齒輪鋼淬硬表面超聲振動輔助磨削試驗(yàn)研究*

邱雨桐，丁文鋒，曹 洋

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

齒輪作為各類傳動系統(tǒng)的核心關(guān)鍵零件，常工作在高速、重載、腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中，其表面質(zhì)量對整個系統(tǒng)的使用性能有著至關(guān)重要的影響[1–2]。齒輪鋼材料常通過熱處理等方式達(dá)到表面強(qiáng)化的目的，其淬硬表面可達(dá)HRC58~62，屬于難加工材料[3–4]，在普通磨削加工中存在著磨削力大、表面易燒傷、工具易磨損等問題[5–7]?；诖?，本文對齒輪鋼材料淬硬表面的磨削性能進(jìn)行研究，以期為制定磨削加工工藝提供技術(shù)支持。

超聲振動輔助磨削技術(shù)是一種集普通磨削與超聲加工于一體的高性能復(fù)合加工技術(shù)，近年來快速發(fā)展，在提升難加工材料加工效率、改善加工質(zhì)量等方面顯示出積極效果[8–10]。Bhaduri等[11]對比了SiC砂輪和金剛石砂輪在超聲振動條件下對鈦鋁金屬間化合物的磨削加工效果，結(jié)果表明，超聲振動可以降低35%的磨削力，工件表面粗糙度降低10%。Nik等[12]采用數(shù)學(xué)建模、有限元分析和遺傳算法相結(jié)合的方法，對超聲裝置進(jìn)行了設(shè)計、優(yōu)化和制造，并開展了超聲振動輔助磨削Ti–6Al–4V試驗(yàn)，比較了常規(guī)磨削和超聲磨削工藝的磨削力和表面粗糙度，結(jié)果表明，超聲條件下Ti–6Al–4V的磨削力更小，表面質(zhì)量更好。Wei等[13]通過建立微破碎產(chǎn)生區(qū)域比例計算模型和信息尺寸模型分析了旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助磨削條件下工程陶瓷表面微破碎的輪廓大小，結(jié)果表明，超聲振動的施加降低了表面破碎的尺寸，提高了表面質(zhì)量。鑒于當(dāng)前將超聲輔助加工技術(shù)應(yīng)用于磨削齒輪鋼淬硬表面的研究較少，開展齒輪鋼淬硬表面超聲振動輔助磨削研究工作對提高齒輪表面質(zhì)量有重要意義。

本文對比了淬硬齒輪鋼AISI 9310和軸承鋼GCr15的超聲振動輔助磨削加工性。通過搭建齒輪鋼淬硬表面超聲振動輔助磨削試驗(yàn)平臺，設(shè)計單因素試驗(yàn)研究磨削加工工藝參數(shù)對磨削力、表面粗糙度的影響規(guī)律及作用機(jī)制，并分析了磨削表面微觀形貌及其影響因素，為制定超聲振動輔助磨削加工策略奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)所用工件材料為滲碳淬火齒輪鋼AISI 9310和淬火軸承鋼GCr15，其化學(xué)成分如表1所示。通過電火花線切割加工（WEDM）制備尺寸為30 mm×10 mm×12 mm的工件。其中，10 mm為砂輪寬度方向，30 mm為工件進(jìn)給方向，12 mm為磨削深度方向，30 mm×10 mm即為平面磨削試驗(yàn)表面，且在試驗(yàn)前通過銑削將該表面粗糙度降低至Ra0.8 μm，如圖1所示。圖2為試驗(yàn)前工件表層/亞表層的硬度分布，在距表層500 μm的深度內(nèi)，兩種鋼材料熱處理后的硬度能夠達(dá)到HRC60~65。

表1 AISI 9310和GCr15鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of AISI 9310 and GCr15 (mass fraction) %

圖1 試驗(yàn)前工件表面形貌Fig.1 Surface morphology of workpiece before experiment

圖2 試驗(yàn)前工件表層/亞表層的硬度分布Fig.2 Hardness distribution of surface/subsurface layers of workpiece before experiment

試驗(yàn)裝置如圖3所示。磨削試驗(yàn)采用BLOHM Profit MT–408高速精密平面成形磨床，其最大輸出功率為45 kW，最大轉(zhuǎn)速為8000 r/min，并配有冷卻系統(tǒng)。砂輪采用已廣泛用于磨削淬火鋼的白剛玉砂輪，牌號為WA80F6V35M，其最大線速度為35 m/s，磨粒粒度為80#，外徑為400 mm，寬度為20 mm。工件通過螺栓固定于自研的超聲振動平臺上，將該平臺連接至超聲電源并設(shè)置頻率為平臺的諧振頻率19.6 kHz，以產(chǎn)生平行于工作臺進(jìn)給方向的高頻振動。此外，在調(diào)節(jié)超聲電源功率的同時，利用單點(diǎn)激光測振儀LV–S01測量工件的振幅，如圖4所示，兩種材料的實(shí)際振幅與超聲電源輸出功率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，在試驗(yàn)中通過控制超聲電源功率使振幅為6 μm。此外，磨削環(huán)境非常復(fù)雜，磨削過程中工件周圍被冷卻液覆蓋，導(dǎo)致無法采集到磨削過程中的動態(tài)振幅信號，所以本研究中采用了無磨削熱力負(fù)載條件下的振幅值。

圖3 超聲振動輔助磨削試驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup of ultrasonic vibration-assisted grinding

圖4 超聲振幅與超聲電源功率的關(guān)系Fig.4 Relationship between ultrasonic amplitude and ultrasonic power

1.2 試驗(yàn)條件及方案

為探究齒輪鋼AISI 9310淬硬表面超聲振動輔助磨削加工性，設(shè)計以磨削3要素為變量的單因素對比試驗(yàn)，即砂輪線速度vs、進(jìn)給速度vw和切深ap。所有試驗(yàn)均采用順磨的方式，在試驗(yàn)過程中，交替關(guān)閉和開啟超聲電源以實(shí)現(xiàn)普通磨削和切向超聲磨削。每組試驗(yàn)前，使用相同的磨削參數(shù)對工件進(jìn)行平整，并使用單點(diǎn)金剛石筆對白剛玉砂輪進(jìn)行修整，以確保試驗(yàn)條件的一致性。具體的試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions

試驗(yàn)中的磨削力經(jīng)由Kistler 9253B型三向壓電測力儀采集，后通過Kistler 5080A型電荷放大器放大電信號，最終在計算機(jī)軟件上進(jìn)行顯示和處理。選取3次穩(wěn)定磨削階段力信號的平均值作為文中的磨削力值。對工件表面質(zhì)量檢測前使用無水乙醇對已加工表面進(jìn)行清洗并干燥，加工后表面粗糙度Ra采用MAHR M2型手持式粗糙度儀進(jìn)行測量，檢測時，使金剛石觸針處在垂直于被測表面的上方，并做垂直于磨削方向的運(yùn)動。為使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，在每個被測表面區(qū)域內(nèi)各隨機(jī)測量3次，取其平均值作為最終表面粗糙度的數(shù)據(jù)。表面微觀形貌特征采用Quanta 200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨削力及其經(jīng)驗(yàn)公式的建立

磨削力常用于描述磨削過程和分析磨削機(jī)理，反映了加工期間砂輪與工件之間的相互作用，是評價材料磨削性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與材料本身力學(xué)性能、磨削工藝參數(shù)、加工裝備等都有著密切的關(guān)系。本文采用平面磨削，軸向力可忽略不計，且磨削參數(shù)中的切深較小，測力儀力系與實(shí)際磨削力力系間無須轉(zhuǎn)換，即由測力儀測得的y、z兩個方向的力為切向磨削力Ft與法向磨削力Fn。

淬硬鋼平面磨削過程中，磨削參數(shù)對切向磨削力和法向磨削力的影響規(guī)律如圖5所示。超聲磨削降低磨削力效果顯著（圖5（a）），隨著砂輪線速度從15 m/s增大至30 m/s，普通磨削和超聲磨削的法向和切向磨削力均呈減小的趨勢，與普通磨削相比，超聲條件下，GCr15與AISI 9310的切向磨削力最高降低13.64%與15.04%，法向磨削力最高降低14.08%與9.1%；如圖5（b）所示，隨著進(jìn)給速度從4 m/min增大至10 m/min，普通磨削和超聲磨削的法向和切向磨削力均呈增大的趨勢，與普通磨削相比，超聲條件下，GCr15與AISI 9310切向磨削力最高降低20.51%與13.17%，法向磨削力最高降低18.91%與10.87%；如圖5（c）所示，隨著磨削深度從10 μm增大至25 μm，普通磨削和超聲磨削的法向和切向磨削力均呈增大的趨勢，與普通磨削相比，超聲條件下，GCr15與AISI 9310切向磨削力最高降低19.07%與17.36%，法向磨削力最高降低14.08%與14.6%。張洪麗[14]指出，切向超聲振動對單顆磨粒切削深度的影響甚微，但切向超聲振動的斷續(xù)磨削特性能夠提高砂輪磨粒的微破碎，使磨削過程中磨粒切削刃一直鋒利，實(shí)現(xiàn)了磨削力的降低。此外，GCr15作為高碳鉻鋼，有較多的網(wǎng)狀和片狀滲碳體組織，且Cr元素含量高導(dǎo)致磨削溫度升高后伴有二次硬化的作用，因此其磨削力高于低碳鋼AISI 9310。

圖5 磨削參數(shù)對磨削力的影響規(guī)律Fig.5 Influence of grinding parameters on grinding force

磨削力數(shù)學(xué)模型的建立能夠預(yù)測在不同磨削條件下的加工性能，從而有利于找到最佳的磨削工藝參數(shù)。磨削力由法向和切向兩部分組成，在本次試驗(yàn)中兩者的變化趨勢相同，并且本次試驗(yàn)測得的磨削力符合一般磨削的基本規(guī)律，測量數(shù)據(jù)可靠，本文以法向磨削力為目標(biāo)，建立經(jīng)驗(yàn)公式以指導(dǎo)加工參數(shù)的選擇。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的普適模型[15]可表達(dá)為

通過對等號兩邊同時取對數(shù)得到多元線性回歸方程，即

從本次10組試驗(yàn)所得的法向磨削力數(shù)據(jù)中，取出9組作為樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計回歸后得到兩種淬硬鋼表面法向磨削力經(jīng)驗(yàn)式（3）~（6）。

GCr15普通磨削：

GCr15超聲磨削：

AISI 9310普通磨削：

AISI 9310超聲磨削：

如表3所示，將最后一組試驗(yàn)參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，對比計算值與試驗(yàn)值，可見其誤差均在10%以內(nèi)，說明所建立的法向磨削力數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度較好。此外，普通磨削的誤差小于超聲磨削，這是由于超聲條件下磨粒常因沖擊產(chǎn)生隨機(jī)破碎，僅考慮3個輸入變量的經(jīng)驗(yàn)公式不足以描述磨削力與磨削參數(shù)間的關(guān)系。若誤差過大則可以考慮采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，處理超聲磨削中復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系，以指導(dǎo)磨削加工用量的制定。

表3 磨削力Fn計算值與試驗(yàn)值的比較Table 3 Comparison of calculated and measured grinding force Fn N

2.2 磨削力比與比磨削能

與磨削力相同，磨削力比也是評價磨削過程中材料磨削性能的重要指標(biāo)。圖6顯示了材料去除率對磨削力比的影響。普通磨削中力比的變化范圍較大，GCr15和AISI 9310在普通磨削中力比的變化范圍分別是1.79~2.02和1.74~2.01，而在超聲磨削中力比則較為穩(wěn)定，變化范圍分別是1.82~1.89和1.82~1.87，顯示出白剛玉砂輪在超聲磨削淬硬齒輪鋼時優(yōu)良的磨削性能。當(dāng)材料去除率為1 mm3/（mm·s）時，超聲磨削中砂輪磨粒因受到?jīng)_擊而破碎，其磨損程度大于普通磨削中砂輪的正常磨損，導(dǎo)致超聲磨削力比大于普通磨削；當(dāng)材料去除率為2.5 mm3/（mm·s）時，普通磨削中砂輪磨損加劇，GCr15和AISI 9310表面的磨削力比分別增大11.07%和15.71%，而超聲磨削力比變化不大，且比普通磨削減少了8.46%和7.04%。由此，證明了超聲振動輔助磨削工藝有助于增大磨削加工參數(shù)，并將材料去除率提高了2.5倍，提高了加工效率。

圖6 材料去除率對磨削力比的影響Fig.6 Influence of material removal rate on grinding force ratio

比磨削能es作為磨削過程中最重要的物理量之一，由磨削力與加工工藝參數(shù)推導(dǎo)而來，反映了去除單位體積工件材料的過程中所消耗的能量。圖7顯示了材料去除率對比磨削能的影響，GCr15與AISI 9310淬硬表面的比磨削能曲線由最小二乘法擬合得到，可表示為式（7）~（10）。

圖7 材料去除率對比磨削能的影響Fig.7 Influence of material removal rate on specific grinding energy

GCr15普通磨削：

GCr15超聲磨削：

AISI 9310普通磨削：

AISI 9310超聲磨削：

可以看出，AISI 9310的比磨削能在多數(shù)條件下小于GCr15，說明AISI 9310淬硬表面的磨削性能好于GCr15淬硬表面。兩種材料在普通磨削與超聲磨削條件下，隨著材料去除率的增大，比磨削能均呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)材料去除率為1 mm3/（mm·s）時，GCr15普通磨削與超聲磨削的比磨削能分別為124.08 J/mm3和100.14 J/mm3，AISI 9310普通磨削與超聲磨削的比磨削能分別為106.47 J/mm3和103.77 J/mm3；當(dāng)材料去除率增大至2.5 mm3/（mm·s）時，GCr15普通磨削和超聲磨削的比磨削能分別降低至77.96 J/mm3和76.47 J/mm3，AISI9310普通磨削和超聲磨削的比磨削能分別降低至81.72 J/mm3和75.63 J/mm3，這是由于尺寸效應(yīng)造成的[16]，是材料硬化和熱軟化效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。材料去除率較小時，磨粒的鈍圓半徑與最大未變形切厚的比值較大，在成屑前磨粒反復(fù)擠壓待加工表面，磨削區(qū)材料應(yīng)變硬化起主要作用，比磨削能較大。此外，高頻振動的引入實(shí)現(xiàn)了砂輪的微破碎，從而提高了砂輪的自銳性[17]，使得超聲磨削的比磨削能始終小于普通磨削，改善了材料的磨削性能。

2.3 表面粗糙度與表面微觀形貌特征

工件表面粗糙度是衡量磨削加工表面完整性的一個重要指標(biāo)。磨削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律如圖8所示。超聲磨削能夠降低表面粗糙度，如圖8（a）所示，隨著砂輪線速度從15 m/s增大至30 m/s，表面粗糙度呈減小的趨勢，超聲條件下，GCr15與AISI 9310表面粗糙度最高降低7.39%與9.47%；如圖8（b）所示，隨著進(jìn)給速度從4 m/min增大至10 m/min，表面粗糙度呈增大的趨勢，超聲條件下，GCr15與AISI 9310表面粗糙度最高降低8.62%與6.41%；如圖8（c）所示，隨著磨削深度從10 μm增大至25 μm，表面粗糙度呈增大的趨勢，超聲條件下，GCr15與AISI 9310表面粗糙度最高降低7.79%與7.03%。表面粗糙度Ra與已加工表面的材料殘留高度有關(guān)，切向超聲振動輔助磨削中砂輪對工件反復(fù)熨燙[14]，有助于降低表面粗糙度。

圖9為加工后工件表面的微觀形貌。在熱、機(jī)械復(fù)合作用條件下，普通磨削中存在較大范圍的材料斷裂、破損、再沉積及涂覆等表面缺陷（圖9（a）和（c））；與普通磨削相比，超聲加工表面呈現(xiàn)出良好的表面紋理，無明顯的表面損傷（圖9（b）和（d））。磨削表面形貌是由砂輪上的眾多磨粒對工件表面進(jìn)行摩擦、耕犁、切削等綜合作用的結(jié)果。磨粒通常被認(rèn)為具有負(fù)前角的特性，磨屑從前刀面流出，圖10（a）顯示了負(fù)前角切削時的金屬流動。如圖10（b）所示，普通磨削中磨粒不斷接觸工件，導(dǎo)致冷卻液無法進(jìn)入前刀面，前刀面的熱量增加，材料的塑性流動作用增強(qiáng)，磨屑容易黏附在砂輪表面，產(chǎn)生再沉積缺陷，未成屑材料黏附在加工表面上，產(chǎn)生涂覆缺陷。此外，由于砂輪的擠壓，冷卻液中混入的大尺寸磨屑及破碎磨粒相當(dāng)于游離磨料，容易對已加工表面造成材料的斷裂、破損等缺陷。超聲磨削中磨屑及破碎磨粒的尺寸更小，并且通過磨粒和工件的周期性分離改變冷卻液的流場，及時帶走熱量和磨削產(chǎn)物。因此，超聲振動中斷續(xù)磨削和往復(fù)熨燙的特性可以改善加工表面缺陷，有利于提高工件表面完整性。

圖9 加工表面微觀形貌特征Fig.9 Micromorphology characteristics of machined surface

圖10 磨削表面形成示意圖Fig.10 Schematic of grinding surface generation

3 結(jié)論

（1）超聲振動輔助磨削因其斷續(xù)磨削和往復(fù)熨燙的特性，能有效降低磨削力和比磨削能，且隨著材料去除率的增大，超聲磨削力比更加穩(wěn)定，有助于提高材料的磨削加工性、增大磨削加工參數(shù)并提高加工效率。

（2）利用本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)公式可以預(yù)測白剛玉砂輪磨削GCr15與AISI 9310淬硬表面時的法向磨削力大小，誤差在10%以內(nèi)。

（3）當(dāng)磨削速度、工件進(jìn)給速度和磨削深度分別為15 m/s、8 m/min和 15 μm 時，與普通磨削相比，GCr15和AISI9310淬硬表面切向超聲振動輔助磨削條件下表面粗糙度降低了7.39%和9.47%，且加工表面無缺陷，提高了工件表面完整性。