楊春強(qiáng) 黃 云 吳建強(qiáng)

1.重慶大學(xué),重慶,400030 2.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心,重慶,400021

0 引言

螺旋槳是船舶動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件,直徑較大、曲面形狀復(fù)雜、精度高。制造出幾何精度高和表面質(zhì)量好的螺旋槳葉片對于提高船舶的工作效率具有重要作用[1]。目前,工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將數(shù)控加工中心和五軸數(shù)控銑床用于船用螺旋槳葉片的加工,使葉片加工效率、幾何精度及表面質(zhì)量得到較大提高[2-3]。國內(nèi)有很多院校和科研機(jī)構(gòu)對螺旋槳加工技術(shù)進(jìn)行了研究[4-6]。但是,這些研究大多還處在理論與試驗(yàn)的階段,我國很多螺旋槳廠仍使用三坐標(biāo)機(jī)床或手工打磨進(jìn)行螺旋槳加工,采用這種方法進(jìn)行生產(chǎn)不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工周期長、生產(chǎn)效率低,而且加工出來的螺旋槳葉片一致性差,誤差較大。

筆者基于國內(nèi)開發(fā)的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床,研究磨削參數(shù)等因素對螺旋槳表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力的影響,獲得最佳的磨削參數(shù),以期提高螺旋槳的磨削質(zhì)量。

1 四軸聯(lián)動(dòng)船用螺旋槳砂帶磨削原理

圖1 四軸聯(lián)動(dòng)船用螺旋槳砂帶磨削原理圖

圖1為四軸聯(lián)動(dòng)船用螺旋槳葉片砂帶磨削原理圖。該機(jī)床具有兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其中,磨頭橫向移動(dòng)軸為X軸,可實(shí)現(xiàn)磨頭接觸輪和螺旋槳表面的接觸,保證螺旋槳葉片壓力面和吸力面的加工;磨頭上下移動(dòng)軸為Z軸,可保證葉片縱向的加工;螺旋槳葉片工件回轉(zhuǎn)軸為C軸,可保證葉片扇形方向的加工;工件擺動(dòng)轉(zhuǎn)軸為 A軸,可保證在加工葉片時(shí)磨頭與曲面更好地?cái)M合,各軸的動(dòng)作方式如圖1所示。加工時(shí),四軸由數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)同時(shí)運(yùn)行,葉片置于回轉(zhuǎn)擺動(dòng)工作轉(zhuǎn)臺的專用夾具上,隨著轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn),螺旋槳一次裝夾可實(shí)現(xiàn)壓力面和吸力面的磨削加工,經(jīng)一次砂帶更換可完成葉片粗磨和精磨兩道工序。

2 試驗(yàn)條件和方法

2.1 試驗(yàn)材料及條件

試驗(yàn)用螺旋槳葉片材料為錳青銅,其化學(xué)成分如表1所示。磨削試驗(yàn)條件見表2。

表1 螺旋槳葉片化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 試驗(yàn)條件

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在重慶三磨海達(dá)磨床有限公司研發(fā)的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床上進(jìn)行。使用北京時(shí)代之峰科技有限公司制造的粗糙度儀T R200,分別測量壓力面和吸力面在0.4R、0.6R和0.8R(R為螺旋槳半徑)處的表面粗糙度,然后取其平均值作為最終的粗糙度Ra的值。使用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀測量表面殘余應(yīng)力。磨削前的工件如圖2所示。

圖2 磨削前工件外形

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響砂帶磨削表面質(zhì)量的因素很多,為了有效減少試驗(yàn)次數(shù)又能找出主要影響規(guī)律,本文采用正交試驗(yàn)方法研究砂帶磨削后工件表面粗糙度及其影響規(guī)律[7],選擇砂帶粒度、接觸輪硬度、砂帶線速度、磨削進(jìn)給速度和磨削深度五個(gè)因素。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 表面粗糙度的影響因素研究

表面粗糙度是評價(jià)加工表面質(zhì)量指標(biāo)的重要參數(shù),粗糙度的大小直接影響零件的工作精度、配合性能、耐腐蝕性等[8]。磨削加工一般作為機(jī)械零件的最后一道加工工序,其主要目的是保證零件的表面粗糙度和形狀精度要求[9-10]。由于砂帶磨削具有良好的研磨拋光作用,因而磨削后的工件可獲得比較小的粗糙度值[11]。

按照表3所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)所得結(jié)果可知:砂帶粒度對磨削表面粗糙度影響最顯著,其次是砂帶線速度、接觸輪硬度、磨削進(jìn)給速度和磨削深度。砂帶粒度越小,磨削表面粗糙度值越小,同時(shí)還可以通過選擇適當(dāng)?shù)纳皫Ь€速度和接觸輪硬度來減小表面粗糙度值。

為了進(jìn)一步研究砂帶粒度、砂帶線速度、接觸輪硬度、磨削深度和磨削進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響,本文采用單因素試驗(yàn)分別討論了各因素對表面粗糙度的影響。

3.1.1 砂帶粒度對表面粗糙度的影響

圖3是砂帶線速度為28m/s、接觸輪硬度為80HS、磨削深度為 0.2mm、磨削進(jìn)給速度為4m/min時(shí),砂帶粒度和表面粗糙度的關(guān)系圖。可以看出,表面粗糙度值隨著砂帶粒度變小而減小,使用P36粒度的砂帶表面粗糙度較大,P240粒度砂帶使工件的表面粗糙度Ra降到了0.4 μ m左右。這是因?yàn)榧?xì)磨粒加工中產(chǎn)生的劃痕及隆起相應(yīng)較小,相當(dāng)于研磨和拋光,使表面粗糙度值減小。

圖3 砂帶粒度與表面粗糙度的關(guān)系

3.1.2 砂帶線速度對表面粗糙度的影響

圖4是砂帶粒度為 P80、接觸輪硬度為80HS、磨削深度為 0.2mm、磨削進(jìn)給速度為4m/min時(shí),砂帶線速度和表面粗糙度的關(guān)系圖?？梢钥闯?表面粗糙度值隨著砂帶線速度的增加而減小。這是因?yàn)殡S著砂帶速度vs的提高,單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入磨削區(qū)的磨粒數(shù)增多,單顆磨粒切削深度變小,工件表面變形小,工件與磨粒的接觸時(shí)間縮短,減小了工件因磨粒耕犁形成的隆起高度以及熱塑性變形,因而工件粗糙度值隨之減小。

3.1.3 接觸輪硬度對表面粗糙度的影響

圖4 砂帶線速度與表面粗糙度的關(guān)系

圖5為砂帶線速度為28m/s、砂帶粒度為P80、磨削深度為0.2mm、磨削進(jìn)給速度為4m/min時(shí),接觸輪硬度和表面粗糙度的關(guān)系圖?？梢钥闯?工件的表面粗糙度值隨接觸輪硬度的增大而增大。軟接觸輪的特點(diǎn)是磨粒上承受的壓力較小,減小了砂帶磨削力,較好適應(yīng)工件外形,磨削時(shí)使用軟接觸輪和細(xì)粒度砂帶,能取得較好的磨削效果。硬接觸輪的特點(diǎn)是磨粒上承受的壓力較大,增大了砂帶磨削力,與工件外形適應(yīng)不好,但能取得更大的磨削量。

圖5 接觸輪硬度與表面粗糙度的關(guān)系

3.1.4 磨削深度對表面粗糙度的影響

圖6是砂帶線速度為28m/s、砂帶粒度為P80、接觸輪硬度為 80HS、磨削進(jìn)給速度為4m/min時(shí),磨削深度和表面粗糙度的關(guān)系圖?？梢钥闯?磨削深度對表面粗糙度的影響相對較小。隨著磨削深度增加,表面粗糙度略有增大。這是因?yàn)楸砻娲植诙扰c磨削深度相比要小得多,但磨削深度增加會(huì)造成砂帶磨損加劇,磨削能力削弱,

圖6 磨削深度與表面粗糙度的關(guān)系

進(jìn)而引起系統(tǒng)振動(dòng),增大工件表面粗糙度值。

3.1.5 磨削進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

圖7是砂帶線速度為28m/s、砂帶粒度為P80、接觸輪硬度為 80HS、磨削深度為0.2mm時(shí),磨削進(jìn)給速度和表面粗糙度的關(guān)系圖?？梢钥闯?磨削進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響類似于磨削深度的影響。隨著磨削進(jìn)給速度的增加,工件表面粗糙度值略有增大。

圖7 磨削進(jìn)給速度與表面粗糙度的關(guān)系

3.2 表面殘余應(yīng)力的影響因素研究

殘余應(yīng)力是零件加工表面質(zhì)量的主要指標(biāo)之一,表面殘余應(yīng)力對耐疲勞、抗腐蝕等性能有很大影響[12-13]。研究零件表面殘余應(yīng)力的形成,及其與磨削加工工藝因素的相互關(guān)系,對于預(yù)測和控制零件的加工表面質(zhì)量都具有重要意義[14]。

3.2.1 砂帶粒度對表面殘余應(yīng)力的影響

圖8是砂帶線速度為28m/s、磨削深度為0.2mm、接觸輪硬度為80HS時(shí),砂帶粒度和殘余應(yīng)力的關(guān)系圖?？梢钥闯?經(jīng)過砂帶磨削后的螺旋槳表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,且隨著砂帶粒度的變小,殘余壓應(yīng)力變小。這是因?yàn)殡S著砂帶磨粒變小,單顆磨粒磨削厚度減小,對工件的擠壓作用變小,同時(shí)采用的濕式磨削使得磨削熱所產(chǎn)生的拉伸熱應(yīng)力影響作用很小。

3.2.2 磨削深度對表面殘余應(yīng)力的影響

圖9是砂帶線速度為28m/s、砂帶粒度為P120、接觸輪硬度為80HS時(shí),磨削深度和殘余應(yīng)力的關(guān)系圖?？梢钥闯?隨著磨削深度增加,殘余壓應(yīng)力不斷增大,當(dāng)磨削深度達(dá)到0.5mm時(shí),殘余壓應(yīng)力卻有所減小。這是因?yàn)殡S著磨削深度的繼續(xù)增大,載荷越來越大,磨削溫度升高,使殘余應(yīng)力向拉伸方向發(fā)展,所以殘余壓應(yīng)力有一定程度的減小。

圖8 砂帶粒度與表面殘余應(yīng)力的關(guān)系

圖9 磨削深度與表面殘余應(yīng)力的關(guān)系

3.2.3 砂帶磨削殘余應(yīng)力的形成原因分析

砂帶磨粒頂端可近似地視為帶鈍角的錐體,在磨削力的作用下,磨粒前方將對基體產(chǎn)生拉應(yīng)力,該應(yīng)力在超過材料屈服極限時(shí),其拉伸變形在磨削結(jié)束后仍不能徹底恢復(fù),所以在磨削方向形成殘余拉應(yīng)力;切屑分離后的表面在磨粒的擠壓下,由于殘余壓縮變形而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。由于砂帶磨削是彈性磨削,因此磨粒在磨削時(shí)對工件產(chǎn)生的擠壓作用很強(qiáng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切屑分離時(shí)的拉伸作用。在磨削垂直方向上,磨粒兩側(cè)的金屬都受到較強(qiáng)烈的擠壓,所以導(dǎo)致較大的殘余壓應(yīng)力。此外,工件表面在磨粒擠壓、滑擦、耕犁等綜合作用下,產(chǎn)生的塑性形變會(huì)引起晶格歪曲、畸變,也會(huì)形成表面殘余壓應(yīng)力,并在表面下層形成拉應(yīng)力。所以綜合以上分析可知,砂帶在磨削時(shí),工件表面常常呈殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。

在磨削高溫作用下,金相組織變化造成比容積改變,也會(huì)引起殘余應(yīng)力。砂帶散熱條件好,該因素影響較小。

以上分析表明,砂帶磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要是因擠壓而形成的,產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力對零件表面的疲勞強(qiáng)度十分有利,這也是砂帶磨削區(qū)別于砂輪磨削的一個(gè)重要特征。

螺旋槳葉片磨削現(xiàn)場和磨削后的工件如圖10和圖11所示。

圖10 螺旋槳葉片磨削現(xiàn)場

圖11 磨削后工件外形

4 結(jié)論

(1)砂帶粒度對工件表面粗糙度的影響最為顯著,接下來依次為砂帶線速度、接觸輪硬度、磨削進(jìn)給速度和磨削深度。工件表面粗糙度Ra隨著砂帶粒度的減小和砂帶線速度的增加而減小,隨著接觸輪硬度的增加而增大,隨著磨削進(jìn)給速度和磨削深度的增加而略有增大。

(2)砂帶彈性磨削的特點(diǎn)使磨粒在磨削時(shí)對工件產(chǎn)生的擠壓作用很強(qiáng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切屑分離時(shí)的拉伸作用,因此砂帶磨削的殘余應(yīng)力主要以因擠壓而形成的殘余壓應(yīng)力為主。砂帶磨粒變小,殘余壓應(yīng)力變小;隨著磨削深度增加,殘余壓應(yīng)力不斷增大,當(dāng)磨削深度達(dá)到0.5mm時(shí),殘余壓應(yīng)力卻有所減小。

(3)獲得的最佳表面粗糙度的磨削參數(shù)如下:砂帶粒度為P240,砂帶線速度為34m/s,接觸輪硬度為60HS,磨削深度為0.2mm,磨削進(jìn)給速度為5m/min。

[1]黃智,黃云,張明德,等.自由曲面六軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨削機(jī)床試驗(yàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(6):598-602.

[2]Kuo Hsing-Chia,Dzan Wei-Yuan.The Analysis of NC Machining Efficiency for Marine Propellers[J].Journal of M aterials Processing Technology,2002,124:389-395.

[3]Youn J W,Yongtae J,Sehyung P.Interference-free Tool Path Generation in Five-axis Machining of aMarine Propeller[J].International Journal of Production Research,2003,41(18):4383-4402.

[4]王知行,陳輝.并聯(lián)機(jī)床加工船用螺旋槳及CAM技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,19(6):55-58.

[5]任秉銀,劉華明,唐余勇.螺旋槳葉片曲面數(shù)控加工幾何模型研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,31(4):84-87.

[6]曹利新,楊延峰,劉健.圓柱形刀具側(cè)銑船用螺旋槳原理與方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,46(1):45-49.

[7]Jiang Jianjun,Zheng Jianxin,Liu Chuanshao.Research on Surface Roughness of Ultrasonic Polishing without Abrasive Based on Orthogonal Experiments[J].Key Engineering Materials,2009,416:133-136.

[8]石文天,王西彬,劉玉徳,等.基于響應(yīng)曲面法的微細(xì)銑削表面粗糙度預(yù)報(bào)模型與試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程,2009,20(20):2399-2402.

[9]Bigerelle M,Najjar D,Lost A.Relevance of Roughness Parameters for Designing and Modeling Machined Surface[J].Journal of M aterials Science,2003,38(11):2525-2536.

[10]Rajendra M P.Modeling and Simulation of Surface Roughness[J].Applied Surface Science,2004,228:213-220.

[11]黃云,黃智.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2009.

[12]Webster G A,Ezeilo A N.Residual Stress Distributions and Their Influence on Fatigue Life Times[J].International Journal of Fatigue,2001,23(1):375-383.

[13]鄭卜祥,宋永倫,席峰,等.對接焊鋁合金板材殘余應(yīng)力的X射線測試[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(3):275-281.

[14]鄧朝暉,劉改,劉祿祥,等.強(qiáng)力砂帶平面磨削工件表面殘余應(yīng)力的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995,22(6):65-69.?