預(yù)應(yīng)力淬硬磨削工件表面層質(zhì)量試驗(yàn)研究

白　斌　修世超　張修銘

1.東北大學(xué)，沈陽(yáng)，110819　　2.沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng)，110136

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預(yù)應(yīng)力淬硬磨削工件表面層質(zhì)量試驗(yàn)研究

白斌1,2修世超1張修銘1

1.東北大學(xué)，沈陽(yáng)，1108192.沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng)，110136

摘要：從抗疲勞制造與綠色制造的觀念出發(fā)，融合預(yù)應(yīng)力磨削與磨削淬硬技術(shù)原理，提出了將殘余應(yīng)力控制、表面淬火及磨削三者集成于一體的預(yù)應(yīng)力淬硬磨削技術(shù)理論與方法。對(duì)45鋼試件進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力淬硬磨削加工試驗(yàn)，以工件淬硬層表面殘余應(yīng)力、硬度及粗糙度為研究對(duì)象，與相同條件下的磨削淬硬工藝試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力淬硬磨削工藝可增大工件表面殘余壓應(yīng)力，減小拉應(yīng)力，其工件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)于磨削淬硬工藝；預(yù)應(yīng)力淬硬磨削工件表面硬度可以達(dá)到基體硬度的3倍左右，而工件表面粗糙度小于磨削淬硬工藝工件表面粗糙度。因此，在相同的加工條件下，預(yù)應(yīng)力淬硬磨削工藝比磨削淬硬工藝具有更好的抗疲勞性、耐腐蝕性及表面完整性。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；淬硬磨削；表面層質(zhì)量；復(fù)合加工

0引言

預(yù)應(yīng)力磨削(pre-stressed grinding, PSG)是將殘余應(yīng)力控制與磨削工藝相集成的加工工藝。該工藝可以在磨削的同時(shí)有效改變已加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)，增大殘余壓應(yīng)力，減小殘余拉應(yīng)力，進(jìn)而提高工件表面的抗疲勞強(qiáng)度。周澤華等[1]于1987年開(kāi)始進(jìn)行預(yù)應(yīng)力切削方法試驗(yàn)研究。其后文獻(xiàn)[2-4]進(jìn)行了PSG工件表面殘余應(yīng)力及其形成機(jī)理的理論及試驗(yàn)研究。但到目前為止，預(yù)應(yīng)力磨削技術(shù)的研究主要集中于預(yù)應(yīng)力與工件表面殘余應(yīng)力的關(guān)系上，而關(guān)于預(yù)應(yīng)力與磨削工件表面硬度、粗糙度等其他表面質(zhì)量因素的關(guān)系研究較少。磨削淬硬(grinding hardening, GH)是利用磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱-機(jī)械復(fù)合作用直接對(duì)工件進(jìn)行表面淬硬的加工工藝。它實(shí)現(xiàn)了磨削加工與表面淬火的集成，起到了節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率、減少有害物質(zhì)排放的效果。GH技術(shù)是由德國(guó)Brinksmeier等[5]提出的。文獻(xiàn)[6-14]對(duì)磨削淬硬的形成機(jī)理及磨削參數(shù)控制等進(jìn)行了理論、試驗(yàn)及仿真研究。雖然這兩種技術(shù)各自優(yōu)點(diǎn)都很突出但亦有明顯的不足，磨削淬硬技術(shù)在磨削過(guò)程中沒(méi)有考慮零件的“抗疲勞”性能，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表面殘余應(yīng)力的控制，造成零件無(wú)法達(dá)到最大的使用壽命；而預(yù)應(yīng)力磨削技術(shù)是將磨削熱作為有害熱源加以限制，不能有效利用磨削熱, 造成資源浪費(fèi)，同時(shí)工件表面硬度過(guò)低，不經(jīng)后續(xù)熱處理則無(wú)法直接使用。從抗疲勞制造與綠色制造的制造理念出發(fā)，融合GH與PSG技術(shù)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[15]提出一種預(yù)應(yīng)力淬硬磨削(PSHG)加工方法。

本文對(duì)45鋼試件進(jìn)行PSHG工藝的相關(guān)試驗(yàn)研究。本研究以與表面層質(zhì)量密切相關(guān)的工件淬硬層表面殘余應(yīng)力、硬度及粗糙度為研究對(duì)象，并與相同條件下的GH工藝試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1PSHG工藝及研究試驗(yàn)條件

1.1PSHG工藝過(guò)程

PSHG工藝過(guò)程如下：

(1)在機(jī)床上通過(guò)預(yù)應(yīng)力夾具對(duì)工件施加預(yù)拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力通過(guò)對(duì)螺紋施加擰緊力矩的方式獲得，并按預(yù)緊力矩與預(yù)應(yīng)力之間的力學(xué)關(guān)系估算[16]，公式為

式中，T為預(yù)緊力矩，N·m；d為螺紋公稱直徑,mm； S為截面積,mm2；σ0為預(yù)應(yīng)力，MPa。

(2)使工件在保持此預(yù)拉應(yīng)力的條件下進(jìn)行無(wú)冷卻液的干磨削加工，利用磨削熱對(duì)工件表層淬火。

(3)工件冷卻至室溫后卸除預(yù)拉應(yīng)力，加工結(jié)束。

與現(xiàn)有工藝相比較，PSHG工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：①PSHG工藝將磨削、淬火及殘余應(yīng)力控制三者集成在一道工序中完成，有效地減少了加工工序，縮短了加工時(shí)間，提高了資源利用率及勞動(dòng)生產(chǎn)率，避免了單獨(dú)淬火、殘余應(yīng)力控制所需的場(chǎng)地、設(shè)備及人員投入；②與傳統(tǒng)磨削和PSG工藝相比，PSHG工藝直接采用磨削熱對(duì)工件進(jìn)行表面淬火，既將磨削熱變害為利，有效地利用了熱能，又減少了為提高工件表面硬度而進(jìn)行的后續(xù)熱處理工序，避免了熱處理工藝產(chǎn)生的廢水、廢料對(duì)環(huán)境的污染，符合“綠色制造”的要求；③與GH工藝相比，PSHG工藝在磨削過(guò)程中對(duì)工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)，因此無(wú)需為改善工件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)和提高工件使用壽命而增加噴丸等殘余應(yīng)力控制工序，節(jié)約了場(chǎng)地、設(shè)備、人員等的投入，促進(jìn)了生產(chǎn)率的提高，符合“抗疲勞制造”的理念。

1.2研究試驗(yàn)條件

PSHG與GH(預(yù)應(yīng)力為0)工藝對(duì)比試驗(yàn)研究中材料選用45鋼，以與表面層質(zhì)量密切相關(guān)的工件表面殘余應(yīng)力、硬度及粗糙度為研究對(duì)象。PSHG工藝試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。預(yù)應(yīng)力是通過(guò)施加螺紋預(yù)緊力矩的方式獲得的。由于預(yù)應(yīng)力只有超過(guò)材料許用屈服強(qiáng)度的20%，預(yù)應(yīng)力在加工中的作用效果才能顯現(xiàn)，而45鋼許用屈服強(qiáng)度σs=355MPa，因此PSHG工藝最小預(yù)應(yīng)力數(shù)值定為74MPa。相關(guān)試驗(yàn)條件與磨削參數(shù)如表1所示。GH工藝加工試驗(yàn)條件與PSHG工藝相同。PSHG和GH工件的磨削段尺寸為90mm×9mm×14mm。

圖1　PSHG工藝試驗(yàn)系統(tǒng)

表1　磨削試驗(yàn)條件與參數(shù)

2殘余應(yīng)力檢測(cè)與結(jié)果分析

2.1殘余應(yīng)力檢測(cè)方法與設(shè)備

殘余應(yīng)力的檢測(cè)采用盲孔法。檢測(cè)設(shè)備采用ASM2-3-X旋鈕式應(yīng)力檢測(cè)儀，盲孔直徑為1.5mm。取試件淬硬層表面沿磨削方向距離試件切入端25mm位置線中點(diǎn)處的殘余應(yīng)力數(shù)值作為殘余應(yīng)力測(cè)量值。

2.2殘余應(yīng)力結(jié)果分析

試件在不同加工條件下的表面層(簡(jiǎn)稱表面)殘余應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從整體看，由于殘余應(yīng)力測(cè)量位置接近切入端，磨削熱作用對(duì)殘余應(yīng)力的影響大于其他因素對(duì)殘余應(yīng)力的影響，因此殘余應(yīng)力顯現(xiàn)為拉應(yīng)力。相對(duì)比看，磨削深度為0.4mm，PSHG工藝試件中，σmax=162.3MPa。與傳統(tǒng)磨削方法比較，PSHG試件拉應(yīng)力下降62.4%; 與GH工藝比較，PSHG試件拉應(yīng)力下降36.8%，殘余應(yīng)力控制效果明顯。GH和PSHG工藝試件在不同加工深度條件下的殘余應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。與GH工藝試件相比較，PSHG工藝試件在各磨削深度條件下都呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力減小、殘余壓應(yīng)力增大的趨勢(shì)。

表2　試件在不同加工條件下的殘余應(yīng)力

圖2　不同工藝下工件殘余應(yīng)力對(duì)比結(jié)果

未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，影響磨削工件表面殘余應(yīng)力的因素主要有磨削力(切削力、擠壓力)、磨削熱及相變因素。磨削加工完成后，切削力會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，擠壓力會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，磨削熱會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，相變因素會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。磨削工件表面殘余應(yīng)力的最終狀態(tài)是上述各因素綜合作用的結(jié)果[11,17]。

預(yù)應(yīng)力的具體作用過(guò)程如下：磨削前，預(yù)應(yīng)力會(huì)使工件整體產(chǎn)生拉伸彈性變形；磨削加工開(kāi)始后，磨削溫度上升但工件表面溫度尚未達(dá)到塑性變形溫度前，工件整體處于彈性變形狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力對(duì)工件表面層及里層的作用是相同的，表現(xiàn)為拉應(yīng)力；在工件表面溫度達(dá)到塑性變形溫度直至最高溫度值這一過(guò)程中，工件表面層進(jìn)入塑性狀態(tài)，表面層金屬可以自由膨脹，先前所受的應(yīng)力全部消失，消失的應(yīng)力中就包括由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，也就是說(shuō)表面層中的預(yù)應(yīng)力被全部釋放了，而工件里層溫度較低，仍處于彈性變形狀態(tài)，因此由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力保持不變；工件冷卻過(guò)程中，由于工件表面層預(yù)應(yīng)力已被釋放，因此表面層保持無(wú)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，而工件里層保持有預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)磨削加工結(jié)束，預(yù)應(yīng)力從工件上卸載后，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力的作用僅存在于工件里層，因此只有里層會(huì)由于彈性恢復(fù)而收縮，此時(shí)，工件表面層因阻礙里層收縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

如將磨削力(切削力和擠壓力)、磨削熱及相變因素造成的工件表面殘余應(yīng)力命名為加工殘余應(yīng)力，將預(yù)應(yīng)力造成的工件表面殘余應(yīng)力命名為預(yù)應(yīng)力殘余應(yīng)力，則PSHG工件表面最終殘余應(yīng)力是加工殘余應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力殘余應(yīng)力的代數(shù)和。即施加預(yù)應(yīng)力不會(huì)改變磨削力、磨削熱及相變因素對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的作用，但與不施加預(yù)應(yīng)力的GH工藝相比較，施加預(yù)應(yīng)力可以減小工件表面的殘余拉應(yīng)力或增大殘余壓應(yīng)力,即在相同的加工條件下，與GH工藝相比，PSHG工藝可獲得更好的工件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)。因此PSHG工藝具有更好的抗疲勞性、耐應(yīng)力腐蝕性[17]。

圖3所示為預(yù)應(yīng)力變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響曲線。由圖3可知，與無(wú)預(yù)應(yīng)力的情況相比較，施加預(yù)應(yīng)力可以減小已加工表面的殘余拉應(yīng)力(或增大殘余壓應(yīng)力)；但在有預(yù)應(yīng)力存在的前提下，隨預(yù)應(yīng)力的增大，并未出現(xiàn)試件表面殘余拉應(yīng)力單調(diào)減小的情況。磨削深度為0.45mm時(shí)，隨預(yù)應(yīng)力的增大，工件表面殘余拉應(yīng)力減小；但磨削深度為0.40mm時(shí)，隨預(yù)應(yīng)力的增大，工件表面殘余拉應(yīng)力先減小后小幅增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因如下:與無(wú)預(yù)應(yīng)力情況相比，施加一定大小的預(yù)應(yīng)力會(huì)對(duì)工件已加工表面的殘余應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響，但在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大預(yù)應(yīng)力，則預(yù)應(yīng)力增量對(duì)殘余應(yīng)力無(wú)顯著影響，因此預(yù)應(yīng)力與殘余應(yīng)力之間不會(huì)形成具有單調(diào)變化規(guī)律的曲線。

圖3　預(yù)應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)力的影響曲線

圖4所示為磨削深度變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響曲線。由圖4可知，GH及PSHG試件均隨磨削深度的增加呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力增大的趨勢(shì)，但磨削深度超過(guò)0.4mm后殘余拉應(yīng)力增大的幅度開(kāi)始放緩，當(dāng)磨削深度達(dá)到0.45mm時(shí)，PSHG工藝試件的殘余拉應(yīng)力甚至有所下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:開(kāi)始時(shí)，磨削熱使試件表面殘余拉應(yīng)力增大，但隨著磨削深度增加，磨削深度對(duì)磨削力的影響減弱，增加的磨削熱有限，而相變因素等其他因素對(duì)殘余應(yīng)力的作用效果顯現(xiàn)，試件表面最終應(yīng)力狀態(tài)由磨削熱與相變因素等共同決定。

圖4　磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響曲線

3表面硬度檢測(cè)與結(jié)果分析

3.1表面硬度檢測(cè)方法與設(shè)備

表面硬度試驗(yàn)中45鋼試件的基態(tài)硬度為230HV。測(cè)量位置為工件淬硬層表面沿磨削方向距切入端45mm位置線處，垂直于磨削方向取均布的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖5所示，記錄9個(gè)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的平均值及最小值作為該試件的平均硬度和最小硬度。測(cè)量設(shè)備采用THV-5的維氏硬度儀，施加的測(cè)試力為 5N。

圖5　硬度測(cè)量點(diǎn)的位置圖

3.2表面硬度結(jié)果分析

表3為本次硬度試驗(yàn)范圍內(nèi)所有GH與PSHG試件的最小硬度及平均硬度整體情況表。由表3可知，無(wú)論是GH還是PSHG，所有試件的最小硬度均在500～650HV之間，平均硬度均在600～800HV。通過(guò)比較，在最小硬度及平均硬度兩方面，PSHG試件均低于GH試件，但兩種工藝加工后的工件平均硬度都可以達(dá)到基態(tài)硬度(230HV)的3倍左右。

表3　試件表面硬度整體情況表

GH和PSHG試件在不同加工深度條件下的表面硬度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖中表面硬度為平均硬度。由圖6可知，磨削深度為0.35mm時(shí)PSHG試件表面硬度略大于GH試件表面硬度，磨削深度為0.40、0.45mm時(shí)，PSHG試件表面硬度小于GH試件表面硬度。出現(xiàn)這種情況的原因如下：磨削熱是影響試件表面硬度的最主要因素之一。PSHG工藝是在磨削加工前就對(duì)工件施加預(yù)拉應(yīng)力，并且該預(yù)拉應(yīng)力會(huì)被一直保留到磨削加工結(jié)束，工件冷卻至室溫后才卸除，因此PSHG試件表面在磨削過(guò)程中始終趨于繃緊展平的狀態(tài)，試件變形程度小于GH工藝，而平整程度高于GH工藝，與GH工藝相比，PSHG試件在加工時(shí)砂輪對(duì)工件表面的摩擦力較小, 進(jìn)而在加工過(guò)程中產(chǎn)生的磨削熱亦較小。由此可知，單獨(dú)考慮磨削熱的影響，PSHG工件硬度不會(huì)高于GH試件硬度，但是試件最終的表面硬度除了受磨削熱的影響外，還會(huì)受到試件實(shí)際的含碳量、含合金元素量等因素的影響，是多種因素綜合作用的結(jié)果。所以出現(xiàn)如圖6中磨削深度為0.35mm時(shí)的PSHG試件硬度略高于GH試件硬度的情況也是正常的。

圖6　PSHG與GH試件表面硬度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖7所示為預(yù)應(yīng)力變化對(duì)試件表面硬度的影響曲線，圖中的硬度為平均硬度。雖然預(yù)應(yīng)力對(duì)磨削熱有抑制作用，進(jìn)而對(duì)硬度有削弱作用，但從圖7可以看出，隨預(yù)應(yīng)力的增大，工件表面硬度并不總會(huì)表現(xiàn)為單調(diào)下降的趨勢(shì)。如當(dāng)磨削深度為 0.45mm時(shí)，預(yù)應(yīng)力從74MPa增加到84MPa時(shí)，試件表面硬度并沒(méi)有隨預(yù)應(yīng)力的增大而下降，反而呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)。這是由于預(yù)應(yīng)力變化因素弱于試件實(shí)際的含碳、合金元素量等其他因素對(duì)試件表面硬度的影響而造成的。

圖7　預(yù)應(yīng)力對(duì)表面硬度的影響曲線

圖8所示為磨削深度變化對(duì)表面硬度的影響曲線，圖中的硬度為平均硬度。從圖8可以看出，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，磨削深度對(duì)表面硬度無(wú)顯著影響。原因是在預(yù)應(yīng)力相同的情況下，影響試件表面硬度的工藝因素主要為加熱溫度和冷卻速度。而試驗(yàn)中隨磨削深度的增加，磨削深度對(duì)磨削力的影響減弱，因而加熱溫度對(duì)表面硬度的影響減弱。同時(shí)，試驗(yàn)的冷卻方式均為自然空冷，冷卻速度造成的試件間表面硬度差異也可忽略。因而圖8中隨磨削深度增加而出現(xiàn)的硬度值波動(dòng)主要取決于材料的真實(shí)含碳量等的差異，即金屬材料的淬硬性。

圖8　磨削深度對(duì)表面硬度的影響曲線

4表面粗糙度檢測(cè)及結(jié)果分析

4.1表面粗糙度檢測(cè)方法及設(shè)備

試件表面粗糙度檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)如表4所示。該試驗(yàn)測(cè)量位置為淬硬層表面沿磨削方向距切入端45mm處。測(cè)量時(shí)儀器觸針尖端在被測(cè)表面上，垂直于加工紋理方向作水平移動(dòng)測(cè)量。

表4　表面粗糙度檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

4.2表面粗糙度測(cè)量結(jié)果分析

PSHG與GH試件在不同磨削深度條件下的表面粗糙度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9　工件表面粗糙度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

與GH工藝相比較，PSHG試件表面粗糙度在各磨削深度條件下均小于GH試件表面粗糙度。出現(xiàn)這種情況的原因是由于預(yù)應(yīng)力的存在，使工件的應(yīng)力分布更為均勻，工件表面被繃緊展平，砂輪與工件之間的接觸面積增大，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)加工表面的磨粒數(shù)增多，對(duì)工件表面的摩擦拋光作用增強(qiáng)，同時(shí)摩擦力減小，磨削熱被抑制，加之，預(yù)應(yīng)力是在整個(gè)磨削加工完成后才撤銷的，在加工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力的存在可以減小熱變性，當(dāng)工件加工完畢卸載預(yù)應(yīng)力后，工件會(huì)向原平直狀態(tài)的方向恢復(fù)，可有效地降低工件變形程度，因此施加預(yù)應(yīng)力可以減小磨削試件的表面粗糙度數(shù)值。隨著粗糙度的減小，工件表面凹陷處儲(chǔ)存油或其他化學(xué)物質(zhì)的能力下降，則工件耐化學(xué)腐蝕的能力增強(qiáng)，由此可知，PSHG比GH試件具有更好的耐化學(xué)腐蝕能力及表面完整性。

圖10顯示的是在各種加工條件下的試件表面粗糙度輪廓曲線。曲線反映了試件已加工表面的微觀幾何形貌。

(a)磨削深度0.45 mm,預(yù)應(yīng)力114 MPa

(b)磨削深度0.45 mm,預(yù)應(yīng)力84 MPa

(c)磨削深度0.45 mm,預(yù)應(yīng)力0

(d)磨削深度0.40 mm,預(yù)應(yīng)力0

(e)磨削深度0.35 mm,預(yù)應(yīng)力0圖10　試件表面粗糙度輪廓曲線

從圖10中可知，就各試件自身的表面粗糙度輪廓而言，其并無(wú)明顯的變化規(guī)律，即磨削工件表面的微觀幾何形貌無(wú)明顯分布規(guī)律；而就試件間互相比較可知，施加預(yù)應(yīng)力或減小磨削深度可以縮減粗糙度曲線中的輪廓高度。

圖11所示為預(yù)應(yīng)力的變化對(duì)試件表面粗糙度的影響曲線。由圖11可知，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，工件表面粗糙度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。出現(xiàn)這種情況的原因是在磨削過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力能限制摩擦力、磨削熱，增強(qiáng)砂輪對(duì)試件的摩擦拋光作用，減小工件熱變形。因此預(yù)應(yīng)力越大，預(yù)應(yīng)力對(duì)試件表面粗糙度的影響就越顯著。

圖11　預(yù)應(yīng)力對(duì)試件表面粗糙度的影響曲線

圖12所示為磨削深度的變化對(duì)試件表面粗糙度的影響曲線。由圖12可知，隨著磨削深度的增加，試件表面粗糙度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象是由于隨著磨削深度的增加，試件加工表面塑性變形增大而造成的。

圖12　磨削深度對(duì)試件表面粗糙度的影響曲線

5結(jié)論

(1)采用45鋼切入式單程平面磨削的方式，進(jìn)行PSHG與GH工藝對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)工件的表面殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度三個(gè)主要的工件表面層質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與分析，試驗(yàn)結(jié)果證明了PSHG工藝的可行性與有效性。

(2)PSHG工藝加工表面的殘余應(yīng)力小于GH工藝加工表面的殘余應(yīng)力，因此PSHG工件表面具有更好的抗疲勞性能及抗應(yīng)力腐蝕能力；在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，有預(yù)應(yīng)力存在的條件下，預(yù)應(yīng)力與殘余應(yīng)力之間并不存在具有單調(diào)變化規(guī)律的曲線；隨磨削深度的增加，試件加工表面殘余拉應(yīng)力增大，但磨削深度超過(guò)0.4mm后殘余拉應(yīng)力增大的幅度逐漸放緩。

(3)PSHG工件的表面硬度可以達(dá)到基體硬度的3倍左右；在僅考慮磨削熱的條件下，PSHG工件表面的硬度不會(huì)高于GH工件表面的硬度；在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，磨削深度對(duì)表面硬度無(wú)顯著影響。

(4)PSHG工件的表面粗糙度小于GH工件的表面粗糙度，因此PSHG工件具有更好的抗化學(xué)腐蝕能力及表面完整性；預(yù)應(yīng)力增大則表面粗糙度減小，磨削深度增加則表面粗糙度數(shù)值增大。

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(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375083)；沈陽(yáng)市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(F13-316-1-59)

中圖分類號(hào)：TG580.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.004

作者簡(jiǎn)介：白斌,男，1979年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生，沈陽(yáng)工程學(xué)院機(jī)械工程系講師。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)磨粒加工技術(shù)及理論。修世超，男，1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張修銘，男，1988年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。

Experimental Study on Surface Layer Quality of Pre-stressed Grind-hardening Parts

Bai Bin1, 2Xiu Shichao1Zhang Xiuming1

1.Northeastern University,Shenyang,110819 2.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang,110136

Abstract：Starting from the anti-fatigue manufacturing and green manufacturing concepts, fusing the principles of pre-stressed grinding and grind-hardening technology, an pre-stressed grind-hardening approach integrated with residual stress control, surface quenching and grinding was presented. Based on the pre-stressed grind-hardening test of 45 steel, the residual stress, hardness and roughness of the workpiece grind-hardening layer surface were studied and analyzed. Comparing with the results for the grind-hardening process under the same conditions. the results are as follows: the residual stress status of the pre-stressed grind-hardening workpieces are better than that of grind-hardening specimens, revealing that pre-stressed grind-hardening process has significant effects on the drop of residual stretch stress and increase of residual press stress; the surface hardness of pre-stressed grind-hardening workpiece is almost three times of original hardness, meanwhile, pre-stressed grind-hardening workpieces can achieve lower roughness than that of grind-hardening workpieces. Therefore, the fatigue resistance, corrosion resistance and surface integrity of pre-stressed grind-hardening workpieces are better than that of the grinding hardening workpieces.

Key words：pre-stress; grind-hardening; surface layer quality; combined machining