0 引言
高温合金因性能优异而被广泛用于制造航空航天领域的薄壁腔体类零件，这类零件加工精度和表面质量要求较高，其精密加工工序常采用磨削加工工艺[1-2]。材料的加工性能差，在磨削过程中消耗了大量的能量并将大部分转化为磨削热，磨削温度急剧升高，不得不采用小进给、多次走刀等加工方式，既严重影响加工质量，又降低了加工效率[3-4]。为解决磨削弧区的散热问题，通常采用外部浇注方式对磨削弧区进行冷却，气障效应[5]和膜沸腾传热[6]导致磨削液难以有效进入磨削弧区或利用效率过低，散热效果不明显，亟需探索一种有效的工艺方法来强化磨削换热效果，以实现零件的高质、高效磨削。
目前，液氮冷却[7]、低温冷风技术[8]、微量润滑技术[9]、热管技术[10]等强化换热技术因良好的换热效果得到广泛研究。开槽砂轮断续磨削方法[11-12]通过在砂轮上开槽实现断续磨削，使磨削弧区的连续移动热源变为断续移动热源，有利于散热，同时，磨削液更容易进入磨削区，可以起到更好的冷却作用。内冷却方法[13-14]将冷却液从内向外直接输送至加工区域，有效提高了冷却液的换热效率。通过分析和总结前人研究思路，笔者结合内冷却方法、开槽间断磨削方法以及磨削液加压技术的优点，提出一种加压内冷却间断磨削方法[15-16]，将加压后的磨削液由开槽砂轮内部输送至磨削弧区，有效避免了气障效应，显著提高了磨削液的冷却、润滑和冲刷效果。
在加压内冷却磨削过程中，磨削液在外部泵压和砂轮旋转离心力的综合作用下，经过内部流道从砂轮内部向外喷射至磨削弧区，流道出口位置决定了磨削液的喷射方向和区域，进而影响磨削液的冷却、润滑及冲刷效果。国内外学者就内冷却方法中流道出口位置对冷却液换热效果的影响开展了进一步研究。LI等[17]的研究表明车刀内流道进口、出口位置影响磨削液流动速度和冷却效果。DUCHOSAL等[18]发现铣刀流道出口位置与加工区域越近，越利于冷却液的冷却和润滑，加工表面质量越高。FALLENSTEIN等[19]研究了麻花钻内流道出口位置对刀面热流强度的影响，发现出口与刀面之间的距离越小，冷却液的换热效果越好。然而，上述研究主要针对内流道出口位置与加工区域之间的距离对冷却液换热效率的影响，对内冷却砂轮的流道出口位置，尤其是流道出口与磨料相对位置对换热效果的影响研究较少。
砂轮内流道的出口位置影响磨削液的冷却、润滑及冲刷效果，进而影响砂轮的磨削性能。笔者设计制备了一种磨料环可周向旋转的加压内冷却开槽砂轮，在砂轮基体圆周方向上转动磨料环，使内流道出口置于砂轮的磨料区或开槽区。在相同磨削加工参数和不同磨削液压力下，对两种流道出口位置的砂轮进行了磨削区温度场仿真和镍基高温合金的磨削实验，研究流道出口位置对磨削温度工件表面粗糙度、表面形貌及残余应力的影响规律。
1 流道出口位置的设计
1.1 加压内冷却砂轮工作原理
砂轮高速旋转形成的气障效应使磨削液难以进入磨削区域进行冷却和润滑，为提高磨削液的有效利用率，笔者设计并制备了一种新型加压内冷却开槽砂轮[15-16]，如图1所示。
图1 内冷却砂轮工作原理图
Fig.1 Schematic of the internal cooling grinding wheel
磨削液经外部加压注入到砂轮型腔，在外部压力和砂轮高速旋转引起的离心力的综合作用下，经由下基体与上基体配合形成的弧形内流道(出口朝向磨粒磨削区域，保证高压冷却液射流直接冲击弧区工件表面)，从而实现磨削液的充分利用，大大提高了磨削液在磨削弧区的冷却和润滑效果，从而达到降低磨削温度的目的[16]。
1.2 开槽砂轮内流道出口
传统上，磨料直接钎焊在砂轮基体上，随着磨削加工的进行，砂轮发生磨损，切削能力降低，使用寿命缩短，为保证加工质量，需要及时更换砂轮，这增加了砂轮制造成本并影响加工效率。
笔者设计了一种可更换可旋转的磨料环，如图2a所示，在磨料环的工作面上钎焊间隔均布的磨粒，形成磨料区和间隔区，砂轮内流道的数量和磨料块的数量相同。为将磨料环与砂轮上基体连接起来，在磨料环的背面加工规则排布的螺纹盲孔，如图2b所示，其中，螺纹孔A位于磨料区的背面中心，螺纹孔B位于开槽区的背面中心，螺纹通孔C位于砂轮基体下端面的背面。砂轮基体的下端面加工有凹槽，槽的深度和宽度与磨料环的厚度和宽度相同，磨料环卡在凹槽中。通过螺钉将可更换的磨料环与砂轮基体的下端面紧固连接。
(a)磨料环示意图
(b)磨料环装配图
图2 可更换可转动的磨料环
Fig.2 Replaceable and rotatable abrasive rings
螺纹孔A和C通过螺钉紧固连接，内流道的出口置于磨料区，如图3a所示；将磨粒环在凹槽中转动一定角度，螺纹孔B和C通过螺钉紧固连接，内流道的出口置于开槽区，如图3b所示，从而实现流道出口位置的改变。
(a)置于磨料区 (b)置于开槽区
图3 内流道的两种出口位置
Fig.3 Two different outlet positions of the flow channel
1.3 磨粒有序排布
磨削过程中，磨粒排布方式对磨削区磨削液的分布和砂轮的磨削性能有重大影响[17]，本研究中，磨粒排布方式为有序排布，磨粒粒度为80号，粒径范围为160～200 μm，排布角度β=45°，横向间距Δx=1.0 mm，纵向间距Δy=0.2 mm，如图4所示。
图4 磨粒排布示意图
Fig.4 Schematic of abrasive grain distribution
2 磨削温度场仿真
2.1 仿真分析模型
为分析流道出口位置对内冷却开槽砂轮换热性能的影响，对磨削区温度场进行数值仿真。考虑到砂轮内部结构复杂以及计算硬件设备的限制，对模型进行了合理简化。
本文所研究的内冷却开槽砂轮为对称结构，选取其中一个磨料块区域进行研究，建立单个磨料块区域的几何模型(图5)，仿真计算域均由基体层、流体域、工件层和磨料块组成。图6所示为内流道的出口置于开槽区情况下的网格模型。采用结构化网格对上述几何模型进行网格划分，为提高网格质量，保证计算精度，对网格进行局部细化。
(a)出口置于磨料区
(b)出口置于开槽区
图5 温度场仿真几何模型
Fig.5 Geometry model of temperature field simulation
图6 温度场仿真网格模型
Fig.6 Mesh model of temperature filed simulation
砂轮基体材料为45钢，磨削液为5%(质量分数)的水溶性磨削液，工件材料为镍基高温合金GH4169，磨粒材料为CBN磨料，其材料属性见表1。
本文将磨削热设定为连续的面热源，实际换热主要以热对流和热传导的方式进行，将磨粒面作为热源面，对其施加温度载荷，同时对外壁面施加对流载荷。图7为温度场仿真边界条件示意图，将模型两侧面设为周期性对称循环边界，采用流固耦合传热分析模块进行求解，进口实际温度设置为25 ℃，进口角α=0°，出口压力设置为0。研究流道出口位置、入口压力和砂轮转速对磨削温度的影响，将内流道出口置于砂轮磨料区或开槽区，选取入口压力为0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa和0.9 MPa，选取砂轮转速为1000 r/min、1500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min和3 000 r/min。
表1 材料属性
Tab.1 Material properties
材料属性磨削液45钢CBN磨料GH4169密度ρ(kg/m3)1 0007 8503 4608 240导热系数K(W/(m·K))0.684813011.2比热容Cp(J/(kg·K))4 180490670539
2.2 仿真结果分析
磨削温度反映了磨削液疏散弧区热量的效果，图8描述了压力p=0.5 MPa条件下砂轮转速对温度场分布的影响，图9为砂轮转速对最高磨削温度的影响曲线图。由图9可知，砂轮转速的提高导致磨削温度上升，高温区面积增大；内流道出口置于开槽区时，磨粒对磨削液的阻碍作用减弱，在外部压力和离心力的综合作用下，流经磨削弧区的磨削液增多，与内流道出口置于磨料区相比，出口置于开槽区时的最高温度降低了12%左右，且转速越高,换热效果更明显。
(a)出口置于磨料区
(b)出口置于开槽区
图7 温度场仿真边界条件
Fig.7 The boundary conditions
图10所示为砂轮转速n=2 000 r/min时，磨削液入口压力对磨削温度场分布的影响。由图10可知，与内流道出口越近，磨削液的冷却效果越明显，高温区域主要集中在距出口较远的区域，且随压力的增大，磨削高温区面积逐渐减小。磨削液入口压力对最高磨削温度的影响如图11所示，随着入口压力的提高，进入磨削弧区的磨削液增多，最大磨削温度下降，且压力越大，换热效果更明显；同一入口压力下，与内流道出口置于磨料区相比，出口置于开槽区时的最高磨削温度降低了20～45 ℃。
(a)n=1 000 r/min(磨料区) (b)n=1 000 r/min(开槽区) (c)n=2 000 r/min(磨料区)
(d)n=2 000 r/min(开槽区) (e)n=3 000 r/min(磨料区) (f)n=3 000 r/min(开槽区)
图8 砂轮转速对磨削温度场的影响(p=0.5 MPa)
Fig.8 Effect of wheel speed on temperature distribution(p=0.5 MPa)
图9 砂轮转速对最高磨削温度的影响(p=0.5 MPa)
Fig.9 Effect of wheel speed on the max grinding
temperature(p=0.5 MPa)
3 磨削试验研究
3.1 试验条件
按照前文的设计，制备了具有可更换可旋转磨料环的加压内冷却开槽砂轮，如图12所示。在砂轮基体圆周方向上转动磨料环，使内流道出口位于砂轮磨料区或开槽区，在等同磨削条件下进行了镍基高温合金的磨削试验，对比分析了流道出口位置对磨削温度、表面粗糙度、微观形貌和残余应力的影响规律。砂轮基体材料45钢，磨料环上单层钎焊有序排布的CBN磨粒(粒度为80号，β=45°，Δx=1.0 mm，Δy=0.2 mm)，18个磨料块(宽度是5 mm，磨料面积占比为0.6)均布分布，试件材料为镍基高温合金GH4169，试件尺寸为40 mm×80 mm×10 mm。
(a)p=0.1 MPa(磨料区) (b)p=0.1 MPa(开槽区) (c)p=0.5 MPa(磨料区)
(d)p=0.5 MPa(开槽区) (e)p=0.9 MPa(磨料区) (f)p=0.9 MPa(开槽区)
图10 磨削液压力对磨削温度场的影响(n=2 000 r/min)
Fig.10 Effect of coolant inlet pressure on grinding temperature distribution(n=2 000 r/min)
图11 磨削液压力对最高磨削温度的影响
(n=2 000 r/min)
Fig.11 Effect of coolant inlet pressure on the maximum grinding temperature(n=2 000 r/min)
磨削实验在NEWAY VM1304H立式加工中心上进行，利用APSM 75 AE自吸泵由供液管泵送磨削液到砂轮注入口，通过自吸泵及调压阀调整压力，试验系统如图13所示。
采用标准半人工K型热电偶丝和云母片测量磨削温度，如图14所示。砂轮恒速运转时的磨削液喷射情况如图15所示，可以看出喷射效果良好，砂轮能保持稳定运转，基本无泄漏，经测试验证基本达到设计要求。
磨削结束后采用JB-1C型表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度，工件加工表面微观形貌采用KEYENCE VHX-500FE型超景深三维显微镜进行观测，采用PROTO-LXRD型X射线衍射仪测量加工表面残余应力。
(a)磨料环
(b)磨料微观形貌
(c)出口置于磨料区
(d)出口置于开槽区
图12 内冷却开槽砂轮装配图
Fig.12 Assembly ofinternal cooling slotted grinding wheels
(a)实验装置示意图
(b)实验现场图
图13 实验装置
Fig.13 Experimentalequipments
图14 工作平台
Fig.14 Grinding platform
图15 磨削液喷射效果图
Fig.15 Spray effect of grinding fluid
3.2 试验方案
使用内流道出口分别置于磨料区或开槽区的2种加压内冷却开槽砂轮，参照仿真结果设计单因素试验方案进行磨削实验，具体参数如下：磨削液压力p为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa和0.7 MPa，砂轮转速n为1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min和3 000 r/min，磨削深度ap=40 μm，工件进给速度vw=120 mm/min。为减少试验误差保证试验的一致性，每组试验均采用新的磨料环和工件，同时对每块新试件都在相同条件下进行平整处理。
4 试验结果与分析
4.1 磨削温度
(a)磨削温度-砂轮转速曲线(p=0.5 MPa)
(b)磨削温度-冷却液压力曲线(n=2 000 r/min)
图16 磨削参数对磨削温度的影响
Fig.16 Effect of grinding parameters on temperature
磨削区域产生的磨削热直接影响工件的表面完整性和加工精度。在不同转速和压力下对比分析两种流道出口位置对应的工件表面最高磨削温度，如图16所示，与图9和图11相比，磨削温度的实验值略低于模拟值。由图16a可知，在相同磨削液压力(p=0.5 MPa)下，提高砂轮的转速，单位时间内通过磨削区的砂轮磨粒增多，工件塑性变形加剧，磨削温度出现明显的升高；砂轮转速相同时，内流道出口位于开槽区的工件表面最高温度较内流道出口位于磨料区的工件表面最高温度平均降低了8%～10%，换热效果更为显著；随着砂轮转速的提高，内流道出口位于开槽区的换热优势更明显。由图16b可知，在同一砂轮转速(n=2 000 r/min)下，提高冷却液的压力，进入磨削区的有效冷却液流量增大，磨削温度明显下降；冷却液压力相同时，出口置于开槽区的工件表面最高温度较内流道出口置于磨料区的工件表面最高温度平均降低了16%左右，换热能力明显提高。
在开槽砂轮结构、旋转离心力和冷却液增压系统的共同作用下，高压冷却液射流冲击弧区工件表面，确保冷却液与工件表面的持续接触。流道出口置于开槽区时，冷却液流经磨削弧区的有效面积较大，喷射进入磨削弧区的有效流量增加，磨削液的冷却、润滑和冲刷效果得到强化，更好地发挥了加压内冷却开槽砂轮的换热优势。
4.2 工件表面粗糙度
图17所示为不同磨削加工参数和内流道出口位置条件下测得的工件表面粗糙度。由图17可知，在相同磨削加工参数下，与内流道出口置于磨料区相比，内流道出口置于开槽区时测得的工件表面粗糙度平均降低了15%左右。这主要源于流道出口置于开槽区时，磨削液直接喷射至砂轮和工件接触区，进入弧区的磨削液流量更大，起到更好的冷却和润滑作用，同时，高压磨削液带走磨屑，降低了磨屑黏结在工件表面的几率，具有更好的冲刷效果，因此表面粗糙度进一步减小。这说明内流道出口置于开槽区有利于改善工件加工表面粗糙度，提高砂轮转速或磨削液压力，都有助于获得更光滑的加工表面。
4.3 工件表面形貌
采用超景深三维显微镜观测并对比流道出口位置和砂轮转速对工件加工表面形貌的影响，如图18、图19所示，可见采用加压内冷却开槽砂轮磨削高温合金可以获得光滑细腻的工件表面，基本没有出现杂乱的纹理或烧伤和微裂纹等缺陷。
(a)表面粗糙度-砂轮转速曲线(p=0.5 MPa)
(b)表面粗糙度-冷却液压力曲线(n=2 000 r/min)
图17 磨削参数对表面粗糙度的影响
Fig.17 Effect of grinding parameters on surface roughness
图18可知，在相同磨削液压力(p=0.5 MPa)下，提高砂轮的转速时，加工表面纹理趋于清晰，微沟槽更加细腻规整；相比于内流道出口置于磨料区，流道出口置于开槽区时获得的表面形貌更加均匀光滑，沟槽附近无断点或波动现象。图19可知，在相同砂轮转速(n=2 000 r/min)下，提高磨削液的压力有利于获得优异的加工表面形貌，磨削液压力为0.1 MPa时，磨粒的划痕清晰可见，犁沟两侧存在一定的隆起；随着磨削液压力增大至0.3 MPa，加工表面划痕较细且相对均匀、规则，加工纹路基本无掩盖；当磨削液压力提高到0.7 MPa，加工表面纹路更为光滑，表面纹理更为细密规则。在同一磨削液压力下，相比于内流道出口置于磨料区，流道出口置于开槽区有利于磨削液有效冲刷磨屑并带走大量磨削热，可获得更为优异的加工表面形貌。
(a)n=1 000 r/min(磨料区) (b)n=1 000 r/min(开槽区) (c)n=2 000 r/min(磨料区)
(d)n=2 000 r/min(开槽区) (e)n=3 000 r/min(磨料区) (f)n=3 000 r/min(开槽区)
图18 转速对工件表面形貌的影响(p=0.5 MPa)
Fig.18 Effect of rotational speed on surface morphology(p=0.5 MPa)
(a)p=0.1 MPa(磨料区) (b)p=0.1 MPa(开槽区) (c)p=0.3 MPa(磨料区)
(d)p=0.3 MPa(开槽区) (e)p=0.7 MPa(磨料区) (f)p=0.7 MPa(开槽区)
图19 冷却液压力对工件表面形貌的影响(n=2 000 r/min)
Fig.19 Effect of coolant pressure on surface morphology(n=2 000 r/min)
4.4 工件表面残余应力
对工件表层残余应力进行测定，如图20所示。提高砂轮转速，表面层受到的挤压和剪切作用减小，机械效应减弱，热影响导致的热塑性变形效应加强。砂轮高速旋转带来的离心力和增压调压系统的压力进一步强化了磨削液的冷却换热作用，在多种因素综合作用下，冷态塑性变形效应占主导地位，加工表层呈现残余压应力分布，结果表明将内流道出口置于砂轮开槽区，加工表层残余压应力效果越显著，进而有利于提高零件的抗疲劳性能。
(a)不同砂轮转速下的表面残余应力(p=0.5 MPa)
(b)不同压力下的表面残余应力(n=2 000 r/min)
图20 磨削参数对表面残余应力的影响
Fig.20 Effect of grinding parameters on residual stress
5 结论
(1)设计制备了一种具有可更换可旋转的磨料环，并对加压内冷却开槽砂轮的流道出口的位置进行了设计。在砂轮基体槽内周向旋转磨料环，使内流道出口位于砂轮磨料区或开槽区；通过螺纹结构将可更换磨料环与砂轮基体紧固连接。
(2)建立了磨削温度场模型，在相同磨削参数下，流道出口置于开槽区比置于磨料区能获得更低的最高磨削温度，且高温区域面积更小。
(3)采用加压内冷却开槽砂轮开展了镍基高温合金的磨削试验，研究了流道出口对砂轮磨削性能的影响。结果表明：相比于内流道出口置于磨料区，流道出口置于开槽区更有利于发挥磨削液的冷却润滑和冲刷作用，获得的磨削温度和表面粗糙度分别降低了16%和15%；工件加工表面更为光滑细腻，纹路更连续清晰，残余拉应力显著降低。这说明流道出口置于开槽区可显著提高内冷却开槽砂轮的磨削性能。
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