砂轮气流场辅助注入磨削液的方法及装置

摘要

本发明公开了一种砂轮气流场辅助注入磨削液的方法及装置，它将供给磨削液喷嘴的位置设在楔形磨削区气流场返回流之上，且与砂轮圆周相切，喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等，借助砂轮速度和在楔形磨削区气流场压力和速度的迅速增高获得的能量，辅助磨削液注入切削区。本发明不用冲破砂轮气障的影响，节省了供液系统的无用功能量；供给磨削液喷嘴与砂轮圆周相切，喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等，在砂轮的拖曳作用之下，磨削液在砂轮带动之下更有效通过磨削区；因砂轮气流场在楔形磨削区的动压力和速度大幅度增加，磨削液在楔形区获得更多的动力和能量，又由于楔形区最小间隙之后形成负压，增加了磨削液通过砂轮与工件界面的流量。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工中磨削液的供给方法，即一种砂轮气流场辅助注入磨削液的方法及 装置。

背景技术

磨削加工，去除单位材料体积所消耗的能量远大于其它切削加工方法，在磨削区产生大 量的热，这些热传散在切屑、刀具和工件上。磨削热效应对工件表面质量和使用性能影响极 大。特别是当温度在砂轮/工件界面上超过某一临界值时，就会引起表面的热损伤(表面的氧 化、烧伤、残余拉应力和裂纹)，其结果将会导致零件的抗磨损性能降低，抗疲劳性能变 差，从而降低了零件的使用寿命和工件可靠性。此外，磨削周期中工件的累积温升，导致工 件尺寸精度、形状精度误差和砂轮的使用寿命降低。因此，有效控制磨削区的温度降低工件 表面热损伤，是研究磨削机理和提高被磨零件表面完整性的重要课题。

在磨削加工中，磨削液占有重要的地位，因为它具有润滑、冷却、清洗、防锈、降低磨 削力和改善工件表面质量等功效，是磨削加工过程不可缺少的生产要素之一。

为了降低磨削区的温度，生产上广泛采用向磨削区切向供给大流量磨削液的浇注式供液 法降低磨削区温度。但这种供液方法由于砂轮高速旋转形成的“气障”使磨削液进入磨削区 十分困难，实际进入砂轮/工件之间的“有效流量率”仅为喷嘴流量的5％-40％，大量的磨 削液根本无法进入砂轮/工件界面，磨削液只是起到冷却工件基体的作用，造成磨削烧伤和 工件表面完整性恶化。因此，采用恰当的注入方法，增加磨削液进入磨削区的有效部分，提 高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。

目前改进的磨削液注入方法有：空气挡板辅助截断气流法、高压喷射法、砂轮内冷却 法、径向射流冲击强化换热法等。空气挡板辅助截断气流法是在砂轮外周面及侧面设置可调 节的空气挡板，阻碍空气向弧区快速流动。挡板与砂轮表面间隙应尽量小，随砂轮直径的减 小能连续地调整。采用空气挡板，砂轮表面可以更好的被润湿，还可防止磨削液向两旁飞 溅。高压喷射法是提高供给磨削液的压力，把磨削液高速喷出，使其能冲破气流屏障进入弧 区，将磨削热迅速带走，一般使用压力在几MPa。砂轮内冷却法是利用砂轮径向孔供液或利 用砂轮盘的侧孔供液。利用离心力渗漏作用将磨削液通过砂轮气孔从周边甩出，进入磨削 区。系统需配置高精度的过滤装置，以免砂轮堵塞。径向射流冲击强化换热法利用开槽CBN 砂轮的径向小孔高压喷射磨削液，使磨削液以很高速度(可达100m/s)，接近垂直地冲击弧 区工件表面。由于高压射流可以轻易冲破已形成汽膜的阻挡，确保磨削液与工件表面的持续 接触，因而就有条件突破成膜沸腾的障碍，使磨削弧区温度降低，这种冷却液注入方法不受 砂轮气障的影响，换热效率高，缺点是工作时砂轮易产生振动，导致加工工件精度和表面质 量降低，而且供液系统结构复杂，成本高。

气流场是磨削加工存在砂轮周边的必然现象，在砂轮高速旋转条件下，为了实现对磨削 区的冷却，冲走切屑，磨削液的喷注必须有足够大的能量，磨削液的供液速度、压力均比浇 注式成倍增加，以冲破砂轮周围的高速气流，使磨削液抵达磨削区。

以上分析均是在磨削液供给的过程中如何克服砂轮气流场，冲破砂轮气障层的影响，克 服砂轮气流场的能量而使磨削液有效注入磨削区。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供一种砂轮气流场辅助注入磨削液的方法及装置， 该方法是将供给磨削液喷嘴的位置设在楔形磨削区气流场返回流之上，且与砂轮圆周相切， 喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等，借助砂轮速度和在楔形磨削区气流场压力和速 度的迅速增高获得的能量，辅助磨削液注入切削区。

上述目的是由以下技术方案实现的：

一种砂轮气流场辅助注入磨削液的方法，将供给磨削液的喷嘴出口位置设置在楔形磨削 区气流场返回流之上，且该位置与砂轮圆周相切；喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相 等，借助砂轮速度和在楔形磨削区气流场压力和速度的迅速增高获得的能量，将辅助磨削液 注入切削区。

所述喷嘴的出口位置距离砂轮1表面0.5-1mm；喷嘴出口与工件间距离为60-120mm。

所述喷嘴位于以所述砂轮中心为坐标原点的第二象限内-20至-80度圆心角区域内。

所述的楔形磨削区气流场压力的数学模型为：

$\frac{\partial }{\partial x}(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial x}-\frac{h}{2}{v}_s)+\frac{\partial }{\partial y}\left(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial y}\right)=0---\left(1\right)$

(1)式差分解法表达式为：

$p=\frac{3\mathrm{v\eta }\sqrt{{\mathrm{Dh}}_0}}{h_0^2}\{\gamma +\pi /2+\frac{\sin 2\gamma }{2}-1.226\times [\frac{3}{4}(\gamma +\pi /2)+\frac{\sin 2\gamma }{2}+\frac{\sin 4\gamma }{10}\left]\right\}---\left(2\right)$

式中：p为气流场动压力，x，y为坐标轴，D为砂轮直径，R_x为砂轮半 径，h为砂轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间隙， v_s为砂轮线速度，η为气流场的动力粘度。

所述最小间隙h₀表达式为：

h₀＝0.6d_g                                            (3)

由于砂轮是由磨粒、结合剂和气孔组成，砂轮在磨削工件的过程中，砂轮和工件之间存 在间隙，设组成砂轮磨粒的平均直径为d_g，砂轮速度对气流场动压力的影响：

在x方向即垂直于砂轮宽度方向，气流场动压力随砂轮圆周速度的增加而增加，在砂轮 与工件之间间隙最小区域，气流场动压力达到峰值，并且压力梯度变化很大，在最小间隙之 后即出口区形成负压；在y方向即砂轮宽度方向，除了在砂轮宽度边缘处存在侧泄以外，气 流场动压力相同。

所述楔形磨削区气流场速度的数学模型为：

$u=\frac{1}{2\eta }\frac{\partial p}{\partial x}y(y-h)+\frac{v_s}{h}y---\left(4\right)$

式中u为气流场在x方向的速度；x，y为坐标轴；p为气流场动压力；η为气流场的动 力粘度；h为砂轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间 隙，v_s为砂轮线速度；气流场速度的变化在靠近砂轮与工件最小间隙处磨削液的x方向的速 度达到最大值，在靠近磨削液出口处流体速度基本保持不变；随着砂轮圆周速度的增加，速 度的最大值也在增大，而且增加速度比较快。

一种砂轮气流场辅助注入磨削液装置，它包括喷嘴，所述喷嘴出口位置设置在砂轮与工 件间形成的楔形磨削区气流场返回流之上，且该位置与砂轮圆周相切；喷嘴喷出磨削液的速 度和砂轮圆周速度相等。

本发明的工作原理为：它将供给磨削液喷嘴的位置置于楔形磨削区气流场返回流之上， 且与砂轮圆周相切，喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等，借助砂轮速度和在楔形磨 削区气流场压力和速度的迅速增高获得的能量，辅助磨削液注入切削区。

所说的楔形磨削区气流场动压力的数学模型为：

$\frac{\partial }{\partial x}(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial x}-\frac{h}{2}{v}_s)+\frac{\partial }{\partial y}\left(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial y}\right)=0---\left(1\right)$

(1)式差分解法表达式为：

$p=\frac{3\mathrm{v\eta }\sqrt{{\mathrm{Dh}}_0}}{h_0^2}\{\gamma +\pi /2+\frac{\sin 2\gamma }{2}-1.226\times [\frac{3}{4}(\gamma +\pi /2)+\frac{\sin 2\gamma }{2}+\frac{\sin 4\gamma }{10}\left]\right\}---\left(2\right)$

式中：p为气流场动压力，x，y为坐标轴，D为砂轮直径，R_x为砂轮半 径，h为砂轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间隙， v_s为砂轮线速度，η为气流场的动力粘度。

由于砂轮是由磨粒、结合剂和气孔组成，砂轮在磨削工件的过程中，砂轮和工件之间存 在间隙，设组成砂轮磨粒的平均直径为d_g，则砂轮表面和工件之间的最小间隙h₀表达式为：

h₀＝0.6d_g                                                (3)

砂轮速度对气流场动压力的影响：

在x方向即垂直于砂轮宽度方向，气流场动压力随砂轮圆周速度的增加而增加，在砂轮 与工件之间间隙最小区域，气流场动压力达到峰值，并且压力梯度变化很大，在最小间隙之 后(出口区)形成负压。在y方向即砂轮宽度方向，除了在砂轮宽度边缘处存在侧泄以外， 气流场动压力相同。

砂轮与工件最小间隙h₀对气流场动压力的影响。

由图5可以看出，当砂轮和工件间的最小间隙越小时，磨削区气流场的动压力越大。

所说的楔形磨削区气流场运动速度的数学模型为：

$u=\frac{1}{2\eta }\frac{\partial p}{\partial x}y(y-h)+\frac{v_s}{h}y---\left(4\right)$

式中u为气流场在x方向的速度；p为气流场动压力；η为气流场的动力粘度；h为砂 轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间隙，v_s为砂轮线 速度。

气流场速度的变化规律：

图6为气流场速度随砂轮速度在x方向的分布图。由图6可知，在靠近砂轮与工件最小 间隙处磨削液的x方向的速度达到最大值，在靠近磨削液出口处流体速度基本保持不变。随 着砂轮圆周速度的增加，速度的最大值也在增大，而且增加速度比较快。

所说的楔形磨削区气流场返回流的分布图：

从图7中可以看出，气流场在楔形区靠近工件表面存在返回流现象，有效供给磨削液的 关键是供液喷嘴在返回流之上，这样可以不用消耗冲破气流场的能量。

所说的供给磨削液喷嘴与砂轮圆周相切，喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等。

本发明的有益效果是：由于供给磨削液喷嘴的位置在楔形磨削区气流场返回流之上，供 给磨削液过程中，不用冲破砂轮气障的影响，节省了供液系统的无用功能量；供给磨削液喷 嘴与砂轮圆周相切，喷嘴喷出磨削液的速度和砂轮圆周速度相等，在砂轮的拖曳作用之下， 使磨削液在砂轮带动之下更有效通过磨削区；由于砂轮气流场在楔形磨削区的动压力和速度 大幅度增加，使磨削液在楔形区获得更多的动力和能量，又由于在楔形区最小间隙之后(出 口区)形成负压，增加了磨削液通过砂轮与工件界面的流量。采用砂轮气流场辅助注入磨削 液的方法和现有的供液方法相比，不仅节省了供液系统的能量，降低了成本，增加磨削液通 过磨削区的有效流量率，增加了磨削液的冷却和润滑效果，而且提高了零件的表面质量，降 低处理磨削液的成本。

附图说明

图1a为本发明原理的示意图；

图1b为图1a中压力分布图；

图2为模型示意图；

图3a为不同速度下压力分布图；

图3b为不同速度下压力分布图；

图3c为不同速度下压力分布图；

图3d为不同速度下压力分布图；

图4a为砂轮与工件不同最小间隙下的气流场动压力变化规律；

图4b为砂轮与工件不同最小间隙下的气流场动压力变化规律；

图4c为砂轮与工件不同最小间隙下的气流场动压力变化规律；

图4d为砂轮与工件不同最小间隙下的气流场动压力变化规律；

图5为沿砂轮转速方向压力随最小间隙的变化曲线；

图6为流体x方向速度随砂轮圆周速度的变化曲线；

图7为气流场在楔形区靠近工件表面存在返回流图；

图8为现有喷嘴安装位置图；

图9为本发明喷嘴安装位置图。

其中，1.砂轮，2.工件，3.喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1a中，本发明的一种砂轮气流场辅助注入磨削液的方法，将供给磨削液的喷嘴位置设 置在楔形磨削区气流场返回流之上，且该位置与砂轮圆周相切；喷嘴喷出磨削液的速度和砂 轮圆周速度相等，借助砂轮速度和在楔形磨削区气流场压力和速度的迅速增高获得的能量， 将辅助磨削液注入切削区。

所述喷嘴的出口位置距离砂轮1表面0.5-1mm；喷嘴出口与工件间距离为60-120mm。

所述喷嘴位于所述砂轮从水平线下以下至垂直轴线间90度区域圆心角内的以水平线为 起始位置的圆心角为20-80度区域内。

图1b、图2中，所述的楔形磨削区气流场压力的数学模型为：

$\frac{\partial }{\partial x}(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial x}-\frac{h}{2}{v}_s)+\frac{\partial }{\partial y}\left(\frac{h^3}{12\eta }\frac{\partial p}{\partial y}\right)=0---\left(1\right)$

(1)式差分解法表达式为：

$p=\frac{3\mathrm{v\eta }\sqrt{{\mathrm{Dh}}_0}}{h_0^2}\{\gamma +\pi /2+\frac{\sin 2\gamma }{2}-1.226\times [\frac{3}{4}(\gamma +\pi /2)+\frac{\sin 2\gamma }{2}+\frac{\sin 4\gamma }{10}\left]\right\}---\left(2\right)$

式中：p为气流场动压力，x，y为坐标轴，D为砂轮直径，R_x为砂轮半 径，h为砂轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间隙， v_s为砂轮线速度，η为气流场的动力粘度。

所述最小间隙h₀表达式为：

h₀＝0.6d_g                                        (3)

由于砂轮是由磨粒、结合剂和气孔组成，砂轮在磨削工件的过程中，砂轮和工件之间存 在间隙，设组成砂轮磨粒的平均直径为d_g，砂轮速度对气流场动压力的影响：

在x方向即垂直于砂轮宽度方向，气流场动压力随砂轮圆周速度的增加而增加，在砂轮 与工件之间间隙最小区域，气流场动压力达到峰值，并且压力梯度变化很大，在最小间隙之 后即出口区形成负压；在y方向即砂轮宽度方向，除了在砂轮宽度边缘处存在侧泄以外，气 流场动压力相同，如图3a-图3d所示。

所述楔形磨削区气流场速度的数学模型为：

$u=\frac{1}{2\eta }\frac{\partial p}{\partial x}y(y-h)+\frac{v_s}{h}y---\left(4\right)$

式中u为气流场在x方向的速度；x，y为坐标轴；p为气流场动压力；η为气流场的动 力粘度；h为砂轮与工件表面之间的间隙，h₀为砂轮表面和工件之间的最小间 隙，v_s为砂轮线速度；气流场速度的变化在靠近砂轮与工件最小间隙处磨削液的x方向的速 度达到最大值，在靠近磨削液出口处流体速度基本保持不变；随着砂轮圆周速度的增加，速 度的最大值也在增大，而且增加速度比较快，如图4a-图4d所示。

为了证明砂轮气流场辅助注入磨削液方法的有效性，我们做了不同供液位置对比实验， 下面仅提供典型实验情况：

实验条件：斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床，CBN砂轮，砂轮参数： 直径300mm，粒度：240#，砂轮线速度45m/s，进给量0.5m/min；切削深度0.5mm。磨削介质 为乳化液，消耗量为单位砂轮宽度5400ml/h，供液喷嘴压力为0.45Mpa，出口喷液速度和砂 轮线速度相同也为45m/s；试验用的镍基合金材料牌号：GH4145，其硬度为HB330-400。用三 向压电式磨削力测量仪(YDM-III99)、表面形貌仪(Talysurf)、红外热像仪(Thermovision A20M)分别测量磨削力、加工表面微观形貌和磨削区温度。喷嘴3安装角度分为水平放置和 与砂轮1圆周相切两种工况，在喷嘴水平时，又由于安装高度的不同分为3种供液位置，如 图8所示，喷嘴3置于水平位置，砂轮1与工件2相配合，喷嘴3可处于图8中(1)、(2) 和(4)位置，(1)位置为传统的浇注式供液方式；在喷嘴与砂轮圆周相切时，如图9所示， 根据喷嘴水平放置时的技术指标，选择(4)位置进行对比实验，(4)位置为本发明的供液方 式。

实验结果如表1所示：

表1不同供液位置技术指标对比

注：1.有效流量率为通过磨削区的流量占喷嘴供液流量的百分比。

2.Ft：切向切削力；Fn法向切削力，单位：N/mm。

3.G比率为单位时间内去除材料的体积V与刀具磨损体积Vw的比值，即G＝V/Vw。

实验结果分析：

1.喷嘴3在(2)位置和(3)位置通过磨削区的有效流量率明显比(1)位置和(4)位 置高，说明(2)位置和(3)位置都在气流场返回流之上，越接近砂轮1与工件2之间的最 小间隙，砂轮1气流场在楔形磨削区的动压力和速度增加幅度越大，使磨削液在楔形区获得 更多的动力和能量，又由于在楔形区最小间隙之后(出口区)形成负压，增加了磨削液通过 砂轮1与工件界面的流量，导致(2)位置和(3)位置的有效流量率显著增加。又由于(3) 位置喷嘴3和砂轮1圆周相切，在砂轮1拖曳作用带动下，进一步增加磨削液通过磨削区的 能量，使(3)位置有效流量率比(2)位置高。

(1)位置由于供液喷嘴3在气流场返回流之内，故首先克服气障的阻力磨削液才能进入 磨削区，因此有效流量率降低；(4)位置供液喷嘴3虽然在气流场返回流之上，但在砂轮1 高速旋转离心力的作用之下，磨削液被甩出，未能有效进入磨削区，导致有效流量率降低。

由于进入磨削区的有效流量率增加，增强了磨削液的润滑、冷却和清洗的功能，因此加 工工件的表面粗糙度、磨削区温度、切削力、G比率以及砂轮清洗明显比传统的切向供液方 法改善，实验验证了该供液方法的有效性。

所说的0≤α≤10；0≤β≤20；即喷嘴位于所述砂轮从水平线下以下至垂直轴线间90度 区域圆心角内的以水平线为起始位置的圆心角为20-80度区域内。

所说的喷嘴3的出口位置距离砂轮1表面0.5-1mm。