陳海鋒，唐進(jìn)元，周　群

（1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083）

超聲干磨削對(duì)金屬材料殘余應(yīng)力影響實(shí)驗(yàn)研究

陳海鋒1，唐進(jìn)元2，周群2

（1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410083）

采用電鍍金剛石砂輪對(duì)45鋼進(jìn)行超聲干磨削實(shí)驗(yàn)，研究了磨削深度、砂輪速度、工件速度和超聲振幅對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：在干磨削工況下，添加超聲振動(dòng)能增大表面殘余壓應(yīng)力，磨削深度和工件速度的增加對(duì)增大殘余壓應(yīng)力有益，而砂輪速度的增大將使殘余壓應(yīng)力減小。

超聲磨削；殘余應(yīng)力；實(shí)驗(yàn)研究

超聲振動(dòng)輔助加工是在刀具或工件上添加小幅的高頻振動(dòng)，以達(dá)到提高被加工工件表面質(zhì)量的目的。前期通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在相同加工條件下，與普通磨削相比，超聲磨削后工件的表面粗糙度值能減小20%左右，并發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)參數(shù)與砂輪的修整參數(shù)對(duì)超聲加工后的表面質(zhì)量有重要影響［1-2］。Tawakoli等［3-4］采用氧化鋁砂輪對(duì)金屬材料100Cr6、42CrMo4進(jìn)行了超聲振動(dòng)干磨削試驗(yàn)研究，得知應(yīng)用超聲振動(dòng)能有效避免工件表面的熱燒傷，提高磨削比，且能減小60%～70%的法向磨削力和30%～50%的切向磨削力；其進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用CBN砂輪對(duì)100Cr6進(jìn)行超聲振動(dòng)干磨削也能取得上述加工效果［5］。

在殘余應(yīng)力的研究方面，Uhlmann等［6］發(fā)現(xiàn)采用徑向超聲對(duì)陶瓷進(jìn)行磨削能在表面得到更大的殘余壓應(yīng)力，但材料的彎曲強(qiáng)度比普通磨削有所降低。同時(shí)，殘余應(yīng)力的變化與加工參數(shù)有關(guān)，薛進(jìn)學(xué)等［7］對(duì)二維超聲振動(dòng)磨削后的納米復(fù)相陶瓷和氧化鋯陶瓷表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在相同的磨削條件下，超聲磨削的切向殘余拉應(yīng)力比普通磨削小，且磨粒尺寸越小，殘余拉應(yīng)力越小，而法向殘余壓應(yīng)力則比普通磨削大。付轉(zhuǎn)等［8］研究了不同的超聲磨削方式對(duì)氧化鋯陶瓷殘余應(yīng)力的影響。當(dāng)超聲振動(dòng)方向平行于砂輪速度方向時(shí)，工件表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力；當(dāng)超聲振動(dòng)方向垂直于砂輪速度方向時(shí)，工件表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值較小。

上述研究主要針對(duì)陶瓷等脆性材料，而對(duì)金屬材料超聲磨削后的殘余應(yīng)力研究較少。由于金屬材料與脆性陶瓷的去除方式有所不同，金屬材料經(jīng)超聲磨削后對(duì)殘余應(yīng)力是否會(huì)產(chǎn)生有益效果，將是本文的研究重點(diǎn)。

1　超聲磨削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方案

超聲磨削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由超聲振動(dòng)系統(tǒng)和工件進(jìn)給系統(tǒng)兩部分組成（圖1）。超聲振動(dòng)系統(tǒng)由超聲電源、換能器、變幅桿和電機(jī)組成，超聲電源將50～60 Hz的市電轉(zhuǎn)化為與超聲波換能器相匹配的高頻率（15～100 kHz）交流電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器工作，換能器將高頻率的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，并將其通過(guò)變幅桿進(jìn)行放大傳遞給工具頭，從而實(shí)現(xiàn)工具頭在高頻率（15～100 kHz）、低振幅（2～30 μm）下進(jìn)行軸向振動(dòng)。

圖1　超聲磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在超聲磨削中，砂輪直接參與磨削加工，其性能的好壞直接影響磨削加工過(guò)程及磨削工件的表面質(zhì)量。因此，磨削加工時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況選用合適的砂輪。在工件振動(dòng)的超聲磨削實(shí)驗(yàn)中，由于超聲振動(dòng)添加在工件上，工件的沖擊作用有利于砂輪的自銳作用，所以可采用氧化鋁砂輪。但在砂輪振動(dòng)的超聲磨削實(shí)驗(yàn)中，由于氧化鋁砂輪較脆，加工過(guò)程中需采用螺栓連接將其固定在變幅桿前端。當(dāng)螺栓的預(yù)緊力較大時(shí)，砂輪在添加超聲振動(dòng)后易開(kāi)裂；當(dāng)螺栓的預(yù)緊力較小時(shí)，砂輪與變幅桿的間隙易發(fā)熱而造成能量損失。因此，為了達(dá)到更好的加工效果，可采用電鍍金剛石砂輪，直接將金剛石磨粒電鍍?cè)谧兎鶙U前端。

為了實(shí)現(xiàn)工具頭對(duì)工件進(jìn)行超聲磨削加工，工件需實(shí)現(xiàn)沿砂輪切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和沿砂輪徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。前者可通過(guò)電動(dòng)水平滑移臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者可通過(guò)電動(dòng)升降臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用iXRD便攜式高速殘余應(yīng)力分析儀對(duì)加工后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，由于磨削過(guò)程中的磨削用量（ap、Vs、Vw）、砂輪參數(shù)（磨粒負(fù)前角）、振動(dòng)參數(shù)等對(duì)殘余應(yīng)力有一定的影響，為了研究磨削深度ap、砂輪速度Vs、工件速度Vw和振幅A對(duì)殘余應(yīng)力的影響，設(shè)置了超聲振動(dòng)磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)（表1）。

表1　超聲磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2　磨削表面殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在不同的磨削深度下，殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖2。可看出，軸向方向和磨削方向都為壓應(yīng)力，軸向方向的殘余壓應(yīng)力大于磨削方向，且隨著磨削深度的增加，表面殘余壓應(yīng)力都增大。由于本實(shí)驗(yàn)所用的砂輪尺寸小，且砂輪線速度較低，所產(chǎn)生的磨削熱有限，超聲振動(dòng)使熱源在工件表面的作用時(shí)間相對(duì)縮短，加速了磨削熱向外傳遞，機(jī)械效應(yīng)起主導(dǎo)作用，因此，磨削表面產(chǎn)生的是殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，磨削深度增加，磨粒的擠壓和剪切作用增強(qiáng)，磨削力增大，由此產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也增大。但磨削深度過(guò)大，易加深變質(zhì)層，降低表面質(zhì)量，甚至引起磨削燒傷等。因此，在實(shí)際加工中，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能采用較大的磨削深度，不但可減小去除相同加工余量時(shí)的磨削行程，還可減少砂輪空轉(zhuǎn)，以提高磨床的使用效率和加工生產(chǎn)率。

圖2　磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.2砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在不同的砂輪線速度下，殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖3?？煽闯觯S向方向和磨削方向都為壓應(yīng)力，軸向方向的殘余壓應(yīng)力大于磨削方向，且隨著砂輪線速度的增加，工件表面殘余壓應(yīng)力均減小。一方面，砂輪線速度增大，減小了單顆磨粒的平均未變形磨屑厚度和切屑橫斷面積，降低了磨削力，減小了由此產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力；另一方面，砂輪線速度增加，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致總熱流強(qiáng)度增大，使磨削熱升高，降低了材料的屈服強(qiáng)度，增加了塑性變形，由熱效應(yīng)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力增大。在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)靥岣呱拜喚€速度，不僅能增強(qiáng)磨粒的自銳能力，提高材料去除率，還能在一定程度上增大塑性變形，改善工件的表面質(zhì)量。但砂輪線速度不宜過(guò)高或過(guò)低，過(guò)高會(huì)增大砂輪的熱磨損，易導(dǎo)致振動(dòng)系統(tǒng)的顫動(dòng)；過(guò)低會(huì)增大單顆磨粒的實(shí)際切削深度，易導(dǎo)致磨粒的破碎和脫落。

圖3　砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.3超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在不同的超聲振幅下，殘余應(yīng)力與超聲振幅的關(guān)系見(jiàn)圖4。可看出，軸向方向和磨削方向都為壓應(yīng)力，軸向方向的殘余壓應(yīng)力大于磨削方向，且超聲振動(dòng)的施加有增大殘余壓應(yīng)力的作用，增加振幅，殘余壓應(yīng)力隨之增大。這是因?yàn)椋浩湟唬曊駝?dòng)能延長(zhǎng)磨粒切削弧長(zhǎng)，減小未變形磨屑厚度［9］，提高材料塑性去除率，增強(qiáng)磨粒對(duì)試件表面的往復(fù)熨壓、研磨作用，從而增大由此產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力；其二，由超聲振動(dòng)引起的振動(dòng)應(yīng)力能抵消掉工件內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，降低材料的屈服極限［10］；其三，超聲振動(dòng)使磨粒軌跡相互交叉，使空切削的磨粒所占比例增大，這樣能使工件表面和空氣的熱交換更充分，工件表面溫度的降低能抑制熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖4　超聲振幅對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.4工件速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在本文軸向超聲振動(dòng)輔助磨削加工的實(shí)驗(yàn)條件下，不同工件速度下的殘余應(yīng)力變化見(jiàn)圖5?？煽闯?，軸向方向的殘余應(yīng)力大于磨削方向，且殘余壓應(yīng)力隨著工件速度的增加有所增大，但增加趨勢(shì)不太明顯。這是因?yàn)椋寒?dāng)磨削深度和砂輪線速度一定時(shí)，隨著工件速度的增大，材料去除率有所增加，在軸向方向的塑性變形也增多，使軸向方向的殘余壓應(yīng)力增加幅度大于磨削方向；將磨削區(qū)看作熱源，隨著工件速度的增大，砂輪與工件的接觸時(shí)間相對(duì)縮短，熱源沿工件表面的移動(dòng)速度加快，磨削區(qū)與外界的熱交換更充分，降低了工件表面的溫度，由此產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力也減??；工件速度的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于砂輪線速度，所以工件速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響也較小。在實(shí)際加工中，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能選取較大的工件速度，更好地保持砂輪的鋒利，使材料的切除以切削為主，有效降低滑擦和耕犁作用，從而降低磨削區(qū)溫度，削弱熱應(yīng)力的作用，增大工件表面殘余壓應(yīng)力，以提高工件的表面質(zhì)量。

圖5　工件速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了磨削深度、砂輪速度、工件速度和超聲振幅對(duì)金屬材料殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：在相同的工況條件下，工件表面的殘余壓應(yīng)力隨著磨削深度的增加而增大，隨著砂輪速度的增加而減小，隨著工件速度的增加而小幅增大，此外，添加超聲振動(dòng)具有增大殘余壓應(yīng)力的作用，且超聲振幅有益于殘余壓應(yīng)力的增大。

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Experimental Study on Influence of Ultrasonic Assisted Grinding on Residual Stress of the Metal

Chen Haifeng1，Tang Jinyaun2，Zhou Qun2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；2.Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，China）

The influences of grinding depth，wheel speed，workpiece speed and ultrasonic vibration amplitude on residual stress of 45 steel was studied by ultrasonic assisted grinding using electroplated diamond wheel.The results show that adding ultrasonic vibration can increase the residual compressive stress in dry grinding conditions.The increase of grinding depth and workpiece speed has the beneficial effect on the residual compressive stress increases.And the increase of wheel speed will reduce the residual compressive stress.

ultrasonic assisted grinding；residual stress；experimental study

TG663

A

1009－279X（2016）04－0041-04

2016-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51535012）

陳海鋒，男，1986年生，博士研究生。