MKS1632A数控高速端面外圆磨床及其砂轮架设计 第13页
参考文献
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附录B 英文翻译
在高速磨削中冷却液速度的分析与实验研究
K.Ramesh， H.Huang， L.Yin
（制造技术SIMTeach研究所，新加坡，638075）
摘 要
在高速磨削中，必须使用以水为主的冷却液，以避免热烧伤，形成更好的工件表面质量，提高磨削效率。但是，由于在冷却液中加入了有毒害作用的化学物质，从而引起了环境问题。政府规定，使用和处理冷却液必须严格遵守相关法律规定，但这些费用占到了全部加工成本的7－17％。本文阐述了冷却液流量的最小化以及延长冷却液的再循环时间等问题，通过计量冷却液（MQC）喷嘴来实现对冷却液流量的控制，提供磨削区域所需要的冷却液。研究表明，冷却液速度对高速磨削性能有重大影响。当△达不到一定的速度，冷却液将无法进入磨削区域。增大△可以减小喷嘴的开放区域，减少冷却液的使用量。通过减少冷却液的再循环时间和提高△，对减少环境污染和降低加工成本都有重大意义。
关键词：高速磨削，冷却液速度，冷却液流量
1、引言
高速磨削需要消耗五到优倍于普通磨削所需的能量，因此，使用大量的冷却液，以避免热烧伤，获得更好的表面质量和更长的刀具寿命已经非常普遍[1]。但是，在冷却液中加入地有害化学物质，给操作人员的身体健康带来了危害。有数据表明，在一个工件的加工成本中，冷却液润滑的费用占到了7－17％。处理使用过的冷却液需要焚烧，全球变暖就有一小部分源于此。因此需要制订一个方案，以便于进一步研究冷却液流动装置。从这点来说，绿色加工已经有重大意义。绿色加工有以下两种：1、干切削；2、通过优化和喷嘴设计，高效利用冷却液并延长其使用时间。本文阐述冷却液流量的最小化以及相关的磨削特性。
2、分析
砂轮与工件之间的相互作用产生热，这是由摩擦和表面的塑性变化导致的，热量分别传给了工件、磨屑、冷却液和砂轮等(如图1所示)。以前的模型测量实际的磨削上升温度和冷却效果，强调冷却液后的物理特性。由此可以得知，冷却液的作用是带走高速磨削后产生的热。
砂轮是由很薄的磨料层（由不规则形状的磨料粘结而成）一层层组成，砂轮高速旋转与缓慢转动的工件表面接触。下列的一些假设用来建立冷却液速度和它的散热特性之间的关系：
§ 液体流动速度为液体的平均速度；
§ 砂轮已进行充分挤压，各粗砂粒之间的间隙相同；
§ 所有的流动都发生在砂轮宽度以内，砂轮两边没有；
§ 对流是热传递的主要形式
§ 这个问题被认为是强迫对流。
在这种情况下，热传递的效率取决于经验和对流类型。对流类型可以通过方程（1）计算雷诺系数来估计。 （1）
其中 是冷却液密度（998.2Kg/ms）， 是冷却液速度（3.6——16.91m/s）， 是接触长度， 是粘性系数。
在方程（1）中计算得到的雷诺系数表明了冷却液的流动类型。雷诺系数介于16030.9和73719之间，当雷诺系数小于 时，冷却液为紊流，热传递效率可由强迫对流的经验公式计算得出： （2）
其中 为努塞尔系数， 为雷诺系数， 为普朗特系数，还可以进一步定义为： ； ； （3）
其中k为冷却液的热传导率（ W/m.k），Cp为比定压热容。结合方程（1）和（2），可得到对流效率为： （4）
h为对流效率（ ），Vc为冷却液速度（ ）。
公式（4）表明，在任何磨削条件下，冷却液速度直接影响到冷却液的散热特性。因此设计了一套装备，它可以使冷却液速度发生变化。这个设计包括一个测流计喷嘴，冷却液从此喷嘴进入磨削区域，流动特性取决于冷却液速度，例如图2所示的冷却液喷嘴。伯努力方程用来计算冷却液的速度。 （5）
其中 是冷却液的流出速度， 是冷却液的流入速度。P1为喷嘴入口处的压力，p2为喷嘴出口处的压力。
雷诺系数可以确定冷却液的流动是否为稳态流动。方程（5）利用连续方程（ ）可以改写为 ：
这个方程表明，出口和入口处的压力比对调整冷却液的速度有非常重要的意义。
3、冷却液供给方法
普通的冷却液装置在磨削区域供给大量的冷却液，而计量喷嘴与其不同。如图3所示，这个系统由一个流量计、一个压力计和一个可以调节的喷嘴，构成的这个系统中有三个不同的喷嘴，它们的横截面积为15.14——50.2 。喷嘴的特性（如流量、压力和速度）如表1所示。图4为喷嘴装置的图片，包括流量计、压力计和砂轮架等。
4、实验条件
每一个喷嘴都在事先确定的实验条件下，在SS304上进行一系列的磨削测试，冷却液的速度和压力都要调节到磨削测试实验要求达到的数据。在这个过程中，法向力 和切向力 可以用926SB测得，以便计算法向力和切向力之比、变化的能量Q和磨削能量E。在磨削过程中，能量Q可以用方程（7）来表示：
Power—flux（Q）＝ （7）
其中 是切向力（单位为N），V是砂轮的线速度（单位为m/s），v是工作台移动的速度（单位为m/s），b为砂轮宽度（单位为mm），D为砂轮直径（单位为mm），Δ是磨削深度（单位为mm）。方程（7）表明，增加砂轮线速度和切向力可以增大能量Q，但增加接触面积，则会减小能量Q。
切削能量就是切削能减去滑行所需的能量剩下的能量。可以用方程（8）表示: （8）
其中V是砂轮线速度，v是工作台移动的速度，Δ是切削深度，f是砂轮在切削方向的磨削力。以标准的样品为参照，用电子扫描显微镜（放大倍数为1000和500）来测量工件，以分析磨削后的工件表面质量。
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