張銀霞，原少帥，王子樂，楊 鑫，郜 偉

(鄭州大學 機械與動力工程學院/抗疲勞制造技術河南省工程實驗室，鄭州 450001)

高速/超高速磨削具有高的材料磨除率，能夠實現(xiàn)低能耗加工和難磨除材料的高效率低損傷磨削[1]。超高速磨削可以提高生產效率，提高零件質量[2]。高速/超高速磨削加工能夠保證產品零件的高精度和高表面質量，已經成為現(xiàn)代磨削的重要發(fā)展趨勢[3]。

表面完整性不僅包含表面形貌特征，也包含表面物理化學變化特征[4]。磨削表面完整性包括：表面粗糙度、波度、硬度、殘余應力、組織相變等，各因素之間有一定的關系[5]。殘余應力和硬度作為表面完整性的2個重要指標，得到了國內外學者的廣泛關注。王棟等[6]進行了高速平面磨削試驗，揭示了磨削參數(shù)對18CrNiMo7-6鋼表面硬度的變化規(guī)律。張銀霞等[7]探究了研磨工藝對18CrNiMo7-6鋼殘余應力的影響。ZHOU等[8]通過正交試驗，研究了工藝參數(shù)對GCr15合金鋼表面完整性的影響。NI等[9]進行了高速外圓磨削試驗，砂輪線速度最高為80 m/s，探究了磨削參數(shù)對SiC材料殘余應力的影響。黃惠茹等[10]采用剝層法，探索了45鋼的工件硬度和殘余應力，指出殘余應力和硬度存在一定的冪函數(shù)關系。孫淵等[11]分析了殘余應力對工件硬度的影響，指出殘余應力不同對硬度的影響不同。

18CrNiMo7-6為歐洲標準的一種優(yōu)質表面滲碳鋼，該鋼表面硬度高、耐磨性好，由于其優(yōu)越的力學性能，該材料被用于鍛造大型部件(如直升機軸)等諸多領域[12-13]。目前，關于18CrNiMo7-6鋼高速外圓磨削的研究較少，本試驗通過單因素試驗探究了砂輪線速度、工件轉速、砂輪徑向進給速度及砂輪CBN磨料粒度對18CrNiMo7-6鋼表面殘余應力和硬度的影響，砂輪線速度最高達到120 m/s，建立殘余應力和硬度的定性關系。

1 試驗樣件與方法

1.1 試驗樣件

試驗樣件為18CrNiMo7-6合金鋼，該樣件經920 ℃滲碳、830 ℃淬火并回火，熱處理后的化學成分含量見表1所示，熱處理的樣件在普通磨床磨削加工后尺寸為φ35 mm×80 mm。

1.2 試驗設備及方案

磨削試驗首先在MK1320型普通外圓磨床上進行，以去除工件表面滲碳處理形成的黑色氧化皮，然后通過CNC8325型超高速凸輪軸復合磨床進行高速外圓磨削試驗。高速外圓磨削所用的砂輪由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產提供，為陶瓷結合劑CBN砂輪(V-CBN)，砂輪相關參數(shù)見表2所示；修整輪選用燒結金剛石滾輪(規(guī)格參數(shù)代號為S-14A1-125×12×28×2.2×8)。

表1 18CrNiMo7-6材料化學成分含量

表2 砂輪相關參數(shù)

殘余應力檢測設備為加拿大Proto公司的大功率X射線衍射殘余應力分析儀，硬度檢測設備為HV-1000型顯微硬度計，設備如圖1所示。

(a)X射線衍射殘余應力分析儀X-ray diffraction residual stress analyzer(b)HV-1000型顯微硬度計HV-1000 microhardness tester圖1 殘余應力分析儀和顯微硬度計Fig. 1 Residual stress analyzer and micro hardness tester

高速外圓磨削圓柱工件的結構如圖2所示，殘余應力檢測[14]包括X方向和Y方向，即圓柱工件的周向和軸向；硬度檢測[15]沿圓柱工件的周向。殘余應力分析儀選用的靶材為Cr-Kα，衍射晶面{211}，光斑直徑為1 mm；硬度檢測類型為洛氏硬度HRC，加載力為1 N，保載時間15 s。高速外圓磨削試驗方案見表3所示。

圖2 工件結構及X、Y方向示意Fig. 2 Workpiece structure and X, Y directions

表3 高速外圓磨削試驗方案Tab. 3 Test scheme for high speed cylindrical grinding

2 試驗結果與討論

2.1 砂輪線速度對殘余應力和硬度的影響

砂輪線速度對殘余應力的影響如圖3所示。由圖3可知：隨著砂輪線速度vs的增大，工件表面X、Y方向的殘余壓應力絕對值均先增大后趨于平穩(wěn)，且X方向殘余壓應力絕對值小于Y方向的(圖3中，負值表示殘余壓應力，正值表示殘余拉應力)。這是因為隨著vs的增大，單位時間內參與磨削的磨粒數(shù)目增加，磨粒與工件的摩擦、擠壓作用增大，磨削溫度升高，但高速磨削使工件表面熱能傳導到下一層之前就被磨屑帶走，所以熱應力的影響較小，此時機械應力影響較大，殘余壓應力增大。

砂輪線速度對硬度的影響如圖4所示。由圖4可知：隨著vs的增大，工件表面硬度先減小后增大，硬度值在vs為75 m/s時最小。這是因為，工件硬度的高低是磨削產生的加工硬化和溫度對材料的軟化綜合作用的結果。根據(jù)圖4曲線，當vs處于60～75 m/s時，磨削溫度升高，工件表面材料軟化，硬度值有所降低。當vs處于90～120 m/s時，高速磨削突破了臨界速度，磨削溫度降低，材料軟化程度下降，同時vs的增大使工件表面加工硬化效果更加突出，故硬度增大。

圖3 砂輪線速度對殘余應力的影響Fig. 3 Effect of wheel speed on residual stress

圖4 砂輪線速度對硬度的影響Fig. 4 Effect of wheel speed on hardness

2.2 工件轉速對殘余應力和硬度的影響

工件轉速對殘余應力的影響如圖5所示。由圖5可知：隨著工件轉速nw的增大，X、Y方向的表面殘余壓應力絕對值均先增大后出現(xiàn)波動。這是因為nw的增大導致vs與nw的磨削速比q減小，磨屑形狀加大，磨削加劇，磨削溫度升高，殘余壓應力絕對值在機械應力和熱應力的綜合影響下逐漸增大；隨著nw的持續(xù)增大，材料去除率及磨屑脫落速度增大，磨屑帶走了大量熱能，此時熱應力的影響減小，殘余壓應力出現(xiàn)波動。

圖5 工件轉速對殘余應力的影響Fig. 5 Effect of workpiece speed on residual stress

工件轉速對硬度的影響如圖6所示。由圖6可知：隨著工件轉速nw的增大，工件表面硬度先略微增大，隨后減小又增大。這是因為當工件轉速nw處于30～75 r/min時，工件與砂輪的磨削加劇，致使磨削溫度升高，材料發(fā)生軟化，故硬度整體上呈減小趨勢，隨著nw的持續(xù)增大，磨屑脫落速度加快使一部分熱能散出，磨削溫度下降，材料軟化程度下降，故硬度略有提高。

圖6 工件轉速對硬度的影響Fig. 6 Effect of workpiece speed on hardness

2.3 砂輪徑向進給速度對殘余應力和硬度的影響

砂輪徑向進給速度對殘余應力的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著砂輪徑向進給速度vfr的增大，X、Y方向的表面殘余壓應力絕對值整體上均有減小的趨勢；當vfr為0.6 mm/min時，X方向的殘余壓應力最小值為-98.89 MPa；當vfr為0.5 mm/min時，Y方向的殘余壓應力最小值為-198.18 MPa。這是因為vfr增大，使得砂輪的徑向磨損增大，磨削溫度升高，磨削熱造成的熱塑性變形加大，此時熱應力的影響較大，殘余壓應力整體上逐漸減小。

圖7 砂輪徑向進給速度對殘余應力的影響Fig. 7 Effect of wheel feed rate on residual stress

砂輪徑向進給速度對硬度的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著砂輪徑向進給速度vfr的增大，工件表面的硬度整體上呈減小趨勢，硬度值在擬合線附近上下波動，vfr為0.6 mm/min時，硬度取得最小值為52.30 HRC。這是因為vfr增大使相同時間內參加磨削的磨粒數(shù)增加，磨削溫度升高，溫度對材料軟化的影響程度增大，硬度整體上逐漸減小。

圖8 砂輪徑向進給速度對硬度的影響Fig. 8 Effect of wheel feed rate on hardness

2.4 砂輪CBN磨料粒度對殘余應力和硬度的影響

砂輪CBN磨料粒度對殘余應力的影響如圖9所示。由圖9可知：不同CBN磨料粒度砂輪高速磨削后工件表面殘余應力絕對值的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小，X、Y方向趨勢一致，且均為殘余壓應力。究其原因，M10/20磨粒尺寸較小，擁有較強自銳性以滿足新磨粒的出露，同時，較小的磨粒與工件磨削引起的塑性變形小，產生的磨削熱較少，磨削熱引起的拉應力被抑制，故工件表面的殘余壓應力較大；120/140的砂輪磨粒較大，磨削過程中單顆磨粒的切削力較大，產生的磨削溫度較高，磨削熱造成的熱塑性變形較大，殘余壓應力在熱應力的影響下較小；230/270的磨粒尺寸介于前兩者之間，但砂輪內部氣孔尺寸較120/140砂輪的小，砂輪自銳性又不如M10/20，因此散熱較差，磨削產生的溫度最高，熱應力的影響最大，工件表面殘余壓應力絕對值最小。

砂輪粒度對硬度的影響如圖10所示。由圖10可知：不同粒度砂輪高速磨削后工件表面硬度的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小。由以上分析，230/270的砂輪磨削時產生的磨削溫度最大，材料受溫度軟化的程度最高，故硬度最??；120/140的砂輪磨粒尺寸大，但其較大的氣孔尺寸使一部分磨削熱有效散出，材料軟化程度較低，其磨削后工件表面硬度較大；M10/20砂輪自銳性較強，磨粒尺寸最小，引起的塑性變形及磨削溫度較前兩者最小，材料軟化程度最低，故其磨削后工件表面硬度最大。

圖9 砂輪CBN磨料粒度對殘余應力的影響Fig. 9 Effect of CBN abrasive size of grindingwheel on residual stress

圖10 砂輪CBN磨料粒度對硬度的影響Fig. 10 Effect of CBN abrasive size of grindingwheel on hardness

2.5 殘余應力和硬度的相關性

熱處理后的工件通過普通外圓磨床加工，得到φ35 mm×80 mm的原始工件，選擇5組原始工件，分別測得其表面殘余應力和硬度值，如圖11所示。從圖11可以看出：5組原始工件表面X、Y方向的殘余應力均為殘余拉應力，工件表面的硬度值區(qū)間為45.8～53.1 HRC。

圖11 原始工件表面殘余應力與硬度曲線Fig. 11 Residual stress and hardness curve of original workpiece

高速外圓磨削不同工藝參數(shù)對工件表面周向殘余應力和硬度的影響如圖12所示(實線對應殘余應力，虛線對應硬度)，橫軸分別對應表3中單因素變量的各個水平。從圖12可以看出：高速外圓磨削可為工件表面引入殘余壓應力，工件表面的硬度區(qū)間為52.30～58.75 HRC，殘余壓應力大的位置對應的硬度也較大，反之亦同。通過對比圖11、圖12可以看出：對于18CrNiMo7-6滲碳鋼，其高速外圓磨削前后工件表面的殘余應力和硬度有如下關系：工件表面存在拉應力時硬度值較低，工件表面存在壓應力時硬度值較高。

圖12 工藝參數(shù)對殘余應力和硬度的影響Fig. 12 Effect of parameters on residual stress and hardness

3 結論

(1)對于18CrNiMo7-6滲碳鋼，高速外圓磨削可為工件表面引入殘余壓應力，X方向的殘余壓應力絕對值小于Y方向的值；同時，高速外圓磨削可以提高工件表面的硬度。

(2)隨著砂輪線速度vs的增大，工件表面殘余壓應力絕對值先增大后趨于平穩(wěn)，工件表面硬度先減小后逐漸增大；工件轉速nw對工件表面殘余壓應力和硬度的影響不具單調性；工件表面殘余壓應力絕對值和硬度隨著砂輪徑向進給速度vfr的增大整體上均呈減小趨勢；不同磨料粒度砂輪磨削在工件表面產生殘余壓應力絕對值和硬度的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小。

(3)18CrNiMo7-6滲碳鋼高速外圓磨削時的殘余應力和硬度有如下關系：表面存在拉應力時硬度值較低，表面存在壓應力時硬度值較高。高速外圓磨削工藝使工件表面的應力由拉應力變?yōu)閴簯?，表面硬度值提高?1%～14%，這對于提高零件的疲勞強度，延長疲勞壽命有著較為重要的意義。