白 斌， 張 陳, 修世超

(1. 沈陽工程學院 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110136； 2. 東北大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 沈陽 110819)

預應力淬硬磨削工件淬硬層深度試驗研究*

白 斌1,2， 張 陳1, 修世超2

(1. 沈陽工程學院 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110136； 2. 東北大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 沈陽 110819)

預應力淬硬磨削是一種將磨削、 殘余應力控制及表面淬火三者集成于一體的復合加工技術. 基于45#鋼工件預應力淬硬磨削試驗， 以工件的淬硬層深度為研究對象， 采用方差分析的統(tǒng)計學方法研究加工過程中預應力與磨削深度對工件淬硬層深度的影響與作用. 結果表明:淬硬層由硬化區(qū)及過渡區(qū)組成， 在此次研究范圍內(nèi)， 預應力的影響主要集中于硬化區(qū)， 而磨削深度的影響可擴散至整個淬硬層. 在顯著性水平α=0.05時， 磨削深度對硬化區(qū)深度有顯著性影響； 當顯著性水平放寬到α=0.06時， 預應力對硬化區(qū)深度有顯著性影響， 而磨削深度對整個淬硬層深度有顯著影響， 但二者對淬硬層深度均勻性均無顯著性影響. 隨磨削深度的增加， 淬硬層深度變大； 隨預應力的增加， 硬化區(qū)深度變小. 該研究為預應力淬硬磨削技術的推廣與應用提供了試驗與理論基礎.

淬硬層； 預應力； 磨削； 方差分析； 復合加工

0 引 言

磨削工件的淬硬層深度是指從工件磨削表面開始， 沿著垂直于該表面的方向， 從該表面至硬度值下降到工件基體硬度那一點為止的距離. 適量的淬硬層深度即可讓磨削工件表面具有足夠的硬度、 耐磨性又可以保證工件心部具有足夠的韌性， 提高工件的使用性能. 因此， 淬硬層深度是衡量磨削工件淬硬效果的主要指標之一， 具有重要的工程實用價值. 預應力淬硬磨削[1](Pre-stressed Hardening Grinding， PSHG )是基于有特殊疲勞壽命要求的零部件制造而發(fā)展起來一種工藝技術. 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展， 航天飛機、 高鐵、 海上鉆井平臺以及核設施等設備陸續(xù)出現(xiàn)， 這些設備具有高速、 重載、 長時間運行的特點， 其零部件工作環(huán)境惡劣復雜， 但又對安全有著極端的要求， 這就對其零部件的疲勞壽命提出了很高的要求， 因此在生產(chǎn)過程中必須通過工藝手段來盡可能提高工件的疲勞壽命， 即滿足“抗疲勞制造”要求； 同時為了適應21世紀可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略， 制造過程中又要求提高資源利用率， 減少廢棄物的排放并對環(huán)境友好， 因此生產(chǎn)過程又需符合“綠色制造”要求.

PSHG工藝是一種用于磨削加工的復合加工工藝. PSHG工藝在磨削的過程中通過預拉應力施加裝置對工件表面殘余應力狀態(tài)進行主動干預， 同時利用砂輪與工件接觸產(chǎn)生的摩擦熱源對工件表面進行淬硬處理， 在一道工序中完成磨削、 表面淬火、 表層殘余應力控制三種工藝的任務， 該技術是在深入研究預應力切(磨)削[2-6](由中國周澤華等于1987年提出)和磨削淬硬[7-15](由德國Brinksmeier.E 和 Brockhoff.T于1994年提出)技術原理的基礎上， 將兩種技術的優(yōu)點有機結合而形成的. 與現(xiàn)有技術相比較， PSHG技術具有如下優(yōu)點： ① PSHG工藝將磨削、 淬火及殘余應力控制三者集成在一道工序中完成， 有效地減少了加工工序、 縮短了加工時間， 提高了資源利用率及勞動生產(chǎn)率； ② 直接采用磨削熱對工件進行淬火， 既將磨削熱變害為利， 有效地利用了熱能， 又減少了熱處理工序， 避免了熱處理工藝產(chǎn)生的廢水、 廢料對環(huán)境的污染， 符合“綠色制造”的要求； ③ 通過對磨削過程中的工件施加預拉應力的方法， 有效改變工件已加工表面殘余應力狀態(tài)， 使工件表面獲得更多的殘余壓應力， 更少的殘余拉應力， 進而提高工件疲勞壽命[1,4]， 符合“抗疲勞制造”要求； ④ 工件在加工過程中始終受到預拉應力的約束， 磨削過程中產(chǎn)生的變形小于自然狀態(tài)， 且當工件加工完畢卸載預應力后， 工件會向原平直狀態(tài)的方向恢復， 因此工件變形程度低， 加工精度高， 表面粗糙度低， 可有效地改善加工后的工件表面質(zhì)量[1]. 本文基于PSHG工藝試驗， 以PSHG工件淬硬層深度為研究對象， 采用二因素三水平方差分析的方法研究加工過程中預應力與磨削深度對淬硬層深度及其均勻性的影響程度， 并通過數(shù)據(jù)分析來確定預應力與磨削深度對淬硬層深度的作用效果與影響趨勢.

1 試驗與測量

1.1 PSHG工藝試驗

試驗研究用材料為45#鋼， 試驗分三步： 首先采用PSHG工藝對試件進行加工， 其次對試件進行金相組織觀察， 最后測量試件淬硬層厚度. PSHG試件磨削段尺寸為90 mm×9 mm×14 mm. 試件兩端車有螺紋， 放置在預拉應力施加裝置中. 當擰緊螺母時， 試件受到預緊力的作用， 使試件獲得預拉應力. PSHG試驗系統(tǒng)如圖 1 所示， 試驗裝置與磨削參數(shù)如表 1 所示. PSHG工藝過程如下： 先通過預拉應力施加裝置對工件施加預拉應力； 再對工件進行干磨削加工， 利用磨削熱對工件表層進行表面淬硬處理； 最后， 待工件冷卻至室溫后卸除預拉應力完成加工. 試驗用試件的加工條件如表 2 所示， 試件1， 2， 3及12為不加預應力的對比組試件， 其余試件為PSHG工藝試件(觀測組).

圖 1 PSHG工藝試驗系統(tǒng)Fig.1 PSHG process test system

試驗設備設備詳情機床M7133平面磨床磨削方式單程切入式逆磨砂輪白剛玉,Φ350mm×40mm,粒度F60冷卻方式空冷(干磨削)工件進給速度vw/(m·mim-1)10砂輪線速度vs/(m·s-1)26.4

表 2 試件加工條件

1.2 金相組織觀察

砂輪的磨削方向為試件的長度方向. 以試件磨削表面上， 垂直于長度方向的中線為截切位置， 沿淬硬層深度方向切斷試件， 獲得金相組織觀察截面， 其尺寸為9 mm×9 mm. 用MPJ-25金相試樣磨平機和PG-2C金相試樣拋光機對觀察截面進行打磨及研磨拋光， 最后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕制成金相組織觀察試樣， 并在OLYMPUS-GX71金相顯微鏡下觀測. 圖 2 所示為9號試件的金相組織圖片.

圖 2 金相組織圖(200倍)Fig.2 Metallographic microstructure(200 times)

圖片沿淬硬層深度方向， 由表及里分為三個區(qū)域： 硬化區(qū)、 過渡區(qū)及基體區(qū). 其中硬化區(qū)和過渡區(qū)組成淬硬層. 硬化區(qū)的組織主要為混合型馬氏體， 過渡區(qū)為鐵素體與馬氏體的混合結構， 而基體區(qū)是鐵素體和珠光體.

1.3 淬硬層深度測量

由于試件淬硬后的使用性能主要是由硬化區(qū)性能來體現(xiàn)的， 所以對硬化區(qū)的研究是淬硬層研究的重要組成部分， 據(jù)此本研究的測量數(shù)據(jù)包含淬硬層和硬化區(qū)兩部分. 測量儀器采用LYMPUS-STM6測量金相顯微鏡. 測量對象是淬硬層及硬化區(qū)深度. 測量點位置的選?。?以金相組織觀察實驗所用的試件截切位置線為測量線， 選距離測量線左端點1.5 mm位置處為第1測量點， 從左向右沿測量線每隔1.5 mm選取1點作為測量點， 共選取5個測量點， 其中第3測量點位于測量線中點， 第5測量點距離測量線右端點1.5 mm. 淬硬層及硬化區(qū)深度測量結果的總體分布情況見表 3， 其中1， 2， 3和12號試件屬于對比組， 其他試件屬于觀測組， 表中硬化區(qū)占比是指試件硬化區(qū)占淬硬層的比例. 由表3可知： 從總體看， 淬硬層中硬化區(qū)占比在50%左右， 淬硬層厚度在103.6～275 μm 之間， 硬化區(qū)厚度在50.5～137 μm 之間； 從對比情況來看， 觀測組試件的淬硬層及硬化區(qū)厚度均小于對比組.

表 3 測量數(shù)據(jù)總體分布情況

2 加工條件對淬硬層深度及均勻性影響的顯著性分析

2.1 數(shù)學模型

采用二因素三水平方差分析的統(tǒng)計學方法[16]研究加工過程中預應力與磨削深度對淬硬層深度及其均勻性的影響. 選擇用于分析的1～9號試件. 方差分析用數(shù)據(jù)如表 4 所示， 預應力及磨削深度各水平見表 2. 方差分析用數(shù)學模型為

式中：xij為試驗測量結果；μ為總平均數(shù)；ai為預應力因素第i水平Ai的效應；bj為磨削深度因素第j水平Bj的效應；εij為隨機誤差.

提出如下假設：

1) 預應力因素假設

2) 磨削深度因素假設

表 4 方差分析用數(shù)據(jù)表

2.2 加工條件對淬硬層深度影響的顯著性分析

均值是反映數(shù)據(jù)集中程度的統(tǒng)計量， 淬硬層及硬化區(qū)深度通過其均值進行表征. 分別將淬硬層、 硬化區(qū)平均深度作為因變量， 預應力與磨削深度作為控制變量進行方差分析， 結果如表 5 所示. 表中變差平方和的計算采用Ⅲ型方法[17].

表 5 平均深度方差分析表

當因變量為硬化區(qū)平均深度， 顯著性水平α取0.05(置信區(qū)間為95%)時， 由表 5 可知， 磨削深度對應的顯著性概率P=0.012<0.05, 則拒絕H02， 接受H12假設， 即磨削深度對硬化區(qū)平均深度有顯著性影響； 當顯著性水平α放寬到0.06(置信區(qū)間為94%)時， 預應力對應的P=0.054<0.06， 同上分析可知， 磨削深度和預應力二者對硬化區(qū)平均深度都有顯著性影響.

當因變量為淬硬層平均深度，α=0.05時， 預應力及磨削深度對淬硬層平均深度均無顯著性影響； 當α放寬到0.06時， 磨削深度對應的P=0.052<0.06， 則磨削深度對淬硬層平均深度有顯著性影響.

通過比較各因素變差平方和的大小可以度量各因素對因變量的影響強度. 由表 5 可知， 無論因變量是硬化區(qū)還是淬硬層平均深度， 都有S磨削深度>S預應力， 由此可知， 磨削深度對硬化區(qū)及淬硬層平均深度影響強度大于預應力.

為進一步提高比較的精確度， 使結論更全面、 可靠， 因此采用成對比較方法進行進一步分析. 成對比較是在F檢驗的前提下， 對同一因素不同水平之間的兩兩互比. 通過成對比較， 明確單一控制因素的數(shù)值變化對硬化區(qū)及淬硬層平均深度有無影響. 比較結果見表 6.

表 6 單一因素各水平成對比較表

預應力三個水平分別為0, 84， 104 MPa， 需兩兩比較的共三組. 當因變量為硬化區(qū)平均深度， 顯著性水平α=0.05時， 第一組是預應力為0與104 MPa兩者比較, 其對應的P=0.024<0.05， 參與比較的兩者存在顯著性差異， 即當預應力從零增加到104 MPa時， 硬化區(qū)平均深度會產(chǎn)生顯著性變化. 第二組是預應力為0與84 MPa兩者比較,該情況下， 其P=0.068>0.05， 參與比較的二者差異不顯著， 即當預應力從零增加到84 MPa時， 硬化區(qū)平均深度無顯著性變化. 第三組是預應力84 MPa與104 MPa二者比較， 其P=0.352?0.05， 參與比較的兩者無顯著性差異， 即當預應力從84 MPa增加到104 MPa時， 硬化區(qū)平均深度無顯著性變化. 綜上所述， 45#鋼的許用屈服應力為355 MPa， 在本次試驗范圍內(nèi)， 當施加的預應力為84 MPa(許用屈服應力的23.7%)時， 預應力對硬化區(qū)深度無顯著影響； 當施加的預應力達到104 MPa(許用屈服應力的29.3%)時， 預應力對硬化區(qū)深度有顯著影響.

當因變量為淬硬層平均深度，α=0.05時， 成對比較分組情況同上. 三個組對應的P均遠大于0.05， 說明在本次試驗范圍內(nèi)， 施加或改變預應力數(shù)值并不會對淬硬層平均深度產(chǎn)生顯著性影響， 即預應力的影響范圍主要集中于硬化區(qū)， 并未擴散至整個淬硬層.

磨削深度三個水平分別為350, 400， 450 μm， 需兩兩比較的亦為三組. 當因變量為硬化區(qū)平均深度，α=0.05時， 第一組為磨削深度350 μm與400 μm兩者比較, 其P=0.006<0.05， 參與比較的二者差異顯著， 即當磨削深度從350 μm變?yōu)?00 μm時， 硬化區(qū)平均深度會產(chǎn)生顯著性變化； 第二組為磨削深度350 μm與450 μm兩者比較, 其P=0.012<0.05， 參與比較的兩者存在顯著性差異； 第三組為磨削深度400 μm與450 μm兩者比較， 其P=0.4?0.05， 參與比較的兩者無顯著性差異， 即當磨削深度從400 μm變?yōu)?50 μm時， 硬化區(qū)平均深度無顯著性變化. 由三組顯著性結果可知， 磨削深度不大于400 μm時， 磨削深度的改變對硬化區(qū)平均深度有顯著性影響， 但當磨削深度超過400 μm后， 其變化對硬化區(qū)平均深度的影響將大幅減弱.

當因變量為淬硬層平均深度的時候， 成對比較的分組情況及顯著性結果與因變量為硬化區(qū)平均深度時相同， 說明磨削深度的影響范圍已超出硬化區(qū)， 擴展到整個淬硬層.

2.3 加工條件對淬硬層均勻性影響的顯著性分析

標準差是反映數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計量， 本文對淬硬層及硬化區(qū)深度均勻性通過其標準差進行表征. 分別將淬硬層深度標準差、 硬化區(qū)深度標準差作為因變量， 預應力與磨削深度作為控制變量進行方差分析， 結果如表 7 所示.

表 7 中變差平方和的計算采用III 型方法. 由表7中所有顯著性概率均遠大于0.05可知， 預應力和磨削深度對淬硬層及硬化區(qū)均勻性無顯著影響.

表 7 標準差方差分析表

3 加工條件對淬硬層深度的影響趨勢分析

3.1 預應力對淬硬層深度的影響趨勢

預應力對硬化區(qū)深度的影響趨勢見圖 3. 由圖 3 可知， 隨預應力的增加， 試件硬化區(qū)平均深度減少. 施加預應力， 使工件在整個磨削過程中始終受到拉應力約束， 其表面處于繃緊、 展平的狀態(tài)， 工件變形及磨削接觸弧長小于不受此約束的狀態(tài)， 由此減少了磨削過程中的摩擦阻力， 且熱作用時間變短， 降低了磨削熱的產(chǎn)生， 結果使試件硬化區(qū)深度減少.

圖 3 預應力對硬化區(qū)平均深度影響趨勢曲線Fig.3 The effect of pre-stress on average depth of hardening area

預應力對淬硬層深度影響趨勢見圖 4. 由圖 4 可知， 預應力對淬硬層深度的影響無明顯規(guī)律性. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于預應力的影響范圍主要集中于硬化區(qū)， 并未擴散到整個淬硬層.

圖 4 預應力對淬硬層平均深度影響趨勢曲線Fig.4 The effect of pre-stress variation on average depth of hardening layer

3.2 磨削深度對淬硬層深度的影響趨勢

磨削深度對淬硬層深度的影響趨勢見圖 5， 圖 6.

圖 5 磨削深度對硬化區(qū)平均深度影響趨勢曲線Fig.5 The effect of depth of cut on average depth of hardening area

圖 6 磨削深度對淬硬層平均深度影響趨勢曲線Fig.6 The effect of depth of cut on average depth of hardening layer

從圖 5， 圖 6 可以看出， 磨削深度增加， 硬化區(qū)及淬硬層平均深度變大. 當磨削深度不超過400 μm時， 隨磨削深度的增加， 硬化區(qū)及淬硬層平均深度變大； 當磨削深度超過400 μm時， 磨削深度的增加量對硬化區(qū)及淬硬層平均深度的影響變?nèi)酰?甚至觀測組試件出現(xiàn)了硬化區(qū)深度略有下降的現(xiàn)象. 隨著磨削深度的增加， 單顆磨粒的未變形切屑厚度相應增大， 加上砂輪與工件接觸弧長變長， 熱作用時間延長， 且同時參加切削的磨粒數(shù)增多， 因此磨削力增大、 磨削熱增加， 從而導致磨削淬硬層深度增加. 當磨削深度小于400 μm時， 磨削深度的變化對磨削力的影響顯著， 磨削熱增加明顯， 淬硬層深度亦增加明顯. 而當磨削深度超過400 μm后， 磨削深度的變化對磨削力的影響減弱， 磨削熱增加有限， 因此磨削深度變化量對淬硬層深度的影響變小； 此時預應力、 試件之間所含合金元素量的差異等其他因素的作用效果將會顯現(xiàn). 淬硬層最終深度是多種因素綜合作用的結果.

淬硬層深度應適量， 過深會造成工件過脆， 容易斷裂； 過淺則會使工件耐磨性變差； 過深過淺都會影響工件的使用壽命及性能. 因此應根據(jù)實際需求， 結合磨削深度、 預應力對淬硬層(硬化區(qū))深度的影響趨勢， 確定磨削深度及預應力的實際取值.

4 結 論

1) 淬硬層由硬化區(qū)及過渡區(qū)組成， 在本文的實驗條件下， 預應力的影響主要集中于硬化區(qū)， 而磨削深度的影響可擴散至整個淬硬層. 磨削深度的影響強度大于預應力. 在顯著性水平α=0.05時， 磨削深度對硬化區(qū)深度有顯著性影響； 當顯著性水平α放寬到0.06時， 預應力對硬化區(qū)深度有顯著性影響， 磨削深度對整個淬硬層深度有顯著性影響， 二者對淬硬層及硬化區(qū)深度均勻性均無顯著性影響.

2) 隨預應力的增加， 硬化區(qū)深度變小. 在本文的試驗范圍內(nèi)， 當施加的預應力為84 MPa(許用屈服應力的23.7%)時， 預應力對硬化區(qū)深度無顯著影響； 當施加的預應力達到104 MPa(許用屈服應力的29.3%)時， 預應力對硬化區(qū)深度有顯著影響.

3) 隨磨削深度的增加， 淬硬層深度變大. 當磨削深度小于400 μm時， 磨削深度對淬硬層深度的影響顯著； 如繼續(xù)增加磨削深度， 則磨削深度增加量對淬硬層深度無顯著影響.

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Experimental Study on Hardening Layer Depth of Workpiece in Pre-Stress Hardening Grinding

BAI Bin1,2, ZHANG Chen1, XIU Shi-chao2

(1. College of Mechanical Engineering, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China；2. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Pre-stress hardening grinding is a combined machining technology which consists of grinding, residue stress control and surface quenching. Based on the Pre-stressed Hardening Grinding test of 45 steel, and aiming to study the hardening layer depth of the workpiece. Analysis of variance was adopted in the study which revealed how depth of cut and pre-stress influence the hardening layer depth of the workpiece. The conclusion of the study shows: the hardening layer includes hardening area and transitional area, the pre-stress mainly affects the hardening area, and the influence of depth of cut can spread to the whole hardening layer. With the statistical significance levelα=0.05, depth of cut shows significant effects on the hardening area depth. With the statistical significance levelα=0.06, pre-stress affects hardening area depth significantly, depth of cut affects the whole hardening layer depth significantly, however, both depth of cut and pre-stress has no significant effects on hardening layer depth uniformity. The depth of hardening layer is getting thicker with in-depth grinding. The depth of hardening area is getting thinner with enhanced pre-stress. The study serves experimental and theoretical ground for the promotion and use of Pre-stress hardening grinding.

hardening layer； pre-stress； grinding； variance analysis； combined machining

1673-3193(2017)01-0048-07

2016-03-08

國家自然科學基金資助項目(51375083)； 2013年沈陽工程學院科學技術基金項目(LGYB -1315)

白 斌(1979-)， 男， 講師， 博士生， 主要從事磨削及零件加工表面完整性方面的研究.

TG580.6

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.01.010