● 摘要
难加工材料复杂曲面的精密磨削加工是机械加工中的难点，一直没有得到很好解决。近年来提出的采用环面杯型砂轮进行端面磨削加工的新方法为复杂曲面磨削提供了一条很有潜力的途径。叶片材料属于典型难加工材料，其结构属于典型难加工复杂曲面结构，端面磨削为叶片精密磨削加工提供了重要的解决方案。然而由于端面磨削的磨削弧区接触线长度大导致弧区高温和工件烧伤，其是制约端面磨削提高材料去除率的关键问题。因此提出一种针对端面磨削的有效冷却方法，对于解决磨削烧伤与提高端面磨削效率有重要意义。本文通过理论分析及仿真计算，模拟端面磨削砂轮周围气流场的分布情况。发现砂轮内侧气障层厚度较小，从内侧供给磨削液更有利于磨削液突破气障层进入磨削弧区。并根据动量守恒及压力守恒，确定了突破气障的磨削液供给临界参数。同时通过调研磨削冷却方法的研究现状，提炼了喷雾冷却、内冷却和断续磨削的优点。分析比较自吸内冷砂轮与离心雾化器的特点，创新性提出了具有雾化效果的砂轮结构，省去一套雾化设备的同时只利用主轴0.5%的能量即实现了雾化冷却和内冷却，降低了磨削温度的同时实现低耗高效磨削。根据液滴碰撞热表面的Leidenfrost现象，分析了液滴碰撞热表面后的运动轨迹，结合基于三角形热源模型得到的磨削弧区表面温度分布，提出了液滴撞击磨削热表面时的最大换热条件为液滴在磨削弧区温度峰值点处在最大扩散状态。依据此条件，在具有雾化效果的砂轮上设计了微槽结构，实现雾滴的最大换热。实验表明，应用微槽喷雾砂轮只需泵出口流量的5.4%磨削液，即可控制GH4169的磨削温度为200℃。并通过自吸内冷分块砂轮的磨削温度随磨削液供给流量变化实验，提出了最小流量的概念。分析确定了砂轮表面地貌与最小流量的关系，推导了此类砂轮的最小流量计算方法，秉承了绿色制造的宗旨。最后应用制备的15nm SiO2纳米磨削液将微槽喷雾砂轮的磨削比提高了近6倍，提高了微槽保持性，解决了由于微槽磨损过快而影响最大换热效果持续时间的问题，提高了微槽喷雾砂轮的工程应用价值。关键词：端面磨削；内冷却；喷雾冷却；微槽；断续磨削；最小流量；纳米润滑