18CrNiMo7-6外圓磨削溫度對(duì)表層殘余應(yīng)力影響的研究*

王 棟，張錦濤，林洪旭，張銀霞，劉治華

(鄭州大學(xué) a.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)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

磨削作為精密加工過(guò)程中的最后一道工序，不僅能夠保證工件所需的尺寸精度，還能在其表層引入新的殘余應(yīng)力。機(jī)械加工引入的殘余應(yīng)力主要通過(guò)防止、延遲或加速裂紋的生長(zhǎng)來(lái)增加或減少工件的疲勞壽命[1]。磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要有三個(gè)來(lái)源：機(jī)械變形、熱塑性變形和組織相變，其中，熱塑性變形是產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的最重要因素[2]。

在磨削過(guò)程中，砂輪表面的磨粒微刃以極高的速度在被加工工件表面進(jìn)行劃擦、耕犁、切削3個(gè)階段，使得工件表面產(chǎn)生很大的塑性變形，所消耗的機(jī)械功幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量集聚在磨削區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致磨削區(qū)內(nèi)的溫度急劇升高，工件表層形成較大的溫度梯度，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致零件的抗磨損性能降低、應(yīng)力銹蝕的靈敏性增加、抗疲勞性變差，從而降低零件的使用壽命和工作性能[3]。

一般來(lái)說(shuō)，在淬硬鋼的磨削過(guò)程中，殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生取決于工件表面溫度是否超過(guò)某一溫度閾值[4]。溫俊等[5]使用COMSOL有限元軟件進(jìn)行熱-彈塑性多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，得到了磨削區(qū)域的溫度場(chǎng)分布和不同磨削參數(shù)對(duì)工件表層產(chǎn)生初始塑性應(yīng)變的影響，從而定量分析磨削溫度與磨削殘余應(yīng)力間的相互關(guān)系。McCormack D F等[6]建立了磨削過(guò)程中工件溫度和殘余拉應(yīng)力之間的直接關(guān)系，并提出了殘余拉應(yīng)力開(kāi)始的臨界轉(zhuǎn)變溫度，從而將控制殘余應(yīng)力的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為控制磨削溫度的問(wèn)題。

磨削溫度的測(cè)量是基于導(dǎo)熱或熱輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，常用的測(cè)溫方法有接觸式的熱電偶法和非接觸式的紅外測(cè)溫法。朱濤等[7]提出一種自耗式熱電偶結(jié)點(diǎn)連接測(cè)溫方法，可以獲得工件表面較為精確的磨削溫度；Sven K等[4]采用熱電偶多點(diǎn)測(cè)溫方法測(cè)試鈦合金高速外圓磨削弧區(qū)的溫度，分析不同工藝參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律；Nathan R D等[8]使用紅外熱像儀測(cè)量外圓磨削過(guò)程中接近接觸弧區(qū)處的火花溫度，發(fā)現(xiàn)火花溫度隨著砂輪圓周速度的增加而增加；Brinksmeier E等[9]使用集成于砂輪上的光纖紅外感應(yīng)技術(shù)對(duì)磨削弧區(qū)的溫度進(jìn)行測(cè)量。

紅外熱像儀根據(jù)輻射與物體表面溫度成一函數(shù)的關(guān)系，可對(duì)物體表面溫度進(jìn)行測(cè)量。然而，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與物體表面的輻射率值有很大關(guān)系。因此在使用紅外熱像儀時(shí)，需要正確設(shè)定一個(gè)最重要的物體參數(shù)是輻射率，否則會(huì)造成較大的溫度測(cè)量誤差。

本文采用紅外熱像儀對(duì)磨削過(guò)程中工件表面的溫度進(jìn)行檢測(cè)。雖然大部分材料的輻射率值都可以通過(guò)紅外手冊(cè)獲得，但由于實(shí)際情況不同，無(wú)法確定外圓磨削過(guò)程中工件表面的輻射率值。因此，試驗(yàn)前需對(duì)工件表面的輻射率值進(jìn)行實(shí)測(cè)，以減小由于輻射率值的不準(zhǔn)確而帶來(lái)的溫度測(cè)量誤差。

1 磨削溫度的測(cè)量試驗(yàn)

1.1 樣塊輻射率值的測(cè)定

樣塊所用材料同磨削試驗(yàn)的材料保持一致，并通過(guò)用砂紙將每個(gè)樣塊的待測(cè)表面打磨至Sa=0.3 ～ 0.5 μm，以減小粗糙度對(duì)輻射率值的影響。

輻射率值測(cè)定步驟如下：

步驟1:將KJ-M1200-12LZ快速升溫箱式電阻爐加熱至各個(gè)設(shè)定溫度并進(jìn)行保溫；

步驟2:將樣塊放入爐內(nèi)，使待測(cè)面與FLIR A655sc紅外熱像儀相垂直，關(guān)閉爐門，保溫5 min；

步驟3:迅速打開(kāi)爐門，將紅外熱像儀自動(dòng)聚焦于待測(cè)表面，進(jìn)行圖像拍攝。

測(cè)定過(guò)程中，每個(gè)樣塊只用于一個(gè)設(shè)定溫度，避免加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，待測(cè)表面出現(xiàn)碳化。

使用FLIR-ResearchIR軟件對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析，記錄各個(gè)設(shè)定溫度下的輻射溫度，并通過(guò)軟件內(nèi)輻射率值計(jì)算模塊得到各個(gè)設(shè)定溫度下的輻射率值。

圖1中，爐內(nèi)溫度低于450 ℃時(shí)，樣塊表面的輻射率值在0.1附近浮動(dòng)。當(dāng)設(shè)置溫度高于450 ℃后，樣塊表面的輻射率值隨著溫度升高而增大，這是因?yàn)闃訅K表面的成分發(fā)生了變化，氧化層變厚；表面微觀形貌發(fā)生了變化，隨著溫度的升高，表面變得粗糙，表面氧化物褶皺程度增大等[10]。在磨削過(guò)程中，試樣已加工表面呈現(xiàn)光潔狀態(tài)，結(jié)合紅外手冊(cè)資料[11]，將磨削過(guò)程中工件表面的輻射率值設(shè)置為0.1。

圖1 不同溫度下樣塊的輻射率

1.2 外圓磨削測(cè)溫試驗(yàn)平臺(tái)

外圓磨削溫度測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，主要包括數(shù)控外圓端面磨床、FLIR紅外熱像儀、Kistler外圓測(cè)力儀以及數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。數(shù)控端面外圓磨床的型號(hào)是MKE1620A，磨床使用鉻剛玉砂輪，砂輪直徑為410 mm，砂輪主軸轉(zhuǎn)速為1488 rpm，采用單顆粒金剛石筆進(jìn)行修整。

圖2 外圓磨削測(cè)溫試驗(yàn)平臺(tái)

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用試樣材料為18CrNiMo7-6鋼，是一種優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)滲碳淬火后表面硬度為HRC 56 ～ 60，磨削方式為干式外圓橫向磨削，磨削寬度為20 mm。本文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)方法，研究不同工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律，磨削試驗(yàn)條件如表1所示。為保證磨削試驗(yàn)起始條件的一致性，試驗(yàn)前將滲碳淬火后的試樣精磨至同一尺寸φ27.65 mm。

表1 磨削試驗(yàn)條件

為保證材料去除量一定，設(shè)置單邊磨削余量為0.2 mm。工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa與工件轉(zhuǎn)速nw、砂輪橫向進(jìn)給速率fr之間的關(guān)系如下：

2 外圓磨削試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素磨削測(cè)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

紅外熱像儀鏡頭檢測(cè)的目標(biāo)位置是工件磨削弧區(qū)的出口處，選取檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的最高溫度作為磨削溫度。探索不同工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量、工件轉(zhuǎn)速對(duì)磨削溫度的影響，得到不同磨削工藝參數(shù)下的磨削溫度變化曲線，如圖3所示。

(vs=32 m/s,nw=80 r/min)(a) 工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量的影響

(vs=32 m/s,fa=2.5 μm)(b) 工件轉(zhuǎn)速的影響

由圖3可以看出，與工件轉(zhuǎn)速相比，工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量對(duì)磨削溫度的影響較大。由圖3a知，當(dāng)砂輪線速度vs和工件轉(zhuǎn)速nw不變時(shí)，隨著工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa的增大，工件表面的溫升比較明顯，這是因?yàn)殡S著fa的增大，磨削功率增大，同時(shí)磨削弧區(qū)的弧長(zhǎng)也隨之變長(zhǎng)，弧區(qū)內(nèi)集聚的熱量增多且不易散失，使得工件表面的溫度升高明顯，但是隨著fa的繼續(xù)增大，溫升有明顯減緩的趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)材料去除率增大，磨屑帶走大量熱量，使得工件溫升趨勢(shì)變得緩慢。由圖3b知，當(dāng)砂輪線速度vs和工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa不變時(shí)，隨著工件轉(zhuǎn)速nw的增大，磨削時(shí)間縮短，對(duì)應(yīng)的材料去除率增大，磨削帶走的熱量也會(huì)增大，傳遞到已加工表面的熱量變少，但是由于采用的干磨方式，僅在砂輪風(fēng)冷的作用下，工件表面的溫降不是十分明顯。

2.2 磨削表層殘余應(yīng)力的變化

利用X射線殘余應(yīng)力分析儀、電解剖層設(shè)備，對(duì)磨削后的試樣進(jìn)行表層殘余應(yīng)力的測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。其中，σxx為軸向應(yīng)力，σyy為切向應(yīng)力。

(a) 磨削前后表層殘余應(yīng)力場(chǎng)的變化

(vs=32 m/s,nw=80 r/min)(b) 工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量對(duì)表層殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響

由圖4a知，試驗(yàn)前工件表層的殘余應(yīng)力σxx、σyy整體上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，表面50 μm以下應(yīng)力穩(wěn)定在-200 MPa左右。不同的干磨參數(shù)下，工件表層的殘余應(yīng)力相差很大。當(dāng)vs=32 m/s，nw=80 r/min，fa=20 μm時(shí)，工件表面溫度為653.44 ℃，表層殘余應(yīng)力σxx、σyy表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在距表面50 μm處達(dá)到最大值，約為+873.15 MPa，拉應(yīng)力影響深度約為350 μm；當(dāng)vs=32 m/s，nw=80 r/min，fa=1 μm時(shí)，工件表面溫度為262.4 ℃，表層殘余應(yīng)力σxx、σyy表現(xiàn)為壓應(yīng)力，并且應(yīng)力水平與試驗(yàn)前工件的應(yīng)力水平大致相等。試驗(yàn)后工件表層的殘余應(yīng)力相差很大，其主要源于磨削過(guò)程中的熱效應(yīng)。由圖4b知，在砂輪線速度vs和工件轉(zhuǎn)速nw不變時(shí)，相鄰工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量對(duì)工件表層殘余應(yīng)力產(chǎn)生了不同的影響。當(dāng)fa= 5.0 μm時(shí)，工件表面溫度為449.6 ℃，表層σxx、σyy均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，表面σyy拉應(yīng)力最大，約為+230.63 MPa，表面30 μm以下的區(qū)域殘余應(yīng)力接近于零；當(dāng)fa=2.5 μm時(shí)，工件表面溫度為333 ℃，工件表面表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在距表面10～30 μm的范圍內(nèi)出現(xiàn)小的拉應(yīng)力，隨后又轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，此時(shí)的磨削熱效應(yīng)還不足以完全抵消工件表層的機(jī)械效應(yīng)。

(vs=32 m/s,nw=80 r/min)(a) 工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量的影響

(vs=32 m/s,fa=2.5 μm)(b) 工件轉(zhuǎn)速的影響

由圖5a知，隨著工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量的增加，磨削溫度升高，熱效應(yīng)作用越來(lái)越大，表面殘余應(yīng)力σxx、σyy由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，并且在幅值上兩者也趨于相近。在常規(guī)加工中，工件表層的殘余應(yīng)力通常是由刀具的機(jī)械載荷產(chǎn)生的，在各個(gè)方向上也是不同的，并且在平行于刀具運(yùn)動(dòng)的方向上具有最大值。然而，在干磨的過(guò)程中，由于磨削弧區(qū)集聚的熱量較多，工件溫升顯著，熱效應(yīng)在殘余應(yīng)力形成因素中占主導(dǎo)作用，并且在各個(gè)方向上的效果大致相等。由圖4b知，當(dāng)砂輪線速度vs和工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa不變時(shí)，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加，磨削溫度略微降低，熱效應(yīng)作用減弱，機(jī)械效應(yīng)增強(qiáng)，表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并且σxx、σyy在幅值上也開(kāi)始區(qū)分開(kāi)來(lái)。

磨削(干磨)過(guò)程通常被認(rèn)為工件表面存在殘余拉應(yīng)力的來(lái)源，同時(shí)也存在一個(gè)拉應(yīng)力起始溫度水平。當(dāng)工件溫度超過(guò)該水平后，殘余拉應(yīng)力就開(kāi)始產(chǎn)生了[12]。結(jié)合圖3磨削溫度的變化和圖5磨削表面殘余應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)本試驗(yàn)中工件表面出現(xiàn)拉應(yīng)力的溫度閥值約為340 ℃。

2.3 磨削表面粗糙度的變化

由圖6a可以看出，在砂輪線速度和工件轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa的增大，表面粗糙度Sa的值先急劇增大后趨于平緩。隨著工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量fa的增大，工件表面去除材料的體積增大，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量增多，工件表面溫度升高，磨粒側(cè)邊的材料熱塑性流動(dòng)加大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，工件表面的切屑和砂輪表面發(fā)生粘結(jié)，在砂輪表面產(chǎn)生一層切屑膜，使得加工表面的粗糙度趨于平緩[13]。圖6b所示，在砂輪線速度和工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量不變的情況下，隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，單位時(shí)間內(nèi)砂輪磨粒與工件接觸的次數(shù)增多，工件表面的粗糙度減小，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速在100～120 r/min時(shí)，工件表面的粗糙度值較小。

(vs=32 m/s,nw=80 r/min)(a) 工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量的影響

(vs=32 m/s,fa=2.5 μm)(b) 工件轉(zhuǎn)速的影響

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展18CrNiMo7-6外圓磨削單因素測(cè)溫試驗(yàn)，可以得出結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)樣塊表面(Sa=0.3～0.5 μm)進(jìn)行輻射率值的測(cè)定試驗(yàn)，將工件表面的輻射率值設(shè)置為0.1是合理的。

(2)在干磨的條件下，保持砂輪線速度和工件轉(zhuǎn)速不變，工件表面的溫升隨著工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量的增大先快后慢；保持砂輪線速度和工件每轉(zhuǎn)的橫向進(jìn)給量不變，工件轉(zhuǎn)速對(duì)表面溫度的影響不是十分明顯。

(3)在磨削過(guò)程中存在溫度閾值，當(dāng)工件溫度超過(guò)該值(約340 ℃)后，表面會(huì)出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。表面溫度越高，產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力越大。當(dāng)工件溫度處于該閾值以下時(shí)，磨削的熱效應(yīng)也在抵消著機(jī)械效應(yīng)，使得工件表面的壓應(yīng)力減小。

(4)干式磨削可用于小進(jìn)給精加工，不僅能夠在工件表層引入殘余壓應(yīng)力，還能夠獲得較低的表面粗糙度值。