1、毕业论文磨床磨削温度第1章 磨削温度研究概述1.1 磨削温度研究的的现状及其发展趋势1.1.1 热模型的发展其现状1、国外情况早在50年代，Outwater和Shaw基于剪切面移动热源理论建立了热量传递给工件的热源模型。Hahn提出了热量产生在磨粒磨损平面上的理论，认为热量的产生可以通过考虑磨损平面上的力和忽略剪切面上的力来进行精确描述。Malkino发现实际热源长度是几何接触长度的23倍。Qi发现接触长度可以由几何接触长度和由于接触力产生的弹性接触长度来进行预测。不过，Malkino的研究结果表明在几何接触长度内有超过2/3的能量进入工件。因此，对模型进行了合适的调整，建议使用几何接触长度来
2、计算。DesRuisseaux发现对于典型的Pecle数和对流换热系数，重要的对流冷却将不发生在接触区。Howse也发现当磨削区的温度超过磨削液的沸腾温度时，磨削液的沸腾膜严重地限制了冷却。因此得出结论，对于浅磨削，磨削液的重要性是由于更有效的润滑来减少磨削力和磨削温度的1。Malkino经过试验得出结论:切屑带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别定义。Pettit基于砂轮材料的复合体特性建立了一个热源模型，此模型提供了确定能量传递给工件的比率Rw的一种简便方法。Blank研究发现对于大多数含铁材料，在回火颜色发生时往往伴随着表面的严重损伤，一般回火颜色发生
3、的临界温度在450至500。Hahn的平面模型给出了最大可能传递给磨粒的能量。Blank的结果表明40圆锥角的圆锥模型等于平面模型。因此建议使用Hahn的磨粒模型。Rowe在前人研究的基础上综合了较多的磨削参数建立了一种简化的传热模型，此模型考虑了砂轮和工件的热特性、砂轮的锋利程度、砂轮和工件的速度、切深以及接触长度影响，C.Guo在Rowe模型的基础上做了改进，建立了一个新的模型，此模型考虑了磨削液的影响，通过分别考虑热传递给磨粒和磨削液来确定分配率。2、国内情况我国学者也很早就开展了磨削温度的理论研究。早在60年代，哈工大的侯镇冰，上海交通大学的贝季瑶等人就开始了磨削温度的理论研究。贝季瑶
4、用实验方法肯定了按=作为磨削区接触弧长的合理性，然后根据实际情况的分析，提出了热源强度在沿接触弧长上为三角形分布的假设，从而分别按单向导热和双向导热推导了计算磨削区温度的公式。东北大学在磨削温度方面的研究成果比较显著:蔡光起教授在研究高速重负荷钢坯修磨时建立了钢坯修磨热模型；高航教授在研究断续磨削时分别建立了卧轴周边断续磨削和立轴端面断续磨削的热源模型；金滩博士在研究高效深切磨削技术时，对高效深磨的传热机制进行了系统的理论研究，分别用均布和三角形分布热源假设，建立了倾斜移动热源的三种传热模型。下表1列出了近几十年来磨削热模型的发展。表11 磨削热模型的主要发展21.1.2 磨削温度研究的发展趋
5、势目前，磨削温度的测量还不是一项十分成熟的技术，它本身还处在不断的探索、完善与发展之中，不管是对哪一种磨削温度，要真正测准一个数据都不是一件容易的事情。在磨削热模型方面，虽然许多学者已根据不同的磨削条件建立了相应的磨削热模型及其计算方法，但阐述尚不能令人完全满意。例如磨粒模型和接触区模型所考虑的因素还不够全面。在温度测量方面，测量仪器及测量方法还有待进一步的发展3。目前，高速及超高速磨削技术的迅速发展为磨削温度的研究提供了新的领域，同时也提出了新的要求。大致有以下几个方面亟需发展：1、有限元法在磨削温度场研究中的应用和进一步的发展，例如Ansys在磨削热分析方面的应用。2、在给定的工艺条件下准
6、确确定热量传给工件的比例R的方法。3、磨料、工件材料热特性数据库的丰富。4、综合考虑砂轮磨料、磨削液、磨屑等对磨削温度的影响。5、液氮超低温加工状态下工件的温度分布情况。6、能够综合反映不同磨削过程的热模型及能对磨削温度进行动态仿真的软件的建立。7、测量温度的实验方法及设备的改进。8、液氮超低温加工状态下工件的温度分布情况。随着现代磨削技术的不断发展，磨削温度的研究也得到了迅速的发展；而磨削温度理论的深入研究必将进一步推动磨削技术的发展并为生产实践和磨削新技术的应用提供更为完善的理论基础。1.2 研究磨削温度的意义磨削加工是一种重要的加工工艺，它被广泛应用于高精度和高光洁度工件的生产过程中。与
7、其他加工工艺相比，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化为热量集中在磨削区内，导致磨削区的温度升高。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。据资料记载，磨削时切下单位体积切屑所消耗的动力能可以达到普通切削时的1020倍，且所消耗的动力能中有70%80%（普通切削时仅约10%）会以热能的形式进入工件的，如此大的磨削热传入工件势必会引起工件表层及总体温度的显著升高，从而对加工零件的表层的物理化学性质和尺寸形状偏差之类的磨削缺陷的热机理以及寻求控制磨削工件质量的途径无疑都有现实意义。因此通过研究磨削温度来探索解决磨削热损伤的途径一直是
8、磨削加工技术重要的研究内容之一。1.3 磨削温度测量技术获取磨削区温度的分布对于弄清磨削热损伤的机理是极其重要的，而通过测量温度获取数据是了解热损伤机理、避免热损伤、提高加工表面质量的前提条件。磨削温度是加工时由磨削热所引起的工件温升的一个总称4。在工程研究中又按照不同的要求进一步将其区分成工件总体的平均温度、工件表层温度、砂轮磨削区的温度以及磨粒磨削点的温度等不同部位的温度来加以研究。表2是近几十年来先后见诸文献的有关磨削温度测量方法的一个汇总。表12 常见的磨削温分类及其测量方法第2章 热电偶的简介赛贝克发现的热电现象是物理学上的一个度重要成果，它导致了热电偶的出现及在工业上的广泛应用5。
9、随着科学技术的迅速发展，人们对热电现象的认识逐步加深。热电偶是目前各国在科研和生产中进行温度测量时应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、热惯性小等优点。它既可以用于测量流体温度，也可以用于测量固体温度。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。且能直接输出直流电压信号，或方便地转换成线性化的直流电流信号，便于测量、信号传输、自动记录和自动控制等。2.1 热电偶现象由两种不同导体(A、B)构成的闭合回路，若两端结点温度不同，回路中将产生一定数值的电流，且其大小决定于导体材料的性质和结点的温度.，这就是“热电效应”。既然回路中有电流，必然存在电动势。它包括接
10、触电势和汤姆逊电势。1接触电势两种导体接触时产生的电势差称为接触电势差。2汤姆逊电势同一导体两端温度不同时，两端建立起一定数值的电势，这就是汤姆逊效应，这种电势称为温差电势或汤姆逊电势。虽是同一导体，由于两端温度不同(T， To)，导体存在温度梯子，自由电子的平均动能不相同，于是温度(T)高的一端自由电子向温度(To)低的一端运动，于是产生一定数值的电势差。2.2 热电偶的定义现在流行的热电偶定义有两种5，分别说明如下。1传统的热电偶定义用两根不同种类的金属芯线构成电路，在接点处温度有变化时，在电路中将产生温差电动势，这种现象叫作赛贝克效应(温差电动势效应)。利用这个效应制成的温度传感器就是热
11、电偶。2扩展的热电偶定义扩展的热电偶定义，也称为热电偶的第二种定义，它是根据近年来对热电偶的研究成果，将热电偶定义扩展为，由两种不同导体组成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电势，该电势的方向和大小，取决于导体的材料和两个接点的温度差别，这个现象即称为物体的“热电效应”，两种导体所组成的回路称为“热电偶。2.3 热电偶定律2.3.1 热电偶均质导体定律1中间导体定律6如图所示为由导体A. B构成的热电偶，两端结点的温度为T， To，且TTo，于是回路中总的热电势包含两个拍尔帖电势和两个汤姆逊电势。中间导体定律：由导体A和B组成的热电偶，当接入第三导体C后（如图21（b）所示），若保持
12、C的两端温度相同(To)，回路的总电势不变。2热电偶均质导体定律7由一种均匀导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，以及各处的温都不能产生热电势。(a) (b)图21 热电偶均质导体定律2均质导体定律引出的结论如果热电偶两电极材料相同，则两端温度不同，但总输出电势仍为零。因此，必须由两种不同的材料才能构成热电偶。第3章 实验内容和具体步骤测量工件的平均温度可以，利用埋装在工件内部的若干标准热电偶测得，也可以用温涂料测试工件内部的温度。最近出现了用红外光导纤维测量磨削温度方面的研究，并且已经取得了一定的成果和突破，但是热电偶测温法仍然是能够进入磨削区直接测量的唯一有效的方法8。3.1 热电
13、偶的标定在实际应用中，如果保持自由端温度T。不变，就可以根据热电势E来确定热端温度T配大小，这就是热电偶测温的工作原理9。热电偶标定指的是确定热电偶的热电特性。热电偶种类很多，常用的不下几十种，不同材料组成的热电偶其测温范围、适用条件、灵敏度等也不同，实际应用中应有所选择。已被国际上公认的性能优良的和用量最大的热电偶有：铂铑-铂热电偶（ 分度号）、铂铑-铂铑热电偶（ 分度号）、镍铬-镍硅热电偶（ 分度号）、铜-康铜热电偶（ 分度号）和镍铬-康铜热电偶（ 分度号）。根据本研究的测试要求，本测试中采用的测温元件是的镍铬-镍硅热电偶。镍铬-镍硅热电偶是一种碱金属热电偶，金属丝直径范围较大，工业应用一
14、般为0.5-3mm。实验研究使用时，根据需要可以拉延至更细的直径。这种热电偶的特点是价格低廉、灵敏度高、复现性好、高温下抗氧化能力强，是工业中和实验室里大量采用的一种热电偶。但在还原性介质或硫化物气氛中易被侵蚀。镍铬-镍硅热电偶的技术标准如下表3所示。表31 镍铬-镍硅热电偶的技术标准3.1.1 试验目的温度标定指的是确定热电偶的热电特性，也就是确定热电偶结的温度-电势曲线。此项试验是我们即将开展的陶瓷材料的高效深磨温度测试的一个组成部分。我们准备对高效深磨试验中用到的镍铬-镍硅丝进行标定，以得到这种材料的第一手资料，为以后的试验奠定一个坚实的基础。3.1.2 实验方法及装置1、温度标定方法简
15、图温度标定的方法的简图如下：管式电炉的炉温可调。炉温可调，与在该炉温下测得的标定热电偶的热电势相对应就可以画出待标定热电偶的热电特性曲线。热电偶标定装置如下图所示：图31 热电偶标定装置2、所用到的实验装置卧式管形电炉 型号：SRLK-2-9， 功率：2kwDWK精密温度自动控制装置最大输出功率：10kw 控制精度：12500.5UJ37型电位差计测量范围：-10103毫伏，准确度级别0.1级使用温度范围：545标准热电偶：铂铹-铂分度号：LB3， 测温范围-20-1600 新分度号为S等级：二级被测热电偶：镍铬-镍硅（直径0.28mm）分度号：EU2， 测温范围-501300 新分度号为K3
16、.1.3 试验步骤将试验设备各电路连线按设备说明书的要求联结；将标准热电偶和被测热电偶扎好一起放入卧式管形电炉中；接通电源；将DWK精密温度自动控制装置调到一定数值；测出检定炉温下被测热电偶的热电势值，记录数据；按照标定方案中的数据重复和；切断各设备电源，拆卸联结线。3.1.4 实验数据及总结标定实验的数据如下表所示：表31 标定实验的数据上面表格中“”前的数据为测得的两种热电偶的电势值，“”后的数据为根据标准的数据分度表格插值得到的相应的温度值。利用MATLAB绘出相应的电势温度曲线如下所示。在上述4个图像中，其中图32为铂铹-铂的电势温度曲线；图33为镍铬-镍硅的电势温度曲线；图34和图3
17、5为将铂铹-铂和镍铬-镍硅的两曲线汇在一幅图上，其中图34采用图1的横坐标，图35采用图2的横坐标。从两条曲线的比较中可以看出，这两种热电偶存在一定误差，基本上是在系统误差的基础上又有一定的随机误差。图32 铂铹-铂的电势温度曲线图33 镍铬-镍硅的电势温度曲线图34 铂铹-铂和镍铬-镍硅两曲线比较图（1）图35 铂铹-铂和镍铬-镍硅两曲线比较图（2）3.1.5 热电势系数制作的热电偶进行标定后，即用实验方法测出热电势系数后，在实际应用热电偶时，只需测得某时刻的热电势E，便可得知此刻测点处的温度3.2 试件的制作试件的结构如下图所示。图36 试件的结构示意图为了将热电偶埋入工件，需要将工件分割
18、成两部分，且在其中一部分上开工艺槽，留出热电偶丝的空隙。由于试件的材料为42Cr，是金属导体，为了保持热电偶的两极，即镍铬丝和镍硅丝绝缘（否则不能产生电势差，没有信号），试件需要用三片云母片分别夹在工件与镍铬丝、镍铬丝与镍硅丝和镍硅丝与工件之间，如图所示。其中云母片厚度不大于0.02mm，镍铝-镍铬丝的直径都为0.15mm，长度初定3m（其中1m用于标定），端部展平即为箔片，厚度不大于0.035mm，粘结剂采用环氧树脂。3.3 砂轮磨削区温度的测量砂轮磨削温度指的是砂轮磨削时砂轮与工件接触弧面上的温度,从工件一方看，就相当于工件磨削面上的温度，它在本质上应该是离散分布在接触弧面上的磨粒磨削点温
19、度在试件材料本身的传导均热作用下所反映出来的一种集合平均温度.砂轮磨削温度与烧伤、裂纹等磨削缺陷密切相关。目前测量砂轮磨削区域温度用得最为普遍的试所谓的分块试件夹丝的半人工热电偶测量方案，本次试验也采用此发案。砂轮磨削区温度测量的装置如图37所示。图37 砂轮磨削区温度测量的装置参考文献1 兰雄侯，王继先，高航磨削温度理论研究的现状与进展A，沈阳：东北大学机械工程及自动化学院.2 徐鸿钧，磨削温度的测量技术磨料磨具与磨削，1986.3 王霖、秦勇等，磨削温度场的研究现状与发展趋势，济南：山东大学，2001.4 徐鸿钧，高航，磨削温度的测量技术，徐鸿钧，高航，沈阳：东北大学机械工程及自动化学院.
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