高速精密磨削18CrNiMo7-6表面三維粗糙度試驗(yàn)研究

沙雪瑩，王 棟，陳冠華

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

1 引言

磨削是機(jī)械加工中的重要技術(shù)，一般將砂輪線速度45m/s

2 三維粗糙度參數(shù)定義及研究意義

Sa為表面算數(shù)平均偏差，是參數(shù)Ra的三維表征，如式（1）所示。

式中：濁（xi，yj）—采樣點(diǎn)高度與基準(zhǔn)面高度的差值；m、n—采樣區(qū)域內(nèi)x方向與y方向上的采樣點(diǎn)數(shù)；Sq—表面均方根偏差，與參數(shù)Rq相對(duì)應(yīng)，代表了區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)偏離基準(zhǔn)平面的程度，如式（2）所示。

表面高度分布的偏斜度Ssk表征了表面偏差不對(duì)稱度，如式（3）所示。

式中：濁ij—各個(gè)點(diǎn)的輪廓偏距。

表面高度分布的峭度Sku是用來(lái)衡量表面高度分布的尖銳程度的量，也是高度分布中孤立波峰波谷數(shù)量的度量，如式（4）所示。

Sa與Sq均是相應(yīng)二維參數(shù)的三維擴(kuò)展。Sa對(duì)高度的變化敏感度要低于Sq，Sq則更能反映表面高度分布的離散程度。與車削、銑削這些工藝不同，磨削加工后的表面具有很大的隨機(jī)性，加工表面難免存在很多顯著的高峰與深谷，而這些高峰和波谷的存在會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而影響工件的疲勞性能，但Sa與Sq兩個(gè)參數(shù)不能完全體現(xiàn)表面波峰波谷的分布情況。三維粗糙度參數(shù)中，Ssk反映了表面波峰波谷分布情況，若被測(cè)量表面為高斯表面時(shí)，Ssk=0；若被測(cè)表面有較多深谷，則Ssk＜0；表明被測(cè)表面有較多尖峰，則Ssk＞0。對(duì)于磨削工藝來(lái)說(shuō)，Ssk值一般小于0。Sku反映了輪廓高度分布曲線變化的尖銳程度，如果Sku接近3時(shí)，表示高度分布曲線服從高斯分布；如果Sku＜3，高度分布曲線較寬、較平坦；如果Sku＞3，高度分布曲線形狀較為陡峭。在對(duì)加工表面進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，我們希望Sku<3。但Ssk只是反映了波谷的數(shù)量，Sku反映表面高度的銳度，兩個(gè)參數(shù)同時(shí)使用，可以來(lái)反映波谷的分布。這四個(gè)參數(shù)可以完整的體現(xiàn)輪廓表面的幅度信息，因此，試驗(yàn)后選擇Sa，Sq，Ssk，Sku來(lái)綜合評(píng)定磨削表面穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)裝置

3.1 高速磨削試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)所用磨床為超高速平面磨床MKL7132X8/17。該磨床主軸最高轉(zhuǎn)速10000r/min，砂輪電動(dòng)機(jī)功率50kW，采用西門子

84 0D五軸數(shù)控系統(tǒng)。

3.2 三維表面形貌測(cè)量系統(tǒng)

三維粗糙度參數(shù)測(cè)量裝置使用布魯克公司生產(chǎn)的三維表面形貌測(cè)量系統(tǒng)NPFLEX。取樣面積為（4×4）mm，對(duì)每一磨削后表面取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并去除最大值最小值后取剩余三個(gè)值的平均值為實(shí)測(cè)值，對(duì)采樣值誤差做了均值化處理的同時(shí)，可有效避免偶然因素的影響。

4 試驗(yàn)條件

4.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用材料，如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料Tab.1 Material for Experiment

4.2 砂輪選擇

高速磨削最常用的砂輪為CBN砂輪與金剛石砂輪。試驗(yàn)所用材料為硬度高、韌性大的齒輪鋼，CBN材料化學(xué)性能穩(wěn)定，不容易與試驗(yàn)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此CBN砂輪更加適用。陶瓷結(jié)合劑砂輪硬度高，氣孔大，不容易燒傷工件，并且容易修整，因此，本試驗(yàn)砂輪選用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，砂輪選擇120/140#和230#兩種粒度號(hào)，砂輪參數(shù)，如表2所示。

4.3 磨削條件及工藝參數(shù)

磨削工藝參數(shù)及磨削條件，如表3所示。

表2 砂輪參數(shù)Tab.2 Parameters of Grinding Wheel

表3 磨削條件及工藝參數(shù)Tab.3 Experimental Condition and Process Parameters

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 二維與三維粗糙度對(duì)比

磨削后表面二維與三維粗糙度參數(shù)的對(duì)比，如表4所示。從表中可以看出，相較于三維參數(shù)，在Sa與Ra相差不大的情況下，二維輪廓未能反映出表面的波峰波谷全部信息。表面大的波峰的存在對(duì)零件表面的耐磨性影響很大，表面波谷的存在會(huì)造成很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)工件表面的抗腐蝕性能、零件剛度以及疲勞壽命都有很大影響。因此，相較于簡(jiǎn)單的幾條二維輪廓線，三維表面區(qū)域包含更多表面高度信息，更能準(zhǔn)確、真實(shí)的反映表面狀態(tài)。

表4 二維與三維參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of Two-Dimensional Parameters and Three-Dimensional Parameters

5.2 磨削參數(shù)對(duì)三維表面粗糙度的影響

5.2.1 砂輪線速度對(duì)三維表面粗糙度的影響

從圖 1（a）、圖 1（b）中可以看出，Sa和 Sq隨著砂輪線速度 vs的提高而降低；Ssk隨著砂輪線速度vs的提高逐漸增大并趨近于0；Sku隨著砂輪線速度vs的提高逐漸減小并趨近于3。究其原因，在材料去除率不變的情況下，砂輪線速度提高，單位時(shí)間內(nèi)的有效磨粒數(shù)增加，磨粒的最大未變形磨削厚度降低，導(dǎo)致單顆磨粒的切深減小，磨屑變薄，磨粒在工件表面的磨痕深度也因此減小。同時(shí)，砂輪線速度提高，磨粒對(duì)工件的耕犁時(shí)間變短，材料因來(lái)不及變形從而使塑性變形引起的隆起量下降，因此磨削產(chǎn)生的波谷數(shù)量以及波峰波谷的尖銳程度就越低，表面的粗糙度也就越小。

圖1 砂輪線速度與三維表面粗糙度參數(shù)的關(guān)系Fig.1 The Relationship Between Wheel Speed and Three-Dimensional Surface Roughness

5.2.2 磨削深度對(duì)三維表面粗糙度的影響

從圖 2（a）、圖 2（b）中可以看出，Sa、Sq以及 Sku與磨削深度 ap的變化呈正相關(guān)；Ssk與磨削深度ap的變化呈負(fù)相關(guān)。磨削深度增大，磨削表面的波谷增多，波谷銳度也變大。波谷處的半徑rρ的減小，應(yīng)力集中系數(shù)劇增，疲勞強(qiáng)度會(huì)大幅下降。原因在于，ap的增加，會(huì)導(dǎo)致磨粒的磨削厚度變大，摩擦阻力也將變大，磨削面的切痕變深，表面粗糙度惡化。但當(dāng)磨削深度ap為2μm時(shí)，前道普通磨削工序所產(chǎn)生的加工未能完全磨除，導(dǎo)致表面偏斜度Ssk值偏小。

圖2 磨削深度與三維表面粗糙度參數(shù)的關(guān)系Fig.2 The Relationship Between Wheel Depth of Cut and Three-Dimensional Surface Roughness

5.2.3 工作臺(tái)速度對(duì)三維表面粗糙度的影響

從圖 3（a）、圖 3（b）中可以看出，Sa、Sq和 Sku隨工作臺(tái)速度 vw的變大有略微的上升，但并無(wú)太大變化；表面高度分布的偏斜度Ssk隨著工作臺(tái)速度vw的提高略有減小。究其原因，雖然工作臺(tái)速度vw的增大會(huì)使未變形切削厚度有所增大，但與此同時(shí)，磨粒的磨削次數(shù)減少，磨削溫度降低，在兩重因素的相互影響下，表面粗糙度數(shù)值并未有太大改變。

圖3 工作臺(tái)速度與三維表面粗糙度參數(shù)的關(guān)系Fig.3 The Relationship Between Workpiece Velocity and Three-Dimensional Surface Roughness

5.2.4 砂輪粒度對(duì)三維表面粗糙度的影響

從圖 1（a）、圖 2（a）、圖 3（a）中可以看出，砂輪粒度由 120/140#增大到230#，Sa和Sq提高較大。相比于其余三個(gè)參數(shù)，砂輪粒度對(duì)Sa以及Sq的影響最大。這是由于砂輪粒度越大，磨粒尺寸越小，砂輪表面的磨粒分布越密集，磨削表面橫向紋理越密集，磨痕高度變化程度越緩和，因此表面粗糙度越低。但砂輪粒度過(guò)大，磨粒易堵塞，磨粒的切削性能隨之降低。對(duì)230#砂輪試驗(yàn)后磨削表面觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂輪線速度小于80m/s時(shí)，磨削表面出現(xiàn)不同程度的磨削燒傷，因此，在選擇粒度較大的砂輪時(shí)，應(yīng)選用較高的砂輪線速度。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)二維參數(shù)與三維參數(shù)的對(duì)比，表明三維參數(shù)相較與二維參數(shù)更能準(zhǔn)確、真實(shí)的反映表面信息。（2）砂輪線速度和砂輪粒度的提高，會(huì)導(dǎo)致參數(shù)算數(shù)平均偏差Sa、均方根偏差Sq、表面峭度Sku的減小以及表面偏斜度Ssk的增大，即導(dǎo)致磨削表面粗糙度減小，波谷數(shù)量減少，波峰波谷的尖銳程度降低，表面愈加平坦，表面質(zhì)量提高；磨削深度和工作臺(tái)速度的增加會(huì)使各參數(shù)有相反的變化趨勢(shì)，導(dǎo)致表面質(zhì)量降低；（3）高速精密磨削時(shí)，砂輪粒度對(duì)三維粗糙度參數(shù)影響最大，但有粒度過(guò)大可能造成磨削燒傷，工作臺(tái)速度幾乎沒(méi)有影響。在進(jìn)行高速精密磨削時(shí)，可以適當(dāng)提高工作臺(tái)速度；在砂輪粒度選擇上，可以選用粒度號(hào)大的砂輪，但應(yīng)當(dāng)盡可能提高的砂輪線速度以防磨削溫度過(guò)高而導(dǎo)致磨削燒傷現(xiàn)象的發(fā)生。