第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
磨削作为一种应用广泛的机械制造加工工艺，在现代机械制造行业中扮演着越来越重要的角色，业已成为最重要的精密及超精密加工方式之一，在新材料加工、军工以及航空航天等领域的作用尤为突出。磨削加工与车、铣等其它加工方式相比，可以得到更高的工件表面质量和更好的加工精度，基于其这种优势，注定了磨削加工是一个更有活力的科研领域，也奠定了其在工业化国家加工制造业中的重要地位。但由于其自身去除材料过程的特殊性，在实际生产过程中很难定量地进行描述和控制，而更多的是依靠操作人员的经验和技术。同时，由于各种磨削条件的限制，造成磨削温度很难进一步大幅降低。所以，在磨削加工过程中诸如工件表面烧伤、微裂纹、表面划伤以及金相组织变化等损伤是难以避免的，这就严重影响了工件的表面完整性，导致工件表面质量难以显著提高。近年来，随着大量具有高强度、高硬度、高耐磨性以及低导热率等特点的新型材料的出现以及广泛应用于各个领域的加工制造，对磨削加工中砂轮的磨削性能提出了更高的要求，因此，如何提高砂轮的磨削性能，降低磨削温度，获得更好的工件表面质量就成了磨削领域的研究重点[1-4]。相较于其它加工方式，在磨削加工过程中，去除单位体积的工件材料需要更高的能量输入。这些能量几乎全部转化为了热量，这些热量一部分通过热传导和热交换等途径被磨屑及磨削液带走，另一部分则传到砂轮及工件中，并在磨削区内逐渐积累，使磨削区温度持续升高，当热量积累到一定程度的时候就会引起工件表面烧伤甚至热裂纹的产生，同时也加剧了砂轮本身的磨损，最终导致工件表面质量下降和砂轮使用寿命的降低。可见，在磨削加工过程中，磨削温度直接影响着工件表面质量、加工精度以及加工效率。因此，磨削温度的研究在磨削加工研究领域占据着举足轻重的地位。通过研究磨削过程中热量的产生及传递机理，使磨削区温度降低，改善砂轮和工件的工作环境，尽量减小磨削温度对砂轮及工件的负面影响具有十分重要的价值，一直以来一直是世界各国磨削领域专家学者的重要研究课题[5-7]。
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1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势
一直以来，在磨料有序化排布超硬工具领域国内外专家学者进行了一系列深入细致的研究和有益的探索。在优化排布形式，磨料有序化排布磨削原理以及提高磨削工具磨削性能方面取得了长足的突破，提出了许多有价值的理论学说，其中一部分还被应用到生产实际中，有力地推动了超硬工具领域的发展创新，也为磨削生产带来了新的福音，提高了生产效率，降低了生产成本，产生了一定的经济效益。国外专家学者和科研机构等对于磨料有序化排布超硬工具的研究起步较早。T.Tawakoli[14-15]等学者应用特定的方式将陶瓷和树脂结合剂砂轮的表面整形成需要的形状，使更多的磨料参与到金属去除中来，显著增加了有效磨刃数，提高了砂轮的磨削性能，如图 1.1 所示。T.Suto[16]等人将电镀结合剂技术引入到新型砂轮的制造中来，成功研制出电镀立方氮化硼磨料开槽砂轮。同时，他们还提出了一种新型的冷却手段，进一步发挥了有序化排布的优越性。Heinzel.C[17]等学者研制出了微磨粒有序化排布砂轮，并将其应用于磨削光学玻璃的实验中，实验成功获得了极高的表面质量，实现了脆性材料的无损磨削。F.W.Pinto[18]等人对砂轮磨料排布形式及整个磨削过程进行了数学描述，通过理论模型的方式对磨料有序化排布砂轮及其磨削过程进行了有效优化。P.Koshy[19]等学者将仿真计算应用于磨料有序化排布砂轮的磨削过程描述中来，并着重研究了其排布形式、磨粒露出高度以及磨粒间距对磨削表面粗糙度的影响情况，为磨粒有序化排布砂轮的研究提供了理论依据。Burkhard[20]等人利用静电散布装置将结合剂按照预定的排布形式喷射在砂轮基体表面，并将喷涂的磨料粘在砂轮基体上，再经过高温钎焊制成磨料有序化排布的超硬磨料砂轮，喷涂设备工作原理示意图及砂轮表面磨料如图 1.2 所示。
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第 2 章 磨料有序化排布砂轮缓进给磨削温度场数学模型的建立及仿真
在磨削过程中，砂轮磨粒与工件的接触过程会产生大量的磨削热，这些热量大部分都随着磨削过程传入了工件中，造成磨削区温度升高，当温度上升到一定程度时就会产生磨削烧伤等不利情况，严重影响工件表面完整性和砂轮使用寿命。为了抑制和避免由于磨削温度过高造成的不利影响，本章将通过理论途径对磨削热的产生及传递过程进行分析和研究。基于有序化排布理论对磨料有序化排布砂轮磨削温度场的理论模型进行推导，通过数学方法研究磨料有序化排布砂轮在磨削温度方面的优越性。本章还将利用仿真软件 MATLAB 对导出的理论模型进行运算，验证其正确性，通过仿真的方式研究磨料有序化排布砂轮磨削温度场的变化规律。
2.1 有序化排布理论及公式介绍
2.1.1 叶序排布理论及公式介绍
生长在自然界中的植物为了更好地适应环境，经过长时间的演化过程，逐渐形成了各自特有的叶片及果实等的生长规律，这种植物叶片、果实或种子的生长排布规律即为叶序（phyllotaxis）。植物叶序的表现形式有很多种，最常见的是叶片在茎上的着生排布，除此之外，有的植物还在花瓣在花萼上的着生或种子在果实上的着生等方面表现出各自的叶序规律，如图 2.1 所示即为几种常见植物的叶序表现形式。植物不管以何种方式体现出其自身的叶序排布规律，都是植物为了更好地进行光合作用或生长而逐渐进化出来的更有利于自身生存和繁衍的特征，是自然选择的结果，这也从侧面证明了叶序排布,由于植物叶序排布规律具有与生俱来的优越性，其广阔的研究前景也引起了除农林业以外包括数学、物理学等各行业专家的广泛关注。基于其广泛的实用价值，叶序理论还被引用到了工程实际中，在需要工程化有序排布领域得到了应用。植物叶序排布规律的最主要几何特征之一就是使个体实现了轴向以及周向的非等距错位排布，即穿过每个单位轴向和周向的交叉线上都不存在其它单位，使每个个体尽可能均匀地分布在圆周面上，实现了空间上的互补，达到了空间利用的最大化。本课题中所设计和制造的磨粒叶序排布新型砂轮就是利用了叶序排布规律，使每个立方氮化硼磨粒按照叶序排布规律附着在砂轮基体的外圆柱面上，其排列示意图如图 2.2 所示。
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2.2 磨削热分配理论的研究
砂轮在磨削工件的过程中会产生大量的磨削热，这些磨削热中的一部分由磨削区直接传递给了工件，这部分传递进工件的磨削热是引起磨削烧伤等磨削热损伤的主要原因。因此，探究传递入工件中的热量占磨削总热量的比例就显得尤为重要。W.B.Rowe 认为，在砂轮磨削工件的过程中，除一小部分磨削热传递到砂轮中以及被磨削液和磨屑带走外，70%到 90%都通过磨削区直接传递进了工件中，还有极小一部分磨削热通过辐射作用散失掉了。Rowe 模型将工件、砂轮、磨削液以及磨屑等磨削过程中的主要参与因素都纳入了磨削温度影响因素范围，综合了各个影响因子的作用，比较真实地反映了磨削传热的实际过程。Lavine 热量分配模型的构建将砂轮表面的磨粒和磨削液视为了一个整体，且弱化了砂轮的存在，只强调磨粒的作用。即在此模型的假设环境中，“磨粒-磨削液”组合共同参与到与工件组成的磨削系统中，而不单独分析磨削液的作用效果，这样就使模型得到了简化，便于后续的推导计算。
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第 3 章 磨料有序化排布砂轮磨削温度实验研究.....38
3.1 磨料有序化排布砂轮的设计与制造.......38
3.1.1 砂轮的设计.....38
3.1.2 砂轮的制造.....39
3.2 实验设备及材料.......41
3.2.1 实验设备.........41
3.2.2 温度测量系统的设计.....43
3.2.3 热电偶的标定.........45
3.3 工件及砂轮的安装...........46
3.4 本章小结...........47
第 4 章 磨削温度实验结果及分析.....48
4.1 工件表面磨削点温度.......48
4.2 磨削工件表面温度的稳定及其与砂轮磨料磨损的关系.......49
4.3 工件上表面以下不同深度处磨削温度分布...........51
4.4 磨削用量对磨削工件表面最高温度的影响...........53
4.5 砂轮叶序系数 h 对磨削工件表面最高温度的影响 ...... 59
4.6 本章小结 .......... 60
第 4 章 磨削温度实验结果及分析
前一章中已经对磨料有序化排布电镀立方氮化硼砂轮磨削温度场研究的实验准备、实验过程做出了介绍。本章将对实验结果进行整理和分析，研究磨削用量以及砂轮表面磨粒排布形式对磨粒有序化排布砂轮磨削温度场的影响情况，磨料磨损与磨削温度的关系等问题进行研究。重点研究砂轮速度 vs，进给速度 vw，磨削深度 ap以及不同叶序系数对磨料有序化排布砂轮磨削温度场的影响情况，还将分别分析砂轮磨削 45 钢和还合金 TC4 材料工件时的不同情况。此外，还将利用千分表以及特制的专用表架对砂轮磨粒的磨损情况进行测量。最后，还将分析各个实验结果产生的原因。
4.1 工件表面磨削点温度
砂轮以转速 n=5000r/min，进给速度 vw=5mm/s，磨削深度 ap=0.05mm 的磨削用量磨过 45 钢材料热电偶测温点，采用逆磨方式，磨削液为水基乳化液。测得的磨粒叶序排布、错位排布以及无序排布砂轮磨削工件表面温度随采样时间变化曲线如图 4.1 所示。由图中可知，当热电偶测温点还未进入磨削区时，温度曲线近似为一条直线，且显示温度为室温，说明实验中排除了其它干扰因素的影响，测得的温度较准确。当热电偶测温点进入磨削区后，测得的磨削温度呈现出先急剧升高，到达峰值后再下降的趋势，且下降趋势较升高趋势缓慢。出现这种趋势的原因主要是当砂轮磨到热电偶测温点时磨削热在磨削区迅速积累，致使磨削温度快速上升，砂轮磨过热电偶测温点后，在磨削液的冷却作用以及热量的自然扩散、辐射作用下，温度逐渐下降。实验中测得的磨削表面温度曲线与前面章节由数值仿真结果得出的磨削温度曲线趋势基本一致，但在磨削工件表面最高温度等方面存在一定误差，且误差不超过 10%。误差的出现主要是由实验中一些复杂的不可控因素造成的，如实验中的振动，未知电荷的干扰以及磨削液流量不均造成的冷却不稳定等。尽管存在一定的误差，但总体趋势一致且误差较小，在允许范围内，从而证明了仿真的确性。
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结 论
本课题通过将有序化排布理论融入新型砂轮的设计制造中来，实现了砂轮表面磨料的有序化排布。同时，通过单颗磨粒发热量的计算，热源分配模型的选择以及接触弧长上磨粒数的计算等将有序化排布理论与磨削原理相结合，推导出了磨粒叶序排布、错位排布、矩阵排布和无序排布砂轮缓进给磨削温度场的数学模型，并通过仿真软件 MATLAB 对磨削温度场数学模型进行了计算仿真。通过磨削实验系统的构建及测温方式的选择对磨料有序化排布砂轮的磨削温度进行了实验研究，测量并分析了磨削工件表面最高温度及工件表面以下不同深度处温度，并研究了不同磨削参数处对磨削温度的影响情况。通过上述研究得到了如下主要结论：
（1）利用现有的热源模型，热分配模型以及尺寸效应原理对单颗磨粒发热量计算式进行了推导。结合缓进给磨削的特点和叶序排布、错位排布、矩阵排布以及无序排布坐标公式，通过热源镜像处理等手段建立了磨料有序化排布砂轮缓进给磨削温度场数学模型。通过上述方法建立的磨料有序化排布缓进给磨削温度场数学模型充分考虑了实际磨削过程中的各种情况，能较准确地对磨削温度进行计算。
（2）基于磨料有序化排布砂轮缓进给磨削温度场数学模型，利用仿真软件MATLAB 对其进行了仿真研究。通过仿真程序的编写以及各个仿真条件、参数的设置，最终得到了缓进给磨削温度场的仿真结果。仿真结果显示：磨料有序化排布砂轮缓进给磨削工件表面某点时，该点温度呈现出先急剧上升后较缓慢下降的变化趋势；工件表面磨削点以下距离该点越远，磨削温度越低。
（3）通过对实验系统的构建以及实验方案的制定，对磨料有序化排布砂轮磨削温度进行了实验研究。利用磨料不同排布形式的砂轮在不同磨削参数条件下对 45刚及钛合金 TC4 材料进行了磨削，对工件表面最高温度，工件上表面以下不同深度处温度以及砂轮表面磨粒磨损进行了测量。实验结果表明：在普通浅磨时，工件表面最高温度随砂轮转速的增大而升高，随进给速度的增大而下降；随着磨削深度的增大，磨削温度有一个从浅磨到深磨的过渡变化阶段，呈现出先升高后下降的趋势；在相同条件下，磨料叶序排布砂轮相较磨料错位排布、矩阵排布以及无序排布砂轮的磨削温度最低。
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参考文献（略）