磨削工藝對車軸表面粗糙度的影響分析

劉偉強，黃秀蘭，文雅珊

(井岡山大學機電工程學院，江西井岡山 343009)

0 前言

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是切削加工的主要形式之一［1］。磨削是現(xiàn)代加工領(lǐng)域中應用相當廣泛的一項精密加工技術(shù)，且往往是加工精密零件的最后一道工藝方法，一直以來，磨削技術(shù)由于其具有其它加工方法不可比擬的特點而在機械加工領(lǐng)域中受到專家學者和企業(yè)的重視，目前磨削加工機床的總量約占機械切削加工機床總量的30%［2］。在磨削加工中，表面完整性可以用來衡量磨削加工表面質(zhì)量的好壞，目前對于零件表面完整性的要求也越來越高，其主要包含表面紋理指標與表面層物理力學性能指標兩類［3］。而工件表面粗糙度是反映表面完整性指標中極為重要的一個參數(shù)，也是決定磨削加工質(zhì)量的重要因素之一。粗糙度的大小對工件使用性能有很大的影響，表面粗糙度越小，零件的耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性相應就越好，并且可提高零件裝配時的配合精度［4］。

眾所周知，汽車工業(yè)是世界各工業(yè)發(fā)達國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一。軸類零件是汽車動力傳動系統(tǒng)中重要的部件，是發(fā)動機中最重要零件之一。若是發(fā)動機中的某曲軸發(fā)生故障，輕則影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，重則會導致機毀人亡的重大事故。隨著汽車工業(yè)、內(nèi)燃機工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車軸類零件的需求量越來越大，軸類零件的加工工藝、設(shè)備也越來越受到人們的普遍關(guān)注。軸加工的精度、效率、柔性和自動化程度的高低直接影響到汽車動力傳動系統(tǒng)運行的好壞。當前車軸表面的最后加工工序都是磨削，目前研究較多的是車軸表面的強化，而對于通過改變磨削加工工藝來改善車軸表面完整性的研究則較少［5］。因此，文中基于長期的磨削試驗經(jīng)驗，開展磨削加工車軸表面粗糙度分析以及以表面粗糙度改善為目標的磨削工藝優(yōu)化研究具有深刻的現(xiàn)實意義。

1 磨削試驗的方案設(shè)計

為了能夠充分研究在20CrMnTi材料的磨削過程中磨削工藝參數(shù)對車軸表面粗糙度的影響規(guī)律，在保證其精度及表面完整性的同時提高材料去除率，需要進行系統(tǒng)的磨削工程實驗。以下對其磨削實驗方案作全面介紹，包括實驗用材料、磨削實驗平臺、實驗過程參數(shù)檢測及詳細的磨削試驗工藝方案設(shè)計。

1.1 磨削試件及砂輪

磨削試件:材料為20CrMnTi，表面滲碳淬火，單邊滲碳層深度為1.5 mm，磨削外圓直徑為φ80 mm，外圓軸向尺寸為18 mm。其實物圖如圖1所示。

圖1 磨削試件實物圖

砂輪:陶瓷結(jié)合劑 CBN砂輪，砂輪型號99VG3A1-400-22-5，最高線速度150 m/s，修整方式為修銳。

1.2 磨削試驗平臺

實驗在MGKS1332/H-SB-04型高速外圓磨床上進行。砂輪架部件采用閉式靜壓導軌形式，并采用伺服電機和精密絲杠的傳動結(jié)構(gòu);砂輪軸系采用高速滾動軸承和內(nèi)裝式電機結(jié)構(gòu)，砂輪主軸裝有SBS動平衡儀。其中，高速外圓磨床的砂輪主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，電機功率28 kW。

1.3 表面粗糙度數(shù)據(jù)采集裝置

實驗采用JB-4C精密粗糙度儀 (圖2)對擦凈后的磨削試件的表面粗糙度進行測試。

圖2 JB-4C精密粗糙度儀

該儀器是一種高精度觸針式表面粗糙度測量儀器，可對平面、斜面、外圓柱面等各種零件表面的粗糙度進行測試，并實現(xiàn)表面粗糙度的多種參數(shù)測量。

其主要的技術(shù)指標如下:

(1)取樣長度L:0.25，0.8，2.5 mm(測量圓弧面或球面取樣長度可選擇0.25 mm和0.8 mm)。

(2)評定長度Ln:1L，2L，3L，4L，5L等可任選。

(3)測量范圍:Ra0.01～10 μm;傳感器垂直移動范圍0.6 mm。

(4)最小顯示值:0.001 μm。

(5)儀器示值誤差:≤±5%±4 nm。(6)傳感器移動的速度:0.5 mm/s。

(7)傳感器觸針:標準型 (高度小于8 mm)，小孔型各1支。觸針半徑2 μm，靜態(tài)測力0.75 mN。

(8)工作臺:旋轉(zhuǎn)角度360°，X、Y移動15 mm。

評定表面粗糙度時，在二維輪廓線上采用中線制，以輪廓的最小二乘中線為基準線進行輪廓的評定計算。實驗在給定的取樣長度內(nèi)，按垂直于磨痕的方向上測量被加工表面的粗糙度Ra，在每種工況條件下選擇3個不同位置測量，并取其平均值。

1.4 磨削試驗工藝方案

每次實驗前，先要對砂輪進行動平衡，使用砂輪主軸上的SBS動平衡儀，按照相應的砂輪線速度進行平衡，當平衡量達到0.03 μm后開始實驗。該實驗主要采用切入式逆磨方式，冷卻液為乳化液，噴嘴流速為10 L/min。每完成5組磨削工藝實驗，需使用金剛石滾輪對砂輪進行修整，在每一組磨削實驗前均要進行修銳，以保證砂輪狀態(tài)一致性。在相同的工裝條件下，磨削工藝參數(shù)的變化將直接影響磨削質(zhì)量指標的變化規(guī)律，進而影響工件表面質(zhì)量及其精度，具體的磨削工況見表1所示。

表1 20CrMnTi高效外圓磨削實驗工況

2 磨削工藝對車軸表面粗糙度的影響分析

2.1 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

圖3表明了20CrMnTi材料在工件速度vw=0.418 m/s，切深ap=0.006 mm，材料去除率Q'w=2.5 mm3/(mm·s)，砂輪線速度vs分別為45、60、75、90、105、135 m/s時，工件表面粗糙度隨砂輪線速度的變化關(guān)系曲線。從圖3可以看出在工件轉(zhuǎn)速 (vw=0.418 m/s)和磨削深度 (ap=0.006 mm)保持恒定時，表面粗糙度數(shù)值隨著砂輪線速度的增加總體呈下降趨勢，即砂輪線速度vs越高表面質(zhì)量越好。這是因為增大砂輪線速度后，每顆磨粒切下的磨屑變薄，磨粒通過磨削工作區(qū)時在工件表面留下的切痕深度就會減小，從而使工件表面變得更加光潔。

圖3 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

2.2 工件速度對表面粗糙度的影響

圖4表明了20CrMnTi材料在砂輪線速度vs=90 m/s，切深ap=0.006 mm，工件速度vw分別為0.209、0.418、0.627、0.836、1.254 m/s 時，工件表面粗糙度隨工件速度的變化關(guān)系曲線。從圖4可以看出在砂輪線速度 (vs=90 m/s)和磨削深度 (ap=0.006 mm)保持恒定時，提高工件速度即逐步提高磨削材料去除率0.5倍時，表面粗糙度數(shù)值隨著工件速度的增加總體呈上升趨勢。但是總體上升的幅度不是很大，這說明在實際加工中，要平衡好加工效率和工件表面質(zhì)量的關(guān)系，在保證工件表面質(zhì)量的前提下，適當?shù)奶岣吖ぜ募庸ば省?/p>

圖4 工件速度對表面粗糙度的影響

2.3 磨削深度對表面粗糙度的影響

圖5表明了20CrMnTi材料在砂輪線速度vs=90 m/s，工件速度vw=0.418 m/s，磨削深度ap分別為0.003、0.006、0.009、0.012、0.018 mm 時，工件表面粗糙度隨工件速度的變化關(guān)系曲線。從圖5可以看出在工件轉(zhuǎn)速 (vw=0.418 m/s)和砂輪線速度(vs=90 m/s)保持恒定時，提高切深即逐步提高磨削材料去除率時，表面粗糙度數(shù)值隨著磨削深度的增加總體呈上升趨勢，即磨削深度ap值越高表面質(zhì)量越差。這是因為增大磨削深度，單顆磨粒的最大切削厚度增大，磨粒通過磨削工作區(qū)時在工件表面留下的切痕深度就會增加，從而使工件表面變得更加粗糙。

圖5 磨削深度對表面粗糙度的影響

2.4 材料去除率與表面粗糙度的影響關(guān)系

圖6為磨削材料為20CrMnTi的試件時，vs=90 m/s，材料去除率與表面粗糙度的變化關(guān)系曲線。從圖6中可以看出在材料去除率約小于2.5 mm3/(mm·s)時，提高磨削深度比提高工件速度會產(chǎn)生更小的表面粗糙度值;在材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)時，提高工件速度比提高磨削深度會產(chǎn)生更小的表面粗糙度值。因此在以表面粗糙度為主要考核指標來優(yōu)化磨削工藝參數(shù)時，當材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)時，可以盡量提高磨削深度;當材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)時，可以盡量提高工件速度，這樣可以獲得更小的表面粗糙度值。

圖6 材料去除率對表面粗糙度的影響

3 結(jié)論

表面粗糙度是衡量工件表面質(zhì)量的一個重要指標，作者對20CrMnTi試件開展高效磨削工藝技術(shù)試驗研究，通過優(yōu)化磨削條件和磨削工藝參數(shù)，系統(tǒng)地研究磨削工藝參數(shù)和條件變化對工件表面粗糙度的影響。其主要結(jié)論如下:

(1)工件表面粗糙度值隨砂輪線速度的增大而減小，但影響較小;

(2)工件表面粗糙度隨工件速度及磨削深度的增加而增加，其影響程度較砂輪線速度要大。

(3)當材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)時，工件速度比磨削深度對工件表面粗糙度更加敏感;當材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)時，磨削深度比工件速度對工件表面粗糙度更加敏感，因此在以表面粗糙度為主要考核指標來優(yōu)化磨削工藝參數(shù)時，當材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)時，可以盡量提高磨削深度;當材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)時，可以盡量提高工件速度，這樣可以獲得更小的表面粗糙度值。

［1］孟令鋒.磨削加工切削參數(shù)的智能選擇系統(tǒng)研究［D］.成都:四川大學，2006.

［2］袁巨龍，鄧朝暉，熊萬里，等.高效磨削技術(shù)與裝備進展及展望［J］.航空制造技術(shù)，2010(5):66－70.

［3］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］唐昆.TC4鈦合金高效深磨工藝實驗研究及其磨削質(zhì)量預測［D］.長沙:湖南大學，2007.

［5］李冰，姜長明，曾超，等.磨削工藝對車軸表面應力狀態(tài)影響分析及工藝優(yōu)化［J］.中國制造業(yè)信息化，2011，40(21):43－45.