18CrNiMo7-6鋼高速外圓磨削的殘余應(yīng)力

張銀霞 楊 鑫 原少帥 朱建輝 王 棟

1. 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

2. 超硬材料磨具國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州， 450001

0 引言

高速磨削是磨削領(lǐng)域中最引人關(guān)注的高效加工技術(shù)之一，是將超硬磨料磨具性能充分發(fā)揮的集大成者[1]，不但具有高的金屬磨除率，還能獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量和精度，擴(kuò)大了磨削工藝的使用范圍[2]。

高速磨削過程中，由于熱應(yīng)力、機(jī)械作用力和工件金相組織相變應(yīng)力等因素的共同作用，磨削加工會(huì)在工件表面及表層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力作為表面完整性[3-4]的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)工件材料的加工精度、疲勞性能、脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂及硬度等均有較大影響[5]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨削殘余應(yīng)力做了很多研究，朱大虎[6]研究了TC4鈦合金高速外圓磨削對(duì)工件殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪線速度的提高，工件軸向和切向的殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸過渡到拉應(yīng)力并呈現(xiàn)上升趨勢；陳鑫等[7-8]研究了高速平面磨削砂輪線速度對(duì)18CrNiMo7-6鋼工件表面殘余應(yīng)力的影響，砂輪線速度從60 m/s增加到160 m/s時(shí)，材料表面殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，120 m/s時(shí)的表面殘余壓應(yīng)力最大；NI等[9-10]對(duì)SiC陶瓷材料進(jìn)行高速外圓磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂輪線速度和工件轉(zhuǎn)速均較高時(shí)，垂直與平行于磨削方向的殘余壓應(yīng)力減小至接近于0；NAKAYAMA等[11]使用陶瓷立方氮化硼(CBN)砂輪對(duì)20CrMo4材料進(jìn)行高速外圓磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂輪線速度超過200 m/s時(shí)，工件表面粗糙度與磨削力均隨砂輪線速度的提高而降低；HA等[12]對(duì)一種模具鋼進(jìn)行了高速平面磨削工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨削深度為1～2 μm時(shí)殘余拉應(yīng)力急劇增大，2～10 μm時(shí)有增大趨勢但變化較小。

由上述文獻(xiàn)可知，不同的工件材料及高速磨削工藝參數(shù)對(duì)工件的表層殘余應(yīng)力影響非常復(fù)雜,為獲得較高的殘余壓應(yīng)力，需要開展針對(duì)性的研究工作。

18CrNiMo7-6鋼是一種性能優(yōu)異的滲碳淬硬鋼，但目前對(duì)該材料高速外圓磨削加工殘余應(yīng)力的研究較少。筆者基于超硬陶瓷CBN砂輪高速外圓磨削工藝，對(duì)18CrNiMo7-6鋼進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削加工表層殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響及形成原因，為制定抑制殘余拉應(yīng)力、提高工件加工表面完整性的高速外圓磨削工藝提供參考依據(jù)。

另外，沿深度方向的殘余應(yīng)力檢測需要對(duì)外圓面進(jìn)行多次剖層，現(xiàn)有的剖層工具極易出現(xiàn)偏斜、滑移，無法準(zhǔn)確控制剖層方向，難以保證圓柱工件軸向和徑向的剖層精度，導(dǎo)致殘余應(yīng)力測量結(jié)果誤差大，筆者研制了一種能提高剖層精度和效率的圓柱工件外圓面剖層輔助夾具。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及性能介紹

18CrNiMo7-6滲碳鋼的熱處理工藝如下：首先在920 ℃下保持碳含量1.17%強(qiáng)滲6 h，然后在碳含量1.0%的條件下擴(kuò)散3 h，之后在碳含量0.78%的條件下擴(kuò)散4 h，最后爐冷至830 ℃淬火并回火。熱處理后，材料的滲碳層厚度約為1.6 mm，表面硬度可達(dá)62.8HRC。該材料滲碳淬火后化學(xué)成分及材料的力學(xué)性能如表1、表2所示。熱處理后的工件經(jīng)磨削預(yù)處理，試驗(yàn)工件尺寸為φ35 mm×80 mm。

表1 18CrNiMo7-6材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 18CrNiMo7-6材料力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及條件

磨削試驗(yàn)在CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床上進(jìn)行，其最高的砂輪線速度vs=200 m/s；所使用的砂輪是鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)的陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，其形狀代號(hào)為14A1 500×30×127×5×20，砂輪濃度為175%，粒度分別為120/140、230/270與W20；修整方式為燒結(jié)金剛石滾輪修整；冷卻方式為水基磨削液(21-2型磨削液)冷卻；磨削方式為切入式逆磨，每個(gè)工件進(jìn)行2組試驗(yàn)。

1.3 高速磨削試驗(yàn)方案的制定

試驗(yàn)的目的旨在研究高速磨削工藝參數(shù)對(duì)18CrNiMo7-6滲碳鋼殘余應(yīng)力的影響，選取砂輪線速度vs、工件線速度vw、砂輪徑向進(jìn)給速度vfr和砂輪粒度開展單因素磨削試驗(yàn)，部分預(yù)試驗(yàn)后確定的具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，其中，磨削深度為0.5 mm。

1.4 殘余應(yīng)力的檢測

1.4.1檢測設(shè)備與技術(shù)參數(shù)

殘余應(yīng)力的檢測使用加拿大Proto公司的大功率X射線衍射[13]殘余應(yīng)力分析儀，檢測參數(shù)如表4所示。檢測圓柱工件X方向(切向)、Y方向(軸向)的殘余應(yīng)力σx和σy，如圖1所示。

表3 高速磨削單因素試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

表4 X射線殘余應(yīng)力分析儀參數(shù)設(shè)置

圖1 工件結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力檢測方向

對(duì)工件進(jìn)行多次剖層才能完成深度方向的殘余應(yīng)力檢測，采用的剖層設(shè)備是Proto 8818-V3電解拋光機(jī)。試驗(yàn)中，保持腐蝕電壓和流量不變，通過調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間發(fā)現(xiàn)剖層深度與腐蝕時(shí)間成近似線性相關(guān)，如圖2所示。

圖2 剖層深度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

1.4.2殘余應(yīng)力的檢測及剖層輔助夾具的設(shè)計(jì)

為提高殘余應(yīng)力檢測時(shí)的剖層效率和檢測精度，設(shè)計(jì)制作了剖層輔助夾具，如圖3所示。

(a) 輔助夾具結(jié)構(gòu)組成

將圓柱工件置于支撐V形塊與導(dǎo)電V形塊的上方，并使前者略低于后者，保證圓柱工件與導(dǎo)電V形塊的充分接觸，形成導(dǎo)電回路，實(shí)現(xiàn)電解腐蝕剖層。支撐V形塊通過4根支撐柱與夾緊導(dǎo)向塊連接，夾緊導(dǎo)向塊的一側(cè)有觀察槽。夾緊導(dǎo)向塊前后面設(shè)置的弧形通槽頂端貼有海綿墊片，在夾緊工件的同時(shí)可以保護(hù)工件面不被劃傷。剖層工具從導(dǎo)向筒伸入、與圓柱工件接觸，通過電解腐蝕原理實(shí)現(xiàn)剖層。支撐V形塊的前方設(shè)置有指示牌插槽，槽內(nèi)安裝設(shè)置有360°刻線圓盤的指示牌，通過在工件端面畫線可以精準(zhǔn)控制工件旋轉(zhuǎn)的角度。支撐V形塊一側(cè)面上有標(biāo)尺，可以控制圓柱工件的軸向移動(dòng)，確定剖層位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖4所示為砂輪粒度120/140，vw= 101 mm/s，vfr= 0.4 mm/min時(shí)，砂輪線速度vs對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，隨著vs的增加，X方向、Y方向的表面殘余壓應(yīng)力均有增大趨勢，但基本趨于穩(wěn)定值。這是因?yàn)関s的增加導(dǎo)致單顆磨粒的最大未變形切屑厚度agmax減小，工件磨削層材料塑性變形深度相應(yīng)減小，雖然熱脈沖數(shù)增大、摩擦加劇，但高速磨削使磨粒上堆積的熱量在傳導(dǎo)到工件之前就被磨屑帶走，因此工件表面溫度較低，熱應(yīng)力影響較小，殘余壓應(yīng)力小幅增大。

圖4 砂輪線速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

圖5是原始工件X、Y方向殘余應(yīng)力沿深度方向的分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，在0～50 μm區(qū)間內(nèi)，工件X、Y方向存在較大的拉應(yīng)力且峰值發(fā)生在26 μm附近；距表面深度為100 μm時(shí)殘余應(yīng)力開始趨于穩(wěn)定值-100 MPa，此時(shí)，殘余應(yīng)力分布已到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)定的磨削深度0.5 mm足以把原始表面的拉應(yīng)力層完全去除。因此，磨削后工件表層殘余應(yīng)力的分布能夠揭示磨削工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

圖5 原始工件殘余應(yīng)力分布

圖6所示為不同砂輪線速度vs下工件表層殘余應(yīng)力的分布。由圖6可知，兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力變化趨勢基本一致，除vs=60 m/s外，其余vs的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力且最大值發(fā)生在距表面5 μm以內(nèi)的區(qū)域；之后，隨深度的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，不再有明顯變化。由此可見，較高的砂輪線速度(vs≥ 60 m/s)可為工件表層引入殘余壓應(yīng)力，且vs影響工件殘余壓應(yīng)力變化的層深約為70 μm。

(a) X方向

vs= 60 m/s時(shí)，Y方向出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，這是因?yàn)関s= 60 m/s時(shí)的agmax相對(duì)較大，磨削層材料塑性變形和比磨削能也相對(duì)較大，熱堆積嚴(yán)重，由磨削熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力處于主導(dǎo)地位，所以其殘余壓應(yīng)力明顯小于其他工藝參數(shù)，甚至出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

2.2 工件線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖7 工件線速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

工件線速度vw對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響如圖8所示，X方向和Y方向的殘余應(yīng)力分布規(guī)律較為接近且均為壓應(yīng)力，其中，最大殘余壓應(yīng)力發(fā)生在0～5 μm區(qū)間內(nèi)，之后隨表面深度的增加迅速減小至最小殘余壓應(yīng)力并穩(wěn)定至-100 MPa附近，這個(gè)過程中的最小殘余壓應(yīng)力發(fā)生在10～25 μm區(qū)間內(nèi)，vw影響殘余應(yīng)力層深約為40 μm，隨后殘余應(yīng)力處于穩(wěn)定狀態(tài)。在本組試驗(yàn)中，各工藝參數(shù)之間對(duì)殘余應(yīng)力分布沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，這說明不同vw對(duì)殘余應(yīng)力分布影響不大。vw=110 mm/s時(shí)的殘余壓應(yīng)力均為最大值。

(a) X方向

2.3 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

如圖9所示，砂輪粒度120/140，vs= 90 m/s，vw= 101 mm/s時(shí)，砂輪徑向進(jìn)給速度vfr對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響較大。vfr從0.1 mm/min增加到0.3 mm/min時(shí)，工件表面X方向的殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)，隨后在0.3～0.5 mm/min的區(qū)間內(nèi)持續(xù)下降，最小殘余壓應(yīng)力為-98.89 MPa；隨著vfr的增加，Y方向殘余壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)線性遞減的趨勢，應(yīng)力在擬合線上下波動(dòng)。這是因?yàn)関fr增大時(shí)，磨削層材料塑性變形的作用加大，比磨削能加大，磨粒與工件的摩擦、擠壓作用加劇，磨削溫度迅速升高，熱應(yīng)力影響較大，表面殘余壓應(yīng)力逐漸減小。

圖9 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

如圖10所示，vfr對(duì)殘余應(yīng)力層分布的影響較大，隨深度的增加，X方向與Y方向的殘余應(yīng)力分布規(guī)律較為接近，總體表現(xiàn)為，工件的殘余應(yīng)力是最大殘余壓應(yīng)力，隨后殘余壓應(yīng)力沿深度方向逐漸減小至穩(wěn)定值或變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，應(yīng)力分布與vs、vw具有一致性。不同的是，vfr對(duì)殘余應(yīng)力深度方向分布的影響明顯具有規(guī)律性，隨深度的增加，應(yīng)力呈現(xiàn)“塔”形分布，當(dāng)vfr從0.2 mm/min增加至0.6 mm/min時(shí)，0.2～0.4 mm/min區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力為壓應(yīng)力，0.5～0.6 mm/min區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力為拉應(yīng)力，其應(yīng)力影響層深約為100～150 μm。

(a) X方向

Y方向應(yīng)力隨vfr的增大呈現(xiàn)“塔”形分布，并出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。“塔”形分布的原因主要是，隨著vfr的增加，砂輪與工件的擠壓、摩擦作用加劇，磨粒在單位時(shí)間內(nèi)磨除的材料增多，材料塑性變形加劇，磨削力較大，直接導(dǎo)致vfr在0.5～0.6 mm/min時(shí)的磨削溫度較高。此時(shí)，磨削熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用，隨后的冷卻過程中，表面金屬遇冷收縮并受下層金屬的束縛，在距表面10～30 μm處形成殘余拉應(yīng)力。vfr為0.2～0.4 mm/min時(shí)，磨削溫度較低，未出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

2.4 砂輪粒度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

表5所示為vs=90 m/s，vw=101 mm/s，vfr= 0.1 mm/min時(shí)，砂輪粒度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響，粒度230/270砂輪磨削的工件表面殘余壓應(yīng)力最小，粒度W20砂輪磨削的工件表面殘余壓應(yīng)力稍大于粒度120/140砂輪磨削的工件表面殘余壓應(yīng)力。這是因?yàn)椋琖20砂輪粒度較小，為保證其具有一定的切削能力，砂輪較軟且砂輪組織具有主動(dòng)造孔。磨削過程中，結(jié)合劑容易破碎，不斷有新的磨粒參與切削，磨粒與工件的接觸以切削為主，摩擦和耕犁較少。同時(shí)，由于磨粒尺寸小、工件磨削層材料塑性變形小，因此工件表面溫度低，因磨削熱而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力較??；磨粒的不斷加入導(dǎo)致磨粒對(duì)工件的擠光作用加劇，工件表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。

表5 不同砂輪粒度工件表面殘余應(yīng)力

120/140砂輪的粒度相對(duì)較大，砂輪內(nèi)部的氣孔結(jié)構(gòu)也相對(duì)較大，因此獲得了更大的容屑空間，更好的潤滑、冷卻效果。同時(shí)，磨粒的出刃高度大，在修整良好的前提下，磨削力和比磨削能較小。120/140砂輪的硬度相對(duì)較大，磨粒不易脫落，鈍化的磨粒依然參與切削，使得磨削溫度有一定的提高，因此，工件表面雖然產(chǎn)生的是殘余壓應(yīng)力，但壓應(yīng)力小于W20砂輪磨削的工件。230/270粒度的砂輪雖然具備一定的切削能力，但其內(nèi)部氣孔尺寸與占比較粒度120/140的砂輪較小，砂輪自銳性又不如粒度W20的砂輪，所以冷卻與散熱條件不如120/140砂輪與W20砂輪，工件表面溫度高，熱應(yīng)力作用明顯，其表面殘余壓應(yīng)力低于120/140砂輪與W20砂輪，X方向和Y方向的應(yīng)力趨勢表現(xiàn)出一致性。

砂輪粒度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響如圖11所示，X方向與Y方向的整體趨勢一致，應(yīng)力平衡前，Y方向的應(yīng)力略大于X方向的應(yīng)力，粒度120/140、W20砂輪產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布較為接近且均為殘余壓應(yīng)力，應(yīng)力影響層深約為40 μm。粒度230/270砂輪產(chǎn)生的應(yīng)力中出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，這是因?yàn)槟ハ鳠岙a(chǎn)生的熱應(yīng)力成為主導(dǎo)因素。粒度230/270砂輪的應(yīng)力影響層深較粒度W20、120/140砂輪明顯增大，約為80～100 μm。

(a) X方向

通過表5、圖11可知，砂輪粒度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力與深度方向的應(yīng)力分布具有較大影響，且工件表面殘余應(yīng)力與深度方向的殘余應(yīng)力分布具有一定相關(guān)性。230/270砂輪磨削產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力明顯小于其他兩者，并在深度方向上出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力。粒度120/140與粒度W20的砂輪磨削工件產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力較為接近，深度方向的應(yīng)力分布整體趨勢也較為接近，說明不同粒度砂輪磨削工件產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力可以在一定程度上反映深度方向的應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

(1)高速(vs≥ 60 m/s)外圓磨削工藝可以為18CrNiMo7-6淬硬鋼表面引入殘余壓應(yīng)力。應(yīng)力大小受工藝參數(shù)的影響而出現(xiàn)波動(dòng)，其中，砂輪線速度呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，隨砂輪線速度的增加，表面殘余壓應(yīng)力逐漸增大；工件線速度和砂輪徑向進(jìn)給速度的變化沒有規(guī)律。

(2)相同工藝參數(shù)下，X、Y方向表面與深度方向的殘余應(yīng)力分布趨勢基本一致，Y方向應(yīng)力略大于X方向應(yīng)力。

(3)磨削工藝參數(shù)對(duì)表層殘余應(yīng)力的深度與數(shù)值有較大影響，其中，砂輪徑向進(jìn)給速度的影響最大，部分工藝參數(shù)下的應(yīng)力層深可達(dá)到100～150 μm；砂輪線速度的影響次之，應(yīng)力層深約為70 μm；工件線速度沒有明顯的影響規(guī)律，試驗(yàn)部分工件的表層殘余應(yīng)力出現(xiàn)“塔”形分布。

(4)砂輪粒度對(duì)工件表層殘余應(yīng)力的分布有較大影響，其中，粒度230/270的砂輪影響最大，應(yīng)力影響層深達(dá)到80～100 μm，部分殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，粒度120/140、W20的砂輪應(yīng)力分布較為接近；不同粒度砂輪磨削工件產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力可在一定程度上反映深度方向的應(yīng)力分布。