有序微槽結(jié)構(gòu)電鍍砂輪緩進(jìn)給磨削窄深槽研究

劉超

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

窄深槽通常是槽寬小于4 mm，深寬比大于2的特殊結(jié)構(gòu)[1]，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)和工程機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)榫槽、花鍵軸、變量泵轉(zhuǎn)子槽等關(guān)鍵零件。由于窄深槽獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其加工難度增大[2]。緩進(jìn)給磨削技術(shù)在機(jī)械加工過(guò)程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它集形狀精度高和材料去除率高的優(yōu)點(diǎn)于一體，被普遍認(rèn)為是一種高效低成本加工方法[3-5]。

然而使用傳統(tǒng)砂輪進(jìn)行緩進(jìn)給磨削加工時(shí)，因?yàn)槔鋮s困難而容易造成磨削溫度過(guò)高，導(dǎo)致出現(xiàn)工件表面熱損傷[6]和砂輪堵塞[7]等問(wèn)題，直接影響工件的表面質(zhì)量和加工精度。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，工作面預(yù)加工有大量溝槽的開(kāi)槽砂輪可以大大降低磨削溫度和減少磨削表面熱量的輸入，從而有效降低工件材料的熱損傷[8-9]。此外，相比于傳統(tǒng)砂輪，該結(jié)構(gòu)的砂輪不僅能有效降低磨削力[10]，而且提高了磨削比[11]。但現(xiàn)有開(kāi)槽砂輪的槽寬通常大于1 mm，當(dāng)砂輪溝槽進(jìn)入或者離開(kāi)磨削區(qū)時(shí)會(huì)引起振動(dòng)。基于此，本課題組提出并制備了槽寬為0.1 mm、間隔為1 mm左右、深度為數(shù)毫米的有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪。

由于緩進(jìn)給磨削窄深槽時(shí)，磨削液難以進(jìn)入磨削區(qū)進(jìn)行有效潤(rùn)滑和冷卻，本文開(kāi)展了有序微槽結(jié)構(gòu)電鍍砂輪緩進(jìn)給磨削窄深槽實(shí)驗(yàn)，探究了磨削參數(shù)（磨削深度、工件速度等）對(duì)緩進(jìn)給磨削力的影響，探討了緩進(jìn)給磨削窄深槽表面粗糙度、表面形貌、白層厚度以及顯微硬度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方案

緩進(jìn)給磨削實(shí)驗(yàn)在超精密臥軸平面磨床MGK7120 ×6上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。工件材料為淬硬軸承鋼GCr15（AISI 52100），奧氏體化溫度Ac1=745 ℃，工件尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為10 mm×15 mm×20 mm，試樣表面洛氏硬度為（62±0.5）HRC。實(shí)驗(yàn)用有序微槽結(jié)構(gòu)電鍍CBN砂輪直徑為φ200 mm，砂輪厚度為4 mm，外圓周面上均布有大量間距為1.05 mm、寬度為0.1 mm、深度為1.5 mm的微槽。CBN磨粒粒徑為160#。選用水基乳化液作為磨削冷卻液，磨削方式為切入式逆磨。緩進(jìn)給磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖1 磨削實(shí)驗(yàn)裝置

表1 磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用瑞士Kistler 9257B型三向壓電式測(cè)力儀在線(xiàn)測(cè)量磨削力，采樣頻率為5000 Hz。磨削后將工件放入超聲波清洗機(jī)中用無(wú)水乙醇清洗干凈。采用SE2600型粗糙度輪廓測(cè)試儀測(cè)量窄深槽底面和側(cè)面的粗糙度，截止波長(zhǎng)為0.8 mm，評(píng)價(jià)長(zhǎng)度為2 mm。采用Phenom ProX型飛納掃描電鏡觀察底面和側(cè)面的形貌。用線(xiàn)切割將工件橫向剖開(kāi)，依次采用400#、800#、1200#和2000#的金相砂紙及拋光布對(duì)橫截面進(jìn)行拋光，直至成鏡面。用超聲波清洗后將已拋光的橫截面浸入4%的硝酸酒精溶液中腐蝕35 s，立即用水清洗干凈并干燥。采用金相顯微鏡觀測(cè)已腐蝕橫截面的白層厚度。采用HVST-1000Z型維氏硬度計(jì)測(cè)量橫截面顯微硬度，載荷為100 g，加載時(shí)間為10 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨削力

當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速vs=31.4 m/s，工件速度vw=500 mm/min，磨削深度ap=0.12 mm時(shí)測(cè)得的緩進(jìn)給磨削力信號(hào)如圖2所示。從圖2（a）可知，原始力信號(hào)分為切入、穩(wěn)態(tài)和切出這3個(gè)階段，軸向力Fx、水平力Fy和垂直力Fz呈現(xiàn)高頻特性。將圖2（a）中黑色虛框區(qū)域進(jìn)行放大，即圖2（b），可以看出，在穩(wěn)態(tài)階段，水平力Fy和垂直力Fz的絕對(duì)值大小保持一致的波動(dòng)變化。根據(jù)穩(wěn)態(tài)階段的磨削力信號(hào)，從而得到穩(wěn)態(tài)階段的水平力Fy和垂直力Fz的平均值，如式（1）所示：

圖2 典型緩進(jìn)給磨削力信號(hào)

式中：ap為磨削深度；ds為砂輪直徑。

圖3（a）和圖3（b）分別為磨削深度和工件速度對(duì)緩進(jìn)給磨削力的影響規(guī)律。顯然，磨削力Fn和Ft隨磨削深度和工件速度的增加而逐漸增大。這是由于磨削深度和工件速度的增加導(dǎo)致了最大未變形切屑厚度的增大[8]。根據(jù)切屑形成的幾何特征，最大未變形切屑厚度的計(jì)算如式（5）所示[8]：

圖3 磨削參數(shù)對(duì)緩進(jìn)給磨削力的影響

式中：η為砂輪工作面斷續(xù)比；Nd為砂輪工作面單位面積的切刃數(shù)；C為與磨粒尖端角度有關(guān)的常數(shù)；vw為工件速度；vs為砂輪轉(zhuǎn)速。

需要注意的是，當(dāng)磨削深度和工件速度較小時(shí)，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪的磨削力小于傳統(tǒng)砂輪，當(dāng)磨削深度和工件速度較大時(shí)，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削力反而大于傳統(tǒng)砂輪。這是因?yàn)樵谙嗤ハ鲄?shù)下，二者幾何接觸弧長(zhǎng)相同，由于有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪表面存在大量微槽，從而使其與工件的實(shí)際接觸面積比傳統(tǒng)砂輪的小，在磨料密度相同的條件下有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪與工件材料接觸的磨粒數(shù)減少，磨削力變?。坏捎谟行蛭⒉劢Y(jié)構(gòu)砂輪表面存在大量微槽，其最大未變形切屑厚度增大，從而其磨粒切入工件材料的深度比傳統(tǒng)砂輪的大，在磨料粒徑相同的條件下有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪單顆磨粒與工件材料的相互作用區(qū)域增大，磨削力變大，且隨著磨削深度和工件速度的增加，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪的最大未變形切屑厚度的增幅比傳統(tǒng)砂輪的更大。

2.2 表面粗糙度和形貌

圖4（a）和圖4（b）分別為磨削深度和工件速度對(duì)緩進(jìn)給磨削窄深槽表面粗糙度的影響規(guī)律。顯然，隨著磨削深度和工件速度的增加，磨削表面粗糙度增大[4]。同時(shí)，在相同磨削參數(shù)下，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削的窄深槽底面粗糙度比傳統(tǒng)砂輪的大，這是因?yàn)橛行蛭⒉劢Y(jié)構(gòu)砂輪存在大量微槽，其最大未變形切屑厚度增大，從而使其磨粒切入工件材料的深度比傳統(tǒng)砂輪的大，使得窄深槽底面粗糙度變大。另外，由于砂輪側(cè)刃區(qū)對(duì)窄深槽側(cè)面進(jìn)行了多次“精磨”，所以有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削的側(cè)面粗糙度與傳統(tǒng)砂輪的相差不大，二者的側(cè)面粗糙度平均值都僅 介 于0.10 ～0.25 μm 之 間；且兩種砂輪磨削的窄深槽側(cè)面粗糙度值都遠(yuǎn)低于底面粗糙度值。

圖4 磨削參數(shù)對(duì)緩進(jìn)給磨削窄深槽表面粗糙度的影響

圖5為當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速vs=31.4 m/s，工件速度vw=200 mm/min，磨削深度ap=0.16 mm時(shí)，緩進(jìn)給磨削窄深槽表面形貌圖。由圖可知，窄深槽磨削表面存在大量的溝痕，這是因?yàn)樵谏拜喣チ５那邢髯饔孟拢牧先コ绞街饕撬苄匀コ?，磨削表面形成耕犁溝痕，同時(shí)工件材料向兩側(cè)流動(dòng)并堆積、隆起。但在相同磨削參數(shù)下，兩種砂輪磨削的窄深槽側(cè)面比其底面要光滑很多，側(cè)面的溝痕較淺，底面的溝痕較深。雖然兩種砂輪磨削的窄深槽底面和側(cè)面都出現(xiàn)了不同程度的缺陷，但傳統(tǒng)砂輪磨削下的窄深槽表面缺陷更為嚴(yán)重，其底面出現(xiàn)了燒傷、材料粘附等缺陷。

圖5 緩進(jìn)給磨削窄深槽表面形貌

2.3 白層厚度和顯微硬度

圖6為當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速vs=31.4 m/s，工件速度vw=200 mm/min，磨削深度ap=0.16 mm時(shí)，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削窄深槽的側(cè)表層橫截面在光學(xué)顯微鏡下的組織結(jié)構(gòu)。顯然，磨削后工件表層橫截面組織分成3個(gè)部分，由表及里依次為白層、暗層和基體[12]，白層厚度明顯小于暗層厚度，白層厚度約為12 μm，暗層厚度約為42 μm。圖7（a）和圖7（b）分別為磨削深度和工件速度對(duì)窄深槽白層厚度的影響規(guī)律。由圖可知，隨著磨削深度和工件速度的增加，窄深槽表層白層厚度逐漸增加。但在相同磨削條件下，不管是窄深槽底面還是窄深槽側(cè)面，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削下的窄深槽白層厚度均比傳統(tǒng)砂輪的小。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，白層厚度在與磨削表面平行方向上的分布存在差異性，其原因是：一方面，在磨削過(guò)程中，砂輪上的磨粒是隨機(jī)分布的，且每顆磨粒受到的損耗程度也不一致，單顆磨粒在工件上引起的磨削力以及引起的應(yīng)力、應(yīng)變及溫升存在差別，使得白層厚度的分布存在差異性；另一方面，在磨削過(guò)程中，因?yàn)樯拜喩系哪チｋS機(jī)分布，特別是有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪上還存在微槽，使得冷卻液經(jīng)過(guò)工件不同區(qū)域產(chǎn)生的冷卻效果存在差別，導(dǎo)致白層厚度的分布存在差異性。

圖6 磨削表層橫截面在光學(xué)顯微鏡下的組織結(jié)構(gòu)

圖7 磨削參數(shù)對(duì)窄深槽白層厚度的影響

圖8為窄深槽磨削表層橫截面的硬度分布。由圖可知，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速vs=31.4 m/s，工件速度vw=200 mm/min，磨削深度ap=0.16 mm時(shí)，隨著距離已磨表面的深度增加，顯微硬度先降低，后增高，最后趨向于穩(wěn)定。這是由于磨削后工件表層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，由表及里依次為白層、暗層和基體組織，且磨削過(guò)程中的磨削力和磨削熱引起的白層的硬度高于基體組織，磨削熱梯度變化引起的暗層的硬度低于基體組織[13]。然而有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削下的窄深槽表層橫截面最大顯微硬度值比傳統(tǒng)砂輪的要低，且在高于基體組織硬度的深度范圍內(nèi)，并在同一深度下，前者顯微硬度值比后者的低。

圖8 窄深槽磨削表層橫截面的硬度分布

3 結(jié)論

1）當(dāng)磨削深度和工件速度較小時(shí)，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪的磨削力小于傳統(tǒng)砂輪，當(dāng)磨削深度和工件速度較大時(shí)，有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削力反而大于傳統(tǒng)砂輪。

2）有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削窄深槽的側(cè)面粗糙度與傳統(tǒng)砂輪的相差不大，二者的側(cè)面粗糙度都僅介于0.10～0.25 μm之間。有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削窄深槽的底面粗糙度略有增大。

3）有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪和傳統(tǒng)砂輪磨削窄深槽表面存在大量的溝痕，底面溝痕較深，側(cè)面溝痕較淺。傳統(tǒng)砂輪磨削窄深槽底面出現(xiàn)燒傷、材料粘附等缺陷。

4）在相同實(shí)驗(yàn)條件下，相比于傳統(tǒng)砂輪，使用有序微槽結(jié)構(gòu)砂輪磨削下的窄深槽白層厚度減少了，窄深槽表層橫截面最大顯微硬度降低了。