王 棟，馬少奇，趙靜雯，林洪旭，張銀霞，劉治華

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

磨削加工作為一種傳統(tǒng)的精密加工方法，為了適應(yīng)發(fā)展需要，實(shí)現(xiàn)高性能表面層制造，需要對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行更加深入的研究[1]。磨削力和殘余應(yīng)力作為磨削加工性能評(píng)價(jià)的重要輸出參數(shù)，對(duì)兩者進(jìn)行分析測(cè)量是研究磨削過(guò)程的一種重要手段[2]。

文獻(xiàn)[3]將Kistler旋轉(zhuǎn)式三向動(dòng)態(tài)壓電晶體測(cè)力儀通過(guò)改裝應(yīng)用于外圓磨削力的測(cè)量，并通過(guò)試驗(yàn)得到了不同磨削位置實(shí)際磨削力與傳感器測(cè)量值之間的關(guān)系，但未從理論角度建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)[4]使用不同砂輪對(duì)超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了平面磨削，并測(cè)量了磨削力和磨削溫度，發(fā)現(xiàn)磨削溫度隨著磨削力的增加而增大。文獻(xiàn)[5]在高速磨削試驗(yàn)平臺(tái)上探究了外圓磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響，揭示了提高砂輪線速度，工件線速度可以有效地提高材料的去除能力或改善磨削工件的表面質(zhì)量等高速磨削特性。文獻(xiàn)[6]使用CBN砂輪磨削20CrMnTi進(jìn)行了磨削力的研究，但都未進(jìn)一步研究。

磨削會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對(duì)零件的疲勞和耐磨性有重要影響[7]。文獻(xiàn)[8]用不同磨削參數(shù)對(duì)齒輪鋼進(jìn)行磨削，結(jié)果表明，合適的磨削參數(shù)可以有效改善表面質(zhì)量，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和殘余壓應(yīng)力。文獻(xiàn)[9]通過(guò)研磨雙相不銹鋼2304，對(duì)研磨機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面缺陷，高度變形的表面層以及沿研磨方向的殘余拉應(yīng)力是主要的損傷類型，機(jī)械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力優(yōu)于熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力。文獻(xiàn)[10]利用不同工藝參數(shù)進(jìn)行外圓磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在周向和軸向均產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，認(rèn)為主要原因在于磨削過(guò)程中基本沒(méi)有磨削熱的產(chǎn)生，因此外圓磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度有必要進(jìn)一步研究。

本文采用外圓磨削試驗(yàn)，在采用理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)磨削力的測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定后，探究了外圓磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響，用PROTO殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，并分析了磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度，對(duì)加工質(zhì)量和效率的平衡具有指導(dǎo)意義。

1 外圓磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用規(guī)格為φ25×80 mm的滲碳鋼18CrNiMo7-6圓棒，滲碳層厚度1.3～1.6 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)所用設(shè)備為數(shù)控端面外圓磨床(MKE1620A)，該磨床的砂輪主軸轉(zhuǎn)速為1488 rpm,砂輪為鉻剛玉砂輪。磨削力測(cè)量所用數(shù)據(jù)采集及處理軟件為DynoWare, 如圖1所示，測(cè)力裝置是由Kistler公司生產(chǎn)的9257B三坐標(biāo)測(cè)力儀改裝得到的，由頂尖、測(cè)力儀、支撐平板和莫氏錐柄4個(gè)部分組成，磨削加工時(shí)需拆除磨床尾座上原有的頂尖，將該測(cè)力裝置裝上。

圖1 外圓磨削力測(cè)試平臺(tái)

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用橫向磨削逆磨法，磨削加工時(shí)使用水基乳化液進(jìn)行降溫，砂輪線速度32 m/s,磨削深度0.2 mm,采用表1所示試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究。

表1 外圓磨削試驗(yàn)參數(shù)

2 磨削力的標(biāo)定

測(cè)力儀經(jīng)改裝用于外圓磨削力的測(cè)量時(shí)，測(cè)力效果不能確定。因此需要進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定方法[11]如圖2所示，F(xiàn)x標(biāo)定完成后，將測(cè)力儀旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行Fy的標(biāo)定。

圖2 力的標(biāo)定

首先，在L為22 mm處施加不同的砝碼對(duì)測(cè)力儀測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定位置L為施加力位置與后頂尖處工件端面之間的距離，結(jié)果如圖3所示。由結(jié)果分析可知測(cè)力儀測(cè)得的Fx和Fy值約為施加力的0.73倍，可以認(rèn)為測(cè)力儀對(duì)同一位置處不同大小的力的測(cè)量結(jié)果在乘以相應(yīng)系數(shù)后足夠準(zhǔn)確。

圖3 L為22 mm的測(cè)力結(jié)果

為了確定不同位置處的系數(shù)，不妨將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可以得到后頂尖處的受力應(yīng)為：

(1)

其中，F(xiàn)m為施加的力,由圖3可知Fx與Fy受位置的影響具有一致性。如圖4所示，為了驗(yàn)證理論簡(jiǎn)化是否合理，分別在不同位置對(duì)Fx測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 不同位置結(jié)果

由以上結(jié)果可以近似認(rèn)為實(shí)際磨削力與測(cè)量結(jié)果具有如下關(guān)系:

(2)

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響

通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)相同的情況下，砂輪徑向進(jìn)給速度越大，法向磨削力和切向磨削力也越大。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)需要去除的材料體積會(huì)隨砂輪徑向進(jìn)給速度的增大而增加，進(jìn)而引起了磨削力的增大。

圖5 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn)，在砂輪線速度和砂輪徑向進(jìn)給速度恒定時(shí)，工件轉(zhuǎn)速的增加會(huì)引起法向磨削力和切向磨削力的增大，這是因?yàn)楣ぜD(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致磨粒在單位時(shí)間內(nèi)需要進(jìn)行的磨削次數(shù)變多，參與磨削次數(shù)的增加導(dǎo)致了單磨粒累積的磨削力增加，進(jìn)而導(dǎo)致總的磨削力增大。

圖6 工件轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響

其中轉(zhuǎn)速?gòu)?0 rpm增加到80 rpm磨削力變化較小,這是因?yàn)?0 rpm未能充分發(fā)揮所有磨粒的最大磨削能力，之后磨粒達(dá)到了最大磨削能力，所以磨削力增加明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100 rpm之后，磨削力增加趨勢(shì)又逐步下降，這是因?yàn)椴牧先コ^(guò)程在100 rpm時(shí)已經(jīng)接近完成，因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)需要去除的體積不再增加，所以磨削力增加趨勢(shì)開(kāi)始趨于平緩。

通過(guò)圖7可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他參數(shù)恒定時(shí)，磨削力會(huì)隨著磨削寬度的增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)磨削寬度增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積和參與磨削的磨粒數(shù)都會(huì)增加，兩者共同影響下引起了磨削力的增大。

圖7 磨削寬度對(duì)磨削力的影響

3.2 磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖8為原始工件的X、Y方向在深度方向上的殘余應(yīng)力分布圖，其中X方向?yàn)榇怪蹦ハ鞣较颍琘方向?yàn)槟ハ鞣较?，殘余?yīng)力值為正值表示殘余拉應(yīng)力，負(fù)值表示殘余壓應(yīng)力。由圖可知在0～50 μm深度時(shí)，工件殘余應(yīng)力變化明顯，且在大約20 μm深度時(shí)X方向出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力，Y方向殘余壓應(yīng)力值最小，100 μm后殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)選取的0.2 mm的磨削深度足以去除工件表層殘余應(yīng)力的影響，試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

圖8 原始工件殘余應(yīng)力分布

因?yàn)樵趯?shí)際的磨削過(guò)程中，切向磨削力會(huì)隨法向磨削力的改變而改變，兩者對(duì)殘余應(yīng)力的影響具有一致性。因此，只需要對(duì)法向磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，就可以得到磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

圖9所示為單位寬度法向磨削力[6]對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，從圖中我們可以看到法向磨削力對(duì)工件表面X方向和Y方向的殘余應(yīng)力影響具有一致性，且相同磨削力在X方向引起的殘余壓應(yīng)力值大于在Y方向引起的殘余壓應(yīng)力值，這是因?yàn)樵跈M向磨削加工過(guò)程中，工件材料受到磨刃的擠壓，在垂直磨削方向上引起的塑性變形小于在磨削方向引起的塑性變形，且材料去除大都是沿著磨削方向完成的。單位寬度法向磨削力在0.6～1.9 N/mm范圍內(nèi),工件表面的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，這說(shuō)明在該范圍內(nèi)機(jī)械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力占比得到了提高，磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度較大。在單位寬度法向磨削力約為1.1 N/mm時(shí)，X方向和Y方向的殘余壓應(yīng)力均為最小值。這是因?yàn)槟ハ鳠釙?huì)隨著磨削力的增加相應(yīng)增加，導(dǎo)致工件表面殘余壓應(yīng)力下降，但是受到選取的磨削深度的影響，雖然磨削力增大，磨削熱增加，但是材料去除較快導(dǎo)致磨削時(shí)間縮短，在冷卻效果充分的情況下，磨削熱在深度方向上的傳導(dǎo)和溫度累積效應(yīng)不夠明顯，因此殘余壓應(yīng)力在取得最小值之后又出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象。

圖9 單位寬度法向磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響

如圖10所示為單位寬度法向磨削力對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，從圖中我們可以看出磨削力在X方向和Y方向引起的殘余應(yīng)力雖然在數(shù)值上相差較大，但是隨著深度的增加，分布規(guī)律十分接近。磨削在X方向和Y方向引起的殘余應(yīng)力層深保持一致，約為50 μm，殘余壓應(yīng)力由表面的最大值迅速減小，之后隨著深度的增加，殘余應(yīng)力值逐漸保持穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谀ハ鲿r(shí)間較短的情況下，保證冷卻充分，磨削力對(duì)殘余應(yīng)力的影響程度較大。在這種磨削條件下，磨削熱在深度方向上傳導(dǎo)較淺，因此影響的殘余應(yīng)力層深較淺。

(a) X方向殘余應(yīng)力分布

4 結(jié)論

(1)砂輪徑向進(jìn)給速度、工件轉(zhuǎn)速和磨削寬度的增加都會(huì)導(dǎo)致磨削力的增加，但影響程度不同，工件轉(zhuǎn)速在達(dá)到砂輪最大磨削能力之前引起的磨削力變化極小。在提高工件轉(zhuǎn)速來(lái)提高材料去除率的過(guò)程中，可以通過(guò)使用具有較優(yōu)磨削能力的砂輪，及時(shí)修整砂輪,使用合適的砂輪徑向進(jìn)給速度來(lái)減小磨削力，保證加工質(zhì)量。

(2)在橫向磨削加工過(guò)程中，相同磨削力在X方向引起的殘余壓應(yīng)力值要大于Y方向，這種現(xiàn)象與塑性變形程度和材料去除方向有關(guān)。在冷卻充分的情況下，當(dāng)vs=32 m/s、fr≤0.5 mm/min、n≤140 rpm時(shí)，磨削力在殘余應(yīng)力形成中起到了主要作用，產(chǎn)生的均為殘余壓應(yīng)力，磨削對(duì)殘余應(yīng)力層深的影響約為50 μm，且Y方向上殘余應(yīng)力值隨深度增加變化不大。

(3)磨削熱和磨削力都對(duì)殘余應(yīng)力的形成有重要影響，在一定的磨削深度下，工件表面殘余壓應(yīng)力會(huì)隨著磨削力和磨削熱的增加先減小后增加。在不超出砂輪磨削能力的前提下，使用較大砂輪徑向進(jìn)給速度，較大工件轉(zhuǎn)速，較小磨削深度，可以在提高磨削效率的同時(shí)得到較大的殘余壓應(yīng)力，保證磨削表面質(zhì)量。