向道輝，牛肖肖，李章東，劉中云，馮浩人，吳邦福，陳艷斌

(河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

殘余應力是直接影響零件壽命的一項重要指標，很多學者對其進行了試驗或建模分析探討：明興祖等[18]通過分析磨削螺旋齒輪并對磨削力進行有限元仿真，探究了熱-力耦合條件對齒面的殘余應力影響規(guī)律；呂光義等[19]對CT4材料在超聲輥壓后的表面進行分析，發(fā)現(xiàn)在超聲輔助下，試件擁有了更加光潔的表面，粗糙度大幅降低，微裂紋、機械損傷概率也降低了；N.K.Jain等[20]通過對比研究傳統(tǒng)齒輪加工與超聲齒輪加工后的齒輪表面質量、微觀幾何形貌和疲勞性能，證明適當?shù)募庸し椒軌蛱岣啐X輪的抗疲勞性能，延長其使用壽命。淬硬42CrMo鋼材料淬透性好，調質處理后綜合性能良好，在精密機械加工行業(yè)應用廣泛[21-24]。劉中云[25]在對淬硬42CrMo鋼材料進行殘余應力理論分析時對超聲振動能夠提高殘余壓應力進行了論述；牛贏[26]在對鈦合金Ti-6Al-4V縱扭復合超聲輔助銑削殘余應力研究中也對超聲能夠提高殘余壓應力進行了試驗。多位學者在金屬加工研究中發(fā)現(xiàn)，超聲輔助加工對材料加工后表面質量的優(yōu)劣具有一定影響。學者們對新型復合材料研究分析較為深入，但是對于高淬透性的鋼材料表面質量微觀方向研究較為簡略，本文以淬硬42CrMo鋼為研究對象，對試驗材料以不同參數(shù)進行加工后，分析材料的表面殘余應力、表面形貌和硬化程度。

1 磨粒運動軌跡分析

砂輪磨削加工可以視為多個磨粒同時參與切削運動的加工方式，超聲輔助磨削是在普通磨削方式下，加入規(guī)律的高頻振動，改變磨粒運動軌跡及與工件的接觸時間。如圖1所示，建立軸向超聲振動模型有利于更直觀觀察兩種磨削加工的區(qū)別。兩種磨削加工方式下磨粒運動軌跡如圖2所示。

圖1 軸向超聲振動磨削運動模型

圖2 兩種磨削方式單顆磨粒軌跡示意

兩種磨削方式下，單顆磨粒的運動軌跡存在區(qū)別。普通磨削加工中單顆磨粒的運動軌跡方程為

(1)

超聲輔助磨削單顆磨粒運動軌跡是在普通磨削方程基礎上加入了超聲振動z方向的正弦運動方程，

z=Asin(wst+Φ)，

(2)

式中：ws為砂輪旋轉角速度；ww為砂輪線速度；ds為砂輪直徑；A為振幅；Ф為超聲初相位。

結合方程(1)和(2)，采用MATLAB軟件仿真出兩種磨削方式的單顆磨粒運動軌跡示意圖，如圖2所示。從圖2中觀察到，超聲輔助磨削磨粒運動軌跡的長度大于普通磨削的，同時超聲輔助磨削對工件表面不僅存在延長運動軌跡，而且還存在高頻振動沖擊，隨著磨削參數(shù)的改變，在一定程度上能夠改變工件表面材料去除方式。

從單顆磨粒軌跡圖推斷，多個磨粒運動軌跡會發(fā)生重疊現(xiàn)象，因此，砂輪磨削時會對工件表面進行重復多次磨削，這對工件表面的應力變化、表面粗糙度以及硬度都會產(chǎn)生影響。根據(jù)材料磨削去除理論，在普通磨削過程中磨粒運動經(jīng)歷3個階段，即滑擦-犁耕-切削。在滑擦階段，磨粒接觸工件產(chǎn)生擠壓作用，工件發(fā)生彈性變形；在犁耕階段，摩擦作用增大，此時磨削區(qū)工件表面產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生隆起；在切削階段，磨粒對工件表面摩擦隆起工件材料被磨粒微刃切斷形成切屑。超聲輔助磨削過程中磨粒除了這3個運動過程之外，還增加z方向的振動沖擊作用。通過對比分析超聲振動磨削與普通磨削兩種方式下加工后殘余應力以及表面形貌和表面硬度的不同，對兩種磨削過程進行分析探討。

2 試驗設備及參數(shù)

本試驗在實驗室VMC850型三軸立式數(shù)控加工中心完成，由于材料強度高、韌性好、熱加工變形小，淬火處理后硬度高、抗疲勞性能優(yōu)良，因此選用立方氮化硼(CBN)砂輪進行磨削試驗。試驗現(xiàn)場如圖3所示，超聲振動方向選擇主軸方向磨削工件的側平面。

探究兩種磨削方式下工件表面殘余應力的變化以及表面粗糙度、硬度變化規(guī)律。選擇磨削深度為因變量，進給速度vs=18.32 m/s，砂輪線速度vw=200 mm/min進行試驗。在試驗開始前，采用平面磨床對工件材料進行粗磨，保證其工件表面初始條件相同，以便對試驗結果進行分析。加工過程中每組參數(shù)進行3次重復性試驗，取平均值以降低試驗誤差。試驗過程分為超聲輔助磨削與普通磨削，砂輪粒度為120#，超聲振動頻率為25 kHz，超聲振幅4 μm．

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圖3 超聲振動磨削試驗現(xiàn)場

如圖4所示，采用型號為LXRD的X射線殘余應力分析儀，對試件表面的殘余應力進行測定，并使用X射線衍射法，其工作原理是：利用X射線的衍射功能，測量由于磨削力和磨削熱產(chǎn)生的應力作用使試件內部晶粒的晶面距離產(chǎn)生的變化，通過給定公式計算得出應力值。采用超景深顯微系統(tǒng)(VHX-2000)對相同磨削參數(shù)下超聲振動磨削和傳統(tǒng)磨削淬硬42CrMo鋼加工后的試件進行表面微觀形貌觀察。

圖4 X-ray 殘余應力分析儀

3 試驗結果分析

3.1 磨削表面殘余應力分析

磨削深度為變量，提取兩種不同加工方式的殘余應力值，分析不同磨削深度時的殘余應力變化，圖5為在不同磨削深度參數(shù)加工后工件表面殘余應力變化趨勢。根據(jù)Y坐標數(shù)值，兩種磨削加工后工件表面殘余應力均為殘余壓應力，黑色線表示普通磨削加工，紅色線為超聲輔助磨削加工。從兩條線的走向趨勢分析，隨著磨削深度增加，兩種加工方式表面殘余壓應力均先增大后降低，因為隨著磨削深度加深，磨粒與工件表面材料接觸產(chǎn)生的熱量使得熱塑性作用增強并與機械擠壓作用耦合，工件表面材料去除更加容易，殘余壓應力增大。磨削深度繼續(xù)增加，超過最合適的力-熱耦合作用值，機械擠壓作用占主導地位，磨粒犁耕深度增加，表面變形恢復更加困難，殘余應力降低。超聲振動磨削加工不僅有力-熱耦合作用，而且同時超聲輔助振動作用下磨粒軌跡長度增加，工件材料表面散熱能力增加，工件表面材料去除更為容易，工件殘余應力較高。

普通加工方式殘余壓應力最高的磨削深度為10 μm，超聲輔助磨削殘余壓應力最高的磨削深度約為15 μm，超聲輔助磨削最高殘余壓應力高于普通磨削約60 MPa。在兩種加工方式下,殘余壓應力相疊加，超聲磨削深度約為19 μm，磨削深度繼續(xù)增加，表面殘余壓應力降低，因為磨削深度增加，磨粒對工件材料的擠壓作用越明顯，即磨削力增大，殘余壓應力隨之變小。對比分析兩種加工方式，超聲輔助磨削能夠提高磨削深度范圍，提高磨削表面殘余壓應力，提高磨削效率。

圖5 磨削深度對殘余應力的影響

3.2 表面形貌分析

圖6是不同磨削深度下普通磨削與超聲磨削工件表面形貌圖，其中，(a)、(c)、(e)與(b)、(d)、(f)分別是普通磨削加工與超聲輔助磨削加工方式在磨削深度為5,15,30 μm時的表面形貌圖，從(a)、(c)、(e)看到，普通磨削有明顯的溝壑且連續(xù)、清晰、規(guī)則，隨著磨削深度增加，磨削溝壑深度和寬度都有所增加，在磨削深度為30 μm時，普通磨削加工已經(jīng)在工件表面出現(xiàn)燒傷痕跡，在該階段表面磨削深度已經(jīng)對工件表面產(chǎn)生損傷，對工件加工后使用情況可能會產(chǎn)生影響。(b)、(d)、(f)是超聲振動輔助磨削下表面形貌，從中能夠看到在超聲振動作用下磨粒做正弦運動后，工件表面紋理模糊，劃邊緣棱條不明顯，且隨著磨削深度增加，超聲作用越來越明顯，表面形貌越來越模糊，而且從(b)、(d)、(f)中能夠看到,超聲磨削加工后表面溝壑變淺、變窄，這是超聲振動輔助加工后提高表面質量的體現(xiàn)。在磨削深度為30 μm時，超聲輔助磨削后工件表面則沒有出現(xiàn)燒傷等情況，說明超聲輔助磨削提高了磨削深度范圍。

圖6 不同磨削深度下兩種磨削加工方式表面形貌

圖7是兩種磨削加工后表面3D形貌圖，對表面形貌垂直磨削方向進行表面輪廓線提取，如圖8所示，進行表面質量分析。圖7(a)與圖8(a)是普通磨削加工條件下表面的3D形貌圖以及提取的工件表面輪廓線，圖7(b)與圖8(b)是超聲輔助磨削加工條件下表面的3D形貌圖以及提取的工件表面輪廓線。對比分析圖7中(a)、(b)，超聲輔助磨削表面溝壑紋理模糊寬度小，這與超聲磨削時磨粒的正弦軌跡有關，在表面同一點，不同的磨粒在超聲振動的條件下，進行多次磨削，將工件表面磨削過程中因為犁耕作用產(chǎn)生的凸起再次進行磨削，整個表面平整光滑度高于普通磨削表面。結合圖8(a)與(b),兩種加工方式下表面提取的輪廓線，超聲輔助磨削作用下，磨粒對平面同一位置磨削次數(shù)增加，但是輪廓深度與變化范圍遠低于普通磨削加工，超聲輔助磨削能夠降低表面輪廓波動范圍，提高表面質量。

圖7 兩種磨削加工方式下磨削表面3D形貌

圖8 兩種磨削加工方式下磨削表面輪廓線

3.3 表面硬度分析

工件表面的顯微硬度是評價加工方式的一個重要參考因素，表面顯微硬度越高，加工效果越好。通過測量顯微硬度能夠分析加工后工件表面質量，結合表面加工形貌,可以對加工方式進行綜合評價。

采用硬度測量儀器測量加工后不同磨削深度下工件表面的顯微硬度，結果如圖9所示。由圖9可知，磨削加工后的表面硬度均有所提高，普通磨削提高約140 HV，超聲磨削提高約160 HV。由圖9可知，兩種加工方式下，顯微硬度曲線變化趨勢是一樣的，超聲輔助磨削方式顯微硬度變化明顯高于普通磨削方式，因為超聲輔助磨削過程中工件表面受到不同磨粒的重復磨削，對工件表面的硬度有強化作用。在磨削深度為15μm時，兩種加工方法的顯微硬度高于其他磨削深度參數(shù)值，對比分析兩種加工方式，超聲振動輔助磨削加工方式下，工件表面的顯微硬度整體高于普通磨削，因為超聲振動條件下磨粒過程中對工件表面的擠壓和沖擊作用比普通磨削更為顯著，工件表面材料的應變率更高，而且超聲振動加工改善了砂輪堵塞問題，易于排屑，磨削溫度低。

圖9 不同磨削深度下表面顯微硬度曲線

4 結 論

通過分析表面殘余應力、表面形貌以及表面顯微硬度可知，超聲振動輔助磨削加工方式能夠提高工件表面的殘余壓應力，降低磨削表面輪廓波動范圍，提高表面硬度，超聲輔助磨削加工方法對工件的表面質量以及表面應力狀態(tài)優(yōu)于普通磨削加工方法。

超聲振動輔助磨削下的殘余壓應力大于普通磨削的殘余壓應力；隨著磨削深度的增加，殘余壓應力的數(shù)值先增大后減小，超聲磨削比普通磨削的殘余壓應力提高11.0%～30.8%。

超聲振動輔助磨削方式下，由于超聲高頻振動沖擊作用,表面輪廓波動范圍與傳統(tǒng)磨削相比降低約80%，工件表面質量提高，顯微硬度提高約10%。