王 棟，馬少奇，趙靜雯，林洪旭，張銀霞，劉治華

(鄭州大學(xué)機械與動力工程學(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，實現(xiàn)高性能表面層制造，需要對磨削過程進行更加深入的研究[1]。磨削力和殘余應(yīng)力作為磨削加工性能評價的重要輸出參數(shù)，對兩者進行分析測量是研究磨削過程的一種重要手段[2]。

文獻[3]將Kistler旋轉(zhuǎn)式三向動態(tài)壓電晶體測力儀通過改裝應(yīng)用于外圓磨削力的測量，并通過試驗得到了不同磨削位置實際磨削力與傳感器測量值之間的關(guān)系，但未從理論角度建立起對應(yīng)關(guān)系。文獻[4]使用不同砂輪對超高強度鋼進行了平面磨削，并測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[5]在高速磨削試驗平臺上探究了外圓磨削工藝參數(shù)對磨削力的影響，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[6]使用CBN砂輪磨削20CrMnTi進行了磨削力的研究，但都未進一步研究。

磨削會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對零件的疲勞和耐磨性有重要影響[7]。文獻[8]用不同磨削參數(shù)對齒輪鋼進行磨削，結(jié)果表明，合適的磨削參數(shù)可以有效改善表面質(zhì)量，位錯結(jié)構(gòu)和殘余壓應(yīng)力。文獻[9]通過研磨雙相不銹鋼2304，對研磨機理進行了研究，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[10]利用不同工藝參數(shù)進行外圓磨削試驗，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程中基本沒有磨削熱的產(chǎn)生，因此外圓磨削力對殘余應(yīng)力的影響程度有必要進一步研究。

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

1 外圓磨削試驗

1.1 試驗材料

本次試驗采用規(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 試驗設(shè)備

本次試驗所用設(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。磨削力測量所用數(shù)據(jù)采集及處理軟件為DynoWare, 如圖1所示，測力裝置是由Kistler公司生產(chǎn)的9257B三坐標(biāo)測力儀改裝得到的，由頂尖、測力儀、支撐平板和莫氏錐柄4個部分組成，磨削加工時需拆除磨床尾座上原有的頂尖，將該測力裝置裝上。

圖1 外圓磨削力測試平臺

1.3 試驗方案

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

表1 外圓磨削試驗參數(shù)

2 磨削力的標(biāo)定

測力儀經(jīng)改裝用于外圓磨削力的測量時，測力效果不能確定。因此需要進行標(biāo)定,標(biāo)定方法[11]如圖2所示，F(xiàn)x標(biāo)定完成后，將測力儀旋轉(zhuǎn)90°進行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測力儀測量精度進行標(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)果分析可知測力儀測得的Fx和Fy值約為施加力的0.73倍，可以認(rèn)為測力儀對同一位置處不同大小的力的測量結(jié)果在乘以相應(yīng)系數(shù)后足夠準(zhǔn)確。

圖3 L為22 mm的測力結(jié)果

為了確定不同位置處的系數(shù)，不妨將其簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)進行受力分析，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，為了驗證理論簡化是否合理，分別在不同位置對Fx測量結(jié)果進行驗證。

圖4 不同位置結(jié)果

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

(2)

(3)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 磨削工藝參數(shù)對磨削力的影響

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)相同的情況下，砂輪徑向進給速度越大，法向磨削力和切向磨削力也越大。這是因為單位時間內(nèi)需要去除的材料體積會隨砂輪徑向進給速度的增大而增加，進而引起了磨削力的增大。

圖5 砂輪徑向進給速度對磨削力的影響

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，在砂輪線速度和砂輪徑向進給速度恒定時，工件轉(zhuǎn)速的增加會引起法向磨削力和切向磨削力的增大，這是因為工件轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致磨粒在單位時間內(nèi)需要進行的磨削次數(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，進而導(dǎo)致總的磨削力增大。

圖6 工件轉(zhuǎn)速對磨削力的影響

其中轉(zhuǎn)速從60 rpm增加到80 rpm磨削力變化較小,這是因為60 rpm未能充分發(fā)揮所有磨粒的最大磨削能力，之后磨粒達到了最大磨削能力，所以磨削力增加明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到100 rpm之后，磨削力增加趨勢又逐步下降，這是因為材料去除過程在100 rpm時已經(jīng)接近完成，因為單位時間內(nèi)需要去除的體積不再增加，所以磨削力增加趨勢開始趨于平緩。

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

圖7 磨削寬度對磨削力的影響

3.2 磨削力對殘余應(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方向為垂直磨削方向，Y方向為磨削方向，殘余應(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，工件殘余應(yīng)力變化明顯，且在大約20 μm深度時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，試驗結(jié)果具有可靠性。

圖8 原始工件殘余應(yīng)力分布

因為在實際的磨削過程中，切向磨削力會隨法向磨削力的改變而改變，兩者對殘余應(yīng)力的影響具有一致性。因此，只需要對法向磨削力對殘余應(yīng)力的影響進行分析，就可以得到磨削力對殘余應(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，這是因為在橫向磨削加工過程中，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，這說明在該范圍內(nèi)機械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力占比得到了提高，磨削力對殘余應(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，X方向和Y方向的殘余壓應(yīng)力均為最小值。這是因為磨削熱會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殘余應(yīng)力的影響

如圖10所示為單位寬度法向磨削力對殘余應(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。這是因為在磨削時間較短的情況下，保證冷卻充分，磨削力對殘余應(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)砂輪徑向進給速度、工件轉(zhuǎn)速和磨削寬度的增加都會導(dǎo)致磨削力的增加，但影響程度不同，工件轉(zhuǎn)速在達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)速來提高材料去除率的過程中，可以通過使用具有較優(yōu)磨削能力的砂輪，及時修整砂輪,使用合適的砂輪徑向進給速度來減小磨削力，保證加工質(zhì)量。

(2)在橫向磨削加工過程中，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，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得到較大的殘余壓應(yīng)力，保證磨削表面質(zhì)量。