18CrNiMo7-6鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削工藝優(yōu)化*

王 棟，李 寧，張錦濤

(鄭州大學 a.機械與動力工程學院；b.河南省資源與材料工業(yè)技術(shù)研究院，鄭州 450001)

0 引言

目前，高端裝備零部件存在壽命短、可靠性差、結(jié)構(gòu)重等三大問題，我國總體仍處于成形制造階段[1]。在齒輪、軸等零件破壞中有50%～90%屬于疲勞斷裂，是最常見的破壞形式[2]。隨著航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高端裝備制造業(yè)對長壽命關(guān)鍵零部件具有迫切需求，趙振業(yè)院士提出無應(yīng)力集中抗疲勞概念，大力倡導第三代先進制造技術(shù)—抗疲勞制造，相比于成形制造，抗疲勞制造將關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞壽命提高幾十倍至幾百倍，可靠性也得到顯著提高。

大多數(shù)描述材料疲勞性能的S-N曲線，都是利用小尺寸試樣在旋轉(zhuǎn)彎曲對稱循環(huán)載荷作用下得到的，且常見的齒輪失效原因是彎曲疲勞[3]。一些學者[4-8]對滲碳影響旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的程度開展了研究，發(fā)現(xiàn)對零部件表面進行滲碳處理可以改善材料的彎曲疲勞性能。滲碳被認為是提高承受彎曲疲勞和滾動接觸疲勞的高應(yīng)力機械零件表面耐磨性最廣泛使用的工藝之一，滲碳在工件表面和近表面引入殘余壓應(yīng)力，從而可以提高彎曲疲勞性能[9-10]。滲碳后經(jīng)過淬火，能夠獲得高的硬度以及疲勞強度，使零部件能夠承受較大的沖擊載荷。但目前對滲碳淬火后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的磨削加工工藝以及形位公差、尺寸公差測量的研究很少。一些試驗采用逐級升高砂紙目數(shù)手工磨拋的方式對疲勞試樣進行磨削，由于無法控制研磨速度、研磨壓力等參數(shù)一致，可能致使試樣的標距段由圓形變?yōu)闄E圓形，影響試驗結(jié)果的準確性。由于零件在熱處理過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力會導致不同程度的變形，影響零部件的精度及使用，甚至產(chǎn)生變形超公差、開裂等問題而導致產(chǎn)品報廢，并且國標GB/T4337-2015標準旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的形位公差要求比較高，所以有必要對熱處理后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣變形量檢測以及磨削加工工藝展開研究，提高疲勞試驗結(jié)果的準確性。

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣形狀對稱，兩端存在過渡圓弧，相比于普通外圓磨削增加了磨削加工的困難性。本文針對滲碳淬火后18CrNiMo7-6鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工工藝優(yōu)化，對熱處理后試樣變形量進行檢測，設(shè)計磨削旋轉(zhuǎn)彎曲疲試樣試驗方案以去除變形量，并對磨削后試樣表面進行同軸度、殘余應(yīng)力、三維表面粗糙度檢測，為材料抗疲勞設(shè)計提供依據(jù)。

1 磨削加工試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為18CrNiMo7-6鋼，化學成分如表1所示，經(jīng)過滲碳淬火之后，具有較高的抗拉強度、表面硬度以及較好的耐磨性，同時得到堅韌的心部，是精密高速重載齒輪等關(guān)鍵零部件的主導應(yīng)用材料。本文經(jīng)過滲碳淬火后，在250 kN軸向疲勞試驗系統(tǒng)上進行軸向拉伸試驗，得到的抗拉強度為1839 MPa，屈服強度為1423 MPa。

表1 試驗材料18CrNiMo7-6化學成分表(%)

1.2 試樣毛坯制備

標準旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣如圖1所示，試樣毛坯材料經(jīng)過自由鍛造，鍛造比為3，滲碳淬火后表面硬度升高，造成車削加工性能變差，因此預先在CAK4085數(shù)控車床上加工疲勞試樣毛坯，留有磨削余量，經(jīng)過熱處理后精加工成所設(shè)計的疲勞試樣。

圖1 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣

1.2.1 磨削余量確定

考慮熱處理變形，試樣最后毛坯尺寸應(yīng)包括三部分：加工余量、可能產(chǎn)生撓曲的尺寸以及產(chǎn)生表面氧化脫碳、裂紋的尺寸。根據(jù)機械加工工藝手冊[11]按照試樣最大直徑12 mm，長度100 mm選擇最大磨削余量為0.3 mm。

1.2.2 滲碳層深度的確定

滲碳層深度增加與疲勞性能升高并非成正比，較厚的滲碳層反而導致疲勞性能下降，為了獲得最大的疲勞性能，有效滲碳層深度t與試樣直徑d應(yīng)滿足如式1所示的關(guān)系[8]，因此確定滲碳層深度范圍為0.6～0.9 mm，加上單邊磨削余量0.15 mm，故總滲碳層深度為0.75～1.05 mm。

(1)

采用掛裝的方式進行熱處理，熱處理工藝為：在920 ℃下保持碳含量1.17%進行強滲5 h；然后保持碳含量0.8%進行擴散3 h爐冷至830 ℃，保溫0.5 h，出爐，隨后加熱至830 ℃進行淬火并回火，熱處理后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣毛坯如圖2所示。

圖2 熱處理后的試樣毛坯

1.3 試樣熱處理變形檢測方案

熱處理導致軸類零件產(chǎn)生彎曲變形[12]，影響疲勞試驗的準確性，在磨削加工前對彎曲跳動變形量進行檢測，以判斷在磨削加工能否去除彎曲變形量。本文將熱處理后的試樣毛坯裝夾在MKE1620A數(shù)控端面外圓磨床前、后頂尖之間，公共基準軸線由兩頂尖模擬，隨機抽取20個試樣進行檢測，每個試樣測3個截面，取3個截面中跳動量最大值作為徑向圓跳動誤差。

1.4 熱處理后試樣磨削加工試驗方案

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣由夾持端、過渡圓弧段、標距段三部分組成。標距段是工作部分，用于評定疲勞性能；過渡圓弧起過渡連接作用。夾持端的磨削屬于普通外圓磨削，易于保證加工精度。而標距段和過渡圓弧加工不好，會導致試樣斷裂在過渡圓弧，使試驗無效，所以設(shè)計合理的標距段、過渡圓弧磨削加工工藝的方案，對于保證旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗的準確性至關(guān)重要。

圖3 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣圖

1.4.1 試驗設(shè)備

試驗是在由上海機床廠生產(chǎn)的MKA1320/H數(shù)控外圓磨床上進行，配備SIEMENS 802D操作系統(tǒng)，砂輪線速度35 m/s，頭架轉(zhuǎn)速30～300 r/min，能自動實現(xiàn)砂輪修整與補償。選擇粒度偏精磨(80)，硬度中軟(L)的鉻鋼玉平行砂輪，型號為PA80L5V35。

1.4.2 試樣磨削方案設(shè)計

圖4 方案1砂輪修整示意圖

本文采用成形磨削進行加工，把試樣形狀分解為直線、圓弧等幾何線形，然后分段磨削，使其連接光滑、圓整。用金剛石筆把將砂輪修整成為與工件型面相對的型面。因為砂輪修整型面是凸圓弧與平面連接，故砂輪圓弧半徑比所需磨削半徑小0.01 mm，即22.99 mm，以保證幾何形狀的一致性。根據(jù)疲勞試樣的形狀，本文設(shè)計了兩種磨削方案：

磨削方案1：把砂輪修整為左、右兩側(cè)半徑為22.99 mm的圓弧，中間寬度為20.16 mm平面的成型砂輪，如圖4所示。磨削加工時，進刀一次即可把試樣過渡圓弧及中間標距段磨削加工到。

圖5 方案2砂輪修整示意圖

磨削方案2：把砂輪修整為左、右兩側(cè)半徑為22.99 mm的圓弧，中間寬度為19.16 mm平面的成型砂輪，如圖5所示。磨削時先加工試樣部分標距段，然后砂輪再向左縱向移動0.5 mm，后向右移動1 mm，完成磨削。

1.4.3 磨削用量的確定

(1)砂輪修整參數(shù)的確定

砂輪輪廓形狀是否失真以及磨粒鋒利程度對工件表面的加工質(zhì)量具有重要影響，試樣表面精度要求為Ra0.32 μm，所以砂輪應(yīng)修整得比較平細，修整速度、縱向進給量不宜過大，粗修、精修往復修整多次，選擇砂輪修整參數(shù)如表2所示。

表2 砂輪修整參數(shù)

(2)磨削工藝參數(shù)的確定

根據(jù)機械加工工藝手冊[9]，粗磨后精磨前外圓磨削直徑余量為0.025 mm，故本文粗磨是d從6.3 mm到6.05 mm，精磨是d從6.05 mm到6.025 mm，研磨余量0.025 mm。砂輪速度va為35 m/s。試樣直徑比較小，粗糙度要求比較高，所以工件轉(zhuǎn)速應(yīng)低一點，選擇轉(zhuǎn)速42 r/min。確定進給速度的原則是當工件的加工質(zhì)量能得到保證時，應(yīng)選擇較高的進給速度，以提高生產(chǎn)效率，選擇橫向進給速度0.16 mm/min，縱向進給速度0.20 mm/min。

1.5 磨削后表面完整性檢測方案

1.5.1 殘余應(yīng)力檢測

在LDR標準型高速X射線殘余應(yīng)力分析儀進行檢測，取6根磨削后的試樣，在標距段上不同的3個點進行表面殘余應(yīng)力檢測，分別檢測0°與90°方向上的表面殘余應(yīng)力，取3點的平均值作為測量值。

1.5.2 三維表面粗糙度檢測

采用NPFLEX三維形貌儀測量三維表面粗糙度，采樣面積為2 mm×2 mm，取樣區(qū)域為試樣標距段，每隔90°測一條母線，每條母線測3個點，共測4條母線，合計12個點，去除最大值和最小值，取平均值作為實測值，以保證測量結(jié)果的準確性。

1.5.3 同軸度檢測

用兩個相同V形塊支承基準部位，然后用打表法測量被測部位，基準軸線由V形塊模擬。轉(zhuǎn)動被測零件，測量4個不同截面，取各截面測量差值的最大值作為該試樣的同軸度誤差。

2 疲勞試樣磨削加工結(jié)果與分析

2.1 滲碳淬火后試樣變形量檢測結(jié)果分析

從圖6可以看出，除1號與4號試樣徑向跳動變形量達到30 μm以上，絕大部分徑向跳動變形量在20 μm。而磨削余量為0.3 mm，故熱處理變形在磨削過程中完全可以去除。由于變形量的存在，在對試樣圓柱面進行磨削時并非比較均勻，因為砂輪總先從彎曲跳動最高點處開始磨削，然后逐漸向圓心方向磨削。等軸徑被磨圓、磨直后，才均勻磨削試樣表面。

圖6 徑向圓跳動變形量正態(tài)分布圖

2.2 兩種試樣磨削方案結(jié)果對比

如圖7所示，方案1砂輪只需一次進刀，就可以磨削到整個圓弧面，效率高。試樣同軸度誤差平均為33.5 μm，超出國標所規(guī)定的15 μm。因為其是切入式磨削，徑向磨削力比較大，導致產(chǎn)生較大彎曲變形，并且在方案1磨削的部分試樣上發(fā)現(xiàn)過渡圓弧上的氧化層并未完全去除，這是因為對刀時，砂輪中心與試樣中心不完全重合導致磨削向左(或向右)偏斜，致使右側(cè)(或左側(cè))圓弧不能得到完全磨削。對方案2的試樣進行同軸度測量，其同軸度誤差平均為9.3 μm，符合技術(shù)要求。方案2砂輪修整平面僅修整19.16 mm，比方案1少1 mm，然后砂輪再分別左右移動，采用分段磨削的方法避免了一次切入式磨削，減少了磨削力，對中性比較好。

圖7 磨削方案1與方案2同軸度誤差對比

2.3 磨削加工疲勞試樣加工過程分析

方案2復合磨削如圖8所示，分為4段：磨削標距段、磨削左側(cè)圓弧、磨削右側(cè)圓弧、磨削夾持端。

圖8 方案2復合磨削

(1)砂輪首先對標距段進行磨削，磨削方式為切入式磨削，因為標距段長度為20.16 mm，而成型砂輪型面平面寬度為19.16 mm,所以試樣標距段在左右兩側(cè)各剩0.5 mm的長度未磨削，如圖9所示。

圖9 磨削中間段

(2)砂輪向左移動0.5 mm作縱向磨削，磨削標距段左側(cè)所剩0.5 mm的同時對左側(cè)過渡圓弧進行磨削，如圖10所示。

圖10 磨削左側(cè)段

(3)砂輪向右側(cè)移動1 mm作縱向磨削。

(4)磨削夾持端。

這種磨削方式既保證了過渡圓弧與標距段光滑連接，又保證過渡圓弧能得到完全磨削。經(jīng)過復合磨削加工的試樣如圖11所示，經(jīng)過完全磨削加工后的試樣如圖12所示。

圖11 復合磨削加工試樣 圖12 完整磨削加工試樣

2.4 磨削加工疲勞試樣表面完整性檢測結(jié)果分析

2.4.1 三維表面粗糙度及三維形貌檢測結(jié)果

如圖13所示，磨削加工后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣標距段表面算術(shù)平均偏差Sa、表面均方根偏差Sq、表面偏斜度Ssk數(shù)值相對比較穩(wěn)定，分別穩(wěn)定在0.208 μm、0.266 μm、-0.662 μm左右，在國標規(guī)定的表面粗糙度(0.32 μm)范圍之內(nèi)，符合技術(shù)要求。而Sz、Sku、Sv波動程度大于Sa、Sq、Ssk，但總體來說分布相對比較穩(wěn)定，大體在3.648 μm、4.74 μm、-2.67 μm。試樣表面偏斜度Ssk全部小于0，說明試樣在評定基準面下的表面微觀形貌有比較大的“深谷”。表面峭度Sku全部大于3 μm，說明表面微觀形貌高度分布比較集中在中心表面上，表面形貌如圖14所示。

圖13 磨削加工后試樣標距段表面粗糙度

圖14 磨削加工后試樣三維表面形貌

2.4.2 表面殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

如圖15所示，經(jīng)過磨削加工后不同試樣之間表面殘余應(yīng)力比較穩(wěn)定，其中0°方向的表面殘余應(yīng)力穩(wěn)定在-233.84 MPa左右，呈現(xiàn)為表面殘余壓應(yīng)力，表面層的性能對零件的靜強度影響不大，但對疲勞強度影響顯著，在表面層內(nèi)建立殘余壓應(yīng)力，有利于提高零部件的疲勞強度。

圖15 磨削加工后疲勞試樣表面殘余壓應(yīng)力

3 結(jié)論

(1)對滲碳淬火后18CrNiMo7-6旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣徑向圓跳動變形量進行檢測，檢測結(jié)果為20 μm，驗證了所確定的0.2 mm磨削余量選擇的合理性。

(2)設(shè)計兩種針對滲碳淬火后旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工方案，并對磨削后試樣進行同軸度誤差檢測與對比，確定合理的磨削加工方案。

(3)分析復合磨削試樣加工過程，對磨削后試樣進行檢測：表面殘余應(yīng)力為-233.84 MPa，表面粗糙度Sa為0.208 μm，同軸度誤差為0.009 3 mm，符合國標要求，磨削出標準旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，為滲碳淬火旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣磨削加工提供合理方案。