朱躍偉，張家梁，鄭小虎，李蓓智

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

高速磨削砂輪磨損對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響研究*

朱躍偉，張家梁，鄭小虎，李蓓智

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

基于陶瓷CBN砂輪對(duì)滲碳鋼20CrMnTi開展了高速外圓磨削試驗(yàn)。在外圓磨削余量和工藝參數(shù)固定的惰況下對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)磨削，以工件上的磨除體積為砂輪磨損指標(biāo)，考察了砂輪磨損對(duì)工件表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表層金相組織和顯微硬度變化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工件表面粗糙度會(huì)隨著砂輪磨損而上升，表面殘余應(yīng)力隨著砂輪磨損逐漸呈現(xiàn)拉應(yīng)力的趨勢(shì)，磨削表面會(huì)出現(xiàn)回火軟化變質(zhì)層。該結(jié)果可為進(jìn)一步研究高速磨削機(jī)理及優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)。

高速外圓磨削；砂輪磨損；表面質(zhì)量

0 引言

高速磨削是通過提高砂輪線速度來達(dá)到提高磨削效率和磨削質(zhì)量的工藝方法，通過這種方法可大幅度提高磨削生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)砂輪使用壽命，降低磨削表面粗糙度，減小磨削力和工件受力變形，提高工件的加工精度［1］。

磨削時(shí)的輸入條件主要包括磨床、工件、磨削用量和砂輪，這些輸入條件都會(huì)對(duì)磨削過程產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而會(huì)進(jìn)一步影響工件磨削后的精度、表面完整性、磨削效率與磨削成本等。分析研究磨削過程與磨削現(xiàn)象，對(duì)改進(jìn)磨削工藝、提高磨削生產(chǎn)效率及改善表面完整性有著重要意義。

目前國內(nèi)外對(duì)于高速磨削的研究主要集中在高速磨削機(jī)理以及磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響規(guī)律上，而對(duì)磨削過程的其他一些影響因素，如砂輪磨損對(duì)表面質(zhì)量的影響研究則較少，且沒有對(duì)表面質(zhì)量的各個(gè)方面進(jìn)行比較全面的分析。

20CrMnTi是表面滲碳硬化處理用鋼，含碳量通常為0.17%～0.24%，屬于低碳鋼，汽車上多用其制造傳動(dòng)齒輪、軸類、活塞類零配件等，汽車上此類零件的加工表面質(zhì)量直接影響到傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)劣。將高速磨削運(yùn)用于汽車軸類零件的加工可以有效的提高磨削效率，同時(shí)獲得較好的表面質(zhì)量。

鑒于此，本文提出了對(duì)滲碳鋼20CrMnTi進(jìn)行連續(xù)磨削，以考察砂輪磨損對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響，并以磨除體積作為砂輪磨損的指標(biāo)，將磨削后表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表層金相組織變化和表層顯微硬度作為表面質(zhì)量的考核指標(biāo)，對(duì)磨削后表面質(zhì)量進(jìn)行比較全面的分析，為后續(xù)的砂輪修整周期和工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 砂輪的磨損與修整

砂輪磨損一般分為三種形式：磨耗磨損、破碎磨損和砂輪的阻塞粘附［2］。Zhiqiang Liang等人在利用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削單晶粒藍(lán)寶石的研究中發(fā)現(xiàn)砂輪的主要磨損形式是粘附和磨耗磨損［3］。Daniela Herman從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削軸承的砂輪磨損做了研究［4］。Shi Z，Malkin S等人進(jìn)行電鍍CBN砂輪磨削淬硬軸承鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)電鍍CBN砂輪的主要磨損形式是磨粒的破碎和脫落［5］。Upadhyays R P等人研究了砂輪磨損對(duì)熱比例分配系數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著砂輪徑向磨損量的增加，砂輪表面的動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)會(huì)呈增加趨勢(shì)，并且成為砂輪工作表面磨耗面積增加的主要原因［6］。王宗勇［7］以總切深量為砂輪磨損指標(biāo)考察了磨削比和表面粗糙度隨砂輪磨損與的變化。鄭青竹［8］研究了微細(xì)磨削中砂輪磨損過程中磨削力以及表面粗糙度的變化。

砂輪的修整方法主要分為車削法、滾軋法和磨削法三種。車削法修整以金剛石為修整工具，仿效車削方式修整砂輪；滾軋修整砂輪時(shí)，修整工具以一定壓力與砂輪接觸，由砂輪帶動(dòng)修整工具轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行修整；磨削法修整采用磨料圓盤或金剛石滾輪仿效磨削過程修整砂輪［10-11］。

金剛石滾輪整形屬于磨削整形法中的一種，是采用電鍍法或粉末冶金法制造金剛石滾輪，將其與CBN砂輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)砂輪整形。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滾輪耐用度高、能同時(shí)在砂輪全寬度上進(jìn)行修整、修整時(shí)間短、修整力小、能復(fù)制形狀復(fù)雜的砂輪輪廓。本次實(shí)驗(yàn)采用金剛石滾輪作為整形和修銳的工具，整形的目的是改變砂輪的宏觀形狀，使砂輪達(dá)到要求的幾何形狀和尺寸精度，并使磨粒尖端微細(xì)破碎形成鋒利的磨刃；修銳則是通過去除砂輪磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒凸出結(jié)合劑表面，形成必要的容屑空間，使砂輪具有最佳磨削能力［9，12］。通過調(diào)整砂輪修整相關(guān)工藝參數(shù)，一次裝夾完成陶瓷CBN砂輪的整形和修銳。實(shí)驗(yàn)所選取的砂輪修整參數(shù)如表1所示。

表1 砂輪修整參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)條件與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

磨削實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床為東華大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心同上海機(jī)床廠聯(lián)合研發(fā)的高速外圓磨床，型號(hào)MGKS1332/H-SB-04，砂輪主軸最高轉(zhuǎn)速為150m/s，電主軸功率37kW，砂輪主軸裝有SBS動(dòng)平衡儀。實(shí)驗(yàn)中采用陶瓷結(jié)合劑 CBN砂輪，粒度 91#、直徑φ400mm、寬度22mm。表面粗糙度測(cè)量采用JB-4C精密粗糙度儀；殘余應(yīng)力測(cè)量采用Proto-X射線殘余應(yīng)力儀，如圖1所示為測(cè)量軸向殘余應(yīng)力（σ_0°）時(shí)的工況，在此位置工件順時(shí)針轉(zhuǎn)過90°后即可測(cè)量切向殘余應(yīng)力（σ_90°）；顯微硬度測(cè)量采用HXD-1000型手動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)。

圖1 軸向殘余應(yīng)力測(cè)量

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

磨削實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)是根據(jù)現(xiàn)有磨削工藝參數(shù)而制定的，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 磨削工藝參數(shù)

圖2 工件取樣

圖3 制作完的試樣

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照表2的工藝參數(shù)，在如圖2所示工件的每段外圓上連續(xù)磨削三次，每次磨削去除的體積的計(jì)算公式為：

式中ae—磨削余量（mm）；

B—每段外圓寬度（mm）；

d—工件外圓直徑（mm）。

累計(jì)磨除體積為工件上每段外圓磨除體積的總和，累計(jì)次數(shù)為各段外圓磨削次數(shù)之和。磨削累計(jì)次數(shù)和累計(jì)磨除體積計(jì)算結(jié)果如表3所示。磨削完成后用相關(guān)儀器測(cè)量工件上每段外圓的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，之后再利用電火花線切割方法從磨削完的工件表面截取試樣，并記錄編號(hào)，如圖2所示。為方便試樣的磨制及拋光，采用黑色膠木粉對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌，然后依次用800#、1000#、1200#、1500#四種金相砂紙進(jìn)行拋磨，之后再在拋光機(jī)上拋光，直至試樣表面光亮無痕，出現(xiàn)鏡面效果，制作完成的試樣如圖3所示。最后用顯微硬度儀從磨削表面開始逐層向里測(cè)量其維式硬度，直至材料基體，實(shí)驗(yàn)加載載荷為100g，加載時(shí)間為15s。

表3 累計(jì)磨除體積

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面粗糙度分析

利用粗糙度儀測(cè)量每段外圓表面粗糙度時(shí)，分別在各段外圓的圓周上三個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，取其平均值。測(cè)得的每段外圓的表面粗糙度的變化曲線如圖4所示。

從圖中可以看出除了第一段與第二段外圓的表面粗糙度出現(xiàn)小幅度下降以外，其余磨削面的粗糙度都隨著磨除體積的增加，呈明顯的上升趨勢(shì)。分析其原因是：新修整砂輪的表面磨粒比較鋒利且動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)目較少，磨削工件表面時(shí)會(huì)留下較深的劃痕；隨著工件材料磨除體積的增加，原本鋒利的磨粒有可能因?yàn)槟ト刑帍?qiáng)度較弱而快速變鈍或破碎，參與初期磨削的部分磨粒也可能因?yàn)榕c結(jié)合劑的強(qiáng)度較弱而快速脫落，此時(shí)動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)增加，使得磨削后的表面粗糙度有一定的改善；但隨著磨削的進(jìn)行，磨粒與工件表面滑擦作用、磨粒與磨削區(qū)的化學(xué)反應(yīng)以及磨粒的塑性變形作用加強(qiáng)，使得磨粒逐漸變鈍，砂輪的磨削性能下降，導(dǎo)致磨削工件表面質(zhì)量惡化，表面粗糙度值上升。假設(shè)磨除體積用V表示，表面粗糙度值用R表示，利用Minitab軟件進(jìn)行二次回歸分析，得到V與R之間的關(guān)系式為：

式中R的單位為μm，的單位為cm3。圖4中上面一條曲線為擬合曲線，從圖中擬合曲線與測(cè)量值之間的對(duì)比可以看出擬合曲線具有一定的可靠性。

由于車軸類零件的表面粗糙度值Ra一般要求下于0.8μm，故根據(jù)上式分析得出當(dāng)磨除體積超過15596mm3時(shí)表面粗糙度值會(huì)超過0.8μm。在此磨除率下需要重新修整砂輪以保證表面質(zhì)量在給定的范圍內(nèi)。

圖4 表面粗糙度隨磨除體積變化圖

3.2 表面殘余應(yīng)力分析

圖5為工件上每段外圓的軸向（σ_0°）和切向（σ_ 90°）表面殘余應(yīng)力曲線，從圖中可以看出殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且隨著磨除體積的增加，壓應(yīng)力值整體呈下降趨勢(shì)。分析原因是新修整的砂輪磨粒的切削刃較鋒利，切削性能較好，磨削力較小，故磨削時(shí)機(jī)械作用較強(qiáng)烈，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力；隨著砂輪磨損加劇，磨粒的切削能力降低，磨削力增大，使磨削時(shí)的機(jī)械作用減弱，磨削熱增加，因而熱影響增大，導(dǎo)致工件表層殘余壓應(yīng)力減少。此結(jié)果說明磨削殘余應(yīng)力的大小和性質(zhì)主要由磨削過程中的機(jī)械作用和磨削熱決定，且機(jī)械作用越強(qiáng)，殘余壓應(yīng)力越大；磨削溫度越高，殘余壓應(yīng)力減小。

圖5 磨除體積與表面殘余應(yīng)力關(guān)系曲線

3.3 磨削后表面金相組織分析

圖5為試樣基體和磨削表層金相組織圖。從圖5a中可以看出，試樣的基體金相組織主要由低碳馬氏體、鈦化物和殘余奧氏體組成；在圖5b為磨削表面層的金相組織圖，圖中可以看出磨削表層出現(xiàn)了明顯的變質(zhì)層，這是淬火馬氏體的中溫回火產(chǎn)物—回火屈氏體，其特征是馬氏體針狀形態(tài)逐步消失，但仍可見（含鉻合金鋼，其合金鐵素體的再結(jié)晶溫度較高，故仍保持針狀形態(tài)），析出的碳化物細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下難以辨認(rèn)，極易受浸蝕而變黑。從理論上來說，此時(shí)鋼的硬度降低，且強(qiáng)度下降。

圖6 試樣金相組織圖

3.4 表面顯微硬度分析

圖7～圖11為工件各段外圓磨削后表層顯微硬度隨深度變化圖，從圖中可以看出，各段外圓磨削表層都有一定程度的軟化，分析原因?yàn)椋耗ハ鲿r(shí)溫度較高，出現(xiàn)了回火軟化現(xiàn)象，即馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞捕容^低的回火屈氏體，使得表層硬度降低，此結(jié)果與磨削后金相組織分析結(jié)果一致。試樣1～5表層軟化層厚度分別為60μm、50μm、60μm、70μm和100μm，軟化層厚度總體呈上升趨勢(shì)，此結(jié)果與表面粗糙度的變化較一致。

圖7 1號(hào)試件表層顯微硬度變化曲線

圖8 2號(hào)試件表層顯微硬度變化曲線

圖9 3號(hào)試件表層硬度變化曲線

圖10 4號(hào)試件表層顯微硬度變化曲線

圖11 5號(hào)試件表層顯微硬度變化曲線

4 結(jié)論

本文用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪對(duì)滲碳鋼20CrMnTi工件開展了高速外圓磨削試驗(yàn)。在磨削余量和工藝參數(shù)固定的情況下對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)磨削，并以累積磨除體積為砂輪磨損程度指標(biāo)，考察了砂輪磨損對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）滲碳鋼20CrMnTi工件表面粗糙度會(huì)隨著CBN砂輪磨除體積的增加而上升，并得出了表面粗糙度隨磨除體積的關(guān)系式為R=0.4567-0.018V+ 0.0026V2，并得出了兩次砂輪修整之間磨除體積的參考值；

（2）磨削表面都呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，隨著磨除體積的增加壓應(yīng)力值出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；

（3）各段磨削表層的金相組織從低碳馬氏體轉(zhuǎn)變成了硬度較低的回火屈氏體，出現(xiàn)了回火軟化層，軟化層的厚度隨著磨除體積的增加分別為60μm、50μm、60μm、70μm和100μm，總體呈上升趨勢(shì)，與表面粗糙度變化規(guī)律一致，這從一定程度反映出了砂輪磨損過程中磨削力與磨削溫度的變化規(guī)律。該結(jié)果可為進(jìn)一步研究高速磨削機(jī)理及優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)。

［1］李蓓智.高速高質(zhì)量磨削理論、工藝、裝備與應(yīng)用［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012.

［2］任敬心，華定安.磨削原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］Zhiqiang Liang，Xibin Wang，Yongbo Wu，et.al.An investigation on wear mechanism of resin-bonded diamond wheel in Elliptical Ultrasonic Assisted Grinding of monocrystalsapphire［J］.Journal of Material Processing Technology，2012，212：868-876.

［4］Daniela Herman，Jan Krzos.Influence of vitrified bond structure on radial wear of CBN grinding wheels［J］.Journal of Materials Processing Technology.2009，209：5377-5386.

［5］Shi Z，Malkin S.An investigation of grinding with electroplated CBN wheel［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2003，52（1）：267-270.

［6］Upadhyays R P，MalkinS.Thermal aspects of grinding with electroplated CBN wheel［J］.Journal of Manufacturing-Scienceand Engineering，2004，126：107-114.

［7］王宗勇.YB_70鋼精密磨削工藝及砂輪磨損的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

［8］鄭青竹.微細(xì)磨削性能及微徑砂輪磨損實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［9］W.Brian Rowe.Principles of Modern Grinding Technology［M］.Grinding and polishing.2009.

［10］趙飛.精密內(nèi)圓磨床CBN砂輪的修整關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2013.

［11］王愛珍，王戰(zhàn).陶瓷CBN砂輪修整方法及修整工藝研究［J］.2008（2）：64-67.

［12］馮寶富，蔡光起，蓋全文.CBN砂輪的修整方法及其應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2001，35（12）：8-11.

（編輯 李秀敏）

Research on the Influence for Grinding Surface Quality of Grinding Wheel Wear in High Speed Grinding

ZHU Yue-wei，ZHANG Jia-liang，ZHENG Xiao-hu，LI Bei-zhi
（School of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai201620，China）

Process tests of 20CrMnTi carburizing steel in high speed cylindrical grinding were conductedby using ceramic bond CBN wheel.Continuous grinding on the work-piece under a constant external cylindrical grinding allowance and parameters was carried out，based on this experiment the influence mechanism of grinding wheel wear on the work-piece surface roughness，surface residual stress，microstructure and surface micro-hardness change has been analyzed.It is found that the work-piece surface roughness is increased with an increase of grinding wheel wear，but reduced with surface residual compressive stress，and grinding surface temper soften the metamorphic layer.Experimental result provides a basis for further research on high speed grinding mechanism and optimization efficiency.

high-speed cylindrical grinding；grinding wheel wear；grinding surface quality

TH16；TG65

A

1001-2265（2015）03-0138-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.037

2014-07-10；

2014-08-27

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX04016-041-DH01）

朱躍偉（1987—），男，浙江嘉興人，東華大學(xué)碩士研究生，主要從事高速磨削機(jī)理研究，（E-mail）zywzyj1314t@163.com。