郜 偉，李夢琪，殷會鵬，張銀霞，劉治華

（1.鄭州大學 機械與動力工程學院,鄭州 450001）

（2.鄭州大學 河南省資源與材料工業(yè)技術研究院,鄭州 450001）

數控成形磨削加工具有數字化、高柔性化、高精度加工、高效率等特點，是提高工件形面精度和表面質量的合理、有效的加工方式[1]。成形砂輪修整是成形磨削的關鍵技術之一，與一般砂輪的修整不同，其不僅要保證修去砂輪工作表面已磨損的部分，以恢復砂輪的磨削性能，還需要保證砂輪外圓被修整成與復雜工件輪廓相吻合的形狀，從而實現復雜輪廓的磨削。因此，研究成形砂輪修整是精密、超精密加工技術的重中之重[2]。

金剛石碟輪和單顆粒金剛石筆因其耐磨性高、使用壽命長、修整質量高等特點，適用于高精度成形砂輪修整[3]。然而，不同的成形砂輪修整工具和修整工藝參數均會對砂輪的形面精度和表面質量產生影響，進而也會對磨削表面完整性產生影響[4]。鄧效忠等[5]通過分析等距曲線原則，求解金剛輪修整砂輪的運動軌跡，并基于Matlab進行了成形砂輪修整的二次開發(fā)，實現了“等距 + 移距”修整方式下的擺線輪成形磨削砂輪的修整仿真分析。袁尚勇等[6]通過研究電火花機械磨削法成形修整粗粒度金剛石砂輪，分析了該成形修整方法的材料去除機理，并對影響砂輪修整精度及效率的放電參數進行了優(yōu)化。DERKX等[7]對成形磨粒破碎修整方法修整金剛石砂輪進行了研究，開發(fā)了一種可與修整砂輪同步控制的形狀擠壓輪廓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以很大限度地提高成形砂輪的耐磨性能。HE等[8]提出了一種應用于數控成形磨削的修整圓盤砂輪軸向截面輪廓形狀的計算方法，通過研究圓柱齒輪的原理和輪廓加工原理，建立了圓柱齒輪漸開線表面成形磨削的數學模型。由此可見，目前國內外學者關于成形砂輪修整方法和機理的研究較為豐富，但是關于成形砂輪修整工藝對磨削性能以及表面完整性影響的研究則較少。

18CrNiMo7-6是一種表面硬化的合金結構鋼，因其具有優(yōu)良的綜合機械性能，被普遍使用于變速箱齒輪的生產中[9-11]?？椎氯旱萚12]研究了殘余應力與磨削裂紋形成和擴展的影響關系以及18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火后磨削燒傷與金相組織的影響關系。張錦濤[13]探究了干式外圓切入磨削的磨削參數對18CrNiMo7-6鋼的磨削溫度及表面完整性的影響規(guī)律。ZHANG等[14]對18CrNiMo7-6齒輪鋼進行了單因素試驗，研究了高速外圓磨削對18CrNiMo7-6表層硬度和顯微組織的影響。由此可見，關于磨削加工工藝對18CrNiMo7-6鋼磨削性能和表面完整性影響的研究較多，但是關于成形砂輪修整工藝對18CrNiMo7-6鋼磨削性能和表面完整性影響的研究則較少。因此，選取殘余應力和表面粗糙度這2個表面完整性評價指標，重點探究不同的成形砂輪修整工藝及修整參數對磨削后試樣表面完整性的影響規(guī)律。

為研究18CrNiMo7-6鋼疲勞試樣工作區(qū)域的成形磨削砂輪修整工藝，分別采用樹脂結合劑金剛石碟形砂輪、青銅結合劑金剛石碟形砂輪和單顆粒金剛石修整筆對陶瓷結合劑鉻剛玉砂輪進行成形砂輪修整工藝參數對磨削性能影響的正交試驗，通過將磨削后試樣表層殘余應力和表面粗糙度作為評價指標，采用歸一化無量綱方法分析探究不同成形砂輪修整工藝對磨削表面完整性的影響。

1 試驗方案

1.1 修整試驗方案

試驗在MKE1620A數控外圓磨床上進行。采用電主軸帶動修整碟輪轉動，并通過定制的底座將其固定到MKE1620A數控端面外圓磨床的工作臺上，實現金剛石碟輪的成形修整。在磨床上固定單顆粒金剛石筆即可實現單顆粒金剛石筆的成形修整。試驗原理如圖1和圖2所示。

圖1 金剛石碟輪修整原理圖Fig.1 Schematic diagram of diamond disc wheel dressing

圖2 單顆粒金剛石筆修整原理圖Fig.2 Schematic diagram of single particle diamond pen dressing

采用粒度號為F60，外徑為400 mm，寬度為40 mm的陶瓷結合劑鉻剛玉砂輪作為被修砂輪；而為了能順利去除被修砂輪的磨損部分，修整輪粒度應小于被修砂輪粒度，故采用粒度號為F36，外徑為150 mm，砂寬和砂厚均為5 mm，斜邊角度為45°的樹脂結合劑金剛石碟輪和青銅結合劑金剛石碟輪作為修整輪進行試驗；采用型號為L1的單顆粒金剛石筆進行修整試驗。圖3為試驗所用的修整工具，圖4為使用樹脂金剛石碟輪數控成形修整鉻剛玉砂輪的過程，整個修整和磨削過程均需注入冷卻液（采用水基乳化液作為冷卻液進行冷卻）。

圖3 樹脂結合劑金剛石碟輪、青銅結合劑金剛石碟輪和單顆粒金剛石筆Fig.3 Resin bonded diamond disc wheel,bronze bonded diamond disc wheel and single particle diamond pen

圖4 樹脂金剛石碟輪數控成形修整鉻剛玉砂輪Fig.4 Resin bonded diamond disc wheel CNC forming and dressing chrome corundum grinding wheel

以金剛石碟輪的修整切深ad、軸向進給速度fd和修整速比qd（修整輪與被修砂輪線速度之比）為因素設計3因素3水平正交試驗，并以單顆粒金剛石筆的修整切深ad、軸向進給速度fd為因素設計2因素3水平正交試驗，砂輪線速度及修整速比qd試驗參數如表1所示，正交試驗參數如表2所示，其中單顆粒金剛石筆沒有修整速比qd參數。修整時，在每個預設的修整工藝參數下成形修整5次，再進行2次光修。

表1 砂輪線速度及修整速比試驗參數Tab.1 Test parameters of grinding wheel linear speed and dressing speed ratio

表2 修整正交試驗參數Tab.2 Trimming orthogonal test parameters

1.2 試樣準備及磨削試驗方法

將長度為82 mm，直徑為14.5 mm的試樣車成帶有圓弧段的疲勞試樣，然后進行熱處理：滲碳—油浴淬火—低溫回火—自然冷卻，最后進行磨削加工，磨削時采用橫磨的方法，即工件不需做縱向進給運動，砂輪以緩慢的速度朝工件做橫向進給運動，直到磨去全部余量，磨削試樣尺寸要求如圖5所示。每磨削2個試樣修整1次砂輪，修整工具為單顆粒金剛石筆。制備完成后的試樣，滲碳層深度為0.7 mm，表面殘余應力為-200～-250 MPa，表面硬度為56～60 HRC。

圖5 試樣零件圖Fig.5 Sample parts drawing

分別采用各個修整工藝參數來修整砂輪，并使用修整后的砂輪在相同的磨削工藝參數下磨削18CrNiMo7-6試樣，磨削工藝參數見表3。

表3 橫磨工藝參數設定Tab.3 Horizontal grinding process parameter setting

1.3 檢測儀器

殘余應力采用Proto 公司的LXRD 殘余應力分析儀，其采用的原理為X射線衍射法。表面粗糙度采用Bruker公司的NPFLEX表面輪廓儀進行檢測。測量時每個試樣的工作部分隨機選取3個點，分別測量這3個點的表層軸向殘余應力σx、周向殘余應力σy以及表面粗糙度Ra，并取平均值。

2 結果與分析

2.1 修整工藝參數對磨削表面完整性的影響

2.1.1 修整切深ad對磨削表面完整性的影響

不同修整工具條件下，修整切深ad對表面完整性的影響如圖6所示。由圖6可知：隨著ad的增大，磨削表面更容易形成殘余壓應力，其中由青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削加工表面產生的軸向殘余壓應力和周向殘余壓應力最大，樹脂結合劑金剛石碟輪修整砂輪的次之，單顆粒金剛石筆修整砂輪的最小，且前2種修整方法加工表面殘余應力隨著ad的增大變化趨勢平緩，后者變化較為明顯。隨著ad的增大，磨削表面粗糙度整體呈增大趨勢，其中單顆粒金剛石筆修整的砂輪磨削加工后，加工表面的粗糙度最低，青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪在ad較小時，加工表面粗糙度優(yōu)于樹脂結合劑金剛石碟輪修整砂輪的，但隨著ad的增大，后者的表面粗糙度將優(yōu)于前者的。

圖6 不同修整工具下修整切深對表面完整性的影響Fig.6 Effect of trimming depth of cut on surface integrity with different trimming tools

這是因為隨著ad的增大，修整后砂輪磨粒突出結合劑的高度增大，砂輪磨粒鋒利，磨削的切削作用強，且容屑空間也大，磨削溫度低，由磨粒的機械作用引起的塑性變形作用占比增大，有利于形成磨削殘余壓應力[15]。然而隨著修整切深的增大，砂輪磨粒發(fā)生更大程度的破碎和脫落，砂輪表面有效粗糙度值增大，并以一定的比例反映在工件上，從而導致磨削加工表面粗糙度值增大[16]。

2.1.2 軸向進給速度fd對磨削表面完整性的影響

不同修整工具條件下，軸向進給速度fd對表面完整性的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著fd的增大，磨削表面更容易形成殘余壓應力。

圖7 不同修整工具下軸向進給速度對表面完整性的影響Fig.7 Effect of axial feed rate on surface integrity with different dressing tools

青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削后加工表面產生的軸向殘余壓應力和周向殘余壓應力最大，樹脂結合劑金剛石碟輪修整砂輪的次之，單顆粒金剛石筆修整砂輪的最小。隨著fd的增大，磨削表面粗糙度逐漸增大，單顆粒金剛石筆修整的砂輪磨削加工后，加工表面的粗糙度最低，青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪在fd較小時，加工表面優(yōu)于樹脂結合劑金剛石碟輪修整砂輪的，但隨著fd的增大，后者的表面粗糙度將優(yōu)于前者的。

出現這種現象的原因可能是，隨著fd的增大，磨粒主要發(fā)生宏觀破碎形成新的鋒利的微刃，砂輪的切削能力增強；同時砂輪表面切削刃密度降低，磨削溫度低，磨削的機械作用引起的塑性變形作用占比增大，產生較大的殘余壓應力[16]。然而，隨著fd的增大，金剛石顆粒對砂輪上磨粒的沖擊作用增強，砂輪表面磨粒間距增大，產生較大的未變形厚度，從而導致磨削產生更深的磨痕，進而導致磨削加工表面粗糙度值增大[17]。

2.1.3 修整速比qd對磨削表面完整性的影響

不同修整工具條件下，修整速比qd對表面完整性的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著qd的增大，磨削表面更容易形成殘余壓應力，且在qd為0.6時殘余壓應力會增大，但整體上，青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削后，加工表面產生的軸向殘余壓應力和周向殘余壓應力均優(yōu)于樹脂結合劑金剛石碟輪修整砂輪的。隨著qd的增大，磨削表面粗糙度Ra整體呈增大趨勢，青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削加工后，加工表面的粗糙度變化趨勢較為明顯，而樹脂結合劑金剛石碟輪修整的砂輪變化較為平緩；且在qd較小時，前者加工表面的粗糙度較好，隨著qd的增大，情況則相反。

圖8 不同修整工具下，修整速比對表面完整性的影響Fig.8 Effect of dressing speed ratio on surface integrity with different dressing tools

其原因是qd的變化改變了修整時切削作用與擠壓作用的比例，當qd增大時，由于修整輪線速度接近于砂輪線速度，修磨作用急劇減弱而擠壓作用急劇增強，磨粒易發(fā)生宏觀破碎而形成大量鋒利的切削刃，導致磨削加工表面粗糙度值增大；同時砂輪磨削能力增強，這時砂輪磨削的機械作用引起的塑性變形作用占比增大，因此殘余壓應力值較大[18]。

2.1.4 修整工具對磨削表面完整性影響對比

由上述研究結果可知，采用單顆粒金剛石筆修整的砂輪磨削加工表面粗糙度值最小，樹脂結合劑金剛石碟輪次之，青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削加工表面最為粗糙。然而，使用青銅結合劑金剛石碟輪修整的砂輪磨削更容易形成較大的表面殘余壓應力，樹脂結合劑金剛石碟輪次之，單顆粒金剛石筆修整的砂輪磨削形成的表層殘余壓應力值最小。這是由于青銅結合劑金剛石碟輪的強度更高，耐磨性能更好，修整砂輪時以擠壓作用為主，更容易修整出比較鋒利的切削刃，使得砂輪磨削性能更強；而樹脂結合劑有較好的拋光性能和一定的彈性，修整出的砂輪表面較平滑，磨削性能較差，因此采用前者修整后砂輪磨削更容易形成對抗疲勞性能有益的殘余壓應力，然而其磨削加工表面更加粗糙[19]。

使用單顆粒金剛石筆修整后砂輪磨削得到的殘余壓應力最小，這是因為在相同的修整切深和軸向進給速度的前提下，與金剛石碟輪修整時相比，單顆粒金剛石筆是固定的，在金剛石筆和砂輪的接觸點處的相對速度大，修整的修磨作用占比大，修整后的砂輪表面粗糙度值更低，磨削能力也最差，因此磨削加工表面表面粗糙度值更低，然而得到的殘余壓應力最小。

2.2 修整工具對表面完整性的影響對比分析

在相同的修整工藝參數條件下，采用青銅結合劑金剛石碟輪修整可以形成較大的殘余壓應力，然而其表面粗糙度較差；采用單顆粒金剛石筆修整可以得到表面粗糙度值更低的表面，然而其殘余壓應力最小。故采用歸一化無量綱方法對各修整工藝下所測得的表面完整性指標進行綜合評價[20]。

綜合考慮磨削加工工藝作用以及表面粗糙度和殘余應力對疲勞性能的影響程度，給出各個表面完整性指標的影響權重值：表面粗糙度Ra為0.4，軸向殘余應力和周向殘余應力均為0.3[21]。由于表面粗糙度Ra值越小越好，而軸向和周向殘余壓應力值越大越好，則在某個修整工藝參數下測得的表面完整性綜合量值Xi如式（1）所示：

式中：Rai、σxi和σyi分別為第i個修整工藝參數下測得的表面粗糙度Ra值、軸向殘余應力值和周向殘余應力值；Ramin和Ramax分別為所有表面粗糙度最小值和最大值；σxmin和σxmax分別為所有軸向殘余應力的最小值和最大值；σymin和σymax分別為所有周向殘余應力的最小值和最大值；n、m1和m2分別為表面粗糙度、軸向殘余應力和周向殘余應力的影響權值。

由式（1）可看出：綜合量值越接近于1，表明表面粗糙度Ra越接近最小值，而殘余壓應力值σx和σy越接近最大值，即表明此時磨削加工表面完整性越好。

金剛石碟輪和單顆粒金剛石筆修整時磨削表面完整性綜合量值如表4和表5所示。在本試驗所選數值范圍內，綜合考慮表面粗糙度和殘余應力，采用青銅結合劑金剛石碟輪修整時的綜合量值平均值最高，表示其表面完整性優(yōu)于其他2種修整方法的。而采用青銅結合劑金剛石碟輪修整在ad=4 μm，fd=100 mm/min，qd=0.3時綜合量值達到了0.706 182，為所有綜合量值的最高值，此時磨削表面完整性較優(yōu)。

表4 金剛石碟輪修整后磨削表面完整性無量綱綜合量值Tab.4 Dimensionless comprehensive value of grinding surface integrity of diamond disc wheel after dressing

表5 單顆粒金剛石筆修整后磨削表面完整性無量綱綜合量值Tab.5 Dimensionless comprehensive value of ground surface integrity after dressing with single particle diamond pen

3 結論

針對不同砂輪修整工具和修整工藝參數對磨削表面完整性的影響進行試驗分析，得到以下結論：

（1）使用樹脂結合劑金剛石碟輪、青銅結合劑金剛石碟輪和單顆粒金剛石修整筆3種砂輪修整工具修整砂輪時，隨著各修整工藝參數的增大，磨削表面更容易獲得對抑制疲勞裂紋擴展有益的殘余壓應力，但其磨削表面粗糙度Ra值也隨之增大。

（2）使用青銅結合劑金剛石碟輪修整后磨削更容易獲得較大的殘余壓應力，而使用單顆粒金剛石筆修整后容易獲得表面粗糙度值更低的磨削加工表面。

（3）采用歸一化無量綱方法綜合評價3種修整工具磨削表面完整性，在所選參數范圍內，采用青銅結合劑金剛石碟輪修整時，其表面完整性優(yōu)于其他2種修整方法的。而采用青銅結合劑金剛石碟輪修整在修整切深ad、軸向進給速度fd和修整速比qd分別為4 μm、100 mm/min和0.3時綜合量值最大，此時使磨削表面完整性較優(yōu)。