超聲輔助內(nèi)圓磨削40Cr15Mo2VN軸承套圈的試驗(yàn)研究

尹 龍 趙 波 郭星晨 趙重陽(yáng)

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

0 引言

40Cr15Mo2VN高氮不銹軸承鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、優(yōu)異的耐腐蝕性和疲勞性能及一定的韌性，被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，并用于制造滾柱、軸承套圈等重要零部件[1-2]。軸承作為一種精密且難加工的基礎(chǔ)零件，軸承套圈的表面質(zhì)量是影響其失效的重要因素。由于機(jī)床顫振以及夾具定位誤差等因素的影響，使得軸承套圈表面不可避免地存在波紋度、粗糙度和圓度等形狀誤差[3]。

當(dāng)軸承套圈存在表面波紋度時(shí)，波紋度會(huì)引起周期性的位移激勵(lì)，造成滾動(dòng)體與套圈之間的接觸力出現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致軸承及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生異常振動(dòng)和疲勞破壞。當(dāng)存在表面粗糙度時(shí)，在粗糙表面的凹凸不平處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中且易存積腐蝕性物質(zhì)，造成表面銹蝕，影響軸承的使用性能及壽命。因此，需對(duì)普通磨削后的軸承套圈進(jìn)行研磨或拋光，以改善其表面質(zhì)量，這會(huì)增加生產(chǎn)成本。

超聲振動(dòng)磨削可以減小磨削力，降低磨削溫度[4-5]，減少磨削燒傷及砂輪堵塞等現(xiàn)象[6-7]，同時(shí)也可以減小工件的表面粗糙度[8-9]，提高其殘余壓應(yīng)力[10-11]，提高磨削加工效率，獲得良好的表面質(zhì)量。

當(dāng)前，為了提高軸承元件的表面質(zhì)量及磨削加工效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究工作。江京亮[12]通過(guò)磨削軸承滾道研究磨削表面粗糙度和磨削變質(zhì)層與磨削參數(shù)之間的關(guān)系，建立了磨削參數(shù)與工件表面質(zhì)量之間較為精確的數(shù)值關(guān)系。劉偉等[13]基于正交試驗(yàn)研究軸承鋼高速外圓磨削的表面質(zhì)量，通過(guò)極差分析加工參數(shù)對(duì)其表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，提高砂輪線(xiàn)速度、選擇合適的工件速度和磨削深度可以獲得較好的表面質(zhì)量。肖周強(qiáng)[14]通過(guò)GCr15軸承鋼高速外圓磨削實(shí)驗(yàn)，研究了參數(shù)對(duì)其表面質(zhì)量的影響。高紹武等[15]通過(guò)超聲振動(dòng)低速磨削馬氏體不銹鋼，對(duì)比不同加工方式下的表面形貌，研究了不同加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，超聲磨削可以有效改善馬氏體不銹鋼工件的表面質(zhì)量。閆艷燕等[16]通過(guò)超聲磨削納米陶瓷，研究了不同磨削參數(shù)下普通磨削與超聲磨削對(duì)表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，超聲磨削可顯著提高納米陶瓷的表面質(zhì)量。YAMADA等[17]通過(guò)對(duì)比不同砂輪磨削后工件的表面質(zhì)量，研究不同接觸剛度的砂輪對(duì)表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，表面粗糙度隨砂輪接觸剛度減小而減小。NIK等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究超聲磨削與普通磨削后Ti6Al4V合金的表面粗糙度，結(jié)果表明，超聲磨削可有效減小其表面粗糙度，提高表面質(zhì)量。ZAHEDI等[19]采用有限元建模的方法，通過(guò)溫度與應(yīng)變的耦合并提取砂輪的概率密度函數(shù)，預(yù)測(cè)外圓磨削軸承鋼表面質(zhì)量和磨削力。

上述關(guān)于提高軸承表面質(zhì)量的研究大都集中于傳統(tǒng)加工方式下軸承套圈的外圓表面粗糙度，針對(duì)軸承套圈內(nèi)圓表面波紋度與表面粗糙度的研究涉及較少。傳統(tǒng)的內(nèi)圓磨削難以保證軸承套圈良好的表面質(zhì)量，所以需要一種新的加工工藝，而超聲磨削在提高工件表面質(zhì)量方面有很大優(yōu)勢(shì)，但是超聲磨削多被用于加工陶瓷等脆性材料，關(guān)于超聲內(nèi)圓磨削軸承套圈的研究鮮有報(bào)道。因此探究超聲內(nèi)圓磨削與傳統(tǒng)內(nèi)圓磨削下，不同加工參數(shù)對(duì)軸承套圈的表面粗糙度與表面波紋度的影響，對(duì)提高軸承的使用性能與壽命具有重要意義。

本文基于不同加工方式下的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析，建立超聲內(nèi)圓磨削表面粗糙度模型。通過(guò)超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨削40Cr15Mo2VN高氮不銹軸承鋼試驗(yàn)，分析不同加工方式下軸承套圈的表面粗糙度和表面波紋度。

1 超聲內(nèi)圓磨削表面粗糙度分析

1.1 磨削去除機(jī)理分析

在超聲內(nèi)圓磨削的加工過(guò)程中，將自主研制的超聲振動(dòng)內(nèi)圓磨頭附加在砂輪主軸上。如圖1所示，在超聲內(nèi)圓磨削中，砂輪與工件相對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿軸線(xiàn)方向做超聲振動(dòng)以及相對(duì)工件做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其中，vs為砂輪速度，vg為工件速度，vf為主軸的進(jìn)給速度，A、f分別為超聲振動(dòng)的幅值與頻率。

圖1 超聲內(nèi)圓磨削模型Fig.1 Ultrasonic internal grinding model

由超聲內(nèi)圓磨削模型可知，引入超聲振動(dòng)后單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，使單顆磨粒與工件的接觸弧長(zhǎng)發(fā)生改變[20]。如圖2所示，建立空間坐標(biāo)系，取隨機(jī)單顆磨粒所在平面與砂輪軸線(xiàn)的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，砂輪進(jìn)給方向?yàn)閤軸正方向。

圖2 單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.2 Schematic of single grain trajectory

假設(shè)磨粒在a點(diǎn)開(kāi)始與工件接觸，旋轉(zhuǎn)角度α后到達(dá)b點(diǎn)，最后旋轉(zhuǎn)角度β后在c點(diǎn)處與工件分離，則在超聲內(nèi)圓磨削中，單顆磨粒在空間坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡為

(1)

t=α/ωs

(2)

式中，r為砂輪半徑；α為單顆磨粒相對(duì)工件轉(zhuǎn)過(guò)的角度；φ0為超聲振動(dòng)初始相位；t為砂輪旋轉(zhuǎn)角度α所用時(shí)間；ωs為砂輪角速度。

由式(1)可知，普通內(nèi)圓磨削單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(3)

基于MATLAB分別仿真兩種加工方式下的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，超聲內(nèi)圓磨削單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡為空間內(nèi)的正弦曲線(xiàn)，普通內(nèi)圓磨削單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡為平面內(nèi)的曲線(xiàn)。為更好地分析超聲內(nèi)圓磨削對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，根據(jù)式(1)建立超聲內(nèi)圓磨削單顆磨粒與工件接觸弧長(zhǎng)公式：

(4)

圖3 不同加工方式下單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.3 Track of single particles with different machining

1.2 表面粗糙度建模分析

在超聲內(nèi)圓磨削過(guò)程中，砂輪上的磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行切削，在工件表面產(chǎn)生微細(xì)溝槽，而相鄰溝槽材料殘留高度是影響磨削后工件表面粗糙度的重要因素。由于砂輪上的磨粒隨機(jī)分布，各個(gè)磨粒形狀、分布間隔、頂角大小不一，故工件表面相鄰溝槽的殘留高度各不相同。為方便研究與分析，假設(shè)各個(gè)磨粒均勻分布，頂角為2θ且在砂輪上高度相同，各個(gè)磨粒磨削后在工件表面上相鄰溝槽材料殘留高度相同。超聲內(nèi)圓磨削表面輪廓見(jiàn)圖4。

圖4 超聲內(nèi)圓磨削表面輪廓圖Fig.4 Ultrasonic internal grinding surface profile

圖4中，黑色陰影部分為表面殘留高度，對(duì)于超聲內(nèi)圓磨削，單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡為空間內(nèi)沿曲線(xiàn)分布的正弦曲線(xiàn)，相較于普通內(nèi)圓磨削的軌跡發(fā)生了改變，因此，分析超聲內(nèi)圓磨削加工后的表面粗糙度必須考慮磨粒之間運(yùn)動(dòng)軌跡干涉對(duì)工件表面殘留高度的影響[21]。

在超聲內(nèi)圓磨削中，由于引入超聲振動(dòng)使單顆磨粒在工件表面形成的溝槽寬度大于普通內(nèi)圓磨削溝槽的寬度，而在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，單顆磨粒劃過(guò)同一截面兩次，同時(shí)不同磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡相互干涉改善軸承套圈的表面質(zhì)量，所以超聲內(nèi)圓磨削的工件表面殘留高度在軸向與切向兩方向上相同[22]。超聲內(nèi)圓磨削軸向表面殘留高度為

(5)

式中，L為超聲磨削表面溝槽之間距離。

假設(shè)超聲內(nèi)圓磨削加工時(shí)間為t，則砂輪轉(zhuǎn)過(guò)的距離為

l=vst

(6)

工件轉(zhuǎn)過(guò)的距離為

l′=vgt

(7)

而超聲內(nèi)圓磨削過(guò)程中，在每一截面上的磨粒個(gè)數(shù)為

(8)

式中，a為兩相鄰磨粒之間間隔。

由超聲內(nèi)圓磨削單顆磨粒接觸弧長(zhǎng)公式可以求得單顆磨粒在截面上產(chǎn)生的切削痕跡：

(9)

即工件表面相鄰兩溝槽之間距離

(10)

故超聲內(nèi)圓磨削工件表面粗糙度

(11)

綜上所述，超聲內(nèi)圓磨削表面粗糙度隨超聲頻率、振幅的增大而減小，隨砂輪速度的增大而減小，隨進(jìn)給速度的增大而增大。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用TOYO T-157N內(nèi)圓磨床，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，工件夾具采用雙支點(diǎn)電磁卡盤(pán)。如圖5所示，將自主研發(fā)的超聲內(nèi)圓磨削裝置與主軸相連，為對(duì)比不同加工方式下加工參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，通過(guò)超聲波發(fā)生器調(diào)節(jié)加工所用超聲參數(shù)，關(guān)閉超聲波發(fā)生器電源即為普通內(nèi)圓磨削加工。

圖5 超聲磨削試驗(yàn)裝置Fig.5 The experimental device of ultrasonic grinding

本次試驗(yàn)中所用砂輪為型號(hào)P35X35X101-NQS100KVS60的進(jìn)口砂輪，為保證砂輪精度，在每次加工前用金剛筆進(jìn)行修銳，工件為外徑80 mm、內(nèi)徑70 mm、寬12 mm的軸承套圈，材料為40Cr15Mo2VN高氮不銹軸承鋼，硬度達(dá)到HRC58～60，材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)40Cr15Mo2VN鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2 試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)試儀器

在內(nèi)圓磨削軸承套圈試驗(yàn)中，由于砂輪長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于工件寬度，所以砂輪在切削時(shí)沿其軸線(xiàn)方向沒(méi)有進(jìn)給而是沿砂輪切向走刀，靠工件旋轉(zhuǎn)完成切削。本次試驗(yàn)選用的加工參數(shù)如表2所示。

表2 磨削參數(shù)

如圖6所示，使用CL-1A輪廓儀測(cè)量軸承套圈表面粗糙度，表面波紋度采用Y9030D圓度-波紋度儀測(cè)量。表面形貌采用VHX-2000型超景深顯微鏡和SH-4000M型掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)。

圖6 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Analysis measurement

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響

3.1.1超聲內(nèi)圓磨削對(duì)表面形貌的影響

為研究超聲內(nèi)圓磨削對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，選取砂輪轉(zhuǎn)速10 000 r/min、工件轉(zhuǎn)速200 r/min、磨削深度0.01 mm、進(jìn)給速度1 μm/r、不同的超聲振幅進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

(a)A=0 (b)A=0.7 μm

(a)A=0 (b)A=0.7 μm

如圖7、圖8所示，普通內(nèi)圓磨削后工作表面存在較大的凹坑并且溝槽寬度大小分布不均,相鄰溝槽殘余材料較多，工件表面加工紋理較為粗糙，表面質(zhì)量明顯不高；而超聲內(nèi)圓磨削工件表面溝槽分布均勻，溝槽寬度大于普通磨削溝槽的寬度，相鄰溝槽殘余材料高度減少，工件表面的加工紋理細(xì)膩。由圖7和圖8還可看出，隨著超聲振幅的增大，工件表面質(zhì)量提高。

3.1.2超聲振幅對(duì)表面粗糙度的影響

在普通內(nèi)圓磨削加工參數(shù)不變的情況下，使用超聲內(nèi)圓磨削加工，改變不同超聲參數(shù)，研究超聲振幅對(duì)表面質(zhì)量的影響。如圖9所示，當(dāng)超聲振幅從0增大到1.7 μm時(shí)，超聲內(nèi)圓磨削后的表面粗糙度從0.38 μm減小到0.26 μm。

圖9 超聲振幅對(duì)表面粗糙度的影響Fig.9 Influence of amplitude on surface roughness

對(duì)比A=0時(shí)的表面粗糙度可以看出，表面粗糙度降低百分比從18.4%增加到31.6%，表明超聲內(nèi)圓磨削可以有效減小表面粗糙度。

3.1.3超聲振幅對(duì)表面波紋度的影響

在軸承使用中，影響軸承套圈的表面質(zhì)量除了表面粗糙度以外還有表面波紋度，表面波紋度過(guò)大會(huì)影響軸承套圈表面的機(jī)械性能，在軸承使用時(shí)產(chǎn)生噪聲。表面波紋度的值取決于機(jī)床與工藝系統(tǒng)的振動(dòng)大小。在磨削過(guò)程中，主要產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)與自激振動(dòng)，其中強(qiáng)迫振動(dòng)可以輕易找出振源，并加以消除，所以在內(nèi)圓磨削過(guò)程中，工藝系統(tǒng)的顫振是影響表面波紋度的重要因素，它最終會(huì)在工件表面形成直線(xiàn)白振紋，導(dǎo)致工件的表面波紋度增加，嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)比普通內(nèi)圓磨削以及不同超聲振幅下工件表面出現(xiàn)的直線(xiàn)白振紋，分析超聲磨削工藝系統(tǒng)顫振對(duì)表面質(zhì)量的影響。如圖10所示，在超聲振幅為0時(shí)，工藝系統(tǒng)出現(xiàn)顫振，導(dǎo)致工件表面有明顯的振紋；當(dāng)超聲振幅為0.7 μm時(shí)，加工后的工件表面上直線(xiàn)白振紋開(kāi)始變淡；當(dāng)超聲振幅為1.2 μm時(shí)，工件表面上的直線(xiàn)白振紋消失，表明工藝系統(tǒng)的顫振得到抑制，超聲內(nèi)圓磨削改善了加工后的表面質(zhì)量；當(dāng)超聲振幅為1.7 μm時(shí)，工件表面上開(kāi)始出現(xiàn)較為淺淡的直線(xiàn)白振紋，表明超聲對(duì)工藝系統(tǒng)的顫振抑制作用減弱。

(a)A=0 (b)A=0.7 μm

選取砂輪轉(zhuǎn)速10 000 r/min、工件轉(zhuǎn)速200 r/min、磨削深度0.01 mm、進(jìn)給速度1 μm/r、不同的超聲振幅進(jìn)行表面波紋度對(duì)比試驗(yàn)。如圖11所示，隨著超聲振幅的增大，表面波紋度先減小后增大，在振幅A=1.2 μm時(shí)得到最小值0.62 μm。

圖11 超聲振幅對(duì)表面波紋度的影響Fig.11 Influence of amplitude on surface waviness

綜上所述，超聲內(nèi)圓磨削可以改善工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善軸承內(nèi)圈的表面質(zhì)量。原因是：超聲內(nèi)圓磨削磨粒軌跡為空間中的正弦曲線(xiàn)，相較于普通內(nèi)圓磨削增加了單顆磨粒磨削長(zhǎng)度；不同磨粒間運(yùn)動(dòng)軌跡又相互干涉，使工件表面溝槽變寬的同時(shí)減小相鄰溝槽殘留材料高度，減少了工件表面損傷，減小了表面粗糙度，提高了工件的表面質(zhì)量。

然而，超聲內(nèi)圓磨削下的表面波紋度隨著超聲振幅的增大，先減小后增大。原因是：普通內(nèi)圓磨削即超聲振幅為0時(shí)的磨削過(guò)程中，砂輪上的磨粒容易脫落不均，砂輪出現(xiàn)局部鈍化，增大了砂輪與工件之間的磨削力，導(dǎo)致砂輪不平衡，引起工藝系統(tǒng)的顫振，所以相較于超聲內(nèi)圓磨削，普通磨削下工件的表面波紋度較大。

在超聲內(nèi)圓磨削時(shí)，超聲振動(dòng)可以減小工件與砂輪之間的摩擦力，使磨削力減小，減小了磨粒的磨損情況，從而抑制工藝系統(tǒng)的顫振，改善加工后的表面質(zhì)量。但是砂輪在大振幅下，超聲加工系統(tǒng)實(shí)際加工頻率偏離系統(tǒng)諧振頻率，砂輪實(shí)際振動(dòng)時(shí)摻雜其他振型，超聲加工對(duì)工藝系統(tǒng)顫振的抑制作用減弱，使工件的表面波紋度增大。

對(duì)比改變超聲振幅后的加工表面，當(dāng)超聲振動(dòng)幅值為1.2 μm時(shí)，軸承套圈的表面質(zhì)量較高，所以研究其他加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量影響時(shí)均取A=1.2 μm。

3.2 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響

3.2.1砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

為研究砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響，選取砂輪轉(zhuǎn)速分別為6000，8000，10 000，12 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨削深度為0.01 mm，進(jìn)給速度為1 μm/r，砂輪振幅為1.2 μm進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

如圖12所示，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度從0.47μm減小到0.35μm，超聲內(nèi)圓磨削表面粗糙度從0.38μm減小到0.26μm，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度，降低百分比由19.1%增加到26.3%后又降至25.7%。而在其他加工參數(shù)不變的情況下，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，兩種加工方式下的表面粗糙度均有不同程度的減小。超聲內(nèi)圓磨削更有利于減小表面粗糙度，但是砂輪轉(zhuǎn)速提高至12 000 r/min時(shí)，表面粗糙度降低百分比反而減小。

圖12 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響Fig.12 Influence of wheel speed on surface roughness

3.2.2砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面波紋度的影響

砂輪轉(zhuǎn)速的提高不僅影響軸承套圈的表面粗糙度還會(huì)影響表面波紋度。如圖13所示，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，兩種加工方式的表面波紋度均有不同程度的減小，普通內(nèi)圓磨削表面波紋度從1.18 μm減小到0.89 μm，超聲內(nèi)圓磨削表面波紋度從0.79 μm減小到0.57 μm。由降低百分比可知，砂輪轉(zhuǎn)速在10 000 r/min時(shí)，超聲內(nèi)圓磨削相較于普通內(nèi)圓磨削降低量最大，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速在12 000 r/min時(shí)，降低百分比減小，表明超聲內(nèi)圓磨削對(duì)表面波紋度的改善減弱。

圖13 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面波紋度的影響Fig.13 Influence of wheel speed on surface waviness

綜上所述，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，超聲內(nèi)圓磨削更有利于改善表面質(zhì)量，但是在高轉(zhuǎn)速下，超聲內(nèi)圓磨削改善效果減弱。原因是：砂輪高轉(zhuǎn)速時(shí)，抑制了砂輪振動(dòng)，使磨粒間運(yùn)動(dòng)軌跡干涉情況減弱，增加了工件表面材料殘留高度，所以相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度減小不明顯。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高，砂輪更易產(chǎn)生自激振動(dòng)，加劇砂輪不平衡的情況，使超聲改善效果減弱，表面波紋度增大，影響工件表面質(zhì)量。

3.3 磨削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響

3.3.1磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響

為研究磨削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響，選取砂輪轉(zhuǎn)為10 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨削深度分別為0.01，0.02，0.03，0.04 mm，進(jìn)給速度為1 μm/r，砂輪振幅為1.2 μm進(jìn)行單因素試驗(yàn)，同時(shí)與普通內(nèi)圓磨削進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

如圖14所示，隨著磨削深度的增大，普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度由0.36 μm增大到0.55 μm，超聲內(nèi)圓磨削由0.28 μm增大到0.43 μm，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度，降低百分比由26.3%減小到21.8%。超聲內(nèi)圓磨削的改善效果明顯減弱。

圖14 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.14 Influence of grinding depth on surface roughness

3.3.2磨削深度對(duì)表面波紋度的影響

磨削深度的提高不僅影響軸承套圈的表面粗糙度還會(huì)影響表面波紋度。通過(guò)測(cè)得不同加工方式下表面波紋度，研究磨削深度對(duì)表面波紋度的影響規(guī)律。

如圖15所示，在不改變其他加工參數(shù)的情況下，隨著磨削深度的增大，兩種加工方式下的表面波紋度均有不同程度的增大，普通內(nèi)圓磨削表面波紋度由1.01 μm增大到1.39 μm，超聲內(nèi)圓磨削由0.62 μm增大到0.92 μm，但是普通內(nèi)圓磨削增大的幅度比超聲內(nèi)圓磨削大。通過(guò)表面波紋度的降低百分比可知，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面波紋度，降低百分比由38.6%減小到33.8%，表明超聲內(nèi)圓磨削對(duì)表面波紋度的改善效果降低。

圖15 磨削深度對(duì)表面波紋度的影響Fig.15 Influence of grinding depth on surface waviness

綜上所述，隨著磨削深度的增大，單顆磨粒的磨削力增大，而磨削力的增大使磨削抗力增大，造成砂輪磨粒脫落的速度不一致產(chǎn)生局部鈍化，使工藝系統(tǒng)的顫振增大，所以?xún)煞N加工方式的表面粗糙度、表面波紋度增大；而超聲內(nèi)圓磨削中，磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡相互干涉，可以使部分磨粒在磨削過(guò)程中走空刀，提高工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高磨粒的自銳性，減小平均磨削力，有助于去除加工表面相鄰溝槽的殘余材料高度，使表面粗糙度、表面波紋度增大量減少，改善工件的表面質(zhì)量。

3.4 進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響

3.4.1進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

為研究進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量的影響，選取砂輪轉(zhuǎn)為10 000 r/min，工件轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨削深度為0.01 mm，進(jìn)給速度分別為1，2，3，4 μm/r，砂輪振幅為1.2 μm進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

如圖16所示，其他加工參數(shù)不變，進(jìn)給速度從1 μm/r增大到4 μm/r，普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度由0.36 μm增大到0.51 μm，超聲內(nèi)圓磨削由0.28 μm增大到0.42 μm，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度，降低百分比由22.2%減小到17.3%，超聲內(nèi)圓磨削的改善效果明顯減弱。

圖16 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.16 Influence of feed speed on surface roughness

3.4.2進(jìn)給速度對(duì)表面波紋度的影響

由圖17所示，在不改變其他加工參數(shù)的情況下，隨著進(jìn)給速度的增加，兩種加工方式下的表面波紋度均有不同程度的增大。

圖17 進(jìn)給速度對(duì)表面波紋度的影響Fig.17 Influence of feed speed on surface waviness

普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度由1.01 μm增大到1.39 μm，超聲內(nèi)圓磨削由0.62 μm增大到1.02 μm，相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削表面粗糙度，降低百分比由38.6%減小到26.6%，但是普通內(nèi)圓磨削增大的幅度比超聲內(nèi)圓磨削大，通過(guò)表面波紋度降低百分比可知，超聲內(nèi)圓磨削對(duì)表面波紋度的改善效果減弱。

綜上所述，其他加工參數(shù)不變，僅增加進(jìn)給速度，使單顆磨粒在單位時(shí)間內(nèi)切削厚度增大，從而增大了磨削力、磨削抗力、工藝系統(tǒng)的顫振，所以?xún)煞N加工方式的表面粗糙度、表面波紋度都明顯增大。在超聲內(nèi)圓磨削中，磨?？梢灾貜?fù)研磨工件表面殘留材料高度，減小單顆磨粒的磨削力和磨削抗力，抑制工藝系統(tǒng)的顫振，所以表面粗糙度、表面波紋度相較于普通內(nèi)圓磨削要小。然而，砂輪進(jìn)給速度的增大會(huì)減弱超聲內(nèi)圓磨削中各個(gè)磨粒間的運(yùn)動(dòng)軌跡干涉情況，從而減弱超聲加工的改善效果。

4 結(jié)論

(1)超聲內(nèi)圓磨削將單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡由平面曲線(xiàn)變?yōu)榭臻g內(nèi)的正弦曲線(xiàn)，不同磨粒間運(yùn)動(dòng)軌跡的相互干涉使超聲內(nèi)圓磨削后軸承套圈內(nèi)表面的溝槽分布均勻，減少了表面損傷，減小了軸承表面粗糙度、表面波紋度，因此，超聲內(nèi)圓磨削可以提高軸承表面質(zhì)量，改善軸承傳動(dòng)的噪聲問(wèn)題。

(2)隨著超聲振幅的增大，軸承套圈的表面粗糙度減小，而表面波紋度呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。

(3)有無(wú)超聲兩種加工方式下，增大砂輪轉(zhuǎn)速都能夠減小軸承套圈表面粗糙度和表面波紋度，其中超聲內(nèi)圓磨削更有利于改善軸承套圈的表面質(zhì)量，但是砂輪在高轉(zhuǎn)速下會(huì)抑制超聲振動(dòng)，減弱超聲加工對(duì)軸承套圈表面質(zhì)量的改善作用。

(4)有無(wú)超聲兩種加工方式下，磨削深度與進(jìn)給速度的增大使軸承套圈的表面粗糙度和表面波紋度隨之增大，其中進(jìn)給速度對(duì)軸承套圈的表面質(zhì)量影響較大，但是超聲內(nèi)圓磨削能夠抑制表面粗糙度和表面波紋度的增大，使它們的增加幅度減小。

(5)通過(guò)對(duì)比兩種加工方式下表面粗糙度以及表面波紋度降低百分比，得到各個(gè)加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響強(qiáng)度為：轉(zhuǎn)速>超聲振幅>磨削深度>進(jìn)給速度。各個(gè)加工參數(shù)對(duì)表面波紋度的影響強(qiáng)度為：超聲振幅>轉(zhuǎn)速=磨削深度>進(jìn)給速度。