CN102303285B - 一种磨削加工零件温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种磨削加工零件温度控制装置。在磨削淬硬加工过程中，零件表面温度的变化直接影响零件表面热处理层的质量。高温热管是一种很好的控制热量传输的器件，为了使磨削淬硬过程中零件的温度变化较小，将高温热管与被磨削零件接触，利用红外辐射测温仪实时检测磨削加工中零件的表面温度，通过PID控制器驱动传动机构单元调节高温热管与连接块和导热胶的接触面积，减小接触热阻以传出多余的热量，从而来调节工件的表面温度，达到控制表面淬火的要求，为实现磨削加工的自动控制提供了的技术支持和基础，其应用将产生良好的经济和社会效益。

Description

一种磨削加工零件温度控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于磨削加工中对零件表面磨削区温度进行控制的装置，特别适合于磨削淬硬加工中对零件表面磨削区热量传递进行控制，属于磨削加工的技术领域。

背景技术

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，它被广泛应用于高精度、高表面质量和高效率的工件生产过程中。由于磨削加工切除单位体积材料时需要非常高的能量输入，这些能量几乎全部转换为热量，其中60％～95％的热量被传入零件并聚集在很薄的表面层里，致使零件表层温度急剧升高。当磨削温度较高时，会使零件表层金相组织发生变化，甚至出现磨削烧伤和磨削裂纹，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以及抗疲劳性变差，从而降低零件的使用寿命和工作可靠性。因此通过研究磨削温度来探索解决磨削过程中热损伤和提高零件加工质量一直是磨削加工技术重要的研究内容之一。磨削淬硬技术首先利用粗磨加工产生大量的磨削热，在磨削加工过程中直接对工件表面进行表面淬火，然后再利用精磨加工，满足工件所要求的精度范围，从而解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以集成的问题，实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加工工艺。它利用磨削热对工件表面进行淬硬处理，使工件表层温度短时间升高到奥氏体化的温度，然后快速冷却到马氏体相变的温度，工件表层发生马氏体相变，从而将表面淬火技术集成在机械加工之中。磨削淬火技术不仅能够缩短产品的加工工序，减少生产成本，提高效率，而且具有节能减排的效果。有关资料表明：采用磨削强化工艺可节约电能约750～1000Kw·h/每吨工件(相对于高频淬火)，提高材料利用率5％～10％，降低加工成本20％～40％，从根本上解决了因工件表面淬火处理工艺引起材料淬火开裂而导致其报废的技术性问题。在金属材料的加工及表面改性方面具有广阔的应用前景，已成为变“废”为“宝”及实现绿色加工的有效途径之一。磨削的高温热效应对工件的质量和使用性能有很大的影响，特别是当温度在界面上超过某一临界值时会引起表面的热损伤(包括表面的氧化、烧伤、残余应力和裂纹)，而且磨削高温会导致磨削白层的产生，白层的脆性会使工件表面易形成裂纹，严重降低工件的疲劳强度，给零件的使用性能成很大的安全隐患。因此，在磨削过程中，必须对磨削温度加以控制。但是，由于理论研究的局限性以及磨削过程无法准确描述，目前还不能准确地计算一定工况下的磨削温度。因此，磨削温度的控制是解决磨削淬硬加工中零件表面热处理质量的关键问题，如何控制磨削淬硬加工过程中的温度变化，使其能够保持在一定温度范围下的等温一致可以说是解决磨削淬硬零件表面质量的途径。在中国专利——种钎焊金刚石热管砂轮，专利号：ZL 200710190139.7中提出将热管结构内置于砂轮中，其缺点在于由于采用内置热管，使得砂轮的强度大大下降，同时，普通砂轮的磨料、结合剂等材料导热性能较差，在热管与砂轮间的热阻较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磨削加工中对零件表面磨削区温度进行控制的装置，特别适合于磨削淬硬加工中对零件表面磨削区热量传递进行控制。

本发明的技术方案是将高温热管技术应用于磨削淬硬加工中，利用高温热管高的换热效率、优异的均温性能，在磨削淬硬加工中采用高温热管作为传热元件与零件接触，当零件温度高于设定值时，高温热管可迅速将多余的热量传出，保持零件在磨削中的温度稳定在一定的范围内，以达到淬火的效果而表面不至烧伤。在高温热管传热过程中，热管与零件的接触间隙，即接触热阻是影响传热效率的重要因素，由于磨削淬硬过程是在粗磨阶段，因此可以在零件表面上用一个连接块一侧与零件紧密的接触，高温热管传热端则与连接块另一侧的孔形成间隙配合接触，在接触交界处充有一定量的导热胶，在高温热管与连接块间采用密封圈防止导热胶从间隙中挤出。高温热管在连接块孔内移动时，高温热管传热端和连接块孔底间隙的容积与导热胶体积的变化差值可以实现接触热阻的调节。通过这样的接触方式，一方面，避免高温热管的管壁与零件的直接摩擦，防止高温热管的磨损，另一方面，可以调节接触热阻以控制热量的传出。连接块的材料可以采用导热性好、材质较软的铜或镍基合金。导热胶可以采用环氧树脂与石墨粉混合，在传热过程中，石墨粉体的颗粒形成微通道碳管与高温热管传热端接触可以高效的传出热量，高温热管传热端与导热胶的接触面积大小对应于不同的接触热阻。

在装置中，利用红外辐射测温仪实时检测零件磨削区的温度，并把此温度数据与零件淬火温度进行比较，作为调节高温热管与零件(连接块)接触热阻的依据。

在装置中，利用PID(proportional-integral-derivative，比例-积分-微分)控制器控制高温热管与零件(连接块)的接触位置来控制热阻。PID控制器的控制信号通过驱动传动机构单元使高温热管与零件(连接块)的接触位置发生变化以控制从零件磨削区传出的热量。

在装置中，砂轮一侧安放有喷头，砂轮与喷头间用隔板隔开，喷头可以根据淬火需要对零件表面进行喷淋。

本发明的有益效果是：本发明将高温热管与被磨削零件接触，利用红外辐射测温仪实时检测磨削加工中零件的表面温度，通过PID控制器驱动传动机构单元调节高温热管与连接块和导热胶的接触面积，减小接触热阻以传出多余的热量，从而来调节零件的表面温度，达到控制零件表面淬火的要求，为实现磨削加工的自动控制提供了的技术支持和基础。

附图说明

图1为磨削加工温度控制装置示意图，1-零件，2-砂轮，3-隔板，4-喷头，5-红外辐射测温仪，6-PID控制器，7-高温热管，8-导热胶，9-密封圈，10-连接块，11-传动机构单元。

图2为PID控制系统原理图。

具体实施方式

如图1所示，以外圆磨削淬硬工艺为例，粗磨外圆时，砂轮2采用适合的工艺参数对零件1进行磨削，使零件1表面的温度处于淬火临界温度范围的上限值附近。在零件1外圆表面上用一个连接块10与零件1紧密的抱合接触，连接块10一侧的连接表面为一与零件1外圆直径基本尺寸相同的圆弧面，高温热管7传热端则与连接块10另一侧的孔形成间隙配合接触，在接触交界处充有一定量的导热胶8，在高温热管7与连接块10间采用密封圈9防止导热胶8从间隙中挤出，当导热胶8充盈于高温热管7和连接块10孔底空间时，高温热管7可以高效的将零件1表面的热量传出，即高温热管7与零件1间的热阻最小，因此，高温热管7的端部和连接块10孔底间隙的容积与导热胶8体积的变化差值可以实现接触热阻的调节。这样既避免高温热管7的管壁与零件1的直接摩擦，防止高温热管7的磨损，同时又可以调节接触热阻以控制热量的传出。红外辐射测温仪5实时检测零件1加工表面的温度变化，通过PID控制器6，将检测到的零件1表面温度数据和磨削淬硬的温度参考值进行比较，如果高于设定值时，则驱动传动机构单元10调节高温热管7与连接块10和导热胶8的接触面积，减小接触热阻以传出多余的热量，保持零件在磨削中的温度稳定在一定范围以达到淬硬的效果而表面不至烧伤，高温热管7的两侧为散热翅片。在砂轮2一侧安放有喷头4，砂轮2与喷头4间用隔板3隔开，喷头4可以根据淬火需要对零件表面进行喷淋。在粗磨阶段，零件1的转速较低，当连接块10与零件1紧密接触时会因为摩擦产生一定热量，这一热量大小与磨削热量相比很小。连接块10与零件1的紧密接触可以起到辅助支撑的作用，提高零件在磨削过程中的刚度，连接块10的材料可以采用导热性好、材质较软的铜或镍基合金。导热胶8采用环氧树脂与石墨粉混合，在传热过程中，导热胶8中的石墨粉体的颗粒形成微通道碳管与高温热管7传热端接触可以高效的传出热量，高温热管7传热端与导热胶8的接触面积大小对应于不同的接触热阻。

在系统中采用PID控制器6对高温热管7与连接块10的接触位置来控制热阻。其控制原理如图2所示，其中检测装置为红外辐射测温仪5，控制对象为传动机构单元11，用以改变高温热管7与连接块10的位移。

在磨削淬硬过程中，零件表层的组织在极短时间内由奥氏体经自淬火向马氏体相变，其相变的温度很难确定，但是，可以通过红外辐射测温仪5检测零件1表面的温度，然后利用PID控制器6控制传动机构单元11，用以改变高温热管7与连接块10和导热胶8的接触面积，以调节两者间的接触热阻，而连接块10与零件1间的紧密抱合接触可以认为两者是一个整体结构，这样，控制由高温热管7传出的热量，使零件1表面能够在稳定的温度范围里实现完全淬火，既可以避免温度过高产生烧伤，也可以防止零件淬火的不均匀。虽然零件组织的变化是瞬时的，但是从零件表面的整体来看，零件表层的温度传递需要一定的时间过程，只要高温热管7处于连续工作状态，控制好磨削过程中的零件表面温度变化在一定范围内完全可以满足淬火的要求。

利用本装置同样可以对其他磨削方式中零件的热量进行传递，以保证零件磨削加工的质量。

Claims (4)

1.一种磨削加工零件温度控制装置，其特征在于，包括零件(1)，砂轮(2)，隔板(3)，喷头(4)，红外辐射测温仪(5)，PID控制器(6)，高温热管(7)，导热胶(8)，密封圈(9)，连接块(10)，传动机构单元(11)；在零件(1)的一侧，连接块(10)与零件(1)紧密抱合接触，高温热管(7)和连接块(10)的孔以间隙配合接触，采用密封圈(9)防止导热胶(8)从间隙中挤出，红外辐射测温仪(5)安装在零件(1)的上方实时检测零件(1)加工表面的温度变化，通过PID控制器(6)可以驱动传动机构单元(11)使高温热管(7)在连接块(10)孔内移动。

2.根据权利要求1所述一种磨削加工零件温度控制装置，其特征在于由于磨削淬硬过程是在粗磨阶段，因此可以在零件(1)外圆表面上用一个连接块(10)与零件(1)紧密的抱合接触，连接块(10)的连接表面为一与零件外圆直径基本尺寸相同的圆弧面，高温热管(7)传热端则与连接块(10)另一侧的孔形成间隙配合接触，在接触交界处充有一定量的导热胶(8)，在高温热管(7)与连接块(10)间采用密封圈(9)防止导热胶(8)从间隙中挤出，高温热管(7)在连接块(10)孔内移动时，高温热管(7)的端部和连接块(10)孔底间隙的容积与导热胶(8)体积的变化差值可以实现接触热阻的调节，这样既避免高温热管(7)的管壁与零件(1)的直接摩擦，防止高温热管(7)的磨损，同时又可以调节接触热阻以控制热量的传出。

3.根据权利要求1所述一种磨削加工零件温度控制装置，其特征在于磨削加工过程中，利用红外辐射测温仪(5)实时检测零件(1)加工表面的温度变化，通过PID控制器(6)，将检测的零件(1)表面温度数据和磨削淬硬的温度参考值进行比较，如果高于设定值时，则驱动传动机构单元(11)调节高温热管(7)与连接块(10)和导热胶(8)的接触面积，减小接触热阻以传出多余的热量。

4.根据权利要求1所述一种磨削加工零件温度控制装置，其特征在于在砂轮(2)的一侧安放有喷头(4)，砂轮(2)与喷头(4)间用隔板(3)隔开，喷头(4)可以根据淬火的需要对零件表面进行喷淋。

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