高速深磨磨削表面燒傷的實驗研究*

盛曉敏 郭 力

(湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410082)

高速深磨技術(shù)［1］是有效提高磨削生產(chǎn)率的新技術(shù)，高速深磨集砂輪高速度、工件高進給速度和大切深于一體，既可以獲得與普通磨削相近的表面粗糙度，又可獲得極大的材料磨除率，在磨削領(lǐng)域正在獲得越來越廣泛的應(yīng)用。然而，由于高速深磨磨削深度大，磨削區(qū)能量積聚嚴重，因此不可避免地會出現(xiàn)磨削溫度高和磨削燒傷的問題。在高速深磨條件下，工件表面會產(chǎn)生很高的溫度，其表層金相組織發(fā)生變化，產(chǎn)生燒傷。磨削燒傷在金屬表層會產(chǎn)生很大應(yīng)力，因而在燒傷處會造成裂紋，把這種裂紋稱為磨削裂紋。表層內(nèi)產(chǎn)生的裂紋會嚴重影響零件的使用性能。例如，磨削燒傷對軸承使用壽命影響非常大，試驗證明，有燒傷的軸承工作壽命僅為幾小時到幾十小時，為設(shè)計壽命的8%;無燒傷的軸承壽命完全能夠滿足設(shè)計要求［2］。所以必須對磨削燒傷進行深入研究。

文獻［3］對高效深磨中磨削溫度及其引起的表面燒傷做了初步的研究;文獻［4］在分析緩進磨削燒傷機理和特點的基礎(chǔ)上，對RENE80鎳基高溫合金進行了磨削性能實驗，集中研究了磨削工藝參數(shù)和冷卻方式等工藝因素對磨削燒傷的影響，獲得了磨削工藝參數(shù)對磨削表面燒傷的影響曲線與磨削裂紋隨磨削過程的變化特性，以及冷卻方式和冷卻液供給對磨削燒傷的影響趨勢，并提出了改善磨削燒傷的有效措施。磨削燒傷的聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)目前取得了進展［5］。但是總的來說國內(nèi)外對高速深磨工件磨削燒傷和磨削裂紋的實驗研究較少。本文通過測量高速深磨磨削40Cr鋼試件表面燒傷層的深度，分析各種高速深磨工藝參數(shù)對磨削燒傷層厚度的影響規(guī)律，研究避免磨削燒傷和磨削裂紋的磨削參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則。

1 實驗儀器及設(shè)備

試驗在湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制的超高速數(shù)控平面磨削實驗臺(圖1)上進行。實驗臺主要技術(shù)參數(shù)為:高速內(nèi)置式陶瓷軸承電主軸功率為40 kW，最高轉(zhuǎn)速25 000 r/min，砂輪最高速度可達314 m/s。采用SBS4500動平衡系統(tǒng)對主軸進行實時動平衡;工作臺驅(qū)動電動機功率5 kW;三軸的行程分別為:X為 －550～10 mm，Y為 －45～33 mm，Z為－8.4～2.85 mm;試驗采用濕磨，磨削液為水基SY－1磨削液，磨削方式為逆磨。同時，用Kistler磨削力測試系統(tǒng)測量磨削力［6］。實驗材料及性能、工藝參數(shù)及磨削條件、砂輪規(guī)格分別見表1、2、3。

表1 實驗材料及性能

表2 工藝參數(shù)及磨削條件

表3 砂輪規(guī)格

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 燒傷深度與切削深度及砂輪線速度的關(guān)系

圖2為40Cr在工作臺速度為6 m/min時，砂輪線速度分別為90、120、150 m/s時，切削深度與燒傷層深度的關(guān)系。從圖2可以看出，隨著切削深度的增加，燒傷層的深度在增大。這是因為切削厚度加大，消耗的功率越大，磨削時所積聚的熱量越不容易散發(fā)。這使得試件表層的溫度急劇升高，表層下的磨削溫度也相應(yīng)升高。

從圖2中也可看出，在切削深度相對較小時(如切削深度小于0.5 mm)，在相同情況下，隨著砂輪線速度的升高，燒傷層深度逐漸加大，這是因為隨著砂輪線速度的提高，單位時間切過工件表面的磨粒數(shù)增多，磨屑厚度減小，摩擦作用加劇，磨削產(chǎn)生的熱量顯著增加，而且越高的砂輪線速度磨出的磨屑分割得越細，也需要越多的切屑變形能，因而總的磨削能在增加，磨削溫度升高，表層下的溫度也升高，燒傷層深度加大。但隨著砂輪線速度的提高，當(dāng)切削深度相對較大時(如切削深度大于0.8 mm)，塑性變形速度急劇加快，使得塑性變形跟不上，使塑性變形不充分，導(dǎo)致硬化深度程度減小，軟化作用增大，法向磨削力快速減小，摩擦作用減小，從而總的磨削能減少，導(dǎo)致燒傷層深度反而減小。

2.2 燒傷層剝離后的表面質(zhì)量

在工作臺速度為2 m/min，砂輪線速度為60 m/s，切削深度為0.01 mm時進行磨削，試件表面無燒傷。于是我們將在各種工況下的燒傷層在此磨削條件下通過每次進給0.005～0.01 mm進行剝離，直到表面沒有燒傷痕跡，通過掃描電子顯微鏡(SEM)對磨削表面進行觀察。

圖3為燒傷表面被剝離后表面的掃描電鏡圖;圖4為燒傷表面掃描電鏡圖;圖5為工作臺速度為2 m/min，砂輪線速度為60 m/s，切削深度為0.01 mm時在正常磨削表面上進行磨削后表面的掃描電鏡圖。三者對比可以看出，燒傷層被剝離后的表面劃痕均勻，表面光滑，與正常磨削表面無異;而燒傷表面則出現(xiàn)許多燒結(jié)狀突起，表面凹凸不平，十分粗糙。這說明通過層層剝離后的表面質(zhì)量能達到正常磨削的水平。

由于磨削深度較大，還要觀察應(yīng)力集中部位是否有裂紋。于是將與磨削方向相垂直的側(cè)面進行拋光處理，并在掃描電鏡下進行亞表面觀察，并且經(jīng)反色處理。

圖6為磨削切痕兩拐角下方易產(chǎn)生應(yīng)力集中處的亞表面掃描電鏡圖，圖7為磨削表面正下方亞表面掃描電鏡圖。從該圖可看出，在經(jīng)過高速大切深磨削后，表面及亞表面均沒產(chǎn)生裂紋。

3 結(jié)語

40Cr鋼在進行大切深磨削時，燒傷會比較嚴重。因此可以通過工藝優(yōu)化的方法來避免，即:粗磨時，采用超高速大切深磨削以提高磨削效率;半精磨時，可采用高速小進給量磨削以便去除燒傷層;精磨時，采用超高速微進給量磨削以保證加工表面質(zhì)量。最終達到既大大提高了加工效率又保證了工件的表面質(zhì)量和使用性能。

總之，在高速大切深磨削條件下，完全可以通過工藝參數(shù)優(yōu)化來達到高效高精度，保證磨削材質(zhì)的加工質(zhì)量和使用性能。

［1］盛曉敏，宓海青，謝桂芝，等.超高速磨削技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］田秋梅，田殿軍，王世民.軸承零件磨削燒傷和磨削裂紋鑒別［J］.哈爾濱軸承，2009，30(2):15 －17.

［3］趙恒華，蔡光起，李長河，等.高效深磨中磨削溫度和表面燒傷研究［J］.中國機械工程，2004，15(22):2048 －2051.

［4］蘇旭峰.高溫合金緩進磨削燒傷機理實驗研究［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2009，20(1):46 －50.

［5］LIU Qiang，CHEN Xun，Gindy Nanil.Investigation of acoustic emission signals features under a simulative environment of grinding burn［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，46(3/4):284－292.

［6］陳濤，盛曉敏，宓海青.40Cr超高速磨削工藝實驗研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報，2007，34(10):39 －43.