摘要　石材加工中溫度對異型面形成機(jī)理和成型刀具的磨損規(guī)律有重要意義，而理論分析過程比較復(fù)雜，準(zhǔn)確率有待修正提高。為有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，掌握金剛石刀具磨削石材的規(guī)律，摸索適于高效花崗石磨削的加工工藝，以降低溫度對生產(chǎn)的不良影響，提出了基于紅外成像的測量和分析方法。實(shí)驗(yàn)中，分析了兩種石材異型面干切削加工中熱量的產(chǎn)生及切削溫度的變化，發(fā)現(xiàn)花崗石異型面磨削弧區(qū)的表面最高溫度隨主軸轉(zhuǎn)速及刀具切削深度的提高而上升；單獨(dú)提高刀具的進(jìn)給速度會使磨削區(qū)溫度先升后降。

　　在各種材料去除加工過程中必然產(chǎn)生熱量并帶來溫度變化，加工件質(zhì)量及刀具壽命均因此受到影響。針對金屬材料，切削過程的熱量產(chǎn)生及傳遞研究成果已經(jīng)比較多[1－3]，研究方法各具特色；而陶瓷材料去除加工中，有關(guān)研究也非常深入。與陶瓷材料相似的硬脆石材，大熱量的產(chǎn)生也帶來了很多問題，但其中傳熱規(guī)律和影響因素尚不十分清楚。常見石材加工是通過鋸切或磨削完成的，刀具在異型面弧區(qū)加工中，熱量直接影響著刀具金剛石顆粒磨破損情況，也關(guān)系到被加工石材表面質(zhì)量和工件性能。例如，切削中溫度升至800℃以上時，金剛石顆粒石墨傾向嚴(yán)重，導(dǎo)致切削能力喪失，可見切削熱對花崗石異型面加工中刀具和石材均有至關(guān)重要的影響。

　　現(xiàn)階段，要確定花崗石磨削溫度場，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量是常見的兩種途徑。理論研究具體到實(shí)踐中有多種方法，比如理論推導(dǎo)法、經(jīng)驗(yàn)公式法等，主要是基于傳熱學(xué)，建立刀具一工件的熱傳遞基于微分議程進(jìn)行求解。而面向加工實(shí)驗(yàn)的溫度測量則是更加直接和有效的方法。需要指出的是，要更詳細(xì)研究加工條件－弧區(qū)溫度耦合規(guī)律，尤其對于異型面溫度場研究，必須在測試方法上有所突破。

　　花崗石磨削溫度場的紅外測溫

　　要研究花崗石磨削區(qū)溫度場，直接途徑有熱電偶測溫、花纖測溫、紅外成像測溫。然而上述方法均不能完整提取出切削區(qū)域表面全部點(diǎn)溫度，相對熱電偶測溫，光纖測溫更適用于反映刀具－石材間熱量的內(nèi)部傳遞過程[３]。而花崗石作為不導(dǎo)電的硬脆材料，其響應(yīng)速度慢，特別是用來測量高旋轉(zhuǎn)速度下的刀具溫度更加困難。加之考慮到動態(tài)熱敏性、測量面積、測量精度、是否受切削液的影響，以及測試、安裝成本和數(shù)據(jù)采集、處理是否方便等因素，相對其他兩種方法，紅外成像測量在表面溫度測量及測量范圍方面則顯出優(yōu)勢。故本研究中確定使用先進(jìn)的紅外熱像儀重點(diǎn)來測量刀具－工件接觸面，進(jìn)而可推斷刀具以及工件切削區(qū)域溫度場。紅外成像設(shè)備可以接收被測物體各點(diǎn)紅外輻射能量，進(jìn)而確定被測目標(biāo)溫度場[4－6]，屬于非接觸式測溫，避免了高熱環(huán)境下的操作不利。切削區(qū)域表面向外幅射能量，成像儀獲取幅射狀態(tài)的熱信息，經(jīng)過信號處理后轉(zhuǎn)換成溫度進(jìn)行顯示。其優(yōu)勢還在于反應(yīng)速度快、覆蓋面廣，操作簡單。此外，針對異型面磨削采用的紅外熱成像測量方式參見圖1。

　　測試設(shè)備與條件

　　根據(jù)圖1所示的操作方式，實(shí)驗(yàn)中彩棚和NＥＣ生產(chǎn)的QH5104R型號紅外熱像儀，在意大利CMS公司進(jìn)口的SPEED Y2000型數(shù)控加工中心上進(jìn)行加工，其最高轉(zhuǎn)速為15000m/min ，Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸的最大進(jìn)給速度分別為54、36、30m/min，可通過程序控制設(shè)定工藝參數(shù)。切削刀具選用了意大利生產(chǎn)的ASS10105型號成形銑磨輪，如圖2所示。上述設(shè)備和刀具適用于硬脆材料的加工，可完成異型輪廓、形狀工件的成型、研磨、拋光、平面雕刻、浮雕等所有三維立體空間加工。針對銑磨切削熱現(xiàn)象根據(jù)上述設(shè)備廠家提供的指標(biāo)參數(shù)使用范圍，可知完全能實(shí)現(xiàn)高效加工系統(tǒng)的測量要求。

　　石材制品通常形狀復(fù)雜，但加工面無論多么復(fù)雜，均可以看做是由不同的簡單異型面連接而成的。鑒于1/4圓弧便于檢測，也是多種異型面的典型弧面單元，因此，實(shí)驗(yàn)以相對簡單的1/4圓弧面單元磨削加工過程熱現(xiàn)象作為對象（如圖3），而其他異型面的加工過程均可由此進(jìn)行推廣。另外，此試驗(yàn)未將磨削液、冷卻液等引入實(shí)驗(yàn)過程，以更好的獲取單純切削熱量帶來的影響。

圖3　異型圓弧加工面三維實(shí)體及尺寸示意圖

　　為了搬運(yùn)、檢測方便，研究中由本地選材，選用了規(guī)格為600mm×400mm×30mm的兩種花崗石，分別為齊魯紅（Ｇ3754）和濟(jì)南青（Ｇ3701）。兩者脆硬性和韌性指標(biāo)有所不同，兩種花崗石的主要物理性能如表1、表2所示。

　　溫度測量結(jié)果與分析

　　分別對齊魯紅、濟(jì)南青兩種石材進(jìn)行不同加工條件（刀具進(jìn)給速度、刀具圓周線速度）下的高速磨削實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用上述紅外成像的測量方式獲取磨削接觸面溫度信息，紅外溫度圖像見圖4、圖5.圖中十字線中心即為溫度峰值點(diǎn)，一般出現(xiàn)在接觸弧值面中心位置。

表1　齊魯紅花崗石主要組分及物理性能

表2　濟(jì)南青花崗石主要組分及物理性能

圖4齊魯紅在＝600mm/min時，＝20、40m/s情況下的溫度圖像

圖5　濟(jì)南青在＝1000mm/min時，＝20、40、60m/s情況下的溫度圖像

　　在花崗石異型面磨削加工時，當(dāng)工件材料和刀具確定后，影響磨削溫度的主要因素就是磨削加工參數(shù)和加工條件，如磨削深度、金剛石刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等。實(shí)驗(yàn)中分別對各參數(shù)條件以及不同工作條件下的磨削溫度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，得到各類加工參數(shù)下的磨削溫度，進(jìn)而為高效磨削花崗石異型面溫度場規(guī)律深入研究提供數(shù)據(jù)。

　　切削深度對磨削弧區(qū)溫度的影響

　　根據(jù)紅外成像獲得的溫度場數(shù)據(jù)，取某特定加工條件下不同切深時切削弧區(qū)溫度最高點(diǎn)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得圖6，即磨削齊魯紅、濟(jì)南青石材時加工弧區(qū)溫度隨切深變化趨勢。此時磨削加工條件為：進(jìn)給速度＝1000mm/min，圓周線速度＝40m/s，干切削加工。

圖6　不同切削嘗試情況下的磨削溫度

　　結(jié)果顯示，上述兩種石材在其化加工參數(shù)不變的情況下，隨切削嘗試的增大，切削弧區(qū)溫度均有明顯的上升；而且切深達(dá)一定數(shù)值后，隨深度增大溫度升高加快；同樣條件下，濟(jì)南青的磨削弧區(qū)最高溫度相對齊魯紅更高。

　　分析認(rèn)為，隨著切深的增加，花崗石去除體積相應(yīng)加大，切削功耗也增大，轉(zhuǎn)化為熱量的切削功也隨之增加，而熱量集中在磨削區(qū)域無法及時擴(kuò)散，導(dǎo)致了磨削區(qū)溫度的升高。同時，切深和溫升間呈現(xiàn)一定線性關(guān)系。

　　上面已提到兩種石材在相同加工參數(shù)下，溫升規(guī)律相似，但呈現(xiàn)的溫升量有明顯區(qū)別。通過對各自成分分析認(rèn)為：齊魯紅組分中石英的含量較高，致使其硬度相對較大而韌性偏低，所以磨粒做功主工是靠沖擊完成的破碎功；濟(jì)南青中石英含量少，其硬度較低但韌性集市，磨粒對于石材主要進(jìn)行剪切和塑性擠壓完成去除。因此，齊魯紅以脆性斷裂形式被去除較多，濟(jì)南青則以塑性斷裂形式被去除的部分多些。根據(jù)磨破碎功耗相關(guān)理論，石料表面塑性顆粒在去除時消耗的能量相對脆性顆粒要多，而且此時金剛石刀具表面的磨料與花崗石表面顆粒接觸面較大，意味著要消耗更多能量來克服更多摩擦，最終導(dǎo)致熱量生產(chǎn)較多，溫升較高。

　　在上述系列磨削花崗石異型面過程中，刀具和石材工件接觸面在各次加工中平均磨削溫度不超過350℃，峰值溫度也未超過800℃。分析認(rèn)為，在此較低的溫度范圍內(nèi)，刀具與石材接觸面的溫升不足以引起金剛石顆粒的石墨化而導(dǎo)致切削能力的喪失。
主軸轉(zhuǎn)速對磨削弧區(qū)溫度的影響

　　確定切削深度，在干切削情況下，研究主軸轉(zhuǎn)速帶來的熱量產(chǎn)生規(guī)律，仍由熱像儀獲取數(shù)據(jù)，圖7、圖8分別為兩種石材在不同主軸轉(zhuǎn)速下的磨削溫度。由圖7、圖8可看出兩種花崗石在5種刀具進(jìn)給速度下，1/4弧面磨削時峰值溫度變化情況。當(dāng)進(jìn)給速度一定時，主軸轉(zhuǎn)速的提高使花崗石1/4弧面磨削峰值溫度上揚(yáng)，在轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min后，繼續(xù)增速將導(dǎo)致溫升趨勢更加明顯。

圖7　濟(jì)南青在不同主軸轉(zhuǎn)速下的磨削溫度

圖8　齊魯紅在不同主軸轉(zhuǎn)速下的磨削溫度

　　另外，進(jìn)給速度一定時，雖然刀具磨粒的切削量不會隨轉(zhuǎn)速的提高而變化，但單位時間內(nèi)整體摩擦作用將增強(qiáng)，消耗了更多磨削功率；同時塑性去除的石材表面顆粒比例將增多，熱量擴(kuò)散不及時，經(jīng)累積總體熱量不斷增加，故傳入工件中的熱量相對多，所以表現(xiàn)為磨削弧區(qū)的溫度升高。刀具線速度越快，工件的熱量分配比越高，其溫度升高更快。

　　進(jìn)給速度對磨削弧區(qū)溫度的影響

　　圖9、圖10為在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)主軸轉(zhuǎn)速確定的5種情況下兩種石材在不同進(jìn)給速度時的磨削溫度。從圖9、圖10可以看出，隨進(jìn)給速度增加，磨削區(qū)峰值溫度先做微量升高又逐漸降低。后段的溫度降低是因?yàn)楫?dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時，進(jìn)給速度加快使摩擦作用增強(qiáng)，單位時間產(chǎn)熱量也大，但刀具沿加工弧面加快了移動，熱量隨時產(chǎn)生隨時擴(kuò)散也不易積聚于某處，效果就是溫度整體趨勢。而圖中曲線最初有上揚(yáng)現(xiàn)象，則是由于此時刀具移動帶走接觸弧面熱量的速度還小于摩擦作用產(chǎn)出熱量的增速，整體效果就是溫度趨升。

圖9　齊魯紅在不同進(jìn)給速度時的磨削溫度

圖10　濟(jì)南青在不同進(jìn)給速度時的磨削溫度

　　結(jié)論

　　利用紅外成像側(cè)溫法，搭建測試系統(tǒng)以研究高速磨削花崗石1/4弧面的溫度場情況，從多個角度分析了切削加工參數(shù)帶來的影響。為加工參數(shù)的選擇提供依據(jù)，對今后刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)、冷卻方式有著重要意義?；诩t外成像測溫?cái)?shù)據(jù)，對比分析多工況花崗石磨削區(qū)峰值溫度的變化，得出以下結(jié)論：

　　利用金剛石成形銑磨刀具高效加工異型面，其它條件確定情況下，增加切削深度或加快主軸轉(zhuǎn)速都會導(dǎo)致刀具與石材接觸弧區(qū)的溫度升高，呈現(xiàn)一定線性規(guī)律。

　　若單獨(dú)提高刀具的進(jìn)給速度，會使接觸弧區(qū)熱源快速移動，因此溫度變化呈現(xiàn)先增后降規(guī)律。另外，不同材質(zhì)花崗石磨削加工溫度場有所區(qū)別，也表明加工難度不同。

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　　作者簡介

　　黃波，男，1973年生，山東大學(xué)副教授。主要研究方向?yàn)椋簭?fù)合高效加工技術(shù)與裝備。