欒曉圣， 姜峰， 言蘭

(華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門(mén) 361021)

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齒輪鋼緩進(jìn)給深磨的工藝可行性分析

欒曉圣， 姜峰， 言蘭

(華僑大學(xué) 制造工程研究院， 福建 廈門(mén) 361021)

以齒輪鋼40CrNiMo為研究對(duì)象，保持金屬去除率一定，改變磨削深度和工件進(jìn)給速度，測(cè)量磨削力，計(jì)算磨削力比和磨削比能.觀察磨削表面微觀組織變化，測(cè)量磨削表面粗糙度、表層亞表層微硬度變化、磨削表面殘余應(yīng)力，探討深切緩進(jìn)給磨削在齒輪鋼磨削過(guò)程中的工藝可行性.緩進(jìn)給深磨對(duì)比試驗(yàn)表明：在等金屬去除率條件下，緩進(jìn)給深磨的磨削表面質(zhì)量較好，加工效率高，利用緩進(jìn)給深磨加工齒輪鋼進(jìn)行去余量加工具有很高的可行性；由于緩進(jìn)給深磨熱影響區(qū)較大，不適合于齒輪鋼精密成形加工,必須增加精磨工序.

齒輪鋼； 緩進(jìn)給深磨； 磨削力； 磨削表面

齒輪鋼材料種類(lèi)繁多，綜合力學(xué)性能要求高，通常采用磨削加工.然而，在齒輪鋼磨削加工過(guò)程中，磨削溫度高、砂輪磨損快、加工硬化趨勢(shì)強(qiáng)，往往導(dǎo)致磨削加工效率低、表面質(zhì)量差，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅度提高[1-3].緩進(jìn)給深磨是一種磨削深度大、切削弧線(xiàn)長(zhǎng)、進(jìn)給速度低的高效磨削加工方式.它不僅能夠保持傳統(tǒng)磨削加工精度高的優(yōu)勢(shì)，而且具備刀具切削加工效率高的特點(diǎn)，可針對(duì)不同材料調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)良好的加工表面質(zhì)量[4].同時(shí)，由于緩進(jìn)給深磨磨削深度進(jìn)一步增大，導(dǎo)致磨削力增大，磨削消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使磨削區(qū)溫度升高，產(chǎn)生砂輪磨損加劇、工件表面容易發(fā)生燒傷、金相組織發(fā)生變化等不利影響[5-6].眾多學(xué)者在不同試驗(yàn)條件下對(duì)不同材料的緩進(jìn)給深磨進(jìn)行了相關(guān)研究[7-15].基于此，本文測(cè)量磨削力，綜合評(píng)價(jià)磨削表面質(zhì)量，進(jìn)而判斷齒輪鋼緩進(jìn)給深磨的工藝可行性.

1 磨削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)條件

齒輪鋼40CrNiMo，熱處理后硬度為HRC52-57，其化學(xué)成分C，Si，Mn，Cr，Mo，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.35%～0.45%，0.15%～0.40%，0.40%～0.70%，1.00%～1.50%，0.50%～0.80%，余量.齒輪鋼40CrNiMo的抗拉強(qiáng)度σa為2 000 MPa，屈服強(qiáng)度σb為1 800 MPa，斷面收縮率ψ為35%，彈性模量E為206 MPa，泊松比ν為0.25～0.30.平面磨削試樣尺寸為30 mm×15 mm×10 mm.其中，10 mm為砂輪寬度方向,30 mm為工件進(jìn)給方向,15 mm為磨削深度方向.

磨削試驗(yàn)采用BLOHM-Planomat HP408型高速精密平面成型磨床(德國(guó)Schleifring公司).機(jī)床的主軸功率為24.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速為0～8 000 r·m-1(無(wú)級(jí)調(diào)速)，最大砂輪(直徑×寬度×孔徑)為400 mm×80 mm×127 mm，磨削面積為800 mm×400 mm，工件進(jìn)給速度的可調(diào)范圍為30～40 000 mm·min-1.

磨削試驗(yàn)使用砂輪(江西省南昌精益磨料磨具有限公司)的最大線(xiàn)速度為35 m·s-1.每進(jìn)行一組試驗(yàn)前,需對(duì)砂輪進(jìn)行修整.Kistler9257BA型三向動(dòng)態(tài)壓電晶體測(cè)力儀(瑞士Kistler Instrumente AGWinterthur公司)由測(cè)力平臺(tái)、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、微型計(jì)算機(jī)等元件組成.

圖1 磨削力測(cè)量的原理圖Fig.1 Principle diagram of grinding force measurement

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)，采樣頻率設(shè)置為10 000 Hz，測(cè)量的所有信號(hào)均經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)入PC機(jī)，利用DEVE軟件采集、觀察和記錄.磨削力測(cè)量的原理圖，如圖1所示.

1.2 磨削工藝參數(shù)

緩進(jìn)給深磨試驗(yàn)工藝方案，如表1所示.表1中：ap為磨削進(jìn)刀量；f為工作臺(tái)進(jìn)給速度；vs為砂輪線(xiàn)速度.

表1 緩進(jìn)給深磨工藝方案

2 結(jié)果與分析

2.1 緩進(jìn)給深磨的磨削力、磨削力比和磨削比能

緩進(jìn)給深磨對(duì)比試驗(yàn)的磨削力(F),如圖2(a)所示.由圖2(a)可知：在等金屬去除率條件下，隨著磨削深度的增加，磨削力增大.緩進(jìn)給深磨對(duì)比試驗(yàn)的磨削力比(Fy/Fx)和磨削比能(U)，如圖2(b),2(c)所示.由圖2(b),2(c)可知：在等金屬去除率條件下，隨著磨削深度的增加，磨削力比減小，而磨削比能有明顯的升高.因此，緩進(jìn)給深磨的磨床需具有足夠的功率.然而，僅從磨削力、磨削力比和磨削比能方面難以證明緩進(jìn)給深磨的工藝可行性，還需對(duì)磨削表面質(zhì)量進(jìn)行分析.

(a) 磨削力 (b) 磨削力比 (c) 磨削比能圖2 緩進(jìn)給深磨對(duì)比實(shí)驗(yàn)的磨削力、磨削力比和磨削比能變化Fig.2 Grinding force, grinding force ratio and specific grind energy of creep feed deep grinding experiments

2.2 表面粗糙度

采用白光干涉儀(德國(guó)ZYGO公司)進(jìn)行粗糙度測(cè)量，分別測(cè)量不同磨削工藝條件下得到的已加工表面，取樣面積為3.09 mm×1.42 mm.其中,3.09 mm為工件進(jìn)給方向,1.42 mm為砂輪寬度方向.物鏡10倍，測(cè)量模式為VSI，全解析度，平行于測(cè)量表面橫向分辨率為1.1 μm，垂直于測(cè)量表面方向分辨率為0.001 nm，拼接區(qū)域重合度為10%.

結(jié)果顯示:磨削深度為0.01 mm，工件進(jìn)給速度為10 000 mm·min-1，得到的磨削表面粗糙度Ra最小為1.384 μm；磨削深度為0.10 mm，工件進(jìn)給速度為1 000 mm·min-1，得到的磨削表面粗糙度Ra最大為1.842 μm；磨削深度為1 mm，工件進(jìn)給速度為100 mm·min-1， 得到的磨削表面粗糙度Ra為1.492 μm，表明緩進(jìn)給深磨的磨削表面粗糙度較好.觀察磨削表面的三維形貌可以發(fā)現(xiàn)：緩進(jìn)給深磨得到的磨削表面一致性最好，波谷波峰間距最小.因此，緩進(jìn)給深磨可達(dá)到已加工表面質(zhì)量的要求.

圖3 測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation points

2.3 磨削表層/亞表層的維氏硬度變化

利用離磨削表面不同深度的維氏硬度量化磨削表面的變質(zhì)情況，測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示.圖3中：前5個(gè)點(diǎn)間隔30 μm，后10個(gè)點(diǎn)間隔60 μm；加載載荷為0.5 N；加載時(shí)間為15 s；測(cè)量3個(gè)位置取平均值.

圖4 緩進(jìn)給深磨比較試驗(yàn)組的磨削亞表層硬度變化Fig.4 Sub-surface Vickers hardness of creep feed grinding comparative experimental

緩進(jìn)給深磨比較試驗(yàn)組的磨削亞表層硬度的變化，如圖4所示.圖4中：HV為維氏硬度;d為亞表面層深度.由圖4可知：緩進(jìn)給深磨的熱影響區(qū)較大，磨削變質(zhì)層約為1 mm；磨削變質(zhì)層以軟化層為主，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的硬化層，說(shuō)明磨削溫度的分布比較均勻，梯度較小.其他等金屬去除率的2組參數(shù)得到的磨削變質(zhì)層較小，但磨削深度為100 μm，工件進(jìn)給速度為1 000 mm·min-1的試驗(yàn)組出現(xiàn)了明顯的硬化層.因此，只要磨削液系統(tǒng)有足夠的冷卻能力，緩進(jìn)給深磨的磨削變質(zhì)層可以得到很好地控制.如果將其應(yīng)用到精密成形加工，因?yàn)樽冑|(zhì)層的存在，需要配合一道精磨工序.

圖5 殘余應(yīng)力測(cè)量位置Fig.5 Residual stress measurement of ground surface

2.4 磨削殘余應(yīng)力

X射線(xiàn)衍射應(yīng)力測(cè)試使用Cr靶，電壓為20 kV，電流為5 mA，衍射晶面為{211}，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，無(wú)應(yīng)力衍射角為156.4°，ψ選用0°，±25°，±35°，±45°.測(cè)量2個(gè)方向的殘余應(yīng)力，x方向測(cè)得工件進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力，y方向測(cè)得磨削寬度方向的殘余應(yīng)力.采用互相關(guān)法確定X射線(xiàn)衍射峰的位置，計(jì)算峰偏移和殘余應(yīng)力.殘余應(yīng)力的測(cè)量位置，如圖5所示.在磨削寬度方向上等距測(cè)量5個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力.緩進(jìn)給深磨對(duì)比試驗(yàn)得到的工件進(jìn)給方向和磨削寬度方向的殘余應(yīng)力(p)，如圖6所示.

(a) 工件進(jìn)給方向 (b) 磨削寬度方向圖6 磨削深度對(duì)工件進(jìn)給方向與磨削寬度方向的殘余應(yīng)力影響 Fig.6 Influence of depth of grinding on residual stress in feed direction and grinding width direction

由圖6可知：在等金屬去除率情況下，緩進(jìn)給深磨表面工件進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力略大于其他2個(gè)磨削工藝參數(shù)條件下的殘余應(yīng)力，而磨削寬度方向的殘余應(yīng)力和其他2個(gè)磨削工藝參數(shù)條件下的殘余應(yīng)力相差不大.此外，在緩進(jìn)給深磨條件下，磨削表面殘余應(yīng)力的一致性明顯優(yōu)于其他2個(gè)磨削工藝參數(shù)條件下殘余應(yīng)力的一致性.因此，從殘余應(yīng)力控制角度而言，緩進(jìn)給深磨有一定的可行性.

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)緩進(jìn)給深磨對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在等金屬去除率條件下，緩進(jìn)給深磨的磨削表面質(zhì)量較好，加工效率高.因此，利用緩進(jìn)給深磨加工齒輪鋼進(jìn)行去余量加工具有很高的可行性.然而，緩進(jìn)給深磨熱影響區(qū)較大，磨削后表面存在一定厚度的變質(zhì)層，不適合于精密成形加工，必要時(shí)需配合一道精磨工序.

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(責(zé)任編輯： 錢(qián)筠 英文審校： 崔長(zhǎng)彩)

Feasibility Analysis of Creep Feed Grinding Gear Steel

LUAN Xiaosheng, JIANG Feng, YAN Lan

(Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

In this paper creep feed grinding experiment of gear steel 40CrNiMo was conducted under variable grinding depths and feed speeds, and constant metal removal rates. Grinding force ratio and specific grinding energy have been calculated to analyze the machinability of gear steel during creep feed grinding process. Surface integrity, including surface roughness, micro-hardness and residual stress, has been investigated to study the feasibility of creep feed grinding gear steel. The results reveal that the grinding surface quality is acceptable with high material removal rate and working efficiency, so the creep feed grinding process is an excellent choice to remove the machining allowance rapidly. However, it is not suitable for the final precision machining of gear due to large residual stress from high temperature grinding.

gear steel; creep feed deep grinding; grindability; surface quality

10.11830/ISSN.1000-5013.201606002

2015-12-07

姜峰(1981-)，男，副教授，博士，主要從事精密與超精密加工的研究.E-mail:jiangfeng@hqu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405168， 51235004); 福建省高校杰出科研人才培育計(jì)劃(JA14013); 華僑大學(xué)中青年教師科研提升資助計(jì)劃項(xiàng)目(13J0521); 華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目(1511303015)

TG 5

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1000-5013(2016)06-0667-04