向道輝，雷小飛，彭培成，牛肖肖，趙波，高國富

（河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000）

12Cr2Ni4A 是一種強度高、韌性好、淬透性良好的合金鋼，經(jīng)過滲碳-淬火-低溫回火后，心部強度和塑韌性能夠較好地配合，表面硬度和耐磨性得到了很大提高，因此被廣泛應用于制作蝸輪、蝸桿、齒輪以及軸類等受載、受交變應力等元件[1-6]。但淬硬12Cr2Ni4A 的硬度和耐磨性的提高也使其加工性能變差，傳統(tǒng)方法加工的12Cr2Ni4A 鋼表面質量差，工件表面會產(chǎn)生較大的殘余拉應力，嚴重影響工件的疲勞使用壽命。超聲振動輔助加工是一種特種加工技術，它是一種超聲振動與傳統(tǒng)機械加工相結合的加工方式，是將超聲高頻振動附加在刀具或者工件上，利用超聲振動產(chǎn)生的能量來改變材料去除機理，改善其加工過程及加工效果[7]。ELID 磨削加工技術可以在加工過程中對砂輪進行持續(xù)電解修銳，保持磨粒的鋒利性，預留一定的容屑空間，同時，電解修銳后的砂輪磨粒等高性好，因此可以實現(xiàn)工件表面的精密與超精密加工[8-9]。近年來，許多研究者對ELID 磨削技術和超聲振動輔助磨削鋼的表面性能作了相應的實驗探究。張飛虎[10]采用ELID 磨削加工技術對GCr15鋼進行加工，結果表明，采用鑄鐵結合劑CBN 砂輪進行ELID 磨削時，可以獲得很低的表面粗糙度，實現(xiàn)了對GCr15 鋼的超精密鏡面磨削。關佳亮[11]對不銹鋼進行ELID 磨削，發(fā)現(xiàn)當采用鑄鐵基金剛石砂輪進行ELID 磨削時，其磨削力和粗糙度相對于普通磨削都會大大降低，實現(xiàn)了對不銹鋼的精密鏡面磨削。Zhang[12]建立了超聲振動輔助磨削下表面粗糙度的計算模型，并對超聲振動輔助磨削和傳統(tǒng)磨削進行了表面粗糙度對比實驗，結果表明，磨料尺寸對表面粗糙度的影響最明顯，超聲振動輔助磨削下的表面粗糙度更小。張靜[13]對42CrMo 鋼進行了平面磨削加工實驗，研究了磨削速度、磨削深度、進給速度對殘余應力的影響，總結了磨削速度、磨削深度、進給速度對殘余應力的影響規(guī)律，揭示了淬硬層殘余應力與顯微硬度分布之間的關系。Chen[14]研究了超聲振幅加工工藝下，磨削深度和磨削速度對大型CBN 砂輪超聲輔助干磨12Cr2Ni4A 時表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)在軸向和徑向振動的共同作用下，工件表面粗糙度先減小，然后隨著磨削深度的增加而增加。栗育琴[15]對普通磨削和超聲輔助磨削進行了殘余應力分析，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪線速度的增大，超聲對表面殘余壓應力的提高會減弱。關佳亮[16]采用電解在線修整磨削技術，對鋁基金剛石復合材料進行了磨削加工，通過二次正交旋轉組合法研究了磨削深度、砂輪線速度、占空比和電解電流對表面粗糙度的影響規(guī)律和影響程度。

綜上所述，目前研究人員主要是對普通磨削加工、超聲振動輔助磨削以及電解在線修整磨削技術單獨進行加工后的工件表面特性研究，對超聲振動輔助ELID 磨削表面特性的研究鮮有報道。由于采用傳統(tǒng)的磨削加工方法，加工后的工件表面質量差、工件表面會產(chǎn)生殘余拉應力，導致工件的抗疲勞使用壽命低，嚴重影響其使用性能[17-21]。為了保證加工質量、提高加工效率以及改善工件表面的應力狀態(tài)，本文采用普通磨削、超聲振動輔助磨削、超聲振動輔助ELID復合磨削3 種加工方式，分別對淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼進行磨削實驗，探究不同加工方式下工件表面粗糙度及表面殘余應力的變化情況，對后續(xù)淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼的廣泛運用和高效精密加工有重要的指導意義。

1 超聲振動輔助ELID 磨削加工原理

超聲振動輔助ELID 磨削加工是超聲振動輔助磨削與ELID 在線電解修整技術相結合的一種新型復合加工方式，它具備超聲振動加工及在線電解修整的雙重優(yōu)點。超聲振動輔助ELID 磨削系統(tǒng)主要由超聲振動系統(tǒng)、ELID 在線電解修銳系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1 所示。超聲振動系統(tǒng)主要給刀具或工件提供了高頻的小振幅振動，改善了加工條件，而ELID 磨削系統(tǒng)主要是讓砂輪磨粒在加工過程中能夠進行修銳，從而保持其持續(xù)加工的能力，因此能實現(xiàn)對材料的高效精密加工。

圖1 工作原理圖Fig.1 Working principle diagram

2 實驗

2.1 實驗條件

考慮到實驗采用超聲振動輔助ELID 磨削方式，實驗材料為淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼，因此采用導電性好、適用于合金鋼加工的鑄鐵基CBN 砂輪，電解液采取內供式。超聲振動系統(tǒng)采用智能超聲發(fā)生器（SZ12）以及壓電式縱向振動換能器、圓錐圓柱形復合變幅桿組成的超聲振動機構，超聲功率是20 kHz。ELID 電源采用的是哈爾濱工業(yè)大學研制的直流脈沖電源（HDMD-V）。實驗平臺為精密磨床。超聲振動施加在工件軸向方向，換能器與變幅桿通過螺栓進行連接，變幅桿與振動平臺進行螺紋連接，工件通過夾緊機構，固定在振動平臺上，振動平臺通過電磁吸力吸附在工作臺上，具體磨削實驗現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 磨削實驗現(xiàn)場圖Fig.2 Field diagram of grinding test

淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼具有強度高、表面硬度高、耐磨性好、韌性好等優(yōu)異性能，其主要化學成分如表1 所示。

表1 淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼的化學成分Tab.1 Chemical composition of hardened 12Cr2Ni4A alloy steel wt%

本文選擇的磨削加工實驗參數(shù)有工作臺速度、超聲振幅、砂輪線速度、磨削深度以及占空比。通過對比分析，確定了3 種不同加工方式對工件表面質量及殘余應力的影響。具體單因素實驗方案如表2 所示。

表2 磨削實驗方案Tab.2 Grinding test scheme

2.2 測試方法

采用超景深觀測系統(tǒng)與布魯克三維表面輪廓儀（Contour GT-K）對磨削后工件的表面粗糙度進行測量分析。采用超景深顯微系統(tǒng)測量表面微觀形貌時，放大倍數(shù)選擇為700 倍。采用布魯克三維表面輪廓儀測量工件表面粗糙度值的大小，精度最高可以達到0.1 nm，本文選擇普通白光模式，放大倍數(shù)為10 倍，測量精度為1 nm。為了提高表面微觀形貌與白光測量結果的精度，每個工件選取5 個實驗點進行測量，取平均值。

采用 X 射線殘余應力分析儀（CanadaProto Manufacturing Ltd，LXRD）測試樣品殘余應力分布，其主要是通過X 射線對工件的表面進行檢測，檢測原理如圖3 所示。A 表示入射光線，B 為衍射光線，N 代表衍射晶面法線，S1、S2 分別代表探頭1 和探頭2，φ表示所測應變方向，θ表示衍射角。衍射角的大小可以根據(jù)材料特性進行選擇，本文采用的X射線殘余應力分析儀具有2 個探頭，可以同時測量2個殘余應力值，計算得出的殘余應力值更加精確。

圖3 X 射線測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of X-ray measurement principle

通過多次增益實驗調試，最終確定的檢測淬硬12Cr2Ni4A 合金鋼表面的殘余應力參數(shù)見表3。

表3 殘余應力檢測參數(shù)Tab.3 Residual stress detection parameters

通過X 射線衍射分析儀進行曲線擬合，結果如圖4 所示。檢測曲線與增益擬合程度高，峰值突出，說明材料檢測參數(shù)選取良好。

圖4 高斯擬合曲線Fig.4 Gaussian fitting curve

首先通過平面磨床對工件進行粗磨加工，保證所有工件的初始殘余應力及表面粗糙度相同。再通過計算機對預加工處理的工件進行表面殘余應力測量，測試多個工件后，取平均值作為實驗參照標準。經(jīng)過高斯擬合，將預處理工件表面的殘余拉應力平均值（σ= (161.79 ± 7.45) MPa ）作為實驗參照標準。然后進行實驗，為降低實驗結果的誤差，在工件磨削區(qū)隨機選取一條斜線，并保證所有零件在相同位置取測量的斜線，在線上取3 個點進行殘余應力檢測，取平均值。

3 結果及分析

3.1 表面粗糙度

3.1.1 不同磨削加工方式下工件表面殘留面積高度結果分析

工件表面殘留面積的高度是影響表面粗糙度的一個重要因素，采用超景深顯微系統(tǒng)對實驗后的工件進行表面微觀形貌測量，分別得到了3 種磨削方式加工后工件表面的三維形貌，如圖5 所示。其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s、ap=10 μm，A=3 μm，占空比0.3。圖中左上角的顏色柱狀圖代表殘留高度，藍色最低，紅色最高；右上角的值代表整個磨削表面的殘留面積高度。由圖5 可知，普通磨削表面殘留面積高度最大，為16.72 μm；而在超聲振動輔助磨削和超聲振動輔助ELID 磨削加工后，工件表面的溝痕比普通磨削加工有明顯的減少，表面殘留面積高度也有所降低，分別為8.679 μm 和12.71 μm，但超聲振動輔助ELID 磨削的殘留面積高度比超聲輔助磨削大。這是因為，普通磨削加工中，砂輪與工件一直接觸，脫落的磨粒容易堵塞砂輪，使磨削力增大、磨削溫度升高、散熱條件差，極易造成工件表面燒傷。此外，脫落的磨粒會對表面進行二次劃擦，所以工件表面有明顯的溝痕存在，因此殘留高度最大。而超聲振動輔助磨削和超聲振動輔助ELID 磨削都在軸向方向上施加了高頻超聲振動，使得連續(xù)磨削變成了高頻的接觸-分離斷續(xù)磨削，改善了加工條件，提高了磨粒與工件之間的接觸弧長。同時超聲振動使不同磨粒的運動軌跡變長且存在交叉，因此磨粒的密集程度變高，不同磨粒會對工件表面同一地方進行多次磨削，使超聲振動輔助ELID 磨削和超聲振動輔助磨削的加工表面殘留面積高度都低于普通磨削。超聲振動輔助ELID 磨削的殘留面積高度比超聲振動輔助磨削大，這是因為在ELID 磨削過程中，磨粒細化形成了一定高度的切削刃，磨粒在連續(xù)修銳時，切入工件的深度由短變長，使殘留面積高度略高于超聲振動輔助磨削加工。

圖5 超景深3D 形貌Fig.5 3D topography beyond depth of field: a) general grinding; b) ultrasonic vibration assisted grinding; c) ultrasonic vibration assisted ELID Grinding

3.1.2 不同磨削加工方式下工件表面粗糙度結果分析

通過布魯克三維輪廓儀對工件表面輪廓進行測量，得到三維形貌以及表面粗糙度值的大小，如圖6所示。其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，ap=10 μm，vs=22.6 m/s，A=3 μm，占空比0.5。由圖6 可知，在普通磨削表面提取的輪廓線振動幅度約為3 μm，在整個輪廓線范圍內，存在多個尖銳峰以及溝壑。而超聲輔助磨削與超聲ELID 復合磨削表面的輪廓線波動幅度都約為1 μm，并且在整個范圍內，波動次數(shù)大幅度增加，但沒有明顯的尖銳峰與溝壑，這進一步說明，超聲高頻振動使不同磨粒的運動軌跡重疊，加強了磨粒之間的干涉作用，因此不同磨粒會對工件表面同一區(qū)域進行多次磨削加工，工件表面殘留面積減小，粗糙度小。另外，超聲高頻振動會使工件表面發(fā)生一定程度的軟化，使材料更容易以塑性去除的方式去除，加之磨粒會多次重復磨削工件表面，使得工件表面的凸起與凹坑經(jīng)過多次重復磨削而變得平整，降低了加工表面的粗糙度。超聲ELID 復合磨削除了超聲振動作用，還具有電解加工的優(yōu)點，在復合磨削過程中，砂輪表面的磨粒由于電解而變得細化，在砂輪表面形成了一定空間的容屑槽，所以磨粒易于排出，能夠避免脫落的磨粒劃傷工件，降低了工件表面的粗糙度。此外，砂輪表面形成了1 層致密而穩(wěn)定的氧化膜，由于其具有潤滑性且含有一定數(shù)量的磨粒，對工件表面具有拋光加工的作用，能夠進一步降低工件表面的粗糙度。

圖6 工件表面輪廓線Fig.6 Outline of workpiece surface: a) ordinary grinding; b) ultrasonic vibration assisted grinding; c) ultrasonic vibration assisted ELID Grinding

在3 種不同加工方式中，超聲輔助磨削與普通磨削工件表面輪廓線均在0 刻度線附近上下波動，說明在這兩種磨削加工方法下，磨粒實際切入深度基本相同，而超聲 ELID 復合磨削工件表面輪廓線均在0.5 μm 的刻度線附近上下波動，這是因為，砂輪與工件之間的磨削液中還存有游離的磨粒，砂輪表面覆蓋著混有大量磨粒的氧化膜，游離的磨粒以及氧化膜會對磨削表面進行再次磨削加工，使超聲ELID 復合磨削加工的實際磨削深度低于超聲磨削和普通磨削的實際磨削深度，產(chǎn)生輪廓線上移現(xiàn)象。

3.1.3 不同磨削加工方式下磨削深度對工件表面粗糙度的影響

磨削深度是影響加工效率的重要因素之一，在不同磨削深度下，對表面粗糙度的變化趨勢進行分析。隨著磨削深度的變化，加工后工件表面粗糙度也發(fā)生了不同的變化。為減小實驗誤差，每個工件選取5 個實驗點進行測量，取平均值，結果如圖7 所示。其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，A=4 μm，占空比0.5。

圖7 磨削深度與表面粗糙度的關系Fig.7 Relationship between grinding depth and surface roughness

從圖7 可以看出，隨著磨削深度的不斷的增加，普通和超聲輔助磨削方式下的粗糙度都呈現(xiàn)上升的趨勢，而超聲ELID 復合磨削加工后的粗糙度先減小后增大，且上升趨勢非常緩慢。普通磨削加工后，工件表面的粗糙度在不斷變大，且上升幅度較高。而在磨削深度小于15 μm 之前，超聲輔助磨削后的工件表面粗糙度增加較為緩慢，超聲ELID 復合磨削后的粗糙度呈現(xiàn)減小的趨勢。在磨削深度達到15 μm 后，超聲ELID 復合磨削的粗糙度又緩慢增加，但總體變化不大。

在普通磨削加工方式下，隨著磨削深度的增加，磨粒切入工件的數(shù)量增加，磨粒與工件之間的接觸抗力增大，導致磨削力增大，加速工件表面裂紋的產(chǎn)生和擴展，使工件表面材料以較大顆粒的形式被去除，在工件表面形成較大的凹坑或凸起，導致工件粗糙度急劇增加。另外，由于普通磨削過程中磨粒不易排出，使得脫落的磨粒會劃傷工件表面，因此會使表面粗糙度增大，還會引起磨削區(qū)溫度升高，從而引起工件表面燒傷。而超聲輔助磨削與超聲ELID 復合磨削在磨削深度未到達15 μm 之前，由于超聲高頻振動的作用，磨屑更容易排出，砂輪不易堵塞，不同的磨粒運動軌跡變長且存在交叉，所以不同磨粒會對工件表面同一地方進行多次重復磨削，使粗糙度無明顯的變化。在磨削深度達到15 μm 后，磨粒進入工件的數(shù)量急劇增加，磨粒與工件間的抗力迅速增大，法向磨削力也隨著增大，這削弱了超聲高頻振動的效果，因此磨削后，表面粗糙度有所增加。但超聲ELID 復合磨削加工過程中，通過電解，砂輪磨?？梢圆粩嘈掬J，磨粒細化導致磨削力上升較小，從而抑制了裂紋的擴展。此外，超聲砂輪結合劑電解形成的氧化膜能夠帶走磨屑，避免劃傷已加工表面，氧化膜中含有砂輪電解后脫落的大量小磨粒，能在磨削過程中對工件表面進行研磨和拋光等二次加工，因而粗糙度上升緩慢。

3.1.4 不同占空比對工件表面粗糙度的影響

在一個脈沖放電周期內，放電時間占放電周期的時間比重稱為占空比。占空比的變化代表放電時間改變，使砂輪電解程度改變，形成的氧化膜質量不同，對砂輪磨粒修銳質量也不同，從而影響加工磨削后工件表面質量。選擇不同占空比參數(shù)進行超聲ELID 復合磨削加工，得到表面粗糙度變化趨勢，如圖8 所示。其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，A=4 μm，ap=10 μm。

圖8 不同占空比與表面粗糙度的關系Fig.8 Relationship between different duty cycles and surface roughness

圖8 中，占空比為0 代表普通磨削，占空比為1代表超聲輔助磨削，占空比為0.3、0.5 與0.7 分別代表超聲ELID 復合磨削加工，紅線的高度表示表面粗糙度值。

從圖 8 中能夠看出，普通磨削的粗糙度值為1.1 μm，超聲輔助磨削粗糙度值為0.42 μm，而超聲ELID 復合磨削的粗糙度均低于超聲輔助磨削。當占空比為0.7 時，超聲ELID 復合磨削的表面粗糙度值最低，約為0.24 μm。此時，砂輪表面生成的氧化膜密度高、絕緣性好，同時砂輪表面裸露的鋒利磨粒數(shù)最多，磨粒等高性好。加上氧化膜的擠壓拋光作用，因而加工后工件表面粗糙度最低。

3.2 表面殘余殘余應力的分析

3.2.1 不同磨削加工方式下工件表面殘余應力

采用X 射線衍射法檢測工件表面的殘余應力，在3 種磨削加工方式下，工件表面的殘余應力值如圖9 所示，其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，ap=15 μm，A=4 μm，占空比0.5。

圖9 不同加工方式與殘余應力的關系Fig.9 Relationship between different processing methods and residual stress

從圖9 可以看出，普通磨削加工后，工件表面表現(xiàn)為殘余拉應力，約為114.79 MPa；超聲輔助磨削加工后，工件表面表現(xiàn)為殘余壓應力，約為–82.92 MPa；超聲ELID 復合磨削后，工件表面的殘余壓應力約為–107.58 MPa。普通磨削加工中，磨粒鈍化嚴重，造成磨削機械力增大，同時磨屑堵塞砂輪，使磨削溫度急劇升高。當磨削加工停止時，工件表面冷卻速度大于內表層，所以工件表面的收縮速度就會受到工件內表層的阻礙，因而在兩者耦合作用下，工件表面表現(xiàn)為殘余拉應力。而超聲輔助磨削與超聲ELID 復合磨削加工都施加了超聲高頻振動，磨粒的運動軌跡長度增加，磨粒磨削的寬度增加，磨粒在工件磨削區(qū)的磨削次數(shù)增加，對工件表面的擠壓摩擦增加，同時超聲振動使得磨屑細化，降低了砂輪堵塞的可能性，從而降低了磨削溫度。當磨削加工停止后，工件外表面的冷卻速度低于內表層的冷卻速度，因而工件表面會受到內表層的拉力，表現(xiàn)為殘余壓應力。另外，超聲ELID 磨削加工中，除了超聲振動作用外，還有砂輪磨粒的修銳以及砂輪結合劑電解形成的氧化膜作用，這使得磨削后工件的表面溫度進一步降低，工件表面受到內表層的拉力越大，所以其殘余壓應力高于超聲輔助磨削加工。

3.2.2 磨削深度對殘余應力的影響

不同磨削深度對不同加工方式下工件表面殘余應力的影響如圖10 所示，其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，A=4 μm，占空比0.5?？梢钥闯觯胀ハ骷庸すぜ砻娴臍堄鄳Ρ憩F(xiàn)為拉應力，而且隨著磨削深度的增加，殘余拉應力不斷升高。這是因為隨著磨削深度的增加，磨粒切入工件的數(shù)量急劇增加，工件受到的磨削力增大，磨粒磨損加劇，同時脫落的磨粒與磨屑難以排出，造成砂輪堵塞，磨削溫度升高，在這些因素共同作用下，工件表面出現(xiàn)殘余拉應力并呈現(xiàn)上升趨勢。

圖10 磨削深度與殘余應力的關系Fig.10 Relationship between grinding depth and residual stress

超聲輔助磨削與超聲振動輔助ELID 磨削后，工件表面殘余應力表現(xiàn)為壓應力，隨著磨削深度的增大，工件表面殘余壓應力先增大后降低。在磨削深度較小時，超聲振動作用體現(xiàn)不顯著，磨削深度增加后，超聲振動的作用逐漸體現(xiàn)，磨粒對工件表面材料的塑性切削作用增強，降低了磨削力。同時磨粒運動軌跡增加，使磨削寬度增加，超聲的高頻振動能夠帶走更多的磨屑，降低砂輪堵塞的可能性，從而降低了磨削過程中產(chǎn)生的磨削熱，使溫度降低，工件表現(xiàn)為殘余壓應力。在磨削深度增大到15 μm 時，超聲輔助磨削加工后的工件表面殘余壓應力達到最大值，為–78 MPa，而超聲振動輔助ELID 磨削的工件表面殘余壓應力值為–114 MPa，約是超聲輔助磨削的1.4 倍。這是因為超聲振動輔助ELID 磨削除了有超聲振動作用外，生成的氧化膜對工件表面也存在擠壓拋光作用，使超聲振動輔助ELID 磨削表面的殘余壓應力高于超聲振動輔助磨削。

3.2.3 超聲振幅對表面殘余應力的影響

超聲輔助加工時，超聲振幅的變化會引起表面殘余應力的改變。圖11 為不同超聲振幅下，超聲輔助磨削與超聲ELID 復合磨削加工工件表面的殘余應力變化，其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，ap=15 μm，占空比0.5。

從圖11 可知，隨著超聲振幅的增大，兩種磨削加工后的工件表面殘余壓應力均呈增大趨勢。這是由于超聲振幅越大，磨粒之間的干涉作用增加，工件表面有效磨削寬度增大，工件表面材料塑性變形比例越高，同時超聲振幅增加使磨粒更易排除，磨削區(qū)域溫度降低，殘余壓應力越大。當超聲振幅從0 μm 變化到2 μm 時，工件表面受到高頻沖擊，應力狀態(tài)發(fā)生改變，兩種磨削加工的表面殘余應力都從殘余拉應力變?yōu)闅堄鄩簯?。超聲振動輔助ELID 磨削加工的殘余壓應力始終高于超聲輔助磨削，這是因為超聲振動輔助ELID 磨削加工時砂輪磨粒能夠一直修銳，保持鋒利狀態(tài)，同時氧化膜中的游離磨粒對磨削表面的拋光作用增強；另外，超聲振動使砂輪表面容屑槽中的磨粒更容易脫落，降低了磨削溫度。

圖11 超聲振幅與殘余應力的關系Fig.11 Relationship between ultrasonic amplitude and residual stress

3.2.4 不同占空比對殘余應力的影響

在超聲振動輔助ELID 磨削中，不同占空比對殘余應力也會產(chǎn)生不同的影響。占空比參數(shù)主要影響砂輪表面氧化膜的質量，選取磨削深度為10 μm，超聲振幅為4 μm，在不同占空比下對超聲振動輔助ELID磨削加工表面進行殘余壓應力分析，如圖12 所示，其對應的加工參數(shù)為：vw=0.3 m/s，vs=22.6 m/s，ap=15 μm，A=4 μm。

圖12 占空比與殘余應力的關系Fig.12 Relationship between duty cycle and residual stress

從圖12 中能夠看到，隨著占空比的增大，磨削后工件表面殘余應力增大。這是因為占空比越高，生成的氧化膜越致密，絕緣性好，能夠抑制過度電解，磨粒鋒利。超聲振動輔助ELID 磨削中，由于砂輪修銳形成的容屑空間以及超聲振動的作用，能夠有效降低砂輪堵塞，降低磨削區(qū)域的溫度，同時氧化膜中游離的磨粒對工件表面也起到拋光作用，有利于殘余壓應力進一步增高。因此，超聲振動輔助ELID 磨削后，工件表面殘余壓應力最高。

4 結論

1）3 種磨削加工后，對工件表面殘留面積高度以及粗糙度分析得到，在相同磨削條件下，超聲振動輔助磨削加工與超聲振動輔助ELID 磨削加工下工件表面的殘留面積高度以及粗糙度均小于普通磨削加工，這是由于超聲振動使不同磨粒的運動軌跡變長且存在交叉，因此不同磨粒會在工件表面同一地方進行多次磨削，能夠提高工件表面質量，降低表面粗糙度。

2）通過分析3 種磨削加工方式下磨削深度對工件表面粗糙度的影響得到，在相同磨削條件下，隨著磨削深度不斷增加，普通磨削加工后工件表面的粗糙度不斷變大，且上升幅度較高，而超聲輔助磨削與超聲ELID 復合磨削在磨削深度小于15 μm 之前，工件表面粗糙度基本不變化，在磨削深度達到15 μm 后才有所增加，并且超聲ELID 復合磨削加工表面的粗糙度上升更為緩慢。

3）在相同的磨削條件下，超聲振動輔助磨削和超聲振動輔助ELID 磨削加工工件表面產(chǎn)生的是殘余壓應力，而普通磨削加工工件表面產(chǎn)生的是殘余拉應力。普通磨削加工中，殘余拉應力隨磨削深度的增加一直變大，而超聲振動輔助磨削和超聲振動輔助ELID 磨削的殘余壓應力總體呈現(xiàn)減小的趨勢，在磨削深度達到22.5 μm 后，超聲振動輔助磨削加工表面的殘余壓應力轉變?yōu)闅堄嗬瓚Α３曊駝虞o助ELID 磨削加工工件表面的殘余壓應力高于超聲輔助磨削。隨超聲振幅的增大，超聲振動輔助磨削和超聲振動輔助ELID 磨削表面的殘余應力增大，且超聲振動輔助ELID 磨削表面的殘余應力也隨占空比的增大而增大。