CN109839405A - 曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置，其利用磨削温度梯度测量装置，对多个测温试件(6)的顶面进行磨削，并在磨削过程中记录位于测温试件(6)不同位置处的热电偶所测得的磨削温度；利用磨削功率测量装置，对多个功率测量试件(8)顶面进行磨削，并在磨削过程中利用功率测量仪测得功率测量试件(8)在砂轮轮廓线不同位置处的磨削功率；根据测得的磨削温度及磨削功率，计算成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数。本发明通过测量磨削区试件轮廓线不同位置处的磨削温度梯度和磨削功率，推出磨削液对流换热系数的分布情况，为预测成形磨削过程中温度场沿曲面零件轮廓线分布情况提供实验支持。

Description

曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置

技术领域

本发明涉及机械零件加工领域，尤其涉及一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置。

背景技术

在曲面零件成形磨削加工过程中，表面完整性与磨削温度直接相关。过高的磨削温度会引起零件表层氧化、烧伤、残余应力和裂纹，并直接降低其使用寿命和工作可靠性。因此准确地预测和控制磨削温度，对于保证曲面零件的综合物理机械性能至关重要。

磨削液的一个重要作用是通过强迫对流换热作用带走磨削区大部分热量，降低磨削区温度，避免试件表面和亚表面各类磨削热损伤的发生。磨削液的冷却效果可以通过砂轮与试件接触区内磨削液对流换热系数来定量评估，该系数是确定传入磨削液的热流和热比率，直接影响试件表面磨削温度的重要参数。因而接触区内磨削液对流换热系数的定量化，对于计算磨削温度、评估磨削液冷却效果具有相当重要的理论和工程意义。

基于功率或磨削力的磨削温度的预测需要较精确的校正磨削液对流换热系数。磨削液的对流换热系数取决于磨削液的类型和对流换热状态。在曲面零件成形磨削加工过程中，磨削区磨削液对流换热状态较为复杂，磨削液的对流换热系数沿砂轮轮廓变化较大。

以往的研究工作对于磨削区磨削液对流换热系数与磨削条件之间的关系缺乏分析和具体试验测量。在磨削温度计算中，磨削液对流换热系数一般取常数，未考虑砂轮廓形对其影响，造成磨削温度计算误差。因此对磨削液对流换热系数的实验测量十分必要。

发明内容

为了克服现有技术中缺少对磨削液对流换热系数的实验测量的不足，本发明提供一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法及相应装置，通过本发明能够测量曲面成形磨削过程中磨削区磨削液对流换热系数沿曲面零件表面轮廓线分布情况，为预测成形磨削过程中温度场沿曲面零件轮廓线分布情况提供实验支持。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法，其包括：

步骤S20，利用磨削温度梯度测量装置，对多个测温试件的顶面进行磨削，并在磨削过程中分别记录位于测温试件不同位置处的两组热电偶所测得的磨削温度；

每个所述测温试件中安装一组端头为尖形顶式的热电偶，每组热电偶与测温试件顶面之间的距离相等；每组热电偶在不同测温试件中的位置不同；

所述磨削温度梯度测量装置的夹具中具有凹槽，所述凹槽放置有楔形块，所述测温试件的底面靠紧所述楔形块；

步骤S30，利用磨削功率测量装置，对多个功率测量试件的顶面进行磨削，并在磨削过程中利用功率测量仪分别测量得到所述功率测量试件在砂轮轮廓线不同位置处的磨削功率；

步骤S40，根据测量得到的磨削温度以及磨削功率，计算成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数其中的i为整数。

更优选地，所述步骤S40包括：

步骤S401，根据测量得到的磨削温度梯度，计算传入测温试件的热流密度：

式中，q_w ⁱ为测温试件的热流密度；κ_w为测温试件的导热系数；a为两个热电偶之间的距离；θ为楔形块的倾角；i表示不同的测量位置；T₁ ⁱ、 T₂ ⁱ分别为在测温试件轮廓线位置i处的两组热电偶所测得的磨削温度；

步骤S402，根据测量得到的磨削功率Pⁱ，计算磨削区的总热流密度：

式中，q_t ⁱ为磨削区的总热流密度；l_c ⁱ为位置i磨削区的平均接触弧长；d_s ⁱ为位置i的砂轮平均直径；a_p为磨削深度；Pⁱ为磨削功率；b为测温试件的宽度，该b等于砂轮成形轮面轮廓线长度；

步骤S403，根据试件材料的磨屑能量上限和磨削区的总热流密度，来计算传入砂轮磨屑的热流：

e_ch＝ρ_wc_wT_mp ………………………………………(5)

式中：q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；

e_ch为试件材料的磨屑能量上限；a_p为磨削深度；v_w为砂轮的进给速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；T_mp为试件材料的熔点；

步骤S404，利用下面公式，计算传入砂轮磨粒的热流：

式中：q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；h_s ⁱ为传入磨粒的热量传导因子；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度；T₀为注入磨削区的磨削液平均温度；h_w ⁱ为传入试件的热量传导因子；R_ws ⁱ是传入试件的磨削热占传入试件和砂轮总磨削热的比率；β_w为试件材料的导热特性参数；v_w为砂轮的进给速度；C_f为常数；v_s ⁱ为位置i处砂轮的平均线速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；κ_w为测温试件的导热系数；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；κ_g为砂轮磨粒的导热系数；r₀为平均化后的磨粒顶面有效接触半径。

步骤S405，根据磨削区的总热流密度、测温试件的热流密度、传入砂轮磨粒的热流和传入砂轮磨屑的热流，计算成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数：

式中，为成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数；q_t ⁱ为磨削区的总热流密度；q_w ⁱ为测温试件的热流密度；q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度；T₀为注入磨削区的磨削液平均温度。

更优选地，所述测量方法还包括：

步骤S50，采用数学软件，对试件在成形砂轮轮廓线不同位置处的磨削液对流换热系数(i为整数)进行回归分析，得到曲面成形磨削过程中磨削区磨削液对流换热系数沿曲面零件轮廓线的分布情况。

本发明还提供一种磨削温度梯度测量装置，其应用于根据权利要求 1-3任意一项所述的磨削液对流换热系数的测量方法中，所述磨削温度梯度测量装置包括：

砂轮、驱动部件、楔形块、夹具、紧固件、测温试件和磨削液供给部件；

所述夹具固定在测试平台上，其具有与砂轮的成形轮面相对的凹槽；所述楔形块安装在夹具的凹槽的底部；所述测温试件的底面靠紧楔形块，且测温试件的侧面用紧固件顶紧；所述驱动部件带动砂轮对测温试件的顶面实施磨削；磨削液供给部件在砂轮的成形轮面与测温试件的顶面之间的接触位置处供给磨削液。

更优选地，所述驱动部件为数控磨床。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下优点：

本发明通过测量成形磨削过程中磨削区试件轮廓线不同位置处的磨削温度梯度和磨削功率，推出磨削液对流换热系数的分布情况，为预测成形磨削过程中温度场沿曲面零件轮廓线分布情况提供实验支持。

附图说明

图1为本发明的一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法的实施流程图；

图2为本发明中利用的测温试件示意图；

图3为本发明中的磨削温度梯度测量装置的结构示意图；

图4为本发明中的倾斜热电偶温度梯度测量示意图；

图5为本发明中同一宽度的功率测量试件在磨削功率测量装置中位于砂轮轮廓线四个位置处的状态示意图；

图6为本发明中不同宽度的功率测量试件与磨削功率测量装置中砂轮间的位置关系示意图。

附图中：

1-砂轮、2-驱动部件、3-楔形块、4-夹具、5-紧固件、6-测温试件、7- 功率测量仪和8-功率测量试件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法，其实施流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤S10，制作试件

1)、制作测温试件：

以制作四个测温试件为例，首先制作尺寸为l×b×h的试件四个作为测温试件，每个测温试件的宽度b等于成形砂轮轮廓线长度。

然后，按照图2在每个测温试件本体上分别钻一组台阶孔(一组台阶孔可以包括两个台阶孔)，每组台阶孔与测温试件本体顶面的距离相等，测量两个台阶孔间的实际距离a。台阶孔在测温试件宽度方向上所处位置不同。

最后，将热电偶端头打磨成尖形，形成端头尖形顶式热电偶，装入台阶孔中，端头顶到孔底，最后在台阶孔口用调和好的树脂粘接剂粘封。

2)、制作功率测量试件：

以制作四个功率测量试件为例，首先，制作尺寸为l×0.25b×h的试件四个作为功率测量试件，其中的宽度b等于成形砂轮轮廓线长度。

至此，完成试件的制作过程。

步骤S20，利用磨削温度梯度测量装置，对多个测温试件6的顶面进行磨削，并在磨削过程中分别记录位于测温试件6不同位置处的两组热电偶所测得的磨削温度。

下面依然以四个测温试件为例对该步骤S20的实施过程进行详细说明：

将制作好的测温试件6安装在如图3所示的磨削温度梯度测量装置中。该磨削温度梯度测量装置包括砂轮1、驱动部件2、楔形块3、夹具4、紧固件5、测温试件6和磨削液供给部件。

将夹具4固定在测试平台上，该夹具4具有与砂轮1的成形轮面相对的凹槽；楔形块3安装在夹具4的凹槽的底部；测温试件6的底面(该底面为平整底面)靠紧楔形块3，且测温试件6的侧面用紧固件5顶紧。在一定的磨削条件下，驱动部件2带动成形砂轮1对测温试件6的顶面实施磨削。磨削液供给部件在砂轮1的成形轮面与测温试件6的顶面之间的接触位置处供给磨削液。

上述驱动部件2可以是数控磨床。

启动驱动部件2带动砂轮1对测温试件6进行磨削。在磨削过程中，磨削表面随着磨削深度的加深逐渐靠近测温试件6的热电偶。由图4可以看出，由于楔形块3的作用，随着磨削深度a_p的增加，安装在测温试件6 中的两个热电偶离磨削表面的距离会不同，这样在磨削过程中，两个热电偶测得的磨削温度也会有所不同。

按照如上方法，分别对四个测温试件6进行磨削实验，得出四个测温试件6中的两组热电偶所测得的磨削温度，分别记为(T₁ ¹、T₂ ¹)、(T₁ ²、 T₂ ²)，(T₁ ³、T₂ ³)和(T₁ ⁴、T₂ ⁴)，即得到在试件轮廓线位置1、位置2、位置3、位置4处的磨削温度(T₁ ¹、T₂ ¹)，(T₁ ²、T₂ ²)，(T₁ ³、T₂ ³)和(T₁ ⁴、 T₂ ⁴)。

步骤S30，利用磨削功率测量装置，对多个功率测量试件8的顶面进行磨削，并在磨削过程中利用功率测量仪分别测量得到所述功率测量试件 8在砂轮轮廓线不同位置处的磨削功率。

下面依然以四个功率测量试件8为例对该步骤S30的实施过程进行详细说明：

将功率测量试件8安装在如图5所示的磨削功率测量装置中，磨削功率测量装置包括砂轮1、驱动部件2、夹具4、紧固件5、功率测量仪7、功率测量试件8和磨削液供给部件。

将夹具4固定在测试平台上，该夹具4具有与砂轮1的成形轮面相对的凹槽；功率测量试件8的底面靠紧该凹槽底部，且功率测量试件8的侧面用紧固件5顶紧；功率测量仪7测量驱动部件2的动力输出主轴上的功率；驱动部件2带动砂轮1的成形轮面靠紧功率测量试件7的顶面实施磨削。磨削液供给部件在砂轮1的成形轮面与测温试件6的顶面之间的接触位置处供给磨削液。

在磨削条件与步骤S20一致的情况下，启动驱动部件，测量得到功率测量试件8在砂轮轮廓线四个不同位置处的磨削功率P¹，P²，P³和P⁴。

步骤S40，根据测量得到的磨削温度以及磨削功率，计算试件在砂轮轮廓线不同位置处的磨削液对流换热系数(i为整数)。

具体计算过程包括步骤S401～S405，如下：

步骤S401，根据测量得到的磨削温度梯度，计算传入测温试件的热流密度：

式中，q_w ⁱ为测温试件的热流密度；κ_w为测温试件的导热系数；a为两个热电偶之间的距离；θ为楔形块的倾角；i表示不同的测量位置；T₁ ⁱ、 T₂ ⁱ分别为在测温试件轮廓线位置i处的两组热电偶所测得的磨削温度。

步骤S402，根据测量得到的磨削功率Pⁱ，计算磨削区的总热流密度：

式中，l_c ⁱ为位置i磨削区的平均接触弧长；d_s ⁱ为位置i的砂轮平均直径；a_p为磨削深度；Pⁱ为磨削功率；b为测温试件的宽度，该b等于砂轮成形轮面轮廓线长度。

步骤S403，根据试件材料的磨屑能量上限，来计算传入砂轮磨屑的热流：

e_ch＝ρ_wc_wT_mp ………………………………………(5)

式中：q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；

e_ch为试件材料的磨屑能量上限(即将磨屑从室温升至接近融化的温度所需的能量)；a_p为磨削深度；v_w为砂轮的进给速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；T_mp为试件材料的熔点。

步骤S404，根据公式(6)-(10)，计算传入砂轮磨粒的热流q_s ⁱ。

式中：q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；h_s ⁱ为传入磨粒的热量传导因子；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度，理论上讲，当顶式热电偶孔底接近磨穿时T_w ⁱ≈T₁； T₀为注入磨削区的磨削液平均温度，取T₀＝25℃；h_w ⁱ为传入试件的热量传导因子；R_ws ⁱ是传入试件的磨削热占传入试件和砂轮总磨削热的比率；β_w为试件材料的导热特性参数；v_w为砂轮的进给速度；C_f为常数，取值为 1.06；v_s ⁱ为位置i处砂轮的平均线速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；κ_w为测温试件的导热系数；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；κ_g为砂轮磨粒的导热系数；r₀为平均化后的磨粒顶面有效接触半径，具体取值可根据对砂轮表面磨粒的显微观察进行评估。

步骤S405，根据磨削区的总热流密度、测温试件的热流密度、传入砂轮磨粒的热流和传入砂轮磨屑的热流，计算位置i处的磨削液对流换热系数：

式中，为成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数；q_t ⁱ为磨削区的总热流密度；q_w ⁱ为测温试件的热流密度；q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度；T₀为注入磨削区的磨削液平均温度，取T₀＝25℃。

步骤S50，采用数学软件，对试件在成形砂轮轮廓线不同位置处的磨削液对流换热系数(i为整数)进行回归分析，得到曲面成形磨削过程中磨削区磨削液对流换热系数沿曲面零件轮廓线的分布情况。

上述是以试件四个位置为例进行测量的，但本发明并不局限于此，磨削温度梯度和功率测量位置的数目取决于所测量试件的尺寸和要求的测量精度，对于尺寸较大的试件，应该相应的增加测量位置数。

上述实施例中的磨削功率测量还可以采用如下方法实现：

如图6所示，取宽度分别等于25％b、50％b、75％b和100％b的磨削功率测量试件，进行磨削试验，分别测量磨削功率P_25％，P_50％，P_75％，P_100％。磨削功率测量试件在砂轮轮廓线不同位置的磨削功率P¹，P¹，P³和P⁴由下式计算得到：

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

步骤S20，利用磨削温度梯度测量装置，对多个测温试件(6)的顶面进行磨削，并在磨削过程中分别记录位于测温试件(6)不同位置处的两组热电偶所测得的磨削温度；

每个所述测温试件(6)中放置有一组端头尖形顶式热电偶，每组热电偶与测温试件(6)顶面之间的距离相等；每组热电偶在不同测温试件(6)中的位置不同；

所述磨削温度梯度测量装置的夹具中具有凹槽，所述凹槽放置有楔形块，所述测温试件(6)的底面靠紧所述楔形块；

步骤S30，利用磨削功率测量装置，对多个功率测量试件(8)的顶面进行磨削，并在磨削过程中利用功率测量仪分别测量得到所述功率测量试件(8)在砂轮轮廓线不同位置处的磨削功率；

步骤S40，根据测量得到的磨削温度以及磨削功率，计算成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数其中的i为整数。

2.根据权利要求1所述的一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法，其特征在于，所述步骤S40包括：

步骤S401，根据测量得到的磨削温度梯度，计算传入测温试件(6)的热流密度：

式中，q_w ⁱ为测温试件的热流密度；κ_w为测温试件的导热系数；a为两个热电偶之间的距离；θ为楔形块的倾角；i表示不同的测量位置；T₁ ⁱ、T₂ ⁱ分别为在测温试件轮廓线位置i处的两组热电偶所测得的磨削温度；

步骤S402，根据测量得到的磨削功率Pⁱ，计算磨削区的总热流密度：

式中，q_t ⁱ为磨削区的总热流密度；l_c ⁱ为位置i磨削区的平均接触弧长；d_s ⁱ为位置i的砂轮平均直径；a_p为磨削深度；Pⁱ为磨削功率；b为测温试件的宽度，该b等于砂轮成形轮面轮廓线长度；

步骤S403，根据试件材料的磨屑能量上限和磨削区的总热流密度，来计算传入砂轮磨屑的热流：

e_ch＝ρ_wc_wT_mp………………………………………(5)

式中：q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；e_ch为试件材料的磨屑能量上限；a_p为磨削深度；v_w为砂轮的进给速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；T_mp为试件材料的熔点；

步骤S404，利用下面公式，计算传入砂轮磨粒的热流：

式中：q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；h_s ⁱ为传入磨粒的热量传导因子；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度；T₀为注入磨削区的磨削液平均温度；h_w ⁱ为传入试件的热量传导因子；R_ws ⁱ是传入试件的磨削热占传入试件和砂轮总磨削热的比率；β_w为试件材料的导热特性参数；v_w为砂轮的进给速度；C_f为常数；v_s ⁱ为位置i处砂轮的平均线速度；l_c ⁱ为位置i处磨削区的平均接触弧长；κ_w为测温试件的导热系数；ρ_w为试件材料的密度；c_w为试件材料的比热容；κ_g为砂轮磨粒的导热系数；r₀为平均化后的磨粒顶面有效接触半径。

步骤S405，根据磨削区的总热流密度、测温试件的热流密度、传入砂轮磨粒的热流和传入砂轮磨屑的热流，计算成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数：

式中，为成形砂轮轮廓线位置i处的磨削液对流换热系数；q_t ⁱ为磨削区的总热流密度；q_w ⁱ为测温试件的热流密度；q_s ⁱ为传入砂轮磨粒的热流；q_ch ⁱ为传入砂轮磨屑的热流；T_w ⁱ为试件表面的磨削温度；T₀为注入磨削区的磨削液平均温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种曲面成形磨削中磨削液对流换热系数测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：

步骤S50，采用数学软件，对试件在成形砂轮轮廓线不同位置处的磨削液对流换热系数进行回归分析，其中i为整数，得到曲面成形磨削过程中磨削区磨削液对流换热系数沿曲面零件轮廓线的分布情况。

4.一种磨削温度梯度测量装置，其特征在于，其应用于根据权利要求1-3任意一项所述的磨削液对流换热系数的测量方法中，所述磨削温度梯度测量装置包括：

砂轮(1)、驱动部件(2)、楔形块(3)、夹具(4)、紧固件(5)、测温试件(6)和磨削液供给部件；

所述夹具(4)固定在测试平台上，其具有与砂轮(1)的成形轮面相对的凹槽；所述楔形块(3)安装在夹具(4)的凹槽的底部；所述测温试件(6)的底面靠紧楔形块(3)，且测温试件(6)的侧面用紧固件(5)顶紧；所述驱动部件(2)带动砂轮(1)对测温试件(6)的顶面实施磨削；磨削液供给部件在砂轮(1)的成形轮面与测温试件(6)的顶面之间的接触位置处供给磨削液。

5.根据权利要求4所述的一种磨削温度梯度测量装置，其特征在于，所述驱动部件(2)为数控磨床。