王 棟,李 寧,張錦濤
(鄭州大學(xué) a.機(jī)械與動力工程學(xué)院;b.河南省資源與材料工業(yè)技術(shù)研究院,鄭州 450001)
目前,高端裝備零部件存在壽命短、可靠性差、結(jié)構(gòu)重等三大問題,我國總體仍處于成形制造階段[1]。在齒輪、軸等零件破壞中有50%~90%屬于疲勞斷裂,是最常見的破壞形式[2]。隨著航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,高端裝備制造業(yè)對長壽命關(guān)鍵零部件具有迫切需求,趙振業(yè)院士提出無應(yīng)力集中抗疲勞概念,大力倡導(dǎo)第三代先進(jìn)制造技術(shù)—抗疲勞制造,相比于成形制造,抗疲勞制造將關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞壽命提高幾十倍至幾百倍,可靠性也得到顯著提高。
大多數(shù)描述材料疲勞性能的S-N曲線,都是利用小尺寸試樣在旋轉(zhuǎn)彎曲對稱循環(huán)載荷作用下得到的,且常見的齒輪失效原因是彎曲疲勞[3]。一些學(xué)者[4-8]對滲碳影響旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的程度開展了研究,發(fā)現(xiàn)對零部件表面進(jìn)行滲碳處理可以改善材料的彎曲疲勞性能。滲碳被認(rèn)為是提高承受彎曲疲勞和滾動接觸疲勞的高應(yīng)力機(jī)械零件表面耐磨性最廣泛使用的工藝之一,滲碳在工件表面和近表面引入殘余壓應(yīng)力,從而可以提高彎曲疲勞性能[9-10]。滲碳后經(jīng)過淬火,能夠獲得高的硬度以及疲勞強(qiáng)度,使零部件能夠承受較大的沖擊載荷。但目前對滲碳淬火后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的磨削加工工藝以及形位公差、尺寸公差測量的研究很少。一些試驗采用逐級升高砂紙目數(shù)手工磨拋的方式對疲勞試樣進(jìn)行磨削,由于無法控制研磨速度、研磨壓力等參數(shù)一致,可能致使試樣的標(biāo)距段由圓形變?yōu)闄E圓形,影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于零件在熱處理過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致不同程度的變形,影響零部件的精度及使用,甚至產(chǎn)生變形超公差、開裂等問題而導(dǎo)致產(chǎn)品報廢,并且國標(biāo)GB/T4337-2015標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的形位公差要求比較高,所以有必要對熱處理后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣變形量檢測以及磨削加工工藝展開研究,提高疲勞試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。
旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣形狀對稱,兩端存在過渡圓弧,相比于普通外圓磨削增加了磨削加工的困難性。本文針對滲碳淬火后18CrNiMo7-6鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工工藝優(yōu)化,對熱處理后試樣變形量進(jìn)行檢測,設(shè)計磨削旋轉(zhuǎn)彎曲疲試樣試驗方案以去除變形量,并對磨削后試樣表面進(jìn)行同軸度、殘余應(yīng)力、三維表面粗糙度檢測,為材料抗疲勞設(shè)計提供依據(jù)。
試驗材料為18CrNiMo7-6鋼,化學(xué)成分如表1所示,經(jīng)過滲碳淬火之后,具有較高的抗拉強(qiáng)度、表面硬度以及較好的耐磨性,同時得到堅韌的心部,是精密高速重載齒輪等關(guān)鍵零部件的主導(dǎo)應(yīng)用材料。本文經(jīng)過滲碳淬火后,在250 kN軸向疲勞試驗系統(tǒng)上進(jìn)行軸向拉伸試驗,得到的抗拉強(qiáng)度為1839 MPa,屈服強(qiáng)度為1423 MPa。
表1 試驗材料18CrNiMo7-6化學(xué)成分表(%)
標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣如圖1所示,試樣毛坯材料經(jīng)過自由鍛造,鍛造比為3,滲碳淬火后表面硬度升高,造成車削加工性能變差,因此預(yù)先在CAK4085數(shù)控車床上加工疲勞試樣毛坯,留有磨削余量,經(jīng)過熱處理后精加工成所設(shè)計的疲勞試樣。
圖1 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣
1.2.1 磨削余量確定
考慮熱處理變形,試樣最后毛坯尺寸應(yīng)包括三部分:加工余量、可能產(chǎn)生撓曲的尺寸以及產(chǎn)生表面氧化脫碳、裂紋的尺寸。根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊[11]按照試樣最大直徑12 mm,長度100 mm選擇最大磨削余量為0.3 mm。
1.2.2 滲碳層深度的確定
滲碳層深度增加與疲勞性能升高并非成正比,較厚的滲碳層反而導(dǎo)致疲勞性能下降,為了獲得最大的疲勞性能,有效滲碳層深度t與試樣直徑d應(yīng)滿足如式1所示的關(guān)系[8],因此確定滲碳層深度范圍為0.6~0.9 mm,加上單邊磨削余量0.15 mm,故總滲碳層深度為0.75~1.05 mm。
(1)
采用掛裝的方式進(jìn)行熱處理,熱處理工藝為:在920 ℃下保持碳含量1.17%進(jìn)行強(qiáng)滲5 h;然后保持碳含量0.8%進(jìn)行擴(kuò)散3 h爐冷至830 ℃,保溫0.5 h,出爐,隨后加熱至830 ℃進(jìn)行淬火并回火,熱處理后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣毛坯如圖2所示。
圖2 熱處理后的試樣毛坯
熱處理導(dǎo)致軸類零件產(chǎn)生彎曲變形[12],影響疲勞試驗的準(zhǔn)確性,在磨削加工前對彎曲跳動變形量進(jìn)行檢測,以判斷在磨削加工能否去除彎曲變形量。本文將熱處理后的試樣毛坯裝夾在MKE1620A數(shù)控端面外圓磨床前、后頂尖之間,公共基準(zhǔn)軸線由兩頂尖模擬,隨機(jī)抽取20個試樣進(jìn)行檢測,每個試樣測3個截面,取3個截面中跳動量最大值作為徑向圓跳動誤差。
如圖3所示,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣由夾持端、過渡圓弧段、標(biāo)距段三部分組成。標(biāo)距段是工作部分,用于評定疲勞性能;過渡圓弧起過渡連接作用。夾持端的磨削屬于普通外圓磨削,易于保證加工精度。而標(biāo)距段和過渡圓弧加工不好,會導(dǎo)致試樣斷裂在過渡圓弧,使試驗無效,所以設(shè)計合理的標(biāo)距段、過渡圓弧磨削加工工藝的方案,對于保證旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
圖3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣圖
1.4.1 試驗設(shè)備
試驗是在由上海機(jī)床廠生產(chǎn)的MKA1320/H數(shù)控外圓磨床上進(jìn)行,配備SIEMENS 802D操作系統(tǒng),砂輪線速度35 m/s,頭架轉(zhuǎn)速30~300 r/min,能自動實現(xiàn)砂輪修整與補(bǔ)償。選擇粒度偏精磨(80),硬度中軟(L)的鉻鋼玉平行砂輪,型號為PA80L5V35。
1.4.2 試樣磨削方案設(shè)計
圖4 方案1砂輪修整示意圖
本文采用成形磨削進(jìn)行加工,把試樣形狀分解為直線、圓弧等幾何線形,然后分段磨削,使其連接光滑、圓整。用金剛石筆把將砂輪修整成為與工件型面相對的型面。因為砂輪修整型面是凸圓弧與平面連接,故砂輪圓弧半徑比所需磨削半徑小0.01 mm,即22.99 mm,以保證幾何形狀的一致性。根據(jù)疲勞試樣的形狀,本文設(shè)計了兩種磨削方案:
磨削方案1:把砂輪修整為左、右兩側(cè)半徑為22.99 mm的圓弧,中間寬度為20.16 mm平面的成型砂輪,如圖4所示。磨削加工時,進(jìn)刀一次即可把試樣過渡圓弧及中間標(biāo)距段磨削加工到。
圖5 方案2砂輪修整示意圖
磨削方案2:把砂輪修整為左、右兩側(cè)半徑為22.99 mm的圓弧,中間寬度為19.16 mm平面的成型砂輪,如圖5所示。磨削時先加工試樣部分標(biāo)距段,然后砂輪再向左縱向移動0.5 mm,后向右移動1 mm,完成磨削。
1.4.3 磨削用量的確定
(1)砂輪修整參數(shù)的確定
砂輪輪廓形狀是否失真以及磨粒鋒利程度對工件表面的加工質(zhì)量具有重要影響,試樣表面精度要求為Ra0.32 μm,所以砂輪應(yīng)修整得比較平細(xì),修整速度、縱向進(jìn)給量不宜過大,粗修、精修往復(fù)修整多次,選擇砂輪修整參數(shù)如表2所示。
表2 砂輪修整參數(shù)
(2)磨削工藝參數(shù)的確定
根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊[9],粗磨后精磨前外圓磨削直徑余量為0.025 mm,故本文粗磨是d從6.3 mm到6.05 mm,精磨是d從6.05 mm到6.025 mm,研磨余量0.025 mm。砂輪速度va為35 m/s。試樣直徑比較小,粗糙度要求比較高,所以工件轉(zhuǎn)速應(yīng)低一點,選擇轉(zhuǎn)速42 r/min。確定進(jìn)給速度的原則是當(dāng)工件的加工質(zhì)量能得到保證時,應(yīng)選擇較高的進(jìn)給速度,以提高生產(chǎn)效率,選擇橫向進(jìn)給速度0.16 mm/min,縱向進(jìn)給速度0.20 mm/min。
1.5.1 殘余應(yīng)力檢測
在LDR標(biāo)準(zhǔn)型高速X射線殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行檢測,取6根磨削后的試樣,在標(biāo)距段上不同的3個點進(jìn)行表面殘余應(yīng)力檢測,分別檢測0°與90°方向上的表面殘余應(yīng)力,取3點的平均值作為測量值。
1.5.2 三維表面粗糙度檢測
采用NPFLEX三維形貌儀測量三維表面粗糙度,采樣面積為2 mm×2 mm,取樣區(qū)域為試樣標(biāo)距段,每隔90°測一條母線,每條母線測3個點,共測4條母線,合計12個點,去除最大值和最小值,取平均值作為實測值,以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
1.5.3 同軸度檢測
用兩個相同V形塊支承基準(zhǔn)部位,然后用打表法測量被測部位,基準(zhǔn)軸線由V形塊模擬。轉(zhuǎn)動被測零件,測量4個不同截面,取各截面測量差值的最大值作為該試樣的同軸度誤差。
從圖6可以看出,除1號與4號試樣徑向跳動變形量達(dá)到30 μm以上,絕大部分徑向跳動變形量在20 μm。而磨削余量為0.3 mm,故熱處理變形在磨削過程中完全可以去除。由于變形量的存在,在對試樣圓柱面進(jìn)行磨削時并非比較均勻,因為砂輪總先從彎曲跳動最高點處開始磨削,然后逐漸向圓心方向磨削。等軸徑被磨圓、磨直后,才均勻磨削試樣表面。
圖6 徑向圓跳動變形量正態(tài)分布圖
如圖7所示,方案1砂輪只需一次進(jìn)刀,就可以磨削到整個圓弧面,效率高。試樣同軸度誤差平均為33.5 μm,超出國標(biāo)所規(guī)定的15 μm。因為其是切入式磨削,徑向磨削力比較大,導(dǎo)致產(chǎn)生較大彎曲變形,并且在方案1磨削的部分試樣上發(fā)現(xiàn)過渡圓弧上的氧化層并未完全去除,這是因為對刀時,砂輪中心與試樣中心不完全重合導(dǎo)致磨削向左(或向右)偏斜,致使右側(cè)(或左側(cè))圓弧不能得到完全磨削。對方案2的試樣進(jìn)行同軸度測量,其同軸度誤差平均為9.3 μm,符合技術(shù)要求。方案2砂輪修整平面僅修整19.16 mm,比方案1少1 mm,然后砂輪再分別左右移動,采用分段磨削的方法避免了一次切入式磨削,減少了磨削力,對中性比較好。
圖7 磨削方案1與方案2同軸度誤差對比
方案2復(fù)合磨削如圖8所示,分為4段:磨削標(biāo)距段、磨削左側(cè)圓弧、磨削右側(cè)圓弧、磨削夾持端。
圖8 方案2復(fù)合磨削
(1)砂輪首先對標(biāo)距段進(jìn)行磨削,磨削方式為切入式磨削,因為標(biāo)距段長度為20.16 mm,而成型砂輪型面平面寬度為19.16 mm,所以試樣標(biāo)距段在左右兩側(cè)各剩0.5 mm的長度未磨削,如圖9所示。
圖9 磨削中間段
(2)砂輪向左移動0.5 mm作縱向磨削,磨削標(biāo)距段左側(cè)所剩0.5 mm的同時對左側(cè)過渡圓弧進(jìn)行磨削,如圖10所示。
圖10 磨削左側(cè)段
(3)砂輪向右側(cè)移動1 mm作縱向磨削。
(4)磨削夾持端。
這種磨削方式既保證了過渡圓弧與標(biāo)距段光滑連接,又保證過渡圓弧能得到完全磨削。經(jīng)過復(fù)合磨削加工的試樣如圖11所示,經(jīng)過完全磨削加工后的試樣如圖12所示。
圖11 復(fù)合磨削加工試樣 圖12 完整磨削加工試樣
2.4.1 三維表面粗糙度及三維形貌檢測結(jié)果
如圖13所示,磨削加工后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣標(biāo)距段表面算術(shù)平均偏差Sa、表面均方根偏差Sq、表面偏斜度Ssk數(shù)值相對比較穩(wěn)定,分別穩(wěn)定在0.208 μm、0.266 μm、-0.662 μm左右,在國標(biāo)規(guī)定的表面粗糙度(0.32 μm)范圍之內(nèi),符合技術(shù)要求。而Sz、Sku、Sv波動程度大于Sa、Sq、Ssk,但總體來說分布相對比較穩(wěn)定,大體在3.648 μm、4.74 μm、-2.67 μm。試樣表面偏斜度Ssk全部小于0,說明試樣在評定基準(zhǔn)面下的表面微觀形貌有比較大的“深谷”。表面峭度Sku全部大于3 μm,說明表面微觀形貌高度分布比較集中在中心表面上,表面形貌如圖14所示。
圖13 磨削加工后試樣標(biāo)距段表面粗糙度
圖14 磨削加工后試樣三維表面形貌
2.4.2 表面殘余應(yīng)力檢測結(jié)果
如圖15所示,經(jīng)過磨削加工后不同試樣之間表面殘余應(yīng)力比較穩(wěn)定,其中0°方向的表面殘余應(yīng)力穩(wěn)定在-233.84 MPa左右,呈現(xiàn)為表面殘余壓應(yīng)力,表面層的性能對零件的靜強(qiáng)度影響不大,但對疲勞強(qiáng)度影響顯著,在表面層內(nèi)建立殘余壓應(yīng)力,有利于提高零部件的疲勞強(qiáng)度。
圖15 磨削加工后疲勞試樣表面殘余壓應(yīng)力
(1)對滲碳淬火后18CrNiMo7-6旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣徑向圓跳動變形量進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果為20 μm,驗證了所確定的0.2 mm磨削余量選擇的合理性。
(2)設(shè)計兩種針對滲碳淬火后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工方案,并對磨削后試樣進(jìn)行同軸度誤差檢測與對比,確定合理的磨削加工方案。
(3)分析復(fù)合磨削試樣加工過程,對磨削后試樣進(jìn)行檢測:表面殘余應(yīng)力為-233.84 MPa,表面粗糙度Sa為0.208 μm,同軸度誤差為0.009 3 mm,符合國標(biāo)要求,磨削出標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣,為滲碳淬火旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工提供合理方案。