磨削弧区采用径向射流冲击强化换热的试验研究

缓进给磨削时产生的磨削热和由此引起的工件热损伤是制约磨削效率的主要因素。因此，
作为一项基本对策，尽可能强化磨削弧区的换热效果，最大限度地疏散积聚在弧区的

磨削热，是有效抑制磨削烧伤和进一步提高磨削效率的关键。本文借鉴热工领域的强化
换热概念，提出利用高压射流冲击强化磨削弧区换热的创新构想，并通过缓进给断续

磨削试验，研究了采用径向射流冲击磨削弧区表面的冷却效果。试验结果表明，射流冲

 

击强化磨削弧区换热技术确有良好的应用前景。 1 射流冲击强化磨削弧区换热的基本

原理
关于缓磨烧伤的机理研究表明，发生在磨削弧区的换热机理由于涉及到沸腾与汽液两
相流动过程而显得极为复杂。在磨削热流密度接近但不超过临界热流密度，且磨削液处
于泡核沸腾时，磨削液可以直接从工件表面吸收大量汽化潜热，不仅换热效率最高，
而且工件表面温度亦可稳定维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度以下。但磨削热流密
度是随着砂轮的钝化而增长的，这种增长在磨削高温合金、钛合金等难加工材料时尤为
显著，因而上述理想换热状态是无法稳定维持的，一旦磨削热流密度增长到超过临界
热流密度，弧区磨削液发生成膜沸腾后，磨削液就会因汽膜层阻挡而无法再与工件表
面接触，于是原本可由磨削液汽化带走的磨削热便会被迫改道进入工件，从而导致工
件表层急剧温升并很快发生烧伤。
磨削弧区的磨削热主要是通过磨削液疏导逸散的,现有的磨削液加注方式，如普通切向
供液、高压喷注、用气流挡板辅助加注以及利用砂轮自身多孔渗漏的砂轮内冷却供液等，
其目的都是将磨削液引入弧区，使其能参与弧区换热过程。至于磨削液引入弧区后如何
才能确保满意的换热效果，则是一个尚未有人研究的课题。断续磨削能使更多磨削液进

 

入弧区起到间断冷却作用。文献研制推出一种带径向通液孔的 CBN 开槽砂轮，在解决
难加工材料缓磨烧伤难题方面具有一定优势，但从总体来看，其换热效果与现有的弧
区磨削液供液方式相比并无根本改善。
笔者在对深切缓磨磨削热机理深入研究的基础上，参照热工领域有关强化换热的概念，
提出一项可望从根本上改善弧区换热过程的独创构想。该构想的核心是结合应用日趋广
泛的开槽砂轮断续磨削工艺，构造一种可使高压磨削液射流沿砂轮径向直接冲击弧区
工件表面的条件，由于高压射流可以轻易地冲破已形成汽膜的阻挡，确保磨削液与工
件表面的持续接触，因而有条件突破成膜沸腾的障碍，即使在远高于临界值的热流密
度下，仍可最大限度地稳定发挥核沸腾汽化换热的优势，将磨削弧区的换热效率提高
到一个全新的水平。
 2 试验装置
磨削系统的磨削液供液装置如图 1 所示,它主要由高压柱塞泵、水箱、控制阀等组成，磨
削液通过高压泵以一定的压力从砂轮前端特制的旋转接头进入封闭砂轮腔，沿砂轮径
向通液孔射出，射流出口速度为 15m/s  

。

为了将静止高压水引入旋转的带径向通液孔的砂轮腔，研制了带端面密封的旋转接头。
端面密封为一种旋转轴用动密封，由动环和静环组成密封端面，动环与砂轮主轴一起
旋转，并与静环保持紧密贴合接触，达到旋转密封的目的。旋转密封的设计压力为
7MPa，转速为 1400rpm，密封泄漏量在 5ml/h 以下。砂轮结构与文献研制的砂轮结构相
似，只是将内部空腔密封。进入旋转接头的磨削液经砂轮法兰座的开槽进入砂轮腔，带
径向射流的 CBN 开槽砂轮的磨削液供液状况如图 2 

 

所示。 3 试验条件及测试方法

在航空航天领域，大量被加工零件材料均属难加工材料，虽然针对此类材料的缓进给
磨削工艺已广泛应用，但对于缓磨时因砂轮钝化而引起的发热量剧增仍然很难控制，
烧伤问题仍然突出。因此本试验选用导热系数低、易烧伤的航空难加工材料钛合金 TC4