AISI 1045鋼窄深槽磨削表面完整性試驗研究

張 昊，梁國星，馬志飛，婁帥偉

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

窄深槽是機械零件上的一種特殊結構，在航空、汽車和液壓等領域廣泛應用。對于由難加工材料制造的航空零件，尤其是發(fā)動機渦輪葉片根部高精密齒槽和窄深直槽的加工，一直是機械加工領域的難題[1]。隨著高效磨削技術的發(fā)展與超硬磨料的廣泛應用，國內外學者使用高速緩進給磨削技術加工窄深槽，逐漸取代了傳統(tǒng)的銑槽-熱處理-普通砂輪磨削工藝，提高了加工精度和生產效率，降低了生產成本[2]。窄深槽加工過程中，槽側面的表面粗糙度、表面形貌、金相組織變化、加工硬化和殘余應力等因素對槽側面的耐磨損特性、耐疲勞性以及耐腐蝕性有重要影響，這些表面性能是窄深槽類零件的關鍵指標，因此對窄深槽表面完整性的研究具有極其重要的意義。

近年來，針對如何提高磨削加工中表面完整性的問題，國內外學者對表面完整性的影響因素做了大量研究。文獻[3]分別用開槽砂輪和非開槽砂輪對工件進行磨削加工，工件表面質量對比發(fā)現(xiàn)：相同材料去除率相同時，非開槽砂輪磨削得到的工件表面粗糙度值較小，具有較好的表面質量。文獻[4]對不銹鋼進行精密磨削試驗，采用參數(shù)優(yōu)化方法獲得了在硬度、耐磨損、抗疲勞、耐腐蝕和抗高溫氧化等方面性能的磨削參數(shù)。文獻[5]分別使用樹脂結合劑和金屬結合劑金剛石砂輪，對單晶硅進行緩進給磨削開槽實驗，結果表明使用樹脂結合劑砂輪加工，單晶硅樣件崩邊尺寸較小，溝槽側壁表面質量較高。

使用單層電鍍CBN砂輪對AISI 1045鋼進行了窄深槽高速緩進給磨削加工，從槽側面表面形貌、表面粗糙度、及槽底表面硬化等三個方面對窄深槽加工過程中表面完整性進行實驗研究，分析了砂輪線速度、工件進給速度和窄深槽深度等磨削參數(shù)對槽表面完整性的影響規(guī)律。

2 試驗方案

窄深槽磨削試驗在MV-40立式加工中心上進行，采用高速緩進給干磨削工藝，實驗裝置，如圖1所示。砂輪采用實驗室自制單層電鍍CBN 砂輪，砂輪直徑180mm，厚度1.8mm，砂輪粒度100/120#。樣件選用規(guī)格為（30×30×50）mm的AISI 1045鋼，該材料初始硬度為190HV，化學成分，如表1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental Equipment

表1 AISI 1045鋼化學成分及含量（wt%）Tab.1 Chemical Composition and Content of AISI 1045 Steel（wt%）

試驗設置磨削參數(shù)，如表2所示。窄深槽加工完成后將槽沿其對稱面進行切割。在測量范圍為（0.8×0.8）mm，掃描間距為0.002mm，掃描速度為0.3mm/s的條件下，采用三維表面輪廓儀檢測槽側面三維形貌并測量其表面粗糙度值；將槽側面切除后使用顯微硬度計測量槽底硬度分布；在金相顯微鏡下觀測窄深槽側面微觀形貌與槽底截面亞表層組織。

表2 磨削工藝參數(shù)Tab.2 The Parameters of Grinding Process

3 試驗結果與分析

當vs=50m/s，vw=2mm/min，ɑp=10mm時，窄深槽磨削過程中槽側面三維形貌，如圖2所示。沿著工件磨削方向，磨削開始階段，切入?yún)^(qū)槽側面出現(xiàn)較明顯的磨痕，表面粗糙度值大且表面質量較差；磨削的中間區(qū)域，由于砂輪與工件充分接觸，磨削相對穩(wěn)定，粗糙劃痕區(qū)域明顯減少，耕犁條紋深度減小，槽側面磨削質量較好；試件在切出區(qū)，由于砂輪與工件分離時磨削的不穩(wěn)定性，磨削表面再次出現(xiàn)明顯的劃痕，但與磨削開始階段相比，表面質量有了很大提高，如圖2（c）所示。切入端到切出端窄深槽側面粗糙度變化圖線，如圖2（d）所示，表面平均粗糙度值Ra為0.64μm，很顯然磨削的中間區(qū)域粗糙度值要比兩端小。

圖2 磨削過程中窄深槽側面三維形貌Fig.2 Three-Dimensional Morphology of the Narrow Deep Groove Side of Grinding Process

3.1 磨削參數(shù)對表面形貌的影響

使用金相顯微鏡對磨削加工后窄深槽的側面進行觀測，并用三維表面形貌儀檢測了槽側面表面粗糙度，所得結果，如圖3～圖5所示。

圖3 不同砂輪線速度下窄深槽側面表面形貌Fig.3 Surface Morphology of Narrow Deep Grove Side at Different Grinding Wheel Speed

圖4 不同進給速度下窄深槽側面表面形貌Fig.4 Surface Morphology of Narrow Deep Grove Side at Different Feed Speed

圖5 不同磨削深度下窄深槽側面表面形貌Fig.5 Surface Morphology of Narrow Deep Grooves at Different Grinding Depth

當工件進給速度vw=1.5mm/min，磨削深度ɑp=10mm時，砂輪線速度vs=50m/s，60m/s，70m/s 時槽側面表面形貌，如圖3 所示。當砂輪線速度較低vs=50m/s時，可以看出該磨削條件下磨削表面質量較差，磨痕較深較寬且出現(xiàn)剝落斷裂現(xiàn)象，如圖3（a）所示；當砂輪線速度增加到vs=60m/s，表面磨痕寬度減小，表面紋理變淺變細；當砂輪線速度達到70m/s時，粗大磨痕明顯減少，且剝落斷裂現(xiàn)象基本消失，表面質量明顯改善。不同砂輪線速度下的表面粗糙度變化曲線，如圖3（d）所示?？梢钥闯錾拜喚€速度的增大有助于降低表面粗糙度，改善表面質量，砂輪速度為70m/s時槽側面粗糙度可達0.38μm。這是因為砂輪線速度增大，單位時間內參與磨削的磨粒數(shù)量增多，磨粒單次切入工件的深度減小，對材料表面的滑擦耕犁作用減弱，表面磨痕尺寸減小，表面粗糙度降低，一定程度上改善了表面質量。

當砂輪線速度vs=50m/s，槽深ɑp=10mm時，不同工件進給速度下槽側面表面形貌，如圖4所示。

可見，進給速度較低時，工件表面紋理清晰磨痕較淺且分布均勻；隨著進給速度的增大，表面磨痕變深變寬且分布混亂，表面質量降低；當進給速度達到ɑp=3mm/min時，表面出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征，塑性去除減少，表面質量進一步惡化。隨著進給速度的增大，表面質量變差，因此表面粗糙度增大，尤其當進給速度從vw=2mm/min升高到vw=3mm/min時，表面粗糙度值急劇上升。工件進給速度增大，磨削過程中單顆磨粒未變形切削厚度增加，對材料表面滑擦和耕犁作用加強，從而表面質量變差，表面粗糙度值增加[6]。同時磨粒切入深度過大，工件表面向兩側隆起變大，未發(fā)生塑性變形的材料產生脆性斷裂，工件表面質量嚴重惡化，粗糙度進一步增大[7]。

當砂輪線速度vs=50m/s，工件進給速度vw=1.5mm/min時，不同槽深下窄深槽側面形貌，如圖5所示?？梢姡斦畈凵疃容^淺時槽側磨痕細而淺，紋理分布均勻，磨削表面質量較好；隨著窄深槽深度的增大，槽表面磨痕深度增加且分布較密集，表面質量降低。如圖所示隨著窄深槽深度的增加，槽側面粗糙度值也呈增大趨勢。磨削深度增大，磨粒對工件表面進行磨削時，其前方材料發(fā)生塑形變形，部分材料流向磨粒側面，殘留在工件表面，降低了槽側面的表面質量。同時殘留在工件表面的鋸齒劃痕極易脫落，引起工件表面材料大片脫落，造成表面質量的惡化[8]。

3.2 磨削參數(shù)對槽底硬化的影響

研究結果表明組織轉變取決于磨削過程中工件的溫度場，硬度分布取決于組織的改變[9]。磨削過程中當熱源沿著工件移動時，熱源附近的材料經歷對流冷卻，這種瞬態(tài)傳熱過程可導致微觀組織的改變。晶粒大小和再結晶與硬度有直接關系，因此，干磨削過程中切屑形成時高溫條件會影響到顯微硬度的改變[10]。

用電火花線切割沿槽底將側面切除，沿進給方向等距取五個點作為測試點，使用顯微硬度計測量槽底硬度。不同槽深和不同進給速度下，窄深槽底表面硬度沿磨削方向分布，如圖6所示。結果表明與基體相比槽底都產生了不同程度硬化現(xiàn)象。由圖可知砂輪線速度vs=50m/s，工件進給速度vw=1.5mm/min 時，隨著槽深的增大，槽底表面硬度明顯增加。同樣砂輪線速度vs=50m/s，槽深ɑp=10mm 時，槽底表面硬度隨著工件進給速度的增大而增加。隨著槽深的增大，砂輪與工件接觸弧長增加，同時參與磨削的磨粒增多，同時較大的槽深不利于散熱，導致磨削區(qū)溫度升高。當砂輪線速度與槽深一定時，隨著工件進給速度的增大，單顆磨粒最大未變形厚度增加，磨削力增大從而引起熱源強大增大，磨削區(qū)溫度升高，這將使表面組織更充分地轉化為馬氏體，表面硬度升高。

圖6 窄深槽深度與進給速度對窄深槽底硬度分布的影響Fig.6 The Influence of Grinding Depth and Feed Speed on the Hardness of the Bottom of the Groove

試驗結果表明工件切入端槽底硬度較小，沿著磨削方向槽底硬度增大；在工件中間區(qū)域硬度趨于相對穩(wěn)定，達到最大值；切出端槽底硬度呈下降趨勢。當砂輪與工件開始接觸時，磨粒與工件的磨削作用使得磨削區(qū)溫度升高，熱量在傳入工件的同時以熱能的形式向外界散失。當砂輪磨削加工到工件中間區(qū)域時，砂輪與工件的接觸面積增大，參與磨削的磨粒數(shù)量增多，同時工件中間區(qū)域散熱條件差，熱量絕大多數(shù)傳入工件內，因此在工件中間區(qū)域溫度達到最大值。砂輪切出工件時，參與磨削的磨粒減少，材料去除體積也隨之減少，同時熱量向外界散失，因此磨削溫度呈下降趨勢。

3.3 金相組織

加工前工件初始金相組織，如圖7（a）所示。基體為片狀珠光體，白色為鐵素體呈網(wǎng)狀均勻分布。磨削參數(shù)vs=50m/s，vw=1.5mm/min，ɑp=10mm條件下窄深槽底截面亞表層金相組織，如圖7（b）所示。比較磨削前后金相組織，與基體相比槽底亞表層珠光體晶粒分布較為集中，且有細化現(xiàn)象。這是由于在磨削過程中，槽底發(fā)生塑性變形，晶粒分布發(fā)生改變，晶粒受到拉伸擠壓作用形狀發(fā)生改變，進而分解細化[11]。

圖7 磨削前后AISI 1045鋼金相組織Fig.7 The Microstructure of AISI 1045 Steel

4 結論

（1）磨削過程中槽底出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象，隨著工件進給速度和窄深槽深度的增加，槽底硬度增大。當工件進給速度達到vw=3mm/min，窄深槽深度ɑp=15mm 時，中間區(qū)域最高硬度分別為387HV和379HV，是基體硬度值的2倍。工件中間區(qū)域槽底硬度最大，切入端和切出端都呈降低趨勢。

（2）隨著砂輪線速度的增加，窄深槽側面磨痕變細且分布均勻，表面粗糙度值呈降低趨勢，當磨削速度升高為vs=70m/s時可獲得較好的表面質量，表明磨削速度增加有利于提高表面質量；工件進給速度的變化對槽側面粗糙度影響較為明顯，當工件進給速度增大為vw=3mm/min時，槽側面磨痕變粗且分布雜亂，表面粗糙度升高，表面質量變差；其他條件不變，當窄深槽深度由ɑp=5mm增大為ɑp=15mm時，表面粗糙度值增大，窄深槽表面質量變差。

（3）加工后槽底亞表層鐵素體和珠光體分布均勻，并未出現(xiàn)組織轉變，但靠近槽底出現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象。

（4）槽側面磨入端和磨出端與中間區(qū)域相比，表面質量較差。針對表面質量一致性問題，應該改善砂輪的剛度和夾具裝夾的精確度以加強磨削的穩(wěn)定性。