平面磨床緩進給強力磨削本身具有巨大潛力,但是由于緩磨機理的研究尚無法圓滿解決生產(chǎn)中提出的涉及加工質量和效率的若干根本性問題,因而其潛力難以得到充分發(fā)揮,其中最明顯的是關于緩進給磨削工件表面燒傷問題。由于這種燒傷往往可以在看似正常的緩磨過程中突然發(fā)生,因而是生產(chǎn)現(xiàn)場最棘手的問題之一,深入研究緩進給磨削中的工件表面溫度特性,對于燒傷的控制是十分必要的。
(1)正常緩進給磨削時弧區(qū)工件表面的平均溫度分布圖中的曲線為用新修整的砂輪在一次緩進給磨削行程中所測量的溫度一時間曲線,圖中夾絲熱電偶的夾絲面(測溫的方法)未進入弧區(qū)時信號零線光滑平直,意味各種干擾信號已被理想排除,夾絲面進入弧區(qū)后曲線上出現(xiàn)的密集排列的尖脈沖是磨粒磨削點溫度的反映,緩進給磨削工件表面的平均溫度相當于磨削磨粒點處尖脈沖下的包絡線,圖中記錄曲線上尖脈沖的起訖位置表明了磨削時弧區(qū)的范圍。因而,此曲線下包絡線實際就是磨削弧區(qū)前轉表面的平均溫度。
①平均溫度分布曲線光滑連續(xù),峰點位置靠近弧區(qū)高端且峰點附近曲線變化平穩(wěn),故可以認為磨床緩進給磨削時熱流密度沿弧長的分布也是連續(xù)的且更接近三角形分布的熱源模型。
②弧區(qū)工件表面平均溫度數(shù)值很低,弧區(qū)低端溫度更低,這說明正常緩進給磨削時已加工表面的實際生成的溫度是很低的,這也正是在前面所提到的緩進給磨削容易實現(xiàn)無應力加工的原因所在。
?、巯鄬τ谄骄鶞囟榷?,磨粒磨削點上的溫度雖然高一些,但高得并不多,這似乎也揭示了正常緩進給磨削時磨削熱中的大部分確實未進入工件。在一定范圍內改變磨削用量條件重復上述實驗表明,所測得的平均溫度只是有相應的比例變化,但均未超過130度。這說明正常緩進給磨削工件時表面平均溫度低這一點是可以確認無疑的。有些文獻中認為緩進深磨削時溫度肯定高于普通往復磨削實質上是一種誤解。
(2)使用與不使用磨床磨削液時弧區(qū)溫度的對比
圖中給出了使用與不使用磨削液時弧區(qū)工件表面溫度的情況。圖中中下部曲線是使用磨削液時記錄到的弧區(qū)溫度分布。由于用量小,平均峰值溫度約40度。上部曲線是不使用磨削液的記錄情況。由此可知,在同樣的磨削用量條件下,不使用磨削液時,弧區(qū)工件表面溫度一開始便陡增至1000度上下。該現(xiàn)象足以說明緩進給磨削時磨削液在弧區(qū)換熱中所起的主導作用,它也證實了以往文獻中所提出的磨削液換熱理論的正確性。值得指出的是,實驗是在使用剛玉砂輪及常壓磨削液的條件下進行,這就說明緩進給磨削低溫并不只是大氣孔超軟砂輪與高壓噴注磨削液綜合作用的結果,而是緩進給磨削本身具有的現(xiàn)象。
(3)燒傷前兆——弧區(qū)溫度分布的特征變化
為了解釋在正常緩磨溫度很低情況下常產(chǎn)生的突發(fā)燒傷現(xiàn)象,以往的研究曾認為由于平面磨床磨削液在弧區(qū)成膜沸騰導致工件瞬間產(chǎn)生燒傷,亦即認為當緩磨條件決定的熱流密度不超過磨削液的隘界熱流密度時,弧區(qū)工件表面可穩(wěn)定維持正常低溫,但只要磨削熱流密度過臨界值,則由于弧區(qū)磨削液出現(xiàn)成膜沸騰引起兩相流換熱曲線上熱平衡點的躍遷,工件表面溫度即由正常低溫躍升到新熱平衡點的溫度,從而導致工件突發(fā)燒傷。近年來的研究認為:上述磨削液成膜沸騰導致瞬間突發(fā)燒傷的思想,明顯地忽略了工件燒傷時必須存在一個個過程中客觀事實,這種忽略導致了緩進給磨削燒傷無法控制的假想。為了清楚地研究緩進給磨削中磨削液成膜沸騰存在的事實及成膜沸騰而導致工件發(fā)生燒傷的實際演變過程,研究者采用了接近鈍化的砂輪以圖所示的磨削條件進行了緩進給磨削實驗,并得到了圖中所示的典型溫度分布曲線。由圖可以看出以下特點。
?、僭诩s占接觸弧長1/10的相當局限的區(qū)段上出現(xiàn)了明顯高于正常緩進給磨削低溫的高溫區(qū),且高、低溫區(qū)截然分開,幾乎不存在中間過渡區(qū)。考慮到連續(xù)分布的熱源不可能給出這種接近階躍式的溫度分布,因此唯一可能的合理解釋就是弧區(qū)內存在有因磨削液成膜沸騰所引起的邊界換熱條件的突變,亦即在發(fā)生成膜的區(qū)段內,由于換熱系數(shù)的陡降,絕大部分磨削熱直接進入工件,從而導致了工件表面溫度的劇增,而在與此相鄰的尚未成膜的區(qū)段上,則因平面磨床磨削液具有接近最佳的換熱效果,因而工件表面仍可保持正常的低溫特征。由此可見,所記錄的溫度分布出現(xiàn)的這種變化特征確實說明了在緩進給磨削時磨削液確有成膜沸騰發(fā)生。
②成膜的高溫段出現(xiàn)在弧區(qū)高端,這與通常認為的磨削熱源呈三角形分布的假設相吻合,這也提示了燒傷的先發(fā)部位一定在弧區(qū)高端。
?、鄢赡じ邷貐^(qū)溫度雖高,但也僅只有310度,遠低于材料燒傷溫度。在此條件下對工件進行腐蝕試驗和磨片檢查也證明了該條件下確無燒傷發(fā)生。因此,緩進給磨削時弧區(qū)磨削液確實沸騰但工件并不產(chǎn)生燒傷。
(4)燒傷的過程——燒傷前后溫度的時空分布
為了觀察燒傷演變的全過程,采用一個特長形多塊組合夾絲測溫試件,使之能在一次斷續(xù)緩磨中等間隔地觀察到不同階段的弧區(qū)工件表面的平均溫度分布。圖中所示為燒傷前后的弧區(qū)溫度時空分布的實驗結果。由此可知:弧區(qū)工件表面溫度的時空分布清楚地表明了弧區(qū)磨削液成膜沸騰本身有逐步擴展的過程,它總是首先出現(xiàn)在弧區(qū)的高端,然后逐漸向低端擴展。與此同時,成膜區(qū)內工件表面的溫度也有一個自低至高逐步增長的過程,一直到成膜區(qū)擴展到足夠大,成膜區(qū)內溫度也達到或超過工件材料的燒傷溫度時,燒傷才真正發(fā)生。由此可見,自弧區(qū)高端剛出現(xiàn)成膜沸騰到成膜區(qū)內溫度達到燒傷溫度,其問經(jīng)歷了足夠長的時間,顯然,新的研究是對傳統(tǒng)假設理論的明確否定,它確證了緩進給磨削燒傷不是瞬時產(chǎn)生,而是一個有明顯前兆的典型緩變過程。這一結論對解決生產(chǎn)中的緩磨燒傷控制預報有較大意義。
(5)弧區(qū)工件表面固定點上溫度的瞬變特性
繪制的弧區(qū)各固定點上的溫度一時間曲線。由此可知,就弧區(qū)工件表面上某一點而言,其溫度在其進入成膜區(qū)前后是有突變的,特別是當該點距弧區(qū)高端足夠遠時,其溫度完全有可能自正常低溫瞬時躍升至燒傷溫度以上,這是因為當成膜區(qū)擴展到該點時,成膜區(qū)內溫度已經(jīng)達到或超過燒傷溫度的緣故。需要指出的是,固定點上溫度的瞬變現(xiàn)象,其本質上反映的只是范圍在不斷擴展的成膜區(qū)邊界點兩側溫度的階躍突變,兩者是一致的。因此如只是按測到的反映固定點上溫度的瞬變曲線便武斷地推定燒傷也是瞬變突發(fā)的,將會在概念上鑄成大錯,事實上這也是以往某些文獻的問題所在。