18CrNiMo7-6高速磨削條件下表面質(zhì)量的試驗(yàn)研究

王 棟，劉昱范，陳 鑫

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

18CrNiMo7-6高速磨削條件下表面質(zhì)量的試驗(yàn)研究

王 棟，劉昱范，陳 鑫

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

在高速磨削條件下,以砂輪線速度、磨削深度以及工作臺(tái)速度為變量,對(duì)齒輪常用材料18CrNiMo7-6進(jìn)行了單因素高速磨削工藝試驗(yàn),從表面粗糙度和表面硬度兩方面研究了高速磨削對(duì)試驗(yàn)材料表面質(zhì)量的影響，分析了磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度以及表面硬度的影響規(guī)律，揭示了試驗(yàn)材料在高速磨削加工中表面粗糙度和表面硬度的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：表面粗糙度隨著砂輪線速度的增大而減小，隨著磨削深度和工作臺(tái)速度的增大而增大；表面硬度隨著磨削深度的增大而減小，隨著工作臺(tái)速度的增大而增大，但是隨著砂輪線速度的增大，表面硬度先減小再增大最后趨于穩(wěn)定.

高速磨削；表面粗糙度；表面硬度；砂輪線速度；磨削深度；工作臺(tái)速度

0 引言

齒輪是傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其失效形式有齒根彎曲疲勞、齒面接觸疲勞等，這些失效通常源自于齒輪齒面或齒根的表面.因此，齒輪材料的表面質(zhì)量顯得十分重要，而表面粗糙度和表面硬度是衡量工件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2].

高速磨削是指通過(guò)提高砂輪線速度來(lái)提高磨削去除率與磨削質(zhì)量的工藝.人們通常把砂輪線速度為45～150 m/s的磨削工藝稱為高速磨削.高速磨削可以顯著提高磨削效率與磨削質(zhì)量，同時(shí)又能延長(zhǎng)砂輪壽命，是磨削工藝的革命性躍變[3-7].由于齒輪齒面加工的終加工工藝通常為磨削，且實(shí)際生產(chǎn)中的磨削速度尚未達(dá)到高速磨削，粗劣的磨削條件會(huì)降低齒輪的表面質(zhì)量與疲勞強(qiáng)度，影響齒輪的使用性能.因此，筆者針對(duì)齒輪常用材料18CrNiMo7-6，在高速磨削的條件下設(shè)計(jì)了單因素磨削試驗(yàn)方案，從表面粗糙度和表面硬度倆方面研究了高速磨削對(duì)試驗(yàn)材料表面質(zhì)量的影響，并對(duì)不同磨削參數(shù)下的表面粗糙度與表面硬度進(jìn)行測(cè)量，詳細(xì)分析了砂輪線速度、工作臺(tái)速度以及磨削深度對(duì)表面粗糙度和表面硬度的影響，揭示了試驗(yàn)材料在高速磨削加工中表面粗糙度和表面硬度的變化規(guī)律.從而為18CrNiMo7-6在高速磨削條件下磨削參數(shù)的選擇提供了依據(jù)[8-10].

1 試驗(yàn)裝置

1.1 高速磨削試驗(yàn)平臺(tái)

由于目前尚未有齒輪高速成型磨床，因此用高速平面磨床來(lái)模擬高速磨削齒輪過(guò)程.試驗(yàn)在杭州機(jī)床廠生產(chǎn)的 MKL7132X8/17 型超高速平面磨床上進(jìn)行，如圖1所示.該磨床應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和緩進(jìn)深切成形磨削工藝，能對(duì)機(jī)床的三個(gè)直線軸和磨頭主軸進(jìn)行單獨(dú)控制或聯(lián)動(dòng).主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r/min，砂輪電動(dòng)機(jī)功率為50 kW.

圖1 超高速平面磨床Fig.1 Super-high surface grinder

1.2 表面粗糙度測(cè)量?jī)x

試驗(yàn)采用2206B型表面輪廓-粗糙度測(cè)量?jī)x，在垂直于磨削方向上測(cè)量試樣表面粗糙度Ra，針對(duì)每一試樣測(cè)量5次并求其平均值.

1.3 洛氏硬度計(jì)

由于齒輪材料要求表面硬度高，因此，試驗(yàn)利用HR-150A型手動(dòng)洛氏硬度計(jì)測(cè)量試件表面硬度.磨削后沿磨削方向上測(cè)量5個(gè)點(diǎn)的表面硬度，并求其平均值.

2 磨削工藝條件

2.1 試驗(yàn)材料

試樣選用齒輪常用材料18CrNiMo7-6，其熱處理工藝同齒輪實(shí)際熱處理工藝相同.使用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)此齒輪材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其性能如表1所示.

2.2 磨削方式的選擇

根據(jù)砂輪線速度方向與工作臺(tái)速度方向的異同，將平面磨削分為順磨與逆磨.由于在相同的磨削條件下，順磨比逆磨的磨削力大，磨削溫度高,因此試驗(yàn)采用平面逆磨的磨削方式[11].

2.3 砂輪的選擇

CBN(立方氮化硼)砂輪和金剛石砂輪是高速磨削工藝中常用的砂輪.它們各有各的特點(diǎn)[12].結(jié)合試驗(yàn)條件，選用陶瓷CBN砂輪.砂輪參數(shù)如表2所示.

表1 試驗(yàn)材料及性能

表2 砂輪參數(shù)

2.4 磨削液的選擇

高速磨削時(shí)砂輪磨粒與工件之間發(fā)生高速的滑擦與切削，會(huì)在磨削區(qū)產(chǎn)生高溫，造成工件表面燒傷，降低加工精度與表面粗糙度，加劇砂輪的磨損.為了避免這一現(xiàn)象，在高速磨削加工時(shí)應(yīng)合理使用磨削液.本次試驗(yàn)選用GYSyn 256C磨削液.磨削試驗(yàn)條件如表3所示.

表3 磨削試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 磨削要素對(duì)表面粗糙度的影響

3.1.1 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖2反映了當(dāng)工作臺(tái)速度為4 m/min，砂輪磨削深度為20 μm時(shí)，砂輪線速度與表面粗糙度之間的關(guān)系.從圖2可以看出，試樣表面粗糙度隨著砂輪線速度的增大而減小.這是因?yàn)樯拜喚€速度的提高會(huì)使最大未變形切削厚度hmax降低，導(dǎo)致單顆磨粒的切深減小，磨屑變薄，因此磨粒在工件表面的切痕深度變小.同時(shí)，工件材料來(lái)不及變形，表層金屬的塑性變形減小，磨削表面的粗糙度將減小.

圖2 表面粗糙度與砂輪線速度的關(guān)系Fig.2 The relationship between surface roughness and wheel speed

3.1.2 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響

圖3反映了當(dāng)砂輪線速度為120 m/s，工作臺(tái)速度為4 m/min時(shí)，砂輪磨削深度與表面粗糙度之間的關(guān)系.從圖3可以看出，試樣表面粗糙度隨著磨削深度的增大而增大.這是由于增大磨削深度，最大未變形切削厚度增大，單顆磨粒切削厚度也增大，這會(huì)導(dǎo)致磨粒在工件表面的切痕變深.同時(shí)，塑性變形也會(huì)隨之增大，被磨表面的粗糙度數(shù)值將會(huì)增大.但是，當(dāng)磨削深度為10～20 μm時(shí)，表面粗糙度隨著磨削深度的增大而減小.這是由于在磨削平面時(shí)，當(dāng)工件表面Ra為1.5～15時(shí)，工件表面存在缺陷層,且缺陷層深度為20～30 μm[13].由于試樣表面Ra的實(shí)測(cè)值為3.467，介于1.5～15，所以當(dāng)磨削深度小于20 μm時(shí)，試樣表面缺陷層并未被完全磨除，導(dǎo)致Ra其較大.

圖3 表面粗糙度與磨削深度的關(guān)系Fig.3 The relationship between surface roughness and wheel depth of cut

3.1.3 工作臺(tái)速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖4反映了當(dāng)砂輪線速度為120 m/s，磨削深度為20 μm時(shí)，工作臺(tái)速度與表面粗糙度之間的關(guān)系.從圖4可以看出，隨著工作臺(tái)速度的增大，

圖4 表面粗糙度與工作臺(tái)速度的關(guān)系Fig.4 The relationship between surface roughness and workpiece velocity

試樣表面粗糙度略有增大.究其原因：工作臺(tái)速度增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)磨除的材料增加，單顆磨粒的未變形切削厚度增大，導(dǎo)致磨粒在工件表面留下的刻痕深度也有所增加，表面粗糙度值也增大.但由于實(shí)際磨床工作臺(tái)速度有所限制，因此，工作臺(tái)速度對(duì)表面粗糙度的影響不明顯.

3.2 磨削要素對(duì)表面硬度的影響

3.2.1 砂輪線速度對(duì)表面硬度的影響

圖5反映了工作臺(tái)速度為4 m/min，磨削深度為20 μm時(shí)，砂輪線速度與表面硬度間的關(guān)系.從圖5可以看出，隨著砂輪線速度的增大，試樣表面硬度先減小再增大,最后趨于穩(wěn)定.這是由于當(dāng)砂輪線速度為60～80 m/s時(shí)，隨著砂輪線速度的提高，最大未變形切削厚度hmax降低，這意味著單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，切削變形能增大;同時(shí)，磨削溫度升高,這會(huì)使試樣表面產(chǎn)生回火軟化現(xiàn)象，且溫度越高，回火軟化現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此表面硬度值有所下降.但是，當(dāng)砂輪線速度達(dá)到80 m/s左右時(shí)，砂輪與試樣接觸層的溫度達(dá)到最高點(diǎn)，越過(guò)這個(gè)點(diǎn)后，砂輪線速度持續(xù)提高，接觸層高溫磨屑的形成加快，接觸層厚度變小，導(dǎo)致接觸層下邊一層的溫度在增大之前，接觸層即被切除，磨削溫度降低，這種現(xiàn)象符合薩洛蒙曲線.因此,試樣表面回火軟化程度下降，硬度有所上升，最終趨于穩(wěn)定.

圖5 砂輪線速度對(duì)表面硬度的影響Fig.5 The relationship between surface hardness and wheel speed

3.2.2 磨削深度對(duì)表面硬度的影響

圖6反映了砂輪線速度為120 m/s，工作臺(tái)速度為4 m/min時(shí)，砂輪磨削深度與表面硬度之間的關(guān)系.從圖6可以看出，隨著砂輪磨削深度的增大，試樣表面硬度值減小.這是由于隨著砂輪磨削深度的增大，磨削區(qū)范圍增大，參與切削的磨粒數(shù)增加，單顆磨粒切削厚度增大，因此磨削區(qū)的總熱流強(qiáng)度增大，導(dǎo)致工件表面溫度升高，產(chǎn)生回火軟化現(xiàn)象.并且隨著磨削深度的增加，試件表面回火軟化程度增大，因此表面硬度降低.

圖6 磨削深度對(duì)表面硬度的影響Fig.6 The relationship between surface hardness and wheel depth of cut

3.2.3 工作臺(tái)速度對(duì)表面硬度的影響

圖7反映了砂輪線速度為120 m/s，磨削深度為20 μm時(shí)，工作臺(tái)速度與表面硬度間的關(guān)系.從圖7可以看出，試樣表面硬度隨著工作臺(tái)速度的增大而增大.這是由于隨著工作臺(tái)速度的增大，雖然最大未變形切削厚度hmax變大，單顆磨粒切厚變大，熱源強(qiáng)度增大，但是熱源在工件表面上移動(dòng)的速度加快，作用時(shí)間減少，回火軟化現(xiàn)象不顯著，表面硬度變化趨于穩(wěn)定.

圖7 工作臺(tái)速度對(duì)表面硬度的影響Fig.7 The relationship between surface hardness and workpiece velocity

4 結(jié)論

針對(duì)齒輪常用材料18CrNiMo7-6，筆者在高速磨削的條件下設(shè)計(jì)了單因素磨削試驗(yàn)方案，并對(duì)不同磨削參數(shù)下工件的表面粗糙度與表面硬度進(jìn)行測(cè)量，最終得到了砂輪線速度、磨削深度以及工作臺(tái)速度對(duì)表面粗糙度以及表面硬度的影響規(guī)律.

(1)表面粗糙度隨著砂輪線速度的增大而減小，隨著磨削深度與工作臺(tái)速度的增大而增大.但是當(dāng)磨削深度為10～20 μm時(shí)，表面粗糙度隨著磨削深度的增大而減小，這是由于平磨試樣時(shí)，試樣表面Ra的實(shí)測(cè)值為3.467，介于1.5～15，試樣表面缺陷層深度Ha為20～30 μm.所以當(dāng)磨削深度小于20 μm時(shí)，試樣表面缺陷層并未被完全磨除，導(dǎo)致其Ra較大.因此，在高速磨削條件下，可適當(dāng)增加磨削深度，這樣既能保證工件表面質(zhì)量，又可以提高磨削效率；

(2)表面硬度隨著磨削深度的增大而減小，隨著工作臺(tái)速度的增大而增大.但是隨著砂輪線速度的增大，表面硬度先減小再增大最后趨于穩(wěn)定.這是由于磨削溫度隨著砂輪線速度的提高先升高再降低最后趨于穩(wěn)定，因此導(dǎo)致不同砂輪線速度下，試樣表面回火軟化程度不同，硬度值也就有所不同.

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Experimental Study about Surface Quality in High-Speed Grinding Condition for 18CrNiMo7-6

WANG Dong，LIU Yufan,CHEN Xin

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In the condition of high-speed grinding,a single factor process experiment was carried out for 18CrNiMo7-6, which usually used in gear material,making grinding parameters such as wheel velocity,grinding depth and workpiece velocity variables.This study aimed to explore the effects of high-speed grinding on surface quality of experimental material from surface roughness and surface hardness, to analye the effects of grinding parameters on surface roughness and surface hardness,and to explain the varying pattern of surface roughness and surface hardness of experimental material in high-speed grinding. The results showed that surface roughness decreased with the increase of wheel velocity and increased with the increase of grinding depth and workpiece velocity;surface hardness decreased with the increase of grinding depth, and increased with the increase of workpiece velocity,but surface hardness decreased firstly and then decreased and tended to be stable finally with the increase of wheel velocity.

high-speed grinding;surface roughness;surface hardness;specific grinding energy;wheel velocity;Grinding depth；workpiece velocity

2016-07-04；

2016-10-09

2014年國(guó)家工業(yè)和信息化部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程 作者簡(jiǎn)介:王棟(1970— )，男，河南沁陽(yáng)人，鄭州大學(xué)教授，博士，主要從事抗疲勞制造技術(shù)研究，E-mail:wangdong@zzu.edu.com.

1671-6833(2017)03-0078-04

TH161

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.019