測(cè)得。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)確定爐溫，與在該爐溫下測(cè)得的標(biāo)定熱電偶的熱電勢(shì)相對(duì)應(yīng)就可以畫出待標(biāo)定熱電偶的熱電特性曲線。圖2是M50鋼與康銅組成的熱電偶的溫度標(biāo)定曲線。本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)所采用的3種半人工熱電偶的標(biāo)定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度值非常接近。
　　由于實(shí)驗(yàn)中有-定的工件速度,熱源對(duì)熱電偶的作用時(shí)間較短，熱電偶由于本身的熱慣性不可能達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的溫度，而只是實(shí)際溫度引起的-一個(gè)反應(yīng)。為得到盡量準(zhǔn)確的溫度值,所以對(duì)熱電偶的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
 
2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　本實(shí)驗(yàn)中選用灰鑄鐵、M50鋼、38MnSiVs6鋼等3種比較特殊的金屬作為實(shí)驗(yàn)材料,其熱性能參數(shù)見表1?；诣T鐵有良好的鑄造性能、良好的減振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能和低的缺口敏感性。耐熱軸承鋼M50作為暴露于高負(fù)荷、高速和高溫下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)弓|擎用的軸承材料是于20世紀(jì)60年代研究開發(fā)的高速工具鋼。析出硬化鋼38MnSiVS6性能好，鋼的拉伸強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度高，并具有很高的延伸率和穩(wěn)定的缺口沖擊強(qiáng)度。
 
　　本實(shí)驗(yàn)使用的是高速精密平面磨床,氧化鋁砂輪直徑200mm，寬度20mm，粒度240#。采用SBS4500砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡，采用水基強(qiáng)力磨削液進(jìn)行順磨。采用SiC滾輪進(jìn)行整形;采用Al2O3袖石進(jìn)行砂輪修銳。表2為砂輪修整參數(shù)。砂輪修整的目的是保持砂輪磨粒鋒利，降低磨削溫度。圖3是磨削工件，沿長(zhǎng)度方向磨削。
 
　　溫度信號(hào)采集使用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)的軟件。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)采用KISTLER三相壓電晶體測(cè)力儀對(duì)磨削過(guò)程的磨削力進(jìn)行測(cè)量。
　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，磨削溫度采樣頻率較低時(shí),最高磨削溫度將被嚴(yán)重低估。因此,必須采用較高的取樣頻率。試驗(yàn)證明,取樣頻率在3kHz以上比較適宜。隨著取樣頻率的增高,實(shí)驗(yàn)抗高頻噪聲和干擾的能力也會(huì)增強(qiáng)。半人工熱電偶雖然簡(jiǎn)單可靠,但由于工件是熱電偶的另一組成部分,導(dǎo)致其測(cè)量的信號(hào)容易受到周圍環(huán)境的干擾。噪聲可以由磨床本身、周圍的電器設(shè)備以及冷卻液等引|起?？梢栽跀?shù)據(jù)采集卡前置濾波器，或者采用軟件濾波去除干擾信號(hào)。測(cè)量時(shí),信號(hào)電纜盡量不要靠近其他電源線路。
3磨削溫度的有限元分析
　　測(cè)量出的磨削溫度需要與理論計(jì)算值對(duì)比,為建立磨削溫度的理論模型打下基礎(chǔ)。
 
　　在測(cè)試金屬工件最高磨削溫度的基礎(chǔ).上，利用式(1)反推工件的磨削熱分配比φ，應(yīng)用有限元ANSYS軟件，進(jìn)行磨削溫度場(chǎng)的有限元仿真計(jì)算。工件磨削溫度場(chǎng)的有限元仿真能夠發(fā)現(xiàn)工件中容易發(fā)生磨削燒傷的部位，從而調(diào)整磨削參數(shù)來(lái)避免磨削燒傷。
　　在進(jìn)行磨削溫度場(chǎng)的有限元分析時(shí)，首先需要建立工件的ANSYS有限元模型8。然后利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口將模型導(dǎo)人進(jìn)行分析。工件熱分析體單元取六面體八節(jié)點(diǎn)熱分析三維單元SOLID70。在本文中,因工件是規(guī)則體，單元形態(tài)為長(zhǎng)方體。有限元分析中，節(jié)點(diǎn)數(shù)為40000,單元數(shù)為39600,其中表面單元數(shù)為2840。
　　關(guān)鍵問(wèn)題:是確立如何對(duì)模型進(jìn)行加載。假定工件的初始溫度與環(huán)境溫度-致，即初始溫度為20C。在磨削表面加載三角形熱源"，熱流加載在磨削弧長(zhǎng)1e上,考慮冷卻液、切屑及周圍空氣的對(duì)流加載。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間且達(dá)到一定的計(jì)算精度，在越接近磨削表面處網(wǎng)格劃分越密。在體單元上加載熱流密度，加載方式采用逐步移動(dòng)法，熱源移動(dòng)速度為工件速度Vw。
4結(jié)果分析.
　　實(shí)驗(yàn)取砂輪線速度為38m/s,工件速度為285mm/s,試驗(yàn)結(jié)果如表3~表5(表中最右的計(jì)算結(jié)果為有限元磨削溫度計(jì)算值)以及圖4和圖5所示。從表3~表5中可以看出，每種金屬材料隨著切削深度的增加，磨削力增大，磨削溫度也隨之上升。從圖4中可以看出，相同的切深下，M50鋼的磨削溫度最高，38MnSiVs6鋼次之，灰鑄鐵最低。這說(shuō)明MS0鋼最容易發(fā)生磨削燒傷。圖5為M50鋼磨削燒傷的掃描電鏡圖，圖中.上面的黑色表明M50鋼在高溫下發(fā)生了磨削燒傷。
 
　　同時(shí)發(fā)現(xiàn)表3~5中測(cè)量的磨削溫度與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，這證明用提出的有限元理論與磨削溫度試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究磨削溫度場(chǎng)，是非常正確可行的。
　　經(jīng)過(guò)研究,筆者認(rèn)為使用改進(jìn)的半.人工熱電偶技術(shù)來(lái)測(cè)量:金屬材料的磨削溫度,簡(jiǎn)單可靠、重復(fù)性好。
 
5結(jié)論
1)3種特殊金屬材料隨著磨削深度的增加，磨削力增大，磨削溫度也隨之上升。相同的切深下，M50鋼的磨削溫度最高，38MnSiVs6鋼次之,灰鑄鐵最低。同時(shí)，相同的切深下，M50鋼最容易發(fā)生磨削燒傷。
2)同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量的磨削溫度與有限元計(jì)算結(jié)果基本-致。
3)采用改進(jìn)的半人工熱電偶技術(shù)來(lái)測(cè)量金屬材料的磨削溫度，簡(jiǎn)單可靠、重復(fù)性好。