關(guān)佳亮，戚澤海，路文文，孫曉楠，胡志遠，張 妤

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

基于ELID磨削機理的GCr15軸承鋼內(nèi)圓工藝試驗研究

關(guān)佳亮，戚澤海，路文文，孫曉楠，胡志遠，張 妤

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

針對GCr15軸承鋼內(nèi)圓傳統(tǒng)磨削加工方式存在的精度低、燒傷及裂紋等缺陷，文章采用ELID精密鏡面磨削技術(shù)對其進行工藝試驗研究。在ELID精密鏡面磨削機理及鈍化膜數(shù)學(xué)模型的理論指導(dǎo)下，進行正交試驗探究磨削深度、砂輪線速度、電解電壓及占空比對表面粗糙度的影響及其最優(yōu)參數(shù)組合，并采用極差法分析探究各因素對工件磨削質(zhì)量影響程度的大小。研究結(jié)果表明在磨削深度0.5μm，砂輪線速度30m/s，電解電壓50V，占空比50%的最佳工藝參數(shù)下可獲得表面粗糙度為13nm的已加工表面。

GCr15軸承鋼；ELID鈍化膜數(shù)學(xué)模型；正交實驗；工藝參數(shù)優(yōu)化

0 引言

GCr15軸承鋼因具有良好的耐磨性、淬透性、抗蝕性、尺寸穩(wěn)定性及淬火和回火后具有高而均勻的硬度等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于制造各種軸承套圈、滾動體等軸承零部件。隨著像高鐵技術(shù)對于GCr15軸承鋼性能及壽命的要求，其傳統(tǒng)的由粗磨到精磨再到油石研磨的精加工方法存在著效率低、燒傷及裂紋的問題。而在線電解修整(ELID)磨削技術(shù)因其具有加工精度高及加工材料廣等特點，被廣泛應(yīng)用于各種金屬和非金屬硬脆材料的加工[1-2]。

近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者在ELID磨削技術(shù)精密加工軸承鋼內(nèi)圓的方面取得了較大進步。楊黎健[3]采用ELID在線電解CBN砂輪的方式磨削軸承鋼內(nèi)圓并取得了30nm的表面粗糙度。任成祖[4]等通過分析ELID磨削機理及對滾動軸承套圈內(nèi)圓進行ELID磨削實驗，驗證了此方案的可行性。Lim H S[5]通過研究ELID磨削加工工藝參數(shù)和氧化膜之間的相互作用關(guān)系，得知增大電解電流及占空比能夠降低工件表面粗糙度。鄭友益[6]等采用超聲ELID磨削技術(shù)研究了電解電壓、占空比及電極間隙對磨削加工中鈍化膜厚度的影響規(guī)律，但是沒有給出對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及組合影響關(guān)系。

本文在ELID精密鏡面磨削成型機理及鈍化膜數(shù)學(xué)模型的理論指導(dǎo)下，對影響磨削GCr15軸承鋼表面粗糙度的磨削深度、砂輪線速度、電解電壓及占空比四因素進行正交試驗。試驗得出四因素的最優(yōu)參數(shù)組合及影響水平，并利用最優(yōu)磨削工藝參數(shù)得到表面粗糙度為13nm的已加工表面。

1 ELID精密鏡面磨削成型機理

1.1 ELID內(nèi)圓精密鏡面磨削原理

圖1為ELID內(nèi)圓磨削原理圖，ELID磨削系統(tǒng)采用具有導(dǎo)電性的鑄鐵基金屬結(jié)合劑砂輪與ELID專用脈沖直流電解電源正極相連，電源負極與砂輪形狀相匹配的專用電極相連，在電極和砂輪之間噴有專用的電解磨削液，從而形成一個閉合回路。磨削過程中，砂輪表面金屬結(jié)合劑被不斷去除，同時利用陽極溶解原理，砂輪表層的鑄鐵基體溶解露出內(nèi)部鋒利的磨粒，從而實現(xiàn)砂輪的自修銳。ELID精密鏡面成型機理如圖2所示，當在精磨階段時，由于進給量很小且電解作用會在砂輪表面形成一層致密且富有彈性及強度的鈍化膜覆蓋在砂輪表面，鈍化膜的厚度大于細粒度砂輪中微小磨粒的出刃高度。鈍化膜除防止砂輪過度電解外還容納一些因電解而脫落的微小磨鈍磨粒，即鈍化膜可對工件進行研磨與拋光進而實現(xiàn)鏡面加工,因此ELID電解鈍化膜的厚度及質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著被加工工件的表面粗糙度[7-8]。

圖1 ELID內(nèi)圓磨削原理

圖2 ELID精密鏡面磨削機理

1.2 ELID鈍化膜數(shù)學(xué)模型

ELID系統(tǒng)電解電路基本滿足法拉第定律，可知在砂輪和電極界面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)砂輪結(jié)合劑去除的質(zhì)量與通過電量之間的關(guān)系為[9-10]：

m=k′q=k′It

(1)

式中，m為砂輪結(jié)合劑去除的質(zhì)量，q為通過電極界面的電量，I為電解電流，t為電流通過的時間，k′為質(zhì)量電化當量。本文質(zhì)量電化當量是指通過單位電量所能放映的砂輪鑄鐵基結(jié)合劑質(zhì)量。假設(shè)在ELID電解系統(tǒng)中通過陽極溶解效應(yīng)所去除的鑄鐵基結(jié)合劑全部轉(zhuǎn)變?yōu)殁g化膜。故電解所溶解的砂輪體積為：

(2)

式中，ρ為的砂輪的密度，ω為砂輪體積電化當量。由電場理論可知在砂輪與電極之間的電流密度j等于電場中電導(dǎo)率k與電場強度E的乘積。

j=k·E

(3)

砂輪與電極之間的電場強度E為施加在其上的電位差u和砂輪與電極之間的間隙δ之比，即為：

(4)

將式(4)代入式(3)得：

(5)

再有通過砂輪單位面積ΔS的電流I為：

I=j·ΔS

(6)

將式(5)代入式(6)得：

(7)

將式(7)代入式(2)得：

(8)

砂輪單位面積ΔS所形成的氧化膜的厚度為：

(9)

由式(9)可知砂輪單位面積ΔS所形成的氧化膜的厚度取決于砂輪體積電化當量ω、電解液的電導(dǎo)率k、電流通過的時間t、砂輪與電極之間的間隙δ及電解電壓u。本次實驗采用本實驗室專用的ELID直流脈沖電源，故電流通過的時間t用脈沖電源占空比來表示，可知只有砂輪與電極之間的間隙δ及電解電壓u及脈沖電源占空比可以通過調(diào)節(jié)來改變氧化膜的厚度從而影響被磨工件的表面粗糙度。

2 GCr15軸承鋼內(nèi)圓ELID磨削實驗

本實驗采用ELID磨削技術(shù)對GCr15軸承鋼內(nèi)圓進行精加工實驗，由于此次實驗GCr15軸承鋼內(nèi)圓尺寸為90mm，受空間的限制采用ELID斷續(xù)修銳砂輪的方式進行實驗探究不同工藝參數(shù)及電解參數(shù)對GCr15軸承鋼內(nèi)圓磨削加工精度的影響。本次實驗及檢測設(shè)備如表1所示。

表1 實驗及檢測設(shè)備

3 加工工藝參數(shù)優(yōu)化實驗

3.1 試驗指標和因素水平的確定

軸承性能的好壞主要取決于滾動體和內(nèi)外圈軌道的表面粗糙度，因此本文選取GCr15軸承鋼內(nèi)圓的表面粗糙度作為試驗指標。本實驗室前期針對GCr15軸承材料在平面磨床上利用鑄鐵基金剛石砂輪進行工藝實驗，已知當電極間隙在0.5～1mm時磨削效果較好[1]。本試驗取電極間隙為0.6mm前提下，在已有磨削實驗及ELID鈍化膜數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上設(shè)磨削深度、砂輪線速度、電解電壓及占空比為本試驗的試驗因素，在3MK135型高精度內(nèi)圓磨床上采用ELID斷續(xù)修銳砂輪的方式進行四因素正交試驗，各試驗因素均取三個水平。四因素三水平表如表2所示。

表2 四因素三水平編碼表

3.2 試驗方案

采用四因素三水平設(shè)計9組試驗，并且按照此表設(shè)計的參數(shù)采用W2.5粒度砂輪對GCr15軸承鋼內(nèi)圓進行ELID磨削試驗，經(jīng)TR300粗糙度形狀檢測儀對精加工工件檢測結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗設(shè)計表及測試結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1 確定試驗因素的最優(yōu)參數(shù)組合及優(yōu)先水平

由表3可知磨削深度在A1(0.5μm)的水平下對表面粗糙度的影響在第1、2、3組試驗中，在A2(0.8μm)水平下對表面粗糙度的影響反映在第4、5、6組試驗中，在A3(1μm)水平下對表面粗糙度的影響反映在第7、8、9組試驗中[11]。

只考慮磨削深度在A1、A2、A3三水平下對表面粗糙度指標而言，三組試驗的試驗條件是完全一樣的(綜合可比性)。但經(jīng)計算得RA1、RA2、RA3不相等，因此表明磨削深度對試驗結(jié)果有影響。由于本次試驗以表面粗糙度作為指標，而RA1

3.3.2 確定各因素對表面粗糙度影響的優(yōu)先水平

本試驗極差值R反應(yīng)的是某一因素取不同的參數(shù)值時，表面粗糙度值變化波動的大小。因此可以根據(jù)各因素極差R的大小來判斷各因素對樣件表面粗糙度影響的優(yōu)先水平，由表3可知RA>RB>RC>RD。即對GCr15軸承鋼內(nèi)圓ELID精密加工表面粗糙度的影響由大到小為磨削深度>砂輪線速度>電解電壓>占空比。從磨削機理分析可知在GCr15軸承鋼內(nèi)圓ELID電解精加工階段由于電解鈍化膜的存在，當采用較小的磨削深度時可以使鈍化膜對工件進行研磨拋于為一體的復(fù)合式精密加工，可顯著降低磨削顆粒的切削力。且隨著砂輪線速度的提高使單位時間內(nèi)磨削區(qū)域的微小磨粒數(shù)增加，使得單顆粒的切削力減弱，從而降低表面粗糙度。而電解電壓及占空比的變化僅影響鈍化膜的質(zhì)量，鈍化膜對最后的精加工起輔助作用以降低表面粗糙度，故電解電壓、占空比相對于磨削深度和砂輪線速度對表面粗糙度的影響較小。

4 最優(yōu)工藝參數(shù)實驗驗證及結(jié)果分析

通過正交試驗得到對GCr15軸承鋼內(nèi)圓ELID磨削的最優(yōu)工藝參數(shù)為磨削深度0.5μm，砂輪線速度30m/s，電解電壓50V，占空比50%。依次采用W40(磨削深度2μm)、W10(磨削深度1.5μm)、W2.5的鑄鐵基金剛石砂輪在此工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對GCr15軸承鋼內(nèi)圓進行ELID精密磨削后分別在S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡和TR300粗糙度形狀檢測儀測量微觀形貌及表面粗糙度，測量結(jié)果如圖3所示。在此最優(yōu)工藝參數(shù)下采用W40、W10、W2.5的鑄鐵基金剛石砂輪ELID磨削GCr15軸承鋼內(nèi)圓所能達到的表面粗糙度分別為85nm、37nm、13nm。

通過圖3a、圖3b、圖3c SEM檢測圖可知，相比傳統(tǒng)磨削方式加工GCr15軸承鋼而言ELID鏡面磨削加工不會產(chǎn)生燒傷及裂紋等缺陷，只是在工件表面留有磨粒耕犁去除的紋路，原因是在磨削過程中堵塞在磨粒之間的磨屑在ELID電解作用下隨著磨削液流出。即砂輪不會因磨屑堵死而導(dǎo)致磨削力及溫度的增大，故不會產(chǎn)生燒傷及裂紋等缺陷。相比于圖3a、圖3b可知圖3c中W2.5粒度砂輪磨削工件表面粗糙度及微觀形貌較好且?guī)缀鯚o明顯的切痕。除由于磨削深度小以外，更重要的是在最佳工藝參數(shù)下ELID電解出的富有彈性及一定厚度的鈍化膜覆蓋住砂輪表面上的微小磨粒且其容納一些因電解而脫落的微小磨鈍磨粒以滑動方式對工件進行無正壓力高速研磨與拋光。ELID電解出的鈍化膜使最后的磨削變?yōu)橐环N磨、研、拋為一體的復(fù)合式精密加工，從而使工件得到較好的表面粗糙度。

(a)W40砂輪磨削SEM檢測圖 (b)W10砂輪磨削SEM檢測

(c)W2.5砂輪SEM檢測圖 (d)W2.5砂輪表面粗糙度圖3 ELID磨削工件的微觀形貌及表面粗糙度

5 結(jié)論

本文在ELID超精密鏡面磨削成型機理及鈍化膜數(shù)學(xué)模型研究基礎(chǔ)上，通過對GCr15軸承鋼內(nèi)圓進行ELID磨削加工工藝參數(shù)優(yōu)化與實驗得到以下結(jié)論：

(1)對于ELID超精密鏡面磨削加工GCr15軸承鋼內(nèi)圓而言磨削深度、砂輪線速度、電解電壓、占空比是影響其表面粗糙度的主要因素。

(2)通過采用W2.5鑄鐵基金剛石砂輪進行ELID磨削正交試驗得出對GCr15軸承鋼內(nèi)圓ELID精密磨削加工表面粗糙度的影響水平由大到小為磨削深度、砂輪線速度、電解電壓、占空比，且最優(yōu)工藝參數(shù)為磨削深度0.5μm，砂輪線速度30m/s，電解電壓50V，占空比50%。

(3)在此工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對GCr15軸承鋼內(nèi)圓進行ELID精密磨削加工得到13nm的表面粗糙度，并且其表面不存在燒傷及裂紋等缺陷。

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(編輯李秀敏)

ExperimentalStudyofGCr15SteelInternalRingsBasedonELIDGrindingMechanism

GUAN Jia-liang, QI Ze-hai, LU Wen-wen,SUN Xiao-nan,HU Zhi-yuan, ZHANG Yu

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Aiming at low precision,burns,cracks and other defects of GCr15 steel internal traditional grinding processing methods，experimental research were carried out by Ultra-precision mirror grinding technology of ELID in this article. Under the theory of Ultra-precision mirror grinding mechanism of ELID and mathematical model of ELID passive film，orthogonal experiment were carried out in order to research the influence of surface roughness about grinding depth、wheel speed、electrolytic voltage、duty ratio and Optimal technological parameters .And used range analysis to study the impact of various factors on the size of the prototype grinding quality.Studies show that the machined surface roughness of Ra13nm is obtained with the grinding depth of 0.5μm,the wheel speed of 30m/s,the electrolytic voltage of 50Vand the duty ratio of 50%．

GCr15 steel; mathematical model of ELID passive film;orthogonal experiment; optimization of parameters

TH161.14；TG506

：A

1001-2265(2017)09-0110-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.028

2016-11-07；

：2016-12-18

關(guān)佳亮(1964—)，男，北京人，北京工業(yè)大學(xué)教授，博士后，研究方向為超硬、硬脆、復(fù)合材料等難加工材料的精密超精密鏡面磨削加工技術(shù)，(E-mail)guanjl@bjut.edu.cn。