超聲輔助磨削淬硬42CrMo鋼表面質(zhì)量試驗(yàn)研究

向道輝，牛肖肖，李章東，劉中云，馮浩人，吳邦福，陳艷斌

(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

殘余應(yīng)力是直接影響零件壽命的一項(xiàng)重要指標(biāo)，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)或建模分析探討：明興祖等[18]通過分析磨削螺旋齒輪并對(duì)磨削力進(jìn)行有限元仿真，探究了熱-力耦合條件對(duì)齒面的殘余應(yīng)力影響規(guī)律；呂光義等[19]對(duì)CT4材料在超聲輥壓后的表面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在超聲輔助下，試件擁有了更加光潔的表面，粗糙度大幅降低，微裂紋、機(jī)械損傷概率也降低了；N.K.Jain等[20]通過對(duì)比研究傳統(tǒng)齒輪加工與超聲齒輪加工后的齒輪表面質(zhì)量、微觀幾何形貌和疲勞性能，證明適當(dāng)?shù)募庸し椒軌蛱岣啐X輪的抗疲勞性能，延長(zhǎng)其使用壽命。淬硬42CrMo鋼材料淬透性好，調(diào)質(zhì)處理后綜合性能良好，在精密機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)用廣泛[21-24]。劉中云[25]在對(duì)淬硬42CrMo鋼材料進(jìn)行殘余應(yīng)力理論分析時(shí)對(duì)超聲振動(dòng)能夠提高殘余壓應(yīng)力進(jìn)行了論述；牛贏[26]在對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V縱扭復(fù)合超聲輔助銑削殘余應(yīng)力研究中也對(duì)超聲能夠提高殘余壓應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)。多位學(xué)者在金屬加工研究中發(fā)現(xiàn)，超聲輔助加工對(duì)材料加工后表面質(zhì)量的優(yōu)劣具有一定影響。學(xué)者們對(duì)新型復(fù)合材料研究分析較為深入，但是對(duì)于高淬透性的鋼材料表面質(zhì)量微觀方向研究較為簡(jiǎn)略，本文以淬硬42CrMo鋼為研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)材料以不同參數(shù)進(jìn)行加工后，分析材料的表面殘余應(yīng)力、表面形貌和硬化程度。

1 磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析

砂輪磨削加工可以視為多個(gè)磨粒同時(shí)參與切削運(yùn)動(dòng)的加工方式，超聲輔助磨削是在普通磨削方式下，加入規(guī)律的高頻振動(dòng)，改變磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡及與工件的接觸時(shí)間。如圖1所示，建立軸向超聲振動(dòng)模型有利于更直觀觀察兩種磨削加工的區(qū)別。兩種磨削加工方式下磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖1 軸向超聲振動(dòng)磨削運(yùn)動(dòng)模型

圖2 兩種磨削方式單顆磨粒軌跡示意

兩種磨削方式下，單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡存在區(qū)別。普通磨削加工中單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

超聲輔助磨削單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡是在普通磨削方程基礎(chǔ)上加入了超聲振動(dòng)z方向的正弦運(yùn)動(dòng)方程，

z=Asin(wst+Φ)，

(2)

式中：ws為砂輪旋轉(zhuǎn)角速度；ww為砂輪線速度；ds為砂輪直徑；A為振幅；Ф為超聲初相位。

結(jié)合方程(1)和(2)，采用MATLAB軟件仿真出兩種磨削方式的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，如圖2所示。從圖2中觀察到，超聲輔助磨削磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度大于普通磨削的，同時(shí)超聲輔助磨削對(duì)工件表面不僅存在延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡，而且還存在高頻振動(dòng)沖擊，隨著磨削參數(shù)的改變，在一定程度上能夠改變工件表面材料去除方式。

從單顆磨粒軌跡圖推斷，多個(gè)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象，因此，砂輪磨削時(shí)會(huì)對(duì)工件表面進(jìn)行重復(fù)多次磨削，這對(duì)工件表面的應(yīng)力變化、表面粗糙度以及硬度都會(huì)產(chǎn)生影響。根據(jù)材料磨削去除理論，在普通磨削過程中磨粒運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷3個(gè)階段，即滑擦-犁耕-切削。在滑擦階段，磨粒接觸工件產(chǎn)生擠壓作用，工件發(fā)生彈性變形；在犁耕階段，摩擦作用增大，此時(shí)磨削區(qū)工件表面產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生隆起；在切削階段，磨粒對(duì)工件表面摩擦隆起工件材料被磨粒微刃切斷形成切屑。超聲輔助磨削過程中磨粒除了這3個(gè)運(yùn)動(dòng)過程之外，還增加z方向的振動(dòng)沖擊作用。通過對(duì)比分析超聲振動(dòng)磨削與普通磨削兩種方式下加工后殘余應(yīng)力以及表面形貌和表面硬度的不同，對(duì)兩種磨削過程進(jìn)行分析探討。

2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室VMC850型三軸立式數(shù)控加工中心完成，由于材料強(qiáng)度高、韌性好、熱加工變形小，淬火處理后硬度高、抗疲勞性能優(yōu)良，因此選用立方氮化硼(CBN)砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，超聲振動(dòng)方向選擇主軸方向磨削工件的側(cè)平面。

探究?jī)煞N磨削方式下工件表面殘余應(yīng)力的變化以及表面粗糙度、硬度變化規(guī)律。選擇磨削深度為因變量，進(jìn)給速度vs=18.32 m/s，砂輪線速度vw=200 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前，采用平面磨床對(duì)工件材料進(jìn)行粗磨，保證其工件表面初始條件相同，以便對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。加工過程中每組參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)，取平均值以降低試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)過程分為超聲輔助磨削與普通磨削，砂輪粒度為120#，超聲振動(dòng)頻率為25 kHz，超聲振幅4 μm．

戴威的經(jīng)歷堪稱天之驕子，曾是北京大學(xué)學(xué)生會(huì)主席，創(chuàng)辦ofo時(shí)就立志要改變世界。戴威以30億元財(cái)富排名《2018胡潤(rùn)80后富豪榜》第32位，可以說是最著名的90后創(chuàng)業(yè)者和企業(yè)家。

圖3 超聲振動(dòng)磨削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

如圖4所示，采用型號(hào)為L(zhǎng)XRD的X射線殘余應(yīng)力分析儀，對(duì)試件表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，并使用X射線衍射法，其工作原理是：利用X射線的衍射功能，測(cè)量由于磨削力和磨削熱產(chǎn)生的應(yīng)力作用使試件內(nèi)部晶粒的晶面距離產(chǎn)生的變化，通過給定公式計(jì)算得出應(yīng)力值。采用超景深顯微系統(tǒng)(VHX-2000)對(duì)相同磨削參數(shù)下超聲振動(dòng)磨削和傳統(tǒng)磨削淬硬42CrMo鋼加工后的試件進(jìn)行表面微觀形貌觀察。

圖4 X-ray 殘余應(yīng)力分析儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磨削表面殘余應(yīng)力分析

磨削深度為變量，提取兩種不同加工方式的殘余應(yīng)力值，分析不同磨削深度時(shí)的殘余應(yīng)力變化，圖5為在不同磨削深度參數(shù)加工后工件表面殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)。根據(jù)Y坐標(biāo)數(shù)值，兩種磨削加工后工件表面殘余應(yīng)力均為殘余壓應(yīng)力，黑色線表示普通磨削加工，紅色線為超聲輔助磨削加工。從兩條線的走向趨勢(shì)分析，隨著磨削深度增加，兩種加工方式表面殘余壓應(yīng)力均先增大后降低，因?yàn)殡S著磨削深度加深，磨粒與工件表面材料接觸產(chǎn)生的熱量使得熱塑性作用增強(qiáng)并與機(jī)械擠壓作用耦合，工件表面材料去除更加容易，殘余壓應(yīng)力增大。磨削深度繼續(xù)增加，超過最合適的力-熱耦合作用值，機(jī)械擠壓作用占主導(dǎo)地位，磨粒犁耕深度增加，表面變形恢復(fù)更加困難，殘余應(yīng)力降低。超聲振動(dòng)磨削加工不僅有力-熱耦合作用，而且同時(shí)超聲輔助振動(dòng)作用下磨粒軌跡長(zhǎng)度增加，工件材料表面散熱能力增加，工件表面材料去除更為容易，工件殘余應(yīng)力較高。

普通加工方式殘余壓應(yīng)力最高的磨削深度為10 μm，超聲輔助磨削殘余壓應(yīng)力最高的磨削深度約為15 μm，超聲輔助磨削最高殘余壓應(yīng)力高于普通磨削約60 MPa。在兩種加工方式下,殘余壓應(yīng)力相疊加，超聲磨削深度約為19 μm，磨削深度繼續(xù)增加，表面殘余壓應(yīng)力降低，因?yàn)槟ハ魃疃仍黾樱チ?duì)工件材料的擠壓作用越明顯，即磨削力增大，殘余壓應(yīng)力隨之變小。對(duì)比分析兩種加工方式，超聲輔助磨削能夠提高磨削深度范圍，提高磨削表面殘余壓應(yīng)力，提高磨削效率。

圖5 磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.2 表面形貌分析

圖6是不同磨削深度下普通磨削與超聲磨削工件表面形貌圖，其中，(a)、(c)、(e)與(b)、(d)、(f)分別是普通磨削加工與超聲輔助磨削加工方式在磨削深度為5,15,30 μm時(shí)的表面形貌圖，從(a)、(c)、(e)看到，普通磨削有明顯的溝壑且連續(xù)、清晰、規(guī)則，隨著磨削深度增加，磨削溝壑深度和寬度都有所增加，在磨削深度為30 μm時(shí)，普通磨削加工已經(jīng)在工件表面出現(xiàn)燒傷痕跡，在該階段表面磨削深度已經(jīng)對(duì)工件表面產(chǎn)生損傷，對(duì)工件加工后使用情況可能會(huì)產(chǎn)生影響。(b)、(d)、(f)是超聲振動(dòng)輔助磨削下表面形貌，從中能夠看到在超聲振動(dòng)作用下磨粒做正弦運(yùn)動(dòng)后，工件表面紋理模糊，劃邊緣棱條不明顯，且隨著磨削深度增加，超聲作用越來越明顯，表面形貌越來越模糊，而且從(b)、(d)、(f)中能夠看到,超聲磨削加工后表面溝壑變淺、變窄，這是超聲振動(dòng)輔助加工后提高表面質(zhì)量的體現(xiàn)。在磨削深度為30 μm時(shí)，超聲輔助磨削后工件表面則沒有出現(xiàn)燒傷等情況，說明超聲輔助磨削提高了磨削深度范圍。

圖6 不同磨削深度下兩種磨削加工方式表面形貌

圖7是兩種磨削加工后表面3D形貌圖，對(duì)表面形貌垂直磨削方向進(jìn)行表面輪廓線提取，如圖8所示，進(jìn)行表面質(zhì)量分析。圖7(a)與圖8(a)是普通磨削加工條件下表面的3D形貌圖以及提取的工件表面輪廓線，圖7(b)與圖8(b)是超聲輔助磨削加工條件下表面的3D形貌圖以及提取的工件表面輪廓線。對(duì)比分析圖7中(a)、(b)，超聲輔助磨削表面溝壑紋理模糊寬度小，這與超聲磨削時(shí)磨粒的正弦軌跡有關(guān)，在表面同一點(diǎn)，不同的磨粒在超聲振動(dòng)的條件下，進(jìn)行多次磨削，將工件表面磨削過程中因?yàn)槔绺饔卯a(chǎn)生的凸起再次進(jìn)行磨削，整個(gè)表面平整光滑度高于普通磨削表面。結(jié)合圖8(a)與(b),兩種加工方式下表面提取的輪廓線，超聲輔助磨削作用下，磨粒對(duì)平面同一位置磨削次數(shù)增加，但是輪廓深度與變化范圍遠(yuǎn)低于普通磨削加工，超聲輔助磨削能夠降低表面輪廓波動(dòng)范圍，提高表面質(zhì)量。

圖7 兩種磨削加工方式下磨削表面3D形貌

圖8 兩種磨削加工方式下磨削表面輪廓線

3.3 表面硬度分析

工件表面的顯微硬度是評(píng)價(jià)加工方式的一個(gè)重要參考因素，表面顯微硬度越高，加工效果越好。通過測(cè)量顯微硬度能夠分析加工后工件表面質(zhì)量，結(jié)合表面加工形貌,可以對(duì)加工方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

采用硬度測(cè)量?jī)x器測(cè)量加工后不同磨削深度下工件表面的顯微硬度，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，磨削加工后的表面硬度均有所提高，普通磨削提高約140 HV，超聲磨削提高約160 HV。由圖9可知，兩種加工方式下，顯微硬度曲線變化趨勢(shì)是一樣的，超聲輔助磨削方式顯微硬度變化明顯高于普通磨削方式，因?yàn)槌曒o助磨削過程中工件表面受到不同磨粒的重復(fù)磨削，對(duì)工件表面的硬度有強(qiáng)化作用。在磨削深度為15μm時(shí)，兩種加工方法的顯微硬度高于其他磨削深度參數(shù)值，對(duì)比分析兩種加工方式，超聲振動(dòng)輔助磨削加工方式下，工件表面的顯微硬度整體高于普通磨削，因?yàn)槌曊駝?dòng)條件下磨粒過程中對(duì)工件表面的擠壓和沖擊作用比普通磨削更為顯著，工件表面材料的應(yīng)變率更高，而且超聲振動(dòng)加工改善了砂輪堵塞問題，易于排屑，磨削溫度低。

圖9 不同磨削深度下表面顯微硬度曲線

4 結(jié) 論

通過分析表面殘余應(yīng)力、表面形貌以及表面顯微硬度可知，超聲振動(dòng)輔助磨削加工方式能夠提高工件表面的殘余壓應(yīng)力，降低磨削表面輪廓波動(dòng)范圍，提高表面硬度，超聲輔助磨削加工方法對(duì)工件的表面質(zhì)量以及表面應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)于普通磨削加工方法。

超聲振動(dòng)輔助磨削下的殘余壓應(yīng)力大于普通磨削的殘余壓應(yīng)力；隨著磨削深度的增加，殘余壓應(yīng)力的數(shù)值先增大后減小，超聲磨削比普通磨削的殘余壓應(yīng)力提高11.0%～30.8%。

超聲振動(dòng)輔助磨削方式下，由于超聲高頻振動(dòng)沖擊作用,表面輪廓波動(dòng)范圍與傳統(tǒng)磨削相比降低約80%，工件表面質(zhì)量提高，顯微硬度提高約10%。