南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 楊長(zhǎng)勇 徐九華 顧珅珅 黃大順 傅玉燦

傳動(dòng)系統(tǒng)是直升機(jī)3大關(guān)鍵部件(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和旋翼)之一，在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的所有構(gòu)件中，齒輪、軸承是關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件[1]。由于齒輪與軸承總是在一個(gè)包含拉-壓交變應(yīng)力、剪切應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、磨損以及溫度、腐蝕介質(zhì)的復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行，導(dǎo)致齒輪與軸承的性能好壞與壽命長(zhǎng)短直接決定了傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和可靠性[2]。此外，隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件材料與性能的要求不斷提高。現(xiàn)有的以低合金鋼AISI 52100為代表的一代鋼以及以二次硬化鋼M50NiL為代表的二代鋼已經(jīng)難以滿(mǎn)足這些要求，因此，以CSS-42L超高強(qiáng)度鋼為代表的三代鋼的研制與應(yīng)用逐漸引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視[3-4]。相比于一代鋼和二代鋼，新型CSS-42L鋼具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，尤其是在高強(qiáng)度和高韌性的匹配方面更加突出，這使得該類(lèi)鋼種在齒輪、軸承等傳動(dòng)系統(tǒng)零件中具有廣闊應(yīng)用前景。

但是CSS-42L鋼優(yōu)異的物理力學(xué)性能(尤其是高強(qiáng)度、高硬度和高斷面收縮率)也給其機(jī)械加工，尤其是切削和磨削加工帶來(lái)了難題，屬于典型的難加工材料。磨削加工時(shí)磨削力大、磨削溫度高，砂輪易磨損、使用壽命短，現(xiàn)有關(guān)于其磨削加工性的研究不夠系統(tǒng)和深入，加工中只能依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)選擇砂輪種類(lèi)，并在具體磨削過(guò)程中試湊工藝參數(shù)，存在工具壽命短、加工效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、加工成本高等問(wèn)題[4-5]。鑒于此，非常有必要評(píng)價(jià)CSS-42L鋼的磨削加工性，探索磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削過(guò)程的影響規(guī)律，為確立優(yōu)化的加工工藝參數(shù)提供依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)CSS-42L鋼的高效精密加工具有重要意義。

本文進(jìn)行了TG砂輪緩進(jìn)深切磨削CSS-42L鋼試驗(yàn)研究，以磨削力、力比、磨削比能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)地對(duì)CSS-42L鋼的磨削加工性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)用機(jī)床選用德國(guó)BLOHM公司生產(chǎn)的高速平面磨床(型號(hào)：PROFIMAT MT 408)。砂輪為新型TG陶瓷磨料砂輪，砂輪外徑400mm，工作面寬度20mm，磨料粒度80#(尺寸200～160μm)，硬度等級(jí)G級(jí)，結(jié)合劑是經(jīng)過(guò)特定磨削條件調(diào)制的陶瓷結(jié)合劑(代號(hào)VXP)，最高使用線(xiàn)速度為45m/s。工件材料為CSS-42L超高強(qiáng)度鋼，通過(guò)光譜分析得到其化學(xué)成分列于表1，其基本物理力學(xué)性能列于表2。工件尺寸為25mm×25mm×5mm。

表1 CSS-42L鋼化學(xué)成分

表2 CSS-42L鋼的物理力學(xué)性能

根據(jù)緩進(jìn)給磨削特點(diǎn)和前期預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，綜合考慮設(shè)備的實(shí)際情況，選取的試驗(yàn)條件列于表3。試驗(yàn)過(guò)程采用單點(diǎn)金剛石筆修整器對(duì)TG砂輪進(jìn)行修整，修整參數(shù)列于表4。

表3 試驗(yàn)條件

表4 TG砂輪修整參數(shù)

磨削力的測(cè)量采用瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的KISTLER 9272測(cè)力儀傳感器，可同時(shí)采集豎直、水平和軸向3個(gè)方向的磨削力和一個(gè)方向的扭矩。與之相配的電荷耦合放大器型號(hào)為KISTLER 5070A 10100，其4個(gè)通道可同時(shí)接收測(cè)力儀產(chǎn)生的4個(gè)方向的信號(hào)，本試驗(yàn)中采樣頻率為3kHz。磨削試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 磨削力測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measuring system of gringing force

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

磨削力由剪切、耕犁、滑擦和冷卻液的楔形壓力等部分組成，磨削力對(duì)磨削功率、工件表面粗糙度、加工硬化和工件表面殘余應(yīng)力有重要影響。因此，磨削力被認(rèn)為是磨削過(guò)程中最重要的物理量之一；又因?yàn)槠渚哂腥菀妆粶y(cè)量的特點(diǎn)，所以常被用作監(jiān)測(cè)磨削狀態(tài)的重要參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得的磨削力信號(hào)，反映了砂輪從切入到切出整個(gè)工件磨削的過(guò)程。在砂輪未接觸工件時(shí)，力值基本為零；砂輪切入工件時(shí)，隨著砂輪和工件接觸弧長(zhǎng)增大，參與磨削的有效磨粒數(shù)增加，單顆磨粒切屑厚度增大，切向磨削力和法向磨削力逐漸增大；當(dāng)砂輪完全切入工件，處于穩(wěn)定磨削階段，此時(shí)切向與法向磨削力均處在相對(duì)穩(wěn)定的階段；隨著砂輪逐漸切出工件，切向與法向磨削力隨著參與磨削的有效磨粒數(shù)的減少亦隨之減小。計(jì)算時(shí)，磨削力的實(shí)際值取穩(wěn)定磨削階段力信號(hào)的平均值。

2.1 切深對(duì)磨削力的影響

圖2和圖3分別為工件進(jìn)給速度vw=400mm/min時(shí)，不同砂輪線(xiàn)速度下法向磨削力和切向磨削力隨切深的變化情況。可以看出，在其他磨削參數(shù)不變的前提下，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線(xiàn)速度的增加而減小，各砂輪線(xiàn)速度下的磨削力差值也較小，平均在10N左右。同時(shí)，法向磨削力和切向磨削力均隨著切深的增加呈明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)切深從0.1mm上升到0.4mm時(shí)，對(duì)于vs=25m/s，法向磨削力從16N增加到90N，切向力僅從12N增加到51N。在此條件下，磨削力比(法向磨削力和切向磨削力的比值)也從1.3上升到1.8。當(dāng)工件進(jìn)給速度vw保持不變時(shí)，隨著砂輪線(xiàn)速度vs的增大，速比q=vs/vw增加，磨屑變得更薄、更長(zhǎng)，所以磨削力變小。磨削力隨著切深ap的增加而增大的趨勢(shì)明顯，說(shuō)明切深ap對(duì)緩進(jìn)深切磨削時(shí)的磨削力影響很大。這是因?yàn)椋谏拜喚€(xiàn)速度vs和工件進(jìn)給速度vw相同的情況下，切深增加意味著砂輪與工件的接觸長(zhǎng)度增加，單顆磨粒切除的最大未變形材料的厚度變大，同時(shí)砂輪結(jié)合劑、磨屑及工件之間的滑擦作用也增強(qiáng)，因而磨削力也隨之增大；磨削力比增大，是因?yàn)槟バ己穸鹊脑黾釉斐缮拜喦腥牍ぜ碾y度增大[6]。

圖2 切深對(duì)法向力的影響 (vw=400mm/min)Fig.2 Effect of depth of cut on normal grinding force (vw=400mm/min)

圖3 切深對(duì)切向力的影響(vw=400mm/min)Fig.3 Effect of depth of cut on tangential grinding force(vw=400mm/min)

2.2 工件進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

圖4和圖5分別為在切深ap=0.2mm時(shí)，不同砂輪線(xiàn)速度下工件進(jìn)給速度對(duì)法向磨削力和切向磨削力的影響情況?？梢钥闯?，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線(xiàn)速度vs的增加而減小，隨著工件進(jìn)給速度vw的增加而上升。同時(shí)，與以上切深ap對(duì)法向磨削力和切向磨削力的影響類(lèi)似，當(dāng)工件進(jìn)給速度從vw=200mm/min上升到vw=800 mm/min時(shí)，以vs=25m/s時(shí)為例，法向磨削力從20N上升至75N，而切向力僅從14N上升到40N，磨削力比也隨之從1.4上升至1.9。究其原因，隨著砂輪線(xiàn)速度vs的增加，速比q=vs/vw也隨之變大，在其他條件相同時(shí)，磨屑變得薄而長(zhǎng)，故磨削力變小，而工件進(jìn)給速度vw的增加會(huì)引起速度q的下降，使磨屑變得厚而短，故磨削力變大。而磨削力比快速上升的原因與之前所述相同，也是因?yàn)閱晤w磨粒切厚變大，使得砂輪切入工件材料的難度增加。

2.3 材料去除率對(duì)磨削力的影響

圖4 工件進(jìn)給速度對(duì)法向力的影響(ap=0.2mm)Fig.4 Effect of workpiece speed on normal grinding force(ap=0.2mm)

圖5 工件進(jìn)給速度對(duì)切向力的影響(ap=0.2mm)Fig.5 Effect of workpiece speed on tangential grinding force(ap=0.2mm)

單位寬度材料去除率Zw'定義為單位寬度砂輪在單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積，是緩進(jìn)深切磨削過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)[7]。

圖6和圖7分別顯示了切深ap=0.3mm時(shí)，3種不同的砂輪線(xiàn)速度下，法向磨削力和切向磨削力隨單位寬度材料去除率Zw'的變化情況。圖中可以看出，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線(xiàn)速度的下降和單位寬度材料去除率的增加而上升。砂輪線(xiàn)速度vs=25m/s時(shí)，單位寬度材料去除率從1.0mm3/(mm·s)增大到3.0mm3/(mm·s)時(shí)，法向磨削力從25N增大到100N，切向磨削力從15N增大到56N，磨削力比從1.67增大到了1.79。

2.4 磨削比能

磨削比能指單位時(shí)間內(nèi)去除單位材料體積所消耗的能量[8]，是反映材料磨削加工性的重要指標(biāo)，可由下式計(jì)算得出[9]：

式中，es為磨削比能(J/mm3)，F(xiàn)t為切向磨削力(N)，vs為砂輪線(xiàn)速度，vw為工件進(jìn)給速度，ap為切深，b為磨削寬度(mm)。

圖6 材料去除率對(duì)法向力的影響Fig.6 Effect of material removal rate on normal grinding force

圖7 材料去除率對(duì)切向力的影響Fig.7 Effect of material removal rate on tangential grinding force

當(dāng)量磨削厚度表示在砂輪單位寬度上接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)同時(shí)參加工作的磨粒切下的未變形切屑截面積所集合成的一個(gè)假想的截面厚度，與磨削力、磨削比能之間的關(guān)系不隨速度比q的變化而變化[10]?？杀硎緸椋?/p>

結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)得的部分磨削力數(shù)據(jù)，可得到TG砂輪磨削CSS-42L鋼時(shí)，磨削比能隨當(dāng)量磨削厚度的變化曲線(xiàn)，如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)量磨削厚度aeq＜0.06μm時(shí)，磨削比能es隨著當(dāng)量磨削厚度的增大，急劇下降，從aeq=0.016μm時(shí)的120J/mm3減小到aeq=0.06μm 時(shí)的約 80J/mm3；當(dāng)aeq＞0.06μm 后，磨削比能的下降趨勢(shì)變得非常緩慢，從aeq=0.06μm時(shí)的80J/mm3減小到aeq=0.16μm時(shí)的約70J/mm3。說(shuō)明在當(dāng)量磨削厚度較小時(shí)，磨削比能較大，即在當(dāng)量磨削厚度小的情況下去除單位體積的CSS-42L鋼材料所需的能量較多。這主要是因?yàn)?，隨著當(dāng)量磨削厚度的減小，未變形切屑厚度變小，金屬晶格內(nèi)部位錯(cuò)存在缺陷的概率就越小[11]，磨粒剪切金屬的過(guò)程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中的概率和應(yīng)力集中點(diǎn)就越少，造成塑性變形所需要消耗的能量更多。因此，在TG砂輪進(jìn)行CSS-42L鋼緩進(jìn)深切磨削時(shí)，應(yīng)選取合適的磨削工藝參數(shù)，在滿(mǎn)足當(dāng)量磨削厚度大于0.06μm的條件下，盡可能提高材料去除率。

圖8 磨削比能隨當(dāng)量磨削厚度的變化Fig.8 Specific grinding energy versus equal depth of cut

3 結(jié)論

本文采用TG砂輪進(jìn)行了CSS-42L鋼緩進(jìn)深切磨削試驗(yàn)，通過(guò)分析不同磨削用量條件下，CSS-42L鋼的磨削力、力比和磨削比能，研究了CSS-42L鋼的磨削加工性。主要結(jié)論如下：

(1)隨著砂輪線(xiàn)速度的增加，磨削力下降，隨著工件進(jìn)給速度、切深和材料去除率的增大，磨削力變大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，切深、工件進(jìn)給速度和材料去除率對(duì)磨削力影響十分顯著，砂輪線(xiàn)速度的影響相對(duì)較小。

(2)增大砂輪線(xiàn)速度，磨削力比減小，增大工件進(jìn)給速度和切深，磨削力比增大；試驗(yàn)條件下，磨削力比最小為1.3，最大為1.9。

(3)TG砂輪緩進(jìn)深切磨削CSS-42L鋼時(shí)，磨削比能隨著當(dāng)量磨削厚度的增大，呈下降的趨勢(shì)；當(dāng)aeq＜0.06μm 時(shí)，磨削比能es的降幅較大，當(dāng)aeq＞0.06μm時(shí)，磨削比能下降趨勢(shì)變得十分平緩，最小值約在70J/mm3；在選取磨削工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)使當(dāng)量磨削厚度大于0.06μm。

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