梁志強(qiáng)， 黃迪青， 周天豐， 李宏偉,， 喬治， 王西彬， 劉心藜

(1.北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司， 北京 100072)

齒輪鋼18Cr2Ni4WA磨削燒傷實(shí)驗(yàn)及仿真預(yù)測(cè)研究

梁志強(qiáng)1， 黃迪青1， 周天豐1， 李宏偉1,2， 喬治1， 王西彬1， 劉心藜2

(1.北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司， 北京 100072)

18Cr2Ni4WA鋼以其韌性好和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，廣泛使用于螺旋傘齒輪等重載齒輪的生產(chǎn)與制造。磨齒作為齒輪加工的最后工序，磨削區(qū)域較高溫度場(chǎng)容易引起磨削燒傷發(fā)生，使加工表面質(zhì)量和疲勞壽命難以保證。針對(duì)齒輪鋼18Cr2Ni4WA磨削燒傷問(wèn)題，設(shè)計(jì)SG砂輪磨削實(shí)驗(yàn)，研究其發(fā)生磨削燒傷時(shí)表面形貌、顯微硬度的變化規(guī)律，并通過(guò)有限元仿真預(yù)測(cè)燒傷層深。研究結(jié)果表明：當(dāng)砂輪速度為20.3 m/s、工件速度為0.03 m/s、磨削深度大于0.05 mm時(shí)工件發(fā)生磨削燒傷，隨著磨削深度的增加，燒傷程度加重，磨削表面氧化層顏色由淡黃色轉(zhuǎn)為褐色最后呈現(xiàn)青色，表面形貌由紋理清晰轉(zhuǎn)為涂覆；工件產(chǎn)生回火燒傷時(shí)，產(chǎn)生硬度較低的回火索氏體；燒傷層深的仿真模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本吻合，驗(yàn)證了有限元仿真對(duì)磨削燒傷預(yù)測(cè)的可行性。

材料表面與界面； 磨削燒傷； 齒輪鋼； 顯微硬度； 有限元仿真

0 引言

18Cr2Ni4WA鋼是生產(chǎn)高速重載零部件的重要材料[1]，具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于螺旋傘齒輪的生產(chǎn)與制造。螺旋傘齒輪的工作環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜，因此要求其表面具有足夠高的硬度和耐磨性以及良好的表面形貌?！般婟X—熱處理—磨齒”是目前齒輪生產(chǎn)加工中普遍采用的生產(chǎn)流程。磨削作為齒輪生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中的最后一步，若選用合理的磨削工藝參數(shù)，則可以使齒輪表面產(chǎn)生強(qiáng)化層[2]，否則容易發(fā)生磨削燒傷，對(duì)齒輪的硬度、強(qiáng)度以及使用壽命具有極大的影響。因此開(kāi)展齒輪鋼18Cr2Ni4WA的磨削燒傷研究，對(duì)齒輪的生產(chǎn)制造具有極其重要的意義。

磨削時(shí)，由于磨削區(qū)的瞬時(shí)高溫，加工表面出現(xiàn)氧化變色且工件表層組織發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷[3]。磨削燒傷主要分為回火燒傷和二次淬火燒傷。當(dāng)磨削溫度大于馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度TMS時(shí)發(fā)生回火燒傷；當(dāng)磨削溫度大于奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度TAc3且迅速冷卻時(shí)發(fā)生二次淬火燒傷。針對(duì)磨削燒傷問(wèn)題，張紅霞等[4]采用實(shí)驗(yàn)方法探究磨削力、磨削溫度對(duì)磨削燒傷的影響，明興祖等[5]采用數(shù)值仿真法探究不同磨削參數(shù)對(duì)磨削燒傷程度的影響，文獻(xiàn)[6-8]對(duì)難加工材料進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn)與單顆磨粒有限元仿真后發(fā)現(xiàn)，未變形切削厚度對(duì)磨削燒傷起著關(guān)鍵作用。為了防止磨削燒傷對(duì)工件的使用性能造成影響，郭力等[9]總結(jié)出避免磨削燒傷的磨削參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則，關(guān)宏博等[10]通過(guò)對(duì)磨削工件施加預(yù)應(yīng)力來(lái)避免磨削燒傷。在磨削燒傷的檢測(cè)方面，黃新春等[3]、Wang等[11]和Santa-aho等[12-13]分別利用酸洗法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及巴克豪森效應(yīng)法對(duì)磨削燒傷進(jìn)行了檢測(cè)。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)磨削燒傷做了較多的研究和分析，但針對(duì)磨削燒傷與材料硬度之間的關(guān)系有待深入研究。為此，本文針對(duì)齒輪鋼18Cr2Ni4WA的磨削燒傷問(wèn)題設(shè)計(jì)了磨削實(shí)驗(yàn)，首先通過(guò)觀察磨削后工件的氧化層顏色及表面形貌判定工件是否發(fā)生磨削燒傷；其次通過(guò)測(cè)量磨削后工件的硬度梯度變化規(guī)律判斷發(fā)生何種磨削燒傷，并解釋其產(chǎn)生機(jī)理；最后通過(guò)有限元仿真模擬工件磨削時(shí)是否發(fā)生燒傷及其燒傷層深，旨在為齒輪實(shí)際生產(chǎn)加工提供參數(shù)優(yōu)化依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 磨削實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為調(diào)質(zhì)處理后的18Cr2Ni4WA鋼，熱處理工藝流程為：1)表面滲碳：滲碳溫度900 ℃，420 min；2)淬火：800 ℃，80 min后油冷；3)回火：200 ℃，200 min后空冷。試樣尺寸為30 mm×20 mm×10 mm，其成分為：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC=0.19%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wMn=0.52%，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCr=1.5%，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)wNi=4.41%，余量為Fe. 砂輪采用粒度為46、直徑為400 mm的SG砂輪。SG磨料是一種新型陶瓷燒結(jié)剛玉磨料，與傳統(tǒng)剛玉磨料相比，具有磨耗比高、工件表面加工質(zhì)量好、砂輪修整量少、磨削效率高等優(yōu)勢(shì)，更適用于齒輪鋼的磨削。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 磨削實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Grinding experimental device

磨削實(shí)驗(yàn)在德國(guó)ELB公司產(chǎn)高精度數(shù)控平面磨床N10 Kombi KGT 840D上進(jìn)行。采用單因素實(shí)驗(yàn)法，保證磨削速度vs和工件速度vw等不變的條件下，考察磨削深度ap對(duì)工件表面性能的影響，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，具體磨削參數(shù)如表1所示。磨削前采用單顆金剛石修整筆對(duì)砂輪進(jìn)行修整，修整參數(shù)如表2所示。磨削過(guò)程中采用德國(guó)Kistler公司產(chǎn)9256C2三向測(cè)力儀測(cè)量磨削力，磨削后使用拋光機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行拋光并采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕處理，使用日本Future-tech公司產(chǎn)FM300半自動(dòng)數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量磨削表面顯微硬度和硬度梯度，使用日本基恩士公司產(chǎn)VK-X100激光共焦顯微鏡觀察表面形貌與顯微組織。

表1 磨削條件

表2 金剛石筆修整參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工件磨削表面形貌

磨削過(guò)程中加工表層產(chǎn)生塑性變形，磨削深度增加時(shí)磨削熱與磨削力逐漸增大，磨削表面產(chǎn)生撕裂、皺疊等瑕疵，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷，導(dǎo)致工件的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力降低。當(dāng)發(fā)生磨削燒傷時(shí)工件表面生成氧化膜，膜的厚度不同對(duì)光的反射狀態(tài)不同，因此在工件表面形成不同的顏色[14]。如圖2所示，當(dāng)ap=0.01 mm和ap=0.03 mm時(shí)，工件表面未發(fā)生燒傷。當(dāng)ap增大到0.05 mm時(shí)，工件表面呈淡黃色且產(chǎn)生魚(yú)鱗狀皺疊，此時(shí)工件表面開(kāi)始發(fā)生磨削燒傷。隨著磨削深度的增加，燒傷程度加重，工件表面氧化膜顏色從ap=0.07 mm時(shí)的褐色轉(zhuǎn)向ap=0.09 mm時(shí)的青色。

圖2 磨削表面氧化色Fig.2 Oxidation tint of grinding surface

圖3分別表示18Cr2Ni4WA鋼在不同的磨削深度下磨削表面形貌的變化。當(dāng)正常磨削時(shí)，工件表面加工紋理清晰、規(guī)整；當(dāng)ap=0.05 mm時(shí)，工件發(fā)生淡黃色燒傷，強(qiáng)烈的擠壓變形和磨削高溫的綜合作用使得燒傷表面出現(xiàn)大量的魚(yú)鱗狀皺疊，磨削紋路不再清晰，犁溝兩側(cè)隆起，翻卷嚴(yán)重；當(dāng)ap=0.09 mm時(shí)，工件發(fā)生青色燒傷，由于磨削溫度很高，材料被軟化，磨削時(shí)與磨粒底部和邊緣接觸部位的工件材料同時(shí)發(fā)生塑性流動(dòng)，使工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的涂覆現(xiàn)象，出現(xiàn)大塊涂覆區(qū)域。

圖3 磨削表面形貌(vs=20.3 m/s，vw=0.03 m/s)Fig.3 Topography of ground workpiece (vs=20.3 m/s，vw=0.03 m/s)

2.2 燒傷工件硬度梯度分析

將未經(jīng)磨削的原始工件沿垂直表面的截面制備試樣，并測(cè)量磨削表層維氏硬度梯度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看到，工件滲碳層為1.5 mm左右，且滲碳層顯微硬度維持在800 HV左右，變化不大。工件表面調(diào)質(zhì)處理后組織如圖5所示，磨削前熱處理過(guò)程中滲碳淬火時(shí)形成的馬氏體在回火后發(fā)生分解，碳從固溶體中析出并產(chǎn)生回火馬氏體。距表面1.5 mm以后，碳含量逐漸下降，顯微硬度隨之減小。距表面深度增加到2 mm后為基體組織層，碳含量保持不變，基體顯微硬度保持在480 HV左右。

圖4 原始工件表層硬度梯度Fig.4 Hardness gradient of original workpiece

圖5 原始工件表面金相組織Fig.5 Metallographic structure of original workpiece

不同磨削深度加工后工件磨削表層的維氏硬度梯度如圖6所示。當(dāng)ap≤0.03 mm時(shí)，工件表面硬度都大于未磨削時(shí)的硬度，沿層深方向隨著距表面深度的加深，硬度逐漸減小，最終降至未磨削時(shí)的硬度。這是因?yàn)槟ハ魃疃容^小時(shí)磨削熱量較低，工件表面層在磨削過(guò)程中由于磨粒的劃擦、耕犁和切削作用發(fā)生了劇烈的塑性變形，必然會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，金屬內(nèi)各滑移系之間位錯(cuò)的相互作用以及缺陷形成的障礙共同引起位錯(cuò)的塞積，使變形阻力大大增加，從而使晶體產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致工件表面的顯微硬度增大。隨著距表面深度的加深，磨粒的劃擦、耕犁和切削作用的影響逐漸減弱，硬度也逐漸減小到基體的硬度。隨著磨削深度的增加，砂輪和工件的接觸弧增長(zhǎng)，不僅使未變形切屑厚度增加，而且使同時(shí)工作的磨粒數(shù)增多，導(dǎo)致磨粒的劃擦、耕犁和切削作用增加。因此ap由0.01 mm增加到0.03 mm時(shí)，表面顯微硬度增大，加工硬化的影響層加深。

圖6 磨削表層硬度梯度Fig.6 Hardness gradient of grinding surface layer

當(dāng)ap=0.05 mm時(shí)，磨削表面硬度比未磨削時(shí)硬度低，沿層深方向隨著距表面深度的加深，硬度逐漸增大，最終與未磨削時(shí)的硬度相同。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增加，磨削溫度逐漸升高，當(dāng)磨削溫度達(dá)到TMs時(shí)，磨削過(guò)程相當(dāng)于對(duì)工件進(jìn)行了回火，在回火馬氏體板條束周圍形成大量的α相，組織逐漸趨于球化，產(chǎn)生硬度較低的回火索氏體如圖7所示，此時(shí)工件發(fā)生了回火燒傷。隨著距表面深度的加深，磨削過(guò)程溫度作用逐漸減小，回火作用減弱，因此硬度逐漸達(dá)到未磨削時(shí)的硬度。

圖7 燒傷工件表面金相組織Fig.7 Metallographic structure of grinding burn workpiece

當(dāng)ap≥0.07 mm時(shí)，磨削表面硬度比未磨削時(shí)硬度高，沿層深方向隨著距表面深度的加深，硬度先減小后增加，下降至最低時(shí)低于未磨削時(shí)的硬度，而后逐漸上升到未磨削時(shí)的硬度。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增加，磨削力與磨削熱都增大，但由于自然冷卻，產(chǎn)生了回火燒傷。磨削力增大，使工件表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形，導(dǎo)致表層硬度增加。隨著距離表面深度的增加，磨削力影響減弱，回火燒傷效應(yīng)使得這一區(qū)域的硬度有所減小。

磨削工件表層示意圖如圖8所示，當(dāng)磨削深度較小時(shí)，不發(fā)生磨削燒傷，在工件表層產(chǎn)生加工硬化區(qū)域，此區(qū)域的硬度大于基體。當(dāng)磨削深度逐漸升高時(shí)，開(kāi)始發(fā)生磨削燒傷，磨削過(guò)程雖伴有加工硬化現(xiàn)象，但由于達(dá)到回火溫度，使得表層產(chǎn)生回火索氏體，此區(qū)域硬度低于基體。隨著磨削深度繼續(xù)增加，磨削力與磨削熱同時(shí)增加，加工硬化區(qū)域與回火燒傷軟化區(qū)域同時(shí)存在。

圖8 磨削工件表層示意圖Fig.8 Schematic diagram of grinding workpiece surface layer

3 有限元仿真分析

3.1 ANSYS仿真模型

磨削溫度可以通過(guò)熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，但是由于熱電偶的插入會(huì)對(duì)工件造成破壞，并且熱電偶本身也會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布，這種測(cè)溫方式存在較大的誤差。此外，使用熱電偶僅能測(cè)量工件表面磨削溫度，無(wú)法測(cè)量工件截面磨削溫度梯度值。因此，本文采用ANSYS仿真分析軟件，獲取磨削過(guò)程所產(chǎn)生的溫度。

工件仿真模型與實(shí)驗(yàn)工件大小相同，長(zhǎng)×寬×高為30 mm×20 mm×10 mm. 在磨削時(shí)，熱力作用主要影響工件的磨削表層，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)，將表層網(wǎng)格劃分較細(xì)，下層網(wǎng)格劃分較粗，既節(jié)省運(yùn)算空間，還能提高計(jì)算的精度，網(wǎng)格劃分模型如圖9所示。在單元類型選擇方面，采用ANSYS提供的SOLID90三維20節(jié)點(diǎn)單元，對(duì)實(shí)體進(jìn)行離散化處理。由于磨削時(shí)間較短，且空氣為熱的不良導(dǎo)體，假設(shè)工件表面為絕熱的。工件發(fā)生相變的表層深度很淺，相變潛熱引起的熱量與磨削熱量相比較小、可以忽略不計(jì)。工件的初始溫度取實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫20 ℃. 工件及砂輪仿真參數(shù)如表3所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)工件網(wǎng)格劃分模型Fig.9 Mesh model of experimental workpiece

表3 工件及砂輪仿真參數(shù)

根據(jù)Rowe對(duì)熱量分配比的研究[15]，能夠求解出傳入工件的磨削熱流量百分比如(1)式所示，式中的ap、vs和vw等參數(shù)直接影響磨削力的大小，進(jìn)而影響熱流密度的大小。采用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切向磨削力Ft，根據(jù)(2)式可以求解出熱流密度的大小。在仿真模型的磨削表面沿磨削方向分段加載熱流密度，每段加載后進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行下一段加載計(jì)算時(shí)，消除上一段所施加的熱流密度，并使用上一次加載計(jì)算的溫度值作為下一段加載的初始值。如此依次循環(huán)，模擬熱源的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨削區(qū)溫度場(chǎng)的計(jì)算。

(1)

(2)

3.2 ANSYS仿真結(jié)果

取實(shí)驗(yàn)中相同的磨削速度和工件速度，在磨削深度ap分別為0.01 mm、0.05 mm、0.09 mm 3種條件下進(jìn)行有限元仿真。仿真結(jié)果如圖10所示，可以看到隨著磨削深度的增加，磨削溫度逐漸升高。這是因?yàn)槟ハ魃疃仍龃髸r(shí)，單顆磨粒的切削厚度增大，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)增多，因此在磨削深度增大時(shí)磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致磨削表面及表面層內(nèi)的峰值溫度都增加。垂直于磨削面的工件截面溫度梯度如圖11所示，從圖中可以看出，隨著距表面深度的加深，溫度逐漸降低，最終降至室溫20 ℃，并且溫度降低的速度由快變慢。

圖10 有限元溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.10 Simulated results by the finite element method

圖11 溫度梯度仿真值Fig.11 Simulated results of temperature gradient

3.3 結(jié)果比較

由圖4可以看到，工件表層滲碳層的厚度為1.5 mm左右，磨削燒傷對(duì)工件造成的影響皆在滲碳層內(nèi)。根據(jù)Andrews提出的經(jīng)驗(yàn)公式[16]可以計(jì)算出18Cr2Ni4WA鋼滲碳層的TMs值，如(3)式所示：

TMs=539-423wC-30.4wMn-17.7wNi-12.1wCr=346 ℃.

(3)

由圖8可知，當(dāng)發(fā)生磨削燒傷時(shí)，工件表層存在小于基體硬度的回火燒傷軟化區(qū)域，此區(qū)域溫度大于TMs. 因此，回火燒傷層深度為實(shí)驗(yàn)中硬度小于基體部分的深度以及仿真中溫度大于TMs部分的深度。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的燒傷層深度與仿真得到的燒傷層深度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，當(dāng)ap=0.01 mm進(jìn)行仿真時(shí)，工件不存在燒傷層，此時(shí)工件不發(fā)生磨削燒傷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同；當(dāng)ap=0.05 mm及ap=0.09 mm進(jìn)行仿真時(shí)，燒傷層的深度與實(shí)驗(yàn)得到的燒傷層深度相近，此時(shí)工件發(fā)生磨削燒傷，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。因此可以通過(guò)ANSYS對(duì)工件在磨削時(shí)是否發(fā)生燒傷以及發(fā)生燒傷的程度進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。

表4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1) 在vs=20.3 m/s、vw=0.03 m/s條件下，當(dāng)ap≥0.05 mm時(shí)，18Cr2Ni4WA鋼工件發(fā)生不同程度的磨削燒傷，隨著磨削深度的增大，燒傷程度加重，磨削表面氧化層顏色由黃色轉(zhuǎn)為褐色最后呈現(xiàn)青色，表面形貌由紋理清晰轉(zhuǎn)為涂覆嚴(yán)重。

2) 當(dāng)磨削溫度高于TMs時(shí)，工件發(fā)生回火燒傷，產(chǎn)生硬度較低的回火索氏體。

3) 燒傷層深的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真模擬值大致相同，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠有效，說(shuō)明利用有限元法對(duì)磨削燒傷程度進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

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ExperimentandSimulationPredictionofGrindingBurnofGearSteel18Cr2Ni4WA

LIANG Zhi-qiang1， HUANG Di-qing1， ZHOU Tian-feng1， LI Hong-wei1,2， QIAO Zhi1， WANG Xi-bin1， LIU Xin-li2
(1.Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2.Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China)

18Cr2Ni4WA steel has been widely used to manufacture the heavy-duty gears, such as spiral bevel gear, which is characterized by high toughness and high strength. Grinding burn easily occurs due to the high temperature during grinding, which makes the grinding precision and surface quality difficult to meet the requirements. The surface hardness, hardness gradient and surface morphology of workpiece are analyzed through single factor experiment, and the degree of grinding burn is simulated using the finite element analysis software. The results show that, with the increase in grinding depth, the degree of grinding burn is aggravated, the color of oxide layer is changed from faint yellow to brown, and finally becomes cyan, and the surface morphology is changed from clear texture to heavily coated. The hardness of surface layer decreases and a tempered sorbite is produced due to tempering burn. The measured and simulated values of grinding burn depth are basically identical, which shows that the degree of grinding burn can be predicted by the finite element simulation.

surface and interface of materials；grinding burn; gear steel; microhardness; finite element analysis

2017-03-02

國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0920132008)； 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB059900)

梁志強(qiáng)(1984—)， 男， 副教授， 碩士生導(dǎo)師。 E-mail： liangzhiqiang@bit.edu.cn;

黃迪青(1993—)， 男， 碩士研究生。 E-mail： huangdiqing1993@foxmail.com

周天豐(1981—)， 男， 教授， 博士生導(dǎo)師。 E-mail： zhoutf@bit.edu.cn

TG580.64

A

1000-1093(2017)10-1995-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.016