劉曉初，陳　凡，何銓鵬，馮明松，郭瑩瑩，黃　駿

(廣州大學 a.機械與電氣工程學院; b.金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州　510006)

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超高速預應(yīng)力磨削實驗研究*

劉曉初a,b，陳凡a,b，何銓鵬a,b，馮明松a,b，郭瑩瑩a，黃駿a,b

(廣州大學 a.機械與電氣工程學院; b.金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州510006)

基于一種預應(yīng)力切削方法及理論，進行了GCr15軸承鋼預應(yīng)力磨削實驗，對磨削力進行了測量，并分析了加工后的工件表面形貌。實驗結(jié)果表明：磨削力隨砂輪線速度的增大而減小，隨工件速度、磨削深度的增大而增大，但基本不受預應(yīng)力的影響；隨著預應(yīng)力的增大，加工表面的殘余拉應(yīng)力逐漸下降，逐漸產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，磨削燒傷程度和凹痕深度略微加深，但預應(yīng)力在某一區(qū)間時，工件表面質(zhì)量較好，且存在殘余壓應(yīng)力，從而驗證了超高速預應(yīng)力磨削的可行性。

預應(yīng)力；超高速磨削；表面形貌；GCr15軸承鋼

0　引言

已加工表面殘余應(yīng)力是表面質(zhì)量的重要指標，機械零件表面的殘余壓應(yīng)力有利于其疲勞壽命和抗化學腐蝕性能的提高，而殘余拉應(yīng)力的效果則相反[1-2]。而單純地切削、銑削、磨削等加工方法往往會在已加工表面形成殘余拉應(yīng)力，不利于機械零件的疲勞壽命和抗化學腐蝕性能。為此，許多專家學者致力于研究機械零件已加工表面殘余壓應(yīng)力的形成原理及控制方法。目前多種調(diào)整和控制工件表層殘余應(yīng)力的方法，如熱處理、熨壓、滾壓、噴丸等，然而這些方法都需要專用設(shè)備，工藝操作難度較大，材料成本與工藝成本都較高，在應(yīng)用上受到了一些限制[3]。還有些學者通過優(yōu)化刀具參數(shù)和改變切削參數(shù)來獲得工件表面殘余壓應(yīng)力[4]。1987年華南理工大學周澤華[5-6]教授根據(jù)切削加工的特點和材料彈性變形的原理，首次提出了一種新的控制已加工表面殘余應(yīng)力的預應(yīng)力切削方法，為表面殘余應(yīng)力的控制提供了理論依據(jù)。華南理工大學葉邦彥[7]等通過軸承套圈預應(yīng)力硬態(tài)切削實驗而獲得了合適的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)和良好的表面質(zhì)量。上海交通大學張雪萍[8]、美國普渡大學工業(yè)工程學院Liu C.Richar等研究了有利于提高硬態(tài)切削滾動軸承疲勞壽命的殘余應(yīng)力臨界條件，提出了滾動軸承耦合具體服役工況的超精硬切削參數(shù)的優(yōu)選方法體系；廈門大學郭隱彪、Dale W.Schwach等人研究表明，經(jīng)高速硬態(tài)車削的軸承套圈表面雖存在白層，但是其接觸疲勞壽命高于傳統(tǒng)磨削后的表面[9-10]。在超高速磨削方面，如湖南大學盛曉敏[11]先后研究了45鋼、40Cr和TC4鈦合金的超高速磨削工藝。南京航空航天大學田霖[12]等人進行了單顆磨粒高速超高速磨削試驗，測量了單顆磨削力，磨削力隨著砂輪線速度的上升呈先增加后減小再增大的趨勢。

基于一種預應(yīng)力切削加工方法，對GCr15軸承鋼進行超高速磨削加工實驗，測量預應(yīng)力加工時的磨削力，并對加工工件表面形貌進行掃描，揭示了預應(yīng)力、磨削用量與磨削力之間的耦合規(guī)律。為超高速預應(yīng)力磨削加工的可行性提供實驗依據(jù)。

1　實驗準備

1.1工件材料

為更明顯的觀測在預應(yīng)力磨削加工前后表面形貌變化以及仿真工件表面加工表面殘余應(yīng)力值，采用未經(jīng)熱處理過的GCr15軸承鋼材料，其化學成分如表1所示。工件尺寸為20×20×60mm，采用的加工工序為先下料，通過線切割切除表面，使用50m/s的磨床對工件表面進行磨削加工，鉆中心孔，最后對工件攻絲處理，工件實物如圖1。

表1　GCr15的化學成分

圖1　試件實物圖

1.2夾具制作

超高速預應(yīng)力磨削實驗過程中需要對工件施加預應(yīng)力，為實現(xiàn)對工件兩端進行預應(yīng)力拉伸，需制作特定的預應(yīng)力拉伸裝置，本實驗中采用一種凹形夾具(如圖2所示)作為工件加工預應(yīng)力拉伸裝置。當擰緊螺母時，螺栓受到拉力，從而工件兩端受到拉伸預應(yīng)力，螺母擰的越緊，工件所受拉伸預應(yīng)力越大，因此，可以通過控制螺母的松緊來獲得所需預應(yīng)力值。

圖2　預應(yīng)力拉伸裝置

1.3預應(yīng)力值的測量

為能夠準確測量在加工工件表面的預應(yīng)力大小，采用北京波普WS-3811數(shù)字式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀(圖3)對工件表面預應(yīng)力進行實時測量，其相關(guān)預應(yīng)力信號通過工件表面粘貼的應(yīng)變片來檢測(圖4)。

本實驗中所采用的測量橋路為單臂1/4橋路，工件加工表面精度比較高，可以近似將工件當作連續(xù)體，近似將各個面表面變形看成為等應(yīng)變。為了更精確計算工件表面應(yīng)變，保持拉伸力情況不變，并對工件表面進行定量測定，工件在預應(yīng)力情況下，達到穩(wěn)定的時候開始對工件表面進行數(shù)據(jù)采集，最終取其穩(wěn)定值中的最大值對其進行求解。

圖3　數(shù)字式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀　 　圖4　工件應(yīng)變片貼片

由于工件獲得預應(yīng)力是通過人為擰緊螺母來實現(xiàn)的，故在實驗過程中預應(yīng)力的實際值與實驗預想值之間有存在誤差，但是這種誤差對于實驗之后的分析并沒有過多的影響。本實驗對六組工件進行了編號，第一組作為對照沒有施加預應(yīng)力，其它組測量的預應(yīng)值如表2。

表2　實驗預應(yīng)力參數(shù)值

1.4超高速磨削加工設(shè)備

實驗選用由杭州機床廠生產(chǎn)的MKL7132X8/17型超高速數(shù)控強力成形磨床(圖5)，其中包括由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司研制的CBN砂輪(最大線速度為200m/s)，并使用冷卻效果較好的SY-1水基磨削液。

圖5　實驗設(shè)備

考慮到砂輪工作表面對工件表面完整性的影響，在GCr15軸承鋼的預應(yīng)力磨削實驗前利用金剛石滾輪對砂輪表面進行修整。

2　預應(yīng)力磨削實驗設(shè)計

磨削實驗過程中，采用Kistler測力儀對加工過程中所產(chǎn)生的力進行測量和記錄，再將相關(guān)力學信號導入Matlab軟件進行后處理，得到相應(yīng)的力學數(shù)據(jù)。具體的正交實驗方案如下表3～表6所示。

表3　變預應(yīng)力加工參數(shù)磨削試驗

表4　變磨削深度加工參數(shù)磨削試驗

表5　變砂輪轉(zhuǎn)速加工參數(shù)磨削試驗

表6　變工作臺加工參數(shù)磨削試驗

磨削實驗加工完后，采用日本基恩士公司型號為：VHX-1000對工件表面磨削表面形貌進行測量，并針對性的對表面形貌進行分析。最后使用SRSS3-1型靜態(tài)應(yīng)變儀對工件表面殘余應(yīng)力進行測量。

3　實驗結(jié)果分析

3.1磨削力分析

圖6　磨削力信號

在磨削過程中，利用Kistler9257BA測力儀將磨削力轉(zhuǎn)換成電信號，這些電信號經(jīng)放大器和濾波器處理后可通過Matlab軟件(采用頻率為5000Hz)再次轉(zhuǎn)換成磨削力并顯示在計算機中。而測力儀可分別測量砂輪的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn和軸向磨削力Fa，但由于本實驗中工件始終水平放置，F(xiàn)a的影響可忽略，所以只需研究磨削用量與Ft、Fn的耦合規(guī)律。其中，vs=150m/s、vw=2m/min、ap=0.01mm下的法向磨削力和切向磨削力信號如圖6所示。

3.1.1預應(yīng)力對磨削力的影響

圖7　預應(yīng)力與Ft和Fn的關(guān)系

如圖7所示，在不同預應(yīng)力條件下進行磨削，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力變化不明顯，但比無預應(yīng)力時的磨削力要稍大，且法向磨削力與切向磨削力的比值穩(wěn)定在5左右。這是因為工件表面在預應(yīng)力效應(yīng)下發(fā)生了彈性形變，間接增加工件的表面強度，磨削力比無預應(yīng)力磨削時大，而單位時間內(nèi)起切削作用的總磨粒數(shù)沒有明顯變化，故預應(yīng)力磨削時磨削力處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.1.2砂輪線速度對磨削力的影響

圖8　砂輪線速度與Ft和Fn的關(guān)系

如圖8所示，隨著砂輪線速度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力總體呈下降趨勢，這是因為砂輪線速度增大，即使單位時間內(nèi)起切削作用的總磨粒數(shù)增多，但每顆磨粒的最大未變形磨屑厚度減小，導致磨削力減小。此外，由于砂輪與工件的接觸弧長變化非常小，相對法向磨削力而言，切向磨削力的變化不明顯。

3.1.3工件速度對磨削力的影響

圖9　工件速度與Ft和Fn的關(guān)系

如圖9所示，隨著工件速度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力呈上升趨勢，工件速度約為5m/min時，磨削力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因為工件速度增大，砂輪與工件的接觸弧長增長，且單位時間內(nèi)材料的去除量增大，使單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度增大，從而導致磨削力增大。

3.1.4磨削深度對磨削力的影響

如圖10所示，隨著磨削深度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力呈上升趨勢，這是因為磨削深度增大，單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度增大，砂輪與工件的接觸弧長增長，且起切削作用的總磨粒數(shù)增多，使磨削力增大。

圖10　磨削深度與Ft和Fn的關(guān)系

3.2工件表面殘余應(yīng)力分析

本實驗中通過SRSS3-1應(yīng)力在線檢測儀對工件表面殘余應(yīng)力進行測量，工件在預應(yīng)力磨削加工過程中工件表面殘余應(yīng)力對應(yīng)值如下圖所示，從圖11可以分析得出，工件表面殘余應(yīng)力從未加工的320MPa殘余拉應(yīng)力，經(jīng)過預應(yīng)力拉伸磨削加工之后，表面殘余應(yīng)力值是呈現(xiàn)下降的趨勢。當預應(yīng)力為15MPa左右時，工件加工表面會出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，在預應(yīng)力達到55.809MPa時，工件表面殘余應(yīng)力降至-150MPa，為殘余壓應(yīng)力可見超高速預應(yīng)力磨削加工會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

圖11　預應(yīng)力與加工后工件表面殘余應(yīng)力關(guān)系

3.3表面形貌分析

利用超景深顯微鏡分別將在不同預應(yīng)力條件下(0～55.8MPa)磨削的工件表面放大500倍后進行分析，各表面形貌如圖12所示。

圖12　工件表面形貌(500×)

從圖12可以看出，磨削后其表面形貌比較規(guī)則，只有朝著單一方向的紋理，這是因為實驗過程中砂輪始終保持逆時針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，即磨粒沿同一方向?qū)ぜ砻孢M行滑擦、耕犁和切削。另一方面，磨削過程中工件表面的燒傷程度隨著預應(yīng)力增大而略微加深，當預應(yīng)力為55.8MPa時，會產(chǎn)生明顯的燒傷。對比圖11可知，預應(yīng)力在30～40MPa左右時，工件表面不但可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而且工件表面質(zhì)量較好。由此可證明預應(yīng)力超高速磨削加工時可行的。

4　結(jié)論

(1)磨削力與磨削深度、工件速度成正相關(guān)關(guān)系，與砂輪線速成負相關(guān)關(guān)系，但基本不受預應(yīng)力的影響。

(2)實驗中，隨著預應(yīng)力的增大，工件表面的燒傷程度、凹痕深度略微加深。

(3)預應(yīng)力足夠大的情況下工件磨削后將形成殘余壓應(yīng)力層，但在30～40MPa時加工后的工件表面質(zhì)量較為理想，由此證明了預應(yīng)力磨削加工是可行的。

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(編輯李秀敏)

The Research of Ultra High-speed Pre-stressed Grinding Experiment

LIU Xiao-chua,b，CHEN Fana,b，HE Quan-penga,b，F(xiàn)ENG Ming-songa,b，GUO Ying-yinga，HUANG Juna,b

(a.School of Mechanical and Electrical Engineering;b. Key Laboratory of High-performance Metal Materials Reinforced Grinding Machining，Guangzhou University，Guangzhou 510006,China)

Based on the method and theory of pre-stress cutting, an experiment of GCr15 bearing steel in pre-stressed grinding was preformed. In this experiment, grinding force is measured and machining workpiece surface is analysied. The research show that grinding force decreased with increasing wheel speed，decreasing workpiece speed or grinding depth，but wasn’t almost affected by pre-stress.With the increase of pre-stress，residual tensile stress on machined surface decreases and residual compressive stress appears gradually , grinding burn and defect depth deepened slightly. While when pre-stress is in a certain range, the workpiece surface owned a good quality and the residual compressive stress existed at the same time. Therefore, the feasibility of the ultra high-speed pre-stressed grinding could be verified.

pre-stress；ultra-high speed grinding；workpiece surface；GCr15 bearing steel

1001-2265(2016)08-0030-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.009

2015-10-23

國家自然科學基金項目項目：輕薄軸承超高速離心式無心磨削及表面殘余應(yīng)力形成機理研究(51275100)；廣州市科技計劃項目：基于一種制造新方法的軸承超高速離心式磨床的研發(fā)，(201508010051)；廣州市科技計劃項目：廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室(穗科信字[2013]163-19)

劉曉初(1964—)，男，教授，湖南耒陽人，廣州大學博士，研究方向為智能裝備及機器人、綠色設(shè)計與制造，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

TH16;TG506

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