劉曉初，陳　凡，何銓鵬，馮明松，姬武勛

(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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GCr15軸承鋼超高速磨削表面粗糙度與燒傷試驗分析*

劉曉初a,b，陳凡a,b，何銓鵬a,b，馮明松a,b，姬武勛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)

為了探究超高速磨削條件下GCr15軸承鋼表面粗糙度與燒傷的關(guān)系，進行了不同砂輪速度、工件速度下GCr15軸承鋼超高速正交磨削試驗，并測量了表面粗糙度，試驗結(jié)果表明：GCr15軸承鋼加工表面都出現(xiàn)了不同程度的燒傷，當砂輪速度為150～160m/s，工件速度為3～5m/min時燒傷最為嚴重。且在一定范圍內(nèi)，砂輪速度增大、工件速度增大都會造成粗糙度增加。通過燒傷表面三維形貌分析，揭示了燒傷會增加工件表面粗糙度的原理，并分析出了合適的磨削加工參數(shù)，為超高速磨削GCr15軸承鋼時避免發(fā)生磨削表面燒傷提供了參考依據(jù)。

GCr15軸承鋼；超高速磨削；表面粗糙度；磨削燒傷

LIU Xiao-chua,b，CHEN Fana,b，HE Quan-penga,b，F(xiàn)ENG Ming-songa,b，JI Wu-xuna,b

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

0　引言

超高速磨削是當今先進制造領(lǐng)域最引人關(guān)注的高效加工技術(shù)之一，在歐美、日本等發(fā)達國家被譽為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”[1]。已加工工件表面粗糙度是表面質(zhì)量的重要指標，而超高速磨削能夠大大提高被加工工件的精度，降低零件表面粗糙度值，更可以大幅度提高磨削效率、延長砂輪壽命[2-3]。但是，在超高速磨削中，由于砂輪轉(zhuǎn)速的升高，使熱源能量增加，磨削接觸區(qū)積累熱量增加，表面局部受高溫作用而產(chǎn)生金相組織變化，出現(xiàn)燒傷，從而可能對工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，且表面燒傷會影響零件的使用性能和壽命。因此，研究燒傷與磨削加工參數(shù)、工件表面粗糙度之間的關(guān)系非常必要。

國內(nèi)外專家學者對此也做了研究，趙恒華等[4]推導了高效深磨時最大接觸溫度的計算公式，利用J形熱電偶測量了磨削接觸面接近磨削燒傷時的最高磨削溫度，證明了公式的合理性。Ge, P Q等[5]根據(jù)工件表面燒傷色斑分析了燒傷等級。劉高群等[6]詳細說明了各種零件要素在不同條件下的燒傷等級推薦。馮燦波等[7]在超高速磨削條件下研究了不同砂輪線速度、工件進給速度和進給量對不銹鋼磨削表面粗糙度的影響。黃新春等[8]進行了超高強度鋼AerMet100磨削燒傷研究，試驗表明磨削燒傷程度隨著磨削深度、砂輪速度和工件速度的增大而增大。朱躍偉等[9]研究了高速磨削條件下，砂輪磨損對磨削表面質(zhì)量的影響研究，實驗結(jié)果表明工件表面粗糙度會隨著砂輪磨損而上升。李光玲[10]提取了基于聲發(fā)射頻譜矩心的磨削燒傷恒指特征， 并指出了頻譜矩心值可作為磨削燒傷的恒值特征之一。

以上都只是研究了燒傷與加工參數(shù)之間的關(guān)系，而燒傷對工件表面質(zhì)量，如粗糙度的影響鮮有研究。筆者通過超高速磨削試驗平臺，對GCr15軸承鋼進行了高速超高速磨削加工試驗，并對加工工件表面進行了三維掃描，分析了工件燒傷對粗糙度的影響，分析出避免燒傷的磨削加工參數(shù)，為超高速磨削GCr15軸承鋼時避免發(fā)生磨削表面燒傷提供參考。

1　試驗準備

1.1試驗設(shè)備

1.1.1超高速磨削平臺

磨削試驗中采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，臥軸矩臺立柱采用移動式主機和西門子840D五軸數(shù)控系統(tǒng)(主軸最高轉(zhuǎn)速10000 r/min，功率50kW)，可對三個直線軸和磨頭主軸進行單獨控制或聯(lián)動，是一臺集計算機數(shù)控技術(shù)和高效深切成形強力磨削技術(shù)的先進制造裝備。其中包括由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司研制的陶瓷CBN砂輪，尺寸規(guī)格為φ400mm×40mm×φ127mm×5mm×15mm，粒度為120～140，最大線速度為200m/s，并使用冷卻效果較好的水基磨削液(型號為SY-1)?？紤]到砂輪工作表面對工件表面完整性的影響，在試驗前需利用金剛石滾輪對砂輪表面進行修整。利用磨削整形法，可同時達到對超硬磨料砂輪進行修整和修銳的目的。

1.1.2PGI-1200位相光柵干涉輪廓儀

超高速磨削后的工件表面粗糙度由位相光柵干涉輪廓儀所測得，該儀器是一種可檢測平面、球面、非球面、棱柱等多種形狀的高精度光學透鏡，其測量長度為0.1～200 mm、測量寬度為12.5 nm、分辨率為0.8 nm、測量力為1～20 mN、取樣間隔(X方向)為0.124μm/200 mm。

由于表面粗糙度與取樣長度具有相關(guān)性，且評定長度根據(jù)取樣長度來確定，若取樣長度過大，測量值中可能包含表面波紋度的成分，若取樣長度過小，測量值有很大的隨機性，不能客觀地反映被測表面的真實情況[11]。因此，在測量時應(yīng)合理地選擇取樣長度(即截止波長)和評定長度。

1.1.3VHX1000超景深顯微鏡

該儀器具有高分辨率尺寸測量和三維照明模擬等功能，放大倍數(shù)為20～5000倍，縱向測量范圍為60～100μm?？紤]到試件表面微觀形貌特點，檢測時采用的放大倍數(shù)為2000倍。

1.2試樣制備

試驗材料為熱處理后的GCr15軸承鋼(化學成分見表1[12])，鋼板尺寸為300 mm×100 mm×20 mm，利用線切割將其分成15塊，每塊試樣尺寸為100 mm×20 mm×20 mm；為了提高試驗效率，磨削過程中工作臺將沿著試樣寬度方向進給，試驗過程取5塊樣品，每塊試件可磨削5次，即有5個磨削面，總共25個待磨削面，每次磨削面積為15×20 mm(圖1中白色區(qū)域)。此外，考慮到線切割時殘留在試樣上的切削液可能影響試驗結(jié)果的真實性，試驗前需將試件表面清洗干凈。

表1　GCr15化學成分(質(zhì)量分數(shù))

圖1　試樣

2　試驗方案設(shè)計

采用正交試驗法進行GCr15軸承鋼超高速磨削加工，2因素(砂輪速度vs，工件速度vw)和5水平下的變量數(shù)值見表2，磨削深度ap均為0.01mm。

表2　正交實驗方案

在試驗過程中，需要注意的事項如下：

① 為了提高試驗的準確性，所用試件均在同一塊鋼板上截取；

② 為了減小試驗系統(tǒng)誤差，磨削前需對砂輪進行修整；

③考慮到各向異性對表面粗糙度測量的影響，一般情況下令儀器的掃描方向與磨削方向相垂直。

3　試驗結(jié)果分析

3.1表面粗糙度分析

根據(jù)超高速磨削加工可達到的精度等級，測量試件表面粗糙度時選擇的取樣長度為0.80 mm，而評定長度至少為取樣長度的5倍，取評定長度為10 mm。此外，為了充分合理地反映試件表面的粗糙度特性，每個表面重復測量3次后求平均值(在不同位置上測量，且應(yīng)確保掃描方向的一致性)。繪制磨削加工表面粗糙度Ra與工件速度、砂輪速度之間的關(guān)系曲線，如圖2、圖3所示。

圖2表明，當工件速度增加時，表面粗糙度Ra值先增大后減小，而當工件速度為2～3m/min時，工件表面粗糙度最大。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，磨削溫度升高，工件表面產(chǎn)生的塑性流動加劇，使表面粗糙度增大。表面粗糙度之后減小是因為隨著工件速度的增加，工件與砂輪之間的相對速度增加，即使單位時間內(nèi)起切削作用的總磨粒數(shù)增多，從接觸區(qū)傳入工件的熱量減少，磨屑帶走的熱量增加，使工件表面塑性流動降低，從而粗糙度降低。

圖2　表面粗糙度與工件速度之間的關(guān)系

圖3　表面粗糙度與砂輪速度之間的關(guān)系

圖3表明，當工件速度較小時，表面粗糙度Ra值基本上隨砂輪速度的增加而減小，當工件速度增加到3m/min、4m/min、5m/min時，表面粗糙度Ra值隨砂輪速度的增加而增加。一般情況是砂輪速度越大，工件表面粗糙度越低，對實驗出現(xiàn)的結(jié)果分析如下：

(1)重復測量次數(shù)少，無法真實地反映磨削表面的粗糙度。在測量過程中，將磨削表面分成“上、中、下”三個部分，確保每次掃描的輪廓都分布在不同位置。該方法雖然無法完全避免偶然誤差的出現(xiàn)，但求2次均值后的已基本接近真值，所以當重復測量次數(shù)N≥3時，N對實驗結(jié)果的影響程度較小。

(2) 砂輪出現(xiàn)顫振，易使磨削表面產(chǎn)生溝槽和波紋，從而增大其表面粗糙度。砂輪表面磨粒因磨削力的變化而部分脫落，隨后引起顫振[13]。然而，實驗采用的CNB砂輪屬于高強度砂輪，磨削前已進行修整，所以在有限次使用次數(shù)內(nèi)可將磨粒脫落視為偶然現(xiàn)象，砂輪顫振對實驗結(jié)果的影響程度較小。

(3)試件導熱性差，并隨著實驗過程中磨削用量的變化，磨削表面出現(xiàn)不同程度的燒傷，從而使表面粗糙度發(fā)生變化。瞬時高溫會改變磨削區(qū)表層金屬的金相組織，使材料的表面形貌發(fā)生變化，嚴重時甚至會出現(xiàn)裂紋[14]。在實驗過程中，多數(shù)表面出現(xiàn)輕度燒傷，少數(shù)表面燒傷痕跡明顯，覆蓋率甚至超過80%(如圖4的紅色區(qū)域內(nèi))，可能嚴重影響其表面粗糙度。

圖4　燒傷的工件表面

3.2工件表面燒傷分析

為了探究磨削燒傷是否會對工件表面粗糙度產(chǎn)生影響，利用VHX1000超景深顯微鏡觀察加工表面微觀形貌，圖5是砂輪速度為150m/s，160m/s和工件速度為3m/min，4m/min時的表面形貌，放大倍數(shù)為2000。

(a)vs=150m/s，vw=3m/min(500×2000)

(b)vs=160m/s，vw=4m/min(500×2000)

圖5中，圈內(nèi)表示工件表面的燒傷區(qū)域，顏色為黑色或灰黑色。燒傷是加工過程中砂輪與工件磨削接觸區(qū)的溫度過高而引起的，且砂輪速度越大，工件速度越高，燒傷就越嚴重。在對應(yīng)的燒傷區(qū)域三維相貌圖中，顯示為紅色，表明該區(qū)域相對其他區(qū)域“地理位置”較高，該區(qū)域溫度較高，工件表面塑性流動加劇，從而在加工表面燒傷的區(qū)域及周圍，形成了“隆起”，因而造成了加工表面粗糙度的增加。在其他磨削加工參數(shù)下工件表面也會出現(xiàn)同樣的情況，特別是在砂輪速度為150～160m/s，工件速度為3～5m/min時燒傷比較嚴重。

圖6是德國切削物理學家Carl Salomon提出的熱溝理論：與普通切削速度范圍內(nèi)切削溫度隨速度的增大而升高不同，當切削速度增大至某一臨界值(與工件材料特性有關(guān))后，隨著速度的增大，切削溫度降低。圖中的v1、v2表示普通磨削砂輪線速度的最大值與超高速磨削砂輪線速度的最小值，t0表示燒傷的臨界值。

圖6　砂輪速度與磨削溫度之間的關(guān)系

在不能磨削區(qū)內(nèi)，磨削溫度是比較高的，由此可以表明，試驗過程中砂輪線速度變化正好在v1與v2之間。也就是說，用CBN砂輪磨削GCr15軸承鋼時，若要使工件表面不發(fā)生燒傷，則至少應(yīng)使砂輪線速度小于120m/s或大于160m/s。

4　結(jié)論

超高速磨削GCr15軸承鋼時，工件速度增加，工件表面粗糙度先增大后減小。

砂輪磨削速度為120～160m/s時，會造成GCr15軸承鋼加工表面燒傷，當速度為150～160m/s，工件速度為3～5m/min時，燒傷最為嚴重。

燒傷區(qū)域溫度較高，工件表面塑性流動加劇，從而在加工表面燒傷的區(qū)域及周圍形成了“隆起”，因而造成了加工表面粗糙度的增加。

用CBN砂輪磨削GCr15軸承鋼時，若要使工件表面不發(fā)生燒傷，則至少應(yīng)使砂輪線速度小于120m/s或大于160m/s。

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(編輯李秀敏)

Research of GCr15 Bearing Steel’s Surface Roughness and Grinding Burn in Ultra-high Speed Grinding

In order to explore the relationship between surface roughness and burn of GCr15 bearing steel ,a ultra high speed grinding orthogonal grinding experiment of GCr15 bearing steel was carried out under different grinding wheel speeds and workpiece speeds, then the surface roughness was measured. The experiment showed that all GCr15 bearing steels were grinding burned with different degrees, especially when the grinding wheel with a speed of 150～160m/s and the workpiece with a speed of 3～5m/min, it was burned the most worst. Besides, the surface roughness would rise along with the speed of grinding wheel and workpiece increased within a certain range. Through analysising the grinding burn of three-dimensional shape, it provided the principle that grinding burn will make the surface roughness increase and analyzed the appropriate grinding processing parameters, which will provide some

for GCr15 bearing steels avoids grinding surface burning when performing ultra-high speed grinding experiment.

GCr15 bearing steel；ultra-high speed grinding；surface roughness；grinding burn

1001-2265(2016)09-0032-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.009

2016-04-06；

2016-04-23

國家自然科學基金資助項目(51275100)

劉曉初(1964—)，男，湖南耒陽人，廣州大學教授，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。

TH142;TG506

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