研磨工藝對18CrNiMo7-6鋼表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

（鄭州大學(xué) 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

作為一種精密超精密加工方法，研磨加工具有加工精度高、加工質(zhì)量優(yōu)的特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于金屬零部件、石英玻璃以及藍(lán)寶石等的表面精加工[2-4]。在研磨加工過程中，工件表面的加工質(zhì)量取決于研磨工藝參數(shù)的合理選擇，加工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到零部件的使用性能和整機(jī)設(shè)備的安全可靠性。

表面粗糙度和殘余應(yīng)力作為評價工件表面質(zhì)量的兩大重要指標(biāo)，得到重要關(guān)注[5]。原一高等[6]通過W9Mo3Cr4V高速鋼的散料研磨試驗(yàn)指出，隨磨料粒度的增大，工件材料去除率、表面粗糙度及殘余應(yīng)力均增大。陳建等[7]研究了研磨工藝參數(shù)對W9Mo3Cr4V高速鋼工件表面粗糙度及殘余應(yīng)力的影響，指出研磨壓力和磨料粒度對工件表面粗糙度影響較為顯著，研磨速度影響較弱，工件表面殘余壓應(yīng)力隨研磨壓力、磨料粒度及研磨速度的增大而增大。

18CrNiMo7-6鋼是一種低碳合金鋼，其材料性能在滲碳前后有很大差異。經(jīng)滲碳淬火后，表面硬度高，且耐磨性好，心部韌性好。由于其優(yōu)越的力學(xué)性能，該材料被廣泛應(yīng)用于高速重載齒輪等領(lǐng)域[8]。陳鑫等[9]對18CrNiMo7-6鋼進(jìn)行了高速平面磨削試驗(yàn)，得到了高速磨削工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力和表面粗糙度的影響規(guī)律。吳政協(xié)等[10]探討了不同后混合水射流噴丸工藝對18CrNiMo7-6鋼表面性能的影響，得到了噴丸工藝參數(shù)對其表面粗糙度、殘余應(yīng)力及顯微硬度等的影響規(guī)律。目前尚未見到關(guān)于18CrNiMo7-6鋼研磨加工工藝參數(shù)的研究報道。

本文基于平面研磨的特點(diǎn)和加工原理[11]，通過單因素試驗(yàn)，探討了磁性樹脂基金剛石研磨墊粒度、研磨壓力、研磨速度及研磨時間等工藝參數(shù)對18CrNiMo7-6鋼工件滲碳前后表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，為其合理選擇和安排研磨工藝提供依據(jù)。

1 研磨加工原理

平面研磨的加工原理如圖1所示[12]。研磨試驗(yàn)以UNIPOL-1200M自動壓力研磨拋光機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺，將磁性樹脂金剛石研磨墊通過磁力片吸附固定在磨拋盤上，磨拋盤和載樣盤均可以不同速度正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。將工件試樣置于載樣盤盤孔內(nèi)，在氣體壓力作用下進(jìn)行研磨工藝試驗(yàn)。試樣尺寸為φ22 mm×11 mm，每組工藝參數(shù)組合下布置3個試樣。研磨墊局部如圖2所示。

2 研磨工藝試驗(yàn)

2.1 材料

試驗(yàn)材料為18CrNiMo7-6合金鋼，工件經(jīng)線切割后，采用100#—120#砂輪進(jìn)行磨削預(yù)處理，再用金剛石研磨墊開展研磨試驗(yàn)。經(jīng)磨削處理后，滲碳前后工件表面粗糙度Ra為0.3～0.4 μm，滲碳面硬度為59.6～62.8HRC，殘余拉應(yīng)力為41.53 MPa。基體面硬度為39.0～41.0HRC，殘余拉應(yīng)力為254.39 MPa。

2.2 試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)方案[13-14]進(jìn)行18CrNiMo7-6鋼工件的研磨工藝試驗(yàn)，旨在探討磁性樹脂基金剛石研磨墊粒度、研磨壓力、研磨速度及研磨時間等工藝參數(shù)對滲碳前后工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響。研磨單因素試驗(yàn)方案見表1。研磨前用無水乙醇對工件進(jìn)行超聲波清洗，用水平儀對磨拋盤表面進(jìn)行校準(zhǔn)。研磨過程中實(shí)時觀察壓力值和水流速度等設(shè)備狀態(tài)，以保證研磨工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性[15]。采用NPFLEX三維表面輪廓儀對工件研磨前后的表面粗糙度進(jìn)行測量，每個工件表面測3～5個點(diǎn)，取平均值。采用高速X射線殘余應(yīng)力分析儀對工件研磨前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，每個工件表面測3～5個點(diǎn)，取平均值。

表1 研磨單因素試驗(yàn)方案Tab.1 Single factor test scheme for lapping

3 分析與討論

3.1 研磨墊粒度對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

研磨墊粒度對研磨加工過程有很大影響，不僅對研磨加工過程的摩擦力、磨削溫度有影響，還對工件已加工表面質(zhì)量有較大影響。滲碳工件研磨前后的表面形貌如圖3所示，研磨墊粒度對滲碳前后工件表面粗糙度的影響如圖4所示。可以看出，工件已加工表面粗糙度隨著研磨墊粒度的增大而減小。當(dāng)磨粒尺寸較大時，工件研磨后表面有比較粗且深的劃痕溝槽存在；而磨粒尺寸較小時，單顆磨粒的有效切深較小，不易引起大的變形，因此工件研磨后表面粗糙度較低，表面質(zhì)量較好。工件表面硬度、耐磨性在滲碳熱處理后均有所提高，滲碳面表面粗糙度要低于基體面。3000#研磨墊研磨后，滲碳面和基體面表面粗糙度Ra分別為15 nm和17 nm。

研磨墊粒度對工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯?，隨著研磨墊磨料粒度的增大，18CrNiMo7-6鋼滲碳前后工件表面的殘余應(yīng)力值均逐漸增大，但基體表面殘余應(yīng)力的增大幅度小于滲碳表面。基體表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而當(dāng)粒度為1500#和3000#時，滲碳表面會呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

當(dāng)研磨墊粒度為400#時，基體面殘余壓應(yīng)力值最大可達(dá)-506.54 MPa。在研磨加工過程中，磨粒作為刀具，具有較大的負(fù)前角，導(dǎo)致磨粒在工件表面刻劃產(chǎn)生較大的塑性變形和壓應(yīng)力，不均勻的塑性變形殘留在工件表面，進(jìn)而形成殘余壓應(yīng)力。當(dāng)磨粒尺寸較大時，同時作用在工件表面的磨料數(shù)量則相對較少，單個磨粒的作用力變大，磨粒在工件表面刻劃出的劃痕和溝槽更加明顯，工件表面不均勻的塑性變形也較為顯著，致使殘余壓應(yīng)力較大。

滲碳面由于其滲碳淬火的熱處理工藝，表面硬度較大，耐磨性較好，熱塑性變形引起的拉應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。細(xì)粒度的磨料參與研磨后，不足以抑制熱塑變形效應(yīng)，使得工件表面呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力。研磨墊粒度為400#時，殘余壓應(yīng)力為-587.29 MPa。當(dāng)研磨墊粒度較大時，工件表面表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，粒度為3000#時，拉應(yīng)力值為571.74 MPa。

3.2 研磨壓力對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

研磨壓力作為研磨工藝參數(shù)中的主要因素，對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力均有較大的影響。研磨壓力對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖6所示。從圖6可知，隨著研磨壓力的逐漸增大，工件已加工表面粗糙度逐漸減小。這是由于隨著研磨壓力的不斷增大，實(shí)際參與研磨的有效磨粒數(shù)量相對增多，固結(jié)于樹脂結(jié)合劑中的磨粒逐漸出刃，參與磨削，研磨初期較大的劃痕和溝槽逐漸被后來出刃高度低的磨粒加以修整，進(jìn)而降低已加工表面粗糙度。

從圖7可知，相同研磨條件下，滲碳后表面粗糙度值小于滲碳前，且壓力越大，粗糙度差值越大。研磨壓力為0.1 MPa時，滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.124 μm和0.113 μm；研磨壓力為0.3 MPa時，滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.116 μm和0.083 μm。研磨壓力增大時，工件與磨粒的接觸面積變大，同時參與研磨的磨粒數(shù)量相應(yīng)增多，單顆磨粒的平均切深減小，工件表面粗糙度值較小，表面質(zhì)量較好。

從圖8可知，隨著研磨壓力的增大，工件表面的殘余壓應(yīng)力增大。由于研磨壓力的增大，相應(yīng)地增大了磨粒對工件表面的壓應(yīng)力，導(dǎo)致工件表面的塑性變形程度變大，使得工件表面殘余壓應(yīng)力值增大?；w材料由于未經(jīng)過熱處理，隨著壓力的增大，其塑性變形程度較大，因此基體面的殘余應(yīng)力值高于滲碳面。研磨壓力為0.1 MPa時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-343.71 MPa和-175.01 MPa；研磨壓力為0.3 MPa時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-369.90 MPa和-311.68 MPa。

3.3 研磨速度對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

研磨速度對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖9所示。從圖9可知，隨著研磨速度的逐漸增大，工件表面粗糙度逐漸減小。在研磨初期，工件表面凹凸不平，材料去除不均勻，隨著研磨速度的增大，工件與磨粒的接觸次數(shù)增多，單位時間內(nèi)作用在工件表面的磨粒數(shù)增加，隨著磨粒和工件表面的接觸變得充分，初期的磨削變得均勻，工件表面質(zhì)量逐步得到改善。研磨速度為10 r/min時，滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.129 μm和0.116 μm；研磨速度為40 r/min時，滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.105 μm和0.083 μm。

研磨速度對滲碳前后工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖10所示。從圖10可知，工件表面殘余壓應(yīng)力值隨研磨速度的提高而增大。提高研磨速度，增加了工件和磨粒的接觸次數(shù)，工件表面的塑性變形程度相對變大。因此，隨著研磨速度的提高，殘余應(yīng)力值增大。研磨速度為10 r/min時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-343.01 MPa和-197.01 MPa；研磨速度為40 r/min時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-429.42 MPa和-322.0 MPa。

3.4 研磨時間對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

研磨時間作為衡量研磨效果的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，其長短對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力有不可忽略的影響。研磨時間對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖11所示。從圖11可知，隨著研磨時間的延長，工件表面粗糙度呈現(xiàn)出下降趨勢。當(dāng)其他參數(shù)固定不變時，通過延長研磨時間，可以降低工件表面粗糙度，但當(dāng)研磨時間達(dá)到一定時限，表面粗糙度變化會逐漸減小。

研磨時間對滲碳前后工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖12所示。從圖12可知，工件表面的殘余壓應(yīng)力值隨研磨時間的延長而增大。研磨初期，磨粒較為鋒利，磨粒切深較大。隨著時間的推移，磨粒不斷鈍化，磨粒與工件接觸面積變大，磨粒切深較小，但又有新的磨粒出刃，進(jìn)一步劃擦、磨削工件，加快了工件的塑性變形，引起殘余壓應(yīng)力的增大。研磨時間為5 min時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-382.93 MPa和-245.05 MPa；研磨時間為20 min時，滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-430.34 MPa和-371.68 MPa。

4 結(jié)論

1）對于18CrNiMo7-6鋼滲碳前后的工件，隨著研磨墊粒度的增大，加工表面粗糙度值減小，研磨墊粒度為3000#時，滲碳件和基體件表面粗糙度Ra分別為15 nm和17 nm。

2）隨著研磨墊粒度的增大，殘余應(yīng)力值增大。當(dāng)研磨墊粒度為3000#時，滲碳件表面可增大至殘余拉應(yīng)力571.74 MPa，而基體件表面仍然呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力-7.37 MPa；當(dāng)研磨墊粒度為400#時，均呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，滲碳前后分別為-506.54 MPa和-587.29 MPa。

3）研磨墊粒度為800#時，隨著研磨壓力、研磨速度及研磨時間的增大，滲碳前后工件表面粗糙度值均減小，且表面殘余壓應(yīng)力值增大。優(yōu)化后研磨工藝參數(shù)組合為：研磨墊粒度800#，研磨壓力0.2 MPa，研磨速度40 r/min，研磨時間10 min。此工藝能夠得到較小的表面粗糙度值和較大的表面殘余壓應(yīng)力。

4）在同樣的研磨加工條件下，由于滲碳處理后工件表面硬度高，耐磨性較好，并且研磨過程中產(chǎn)生的塑性變形較小，所以滲碳件研磨加工表面粗糙度值小于基體件表面粗糙度，且滲碳件表面殘余應(yīng)力值大于基體件表面殘余應(yīng)力。