王躍，方群兵，汪振華

南京理工大學機械工程學院

1 引言

齒輪主要用于傳遞運動和動力，在飛機、汽車和工程機械等領域應用廣泛。由于這些領域?qū)X輪的性能及精度等方面要求較高，因此需要高性能齒輪材料及高精度磨削加工技術[1]。磨削加工對工件表面完整性影響顯著，通過改善磨削加工方式及優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，可以進一步提高零件表面質(zhì)量[2]。

眾多學者對磨削加工表面完整性方面進行了一系列研究。李亮亮[3]分別使用SiC和陶瓷CBN小磨頭對TC11鈦合金進行磨削加工，得到磨削加工過程中磨削力的作用模型以及最優(yōu)表面完整性的磨削工藝參數(shù)。陳鑫等[4]通過高速磨削實驗研究了在不同磨削工藝參數(shù)下18CrNiMo7- 6工件三維表面粗糙度和殘余應力的變化規(guī)律。Mamalis A.G.等[5]通過外圓磨削表面完整性實驗，得出磨削工藝參數(shù)對工件顯微硬度、殘余應力和表面質(zhì)量有很大影響，砂輪的銳度對工件的顯微硬度和殘余應力等有很大影響。劉莉娟[6]通過對45鋼進行磨削加工，在不同磨削用量下測試了工件表面殘余應力和顯微硬度等表面完整性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在一定磨削深度下，工件表面殘余應力由最初的拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?。Yang J.等[7]通過磨削WC-Co硬質(zhì)合金，研究了表面完整性和彎曲強度之間的相關性，并且對細WC-13%Co硬質(zhì)合金表面完整性和彎曲強度的影響進行了重點研究。劉偉等[8]通過外圓磨削TC4鈦合金，分析了在不同磨削工藝參數(shù)下工件表面質(zhì)量和顯微硬度的變化規(guī)律，獲得不同磨削力和磨削溫度參數(shù)對工件顯微硬度的影響。Klocke F.等[9]通過磨削實驗討論了表面粗糙度和表面損傷對磨削表面完整性的影響。

目前，磨削實驗多采用砂輪進行加工，本文采用平面磨頭對8620H高性能齒輪鋼進行單因素磨削加工，分析了在不同磨削參數(shù)下8620H高性能齒輪鋼表面完整性的變化規(guī)律，具有一定的實際意義。

2 試驗方案

2.1 試驗裝置與測量

試驗材料為8620H合金滲碳鋼(20CrNiMoH)，將其線切割為20mm×20mm×6mm的長方體試樣(見圖1)，采用樹脂結(jié)合劑CBN平面磨頭，詳細參數(shù)見表1。

試驗機床為MCV-L850型三軸數(shù)控加工中心，采用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的測力系統(tǒng)測量磨削力，如圖2所示。使用Keyence VK-XX 100 series激光顯微鏡測量表面粗糙度及觀察表面形貌，采用HV-1000IS顯微硬度計測量硬度。

2.2 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

采用單因素試驗法，如表2所示分別改變平面磨頭轉(zhuǎn)速N，磨削深度ap及工件進給速度vw，研究不同參數(shù)對磨削力、顯微硬度和表面粗糙度的影響。

表2 單因素試驗磨削參數(shù)

為避免偶然因素，在已加工工件表面隨機選取3個點進行重復測量，取平均值作為該工件的粗糙度測量值；在距離加工表面相同深度處測量3個點，取平均值作為該點的硬度值；為排除平面磨頭磨損對磨削力的影響，磨削力值取切削初始時段某平穩(wěn)階段的X，Y，Z三個方向力的合力。磨削合力可由下式求得

(1)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 磨削力分析

圖3為8620H高性能齒輪材料磨削加工過程中磨削力隨平面磨頭轉(zhuǎn)速、磨削深度和工件進給速度變化的趨勢。當磨削深度60μm，進給速度120mm/min時，磨削力隨平面磨頭轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖3a所示。可以看到，隨著平面磨頭轉(zhuǎn)速的提高，磨削力呈減小趨勢，這是因為在相同時間內(nèi)增大平面磨頭轉(zhuǎn)速，工件材料被磨粒切除的厚度逐漸變薄，被切離工件形成磨屑的最大未變形厚度減小，磨粒所受的切削力減小。

當平面磨頭轉(zhuǎn)速3000r/min，進給速度120mm/min時，在不同磨削深度下磨削力變化的曲線見圖3b。可以看到，磨削深度與磨削力呈正相關，這是由于隨磨削深度增大，磨粒切除相同體積工件材料所需要的時間減少，因此克服磨屑脫離工件表面產(chǎn)生的變形力變大，故磨粒所受的切削力隨之變大。

在磨削加工過程中，保持平面磨頭轉(zhuǎn)速以及磨削深度不變，不同進給速度下磨削力變化的曲線見圖3c。可以看到，磨削力隨進給速度提高而增大，這是因為隨著進給速度的提高，磨削加工相同體積工件所需的時間減少，平面磨頭切削工件厚度增大。同時通過磨削工作區(qū)的有效磨粒數(shù)量減少，脫離工件形成磨屑的最大未變形厚度增大，因此磨粒所受的切削力增大。

(a)平面磨頭轉(zhuǎn)速

(b)磨削深度

(c)進給速度

3.2 表面粗糙度分析

表面粗糙度是衡量工件表面質(zhì)量的重要指標之一，通過研究平面磨頭磨削加工8620H工件產(chǎn)生的輪廓算術平均偏差Ra和區(qū)域形貌算術平均偏差Sa，分析不同磨削工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響，從而降低8620H高性能齒輪鋼表面粗糙度，提高工件表面質(zhì)量，使其達到使用要求。在不同磨削參數(shù)下，磨削加工8620H材料時的表面粗糙度變化曲線見圖4?？梢钥吹?，在不同參數(shù)組合下，Ra值均小于等于Sa值，因為傳統(tǒng)的粗糙度評定采用二維評定方法，而Sa采用三維形貌測量，通過此方法可統(tǒng)計得到更豐富的表面空間特征，包括加工表面缺陷等隨機性特征。

保持磨削深度和進給速度不變，工件表面粗糙度隨平面磨頭轉(zhuǎn)速變化的曲線見圖4a。由圖可得，表面粗糙度值隨平面磨頭轉(zhuǎn)速的提高而降低。這是因為隨著平面磨頭轉(zhuǎn)速的提高，相同時間內(nèi)參與磨削加工的有效磨粒數(shù)量增加，切離工件的磨屑厚度變薄，切痕深度減小，從而粗糙度減小。

8620H材料表面粗糙度隨磨削深度改變而變化的曲線見圖4b，其中，磨頭轉(zhuǎn)速為3000r/min，進給速度為120mm/min。由圖可得，工件表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大。這是因為磨削深度增大，切除相同體積的工件所需時間減少，工件材料被磨粒切除的厚度增大，因此切痕深度增大，表面粗糙度增大。

8620H材料表面粗糙度隨進給速度變化的曲線見圖4c，其中，磨頭轉(zhuǎn)速為3000r/min，磨削深度為60μm。由圖可得，隨進給速度的增加，工件表面粗糙度呈減小趨勢。這是因為隨進給速度增加，磨削相同體積工件所用的時間減少，通過磨削區(qū)的有效磨粒數(shù)量減少，磨屑更易脫落，從而工件表面粗糙度降低，三維均勻性變好，進而提高了工件的表面形貌。

(a)平面磨頭轉(zhuǎn)速

(b)磨削深度

(c)進給速度

3.3 加工硬化分析

圖5為8620H合金鋼加工截面的顯微硬度值隨磨削參數(shù)變化的趨勢，原始試樣硬度測量值約為172HV。工件在磨削加工后表面產(chǎn)生加工硬化，并形成硬化層，由圖5可知，硬化層深度大約為40～60μm，隨著距離表面深度的繼續(xù)增加，顯微硬度值減少，基本呈先下降后穩(wěn)定的趨勢。這是因為平面磨頭磨削加工合金鋼的過程中高速旋轉(zhuǎn)，其表層由于高溫[10，11]發(fā)生熱軟化效應，產(chǎn)生塑性變形，導致工件內(nèi)部晶粒滑移，并被拉長，發(fā)生破碎和纖維化等，因此工件表面硬度增加。隨距離表層深度的增加，溫度較加工表面有所下降，塑性變形隨之減小，顯微硬度逐漸減小，形成一定厚度的硬化層。

圖5a為8620H合金鋼加工截面的顯微硬度值隨平面磨頭轉(zhuǎn)速變化的曲線。由圖可得，當平面磨頭轉(zhuǎn)速在1000～5000r/min內(nèi)變化時，工件表面硬度隨平面磨頭轉(zhuǎn)速的提高而減小。主要是因為平面磨頭轉(zhuǎn)速較高時，接觸區(qū)域的溫度較高，表層材料發(fā)生軟化，從而表面硬度降低。圖5b和5c為8620H合金鋼加工截面的顯微硬度值隨磨削深度和工件進給速度變化的曲線。由圖可得，工件表面硬度與磨削深度和進給速度呈正相關，這是由于磨削加工使工件產(chǎn)生塑性變形，表層晶粒為阻止工件材料的變形產(chǎn)生了扭曲，使該層材料產(chǎn)生強化效應，硬度增大。

(a)平面磨頭轉(zhuǎn)速

(b)磨削深度

(c)工件進給速度

4 結(jié)語

本文通過設計單因素試驗對8620H高性能齒輪鋼表面完整性展開研究，主要結(jié)論如下：

(1)保證其他因素不變，分別以平面磨頭轉(zhuǎn)速N，磨削深度ap和進給速度vw為單因素變量，當采用5000r/min的轉(zhuǎn)速對8620H進行磨削加工時，工件所受的磨削力最??；當磨削深度為40μm時，則工件所受到的磨削力最?。划敳捎?80mm/min的進給速度時，工件所受磨削力最小。在磨削加工時，為降低工件的磨削力，可以適當提高磨頭轉(zhuǎn)速和工件進給速度，減小磨削深度。

(2)保持其他參數(shù)不變，只改變平面磨頭轉(zhuǎn)速，磨頭轉(zhuǎn)速為5000r/min時工件表面粗糙度最優(yōu)，三維表面形貌均勻性最好，表面質(zhì)量最好；以磨削深度為單因素變量，磨削深度為80μm時工件表面粗糙度值最大，三維表面形貌的峰高和谷深落差最大，表面質(zhì)量較差；只改變工件進給速度，以180mm/min的進給速度磨削加工時，工件表面粗糙度最小，表面形貌均勻性較好。

(3)不同磨削工藝參數(shù)下，磨削加工8620H工件后表面都會產(chǎn)生加工硬化，隨著距離加工表面深度的增加顯微硬度值減少，呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢，最終形成約40～60μm的硬化層，與未加工試樣表面顯微硬度相比，經(jīng)過磨削加工后工件表層顯微硬度有一定的提升。