砂輪線速度對(duì)擺動(dòng)磨削凸輪表面質(zhì)量影響研究

王燕，朱艷麗，姚旭，楊飛，陳浩安，陳建志，李國(guó)超

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212028；2.河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南洛陽(yáng) 471039；3.陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西咸陽(yáng) 713105)

0 前言

實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械工件會(huì)有較高的加工精度要求和較小的表面粗糙度要求，因此，利用磨具以較高線速度去除工件表層材料的磨削工藝[1]被廣泛應(yīng)用。磨削加工切削深度很小，一次行程中所能切除的金屬層很薄，因而加工精度高，表面粗糙度小。磨削加工降低零件的表面粗糙度有利于緩解表面應(yīng)力集中，提高加工零件的疲勞壽命。同時(shí)，在磨削加工過(guò)程中，工件表面會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和殘余壓應(yīng)力，加工硬化后的表面有利于增大裂紋萌生抗力，而殘余壓應(yīng)力的引入則可以消減外加疲勞載荷，有利于提高工件的疲勞壽命[2]。

作為凸輪軸實(shí)際加工的最后一道工序，磨削工藝參數(shù)的變化會(huì)影響工件表面質(zhì)量，從而對(duì)疲勞性能產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中常要求凸輪軸表面具有良好的耐磨性和抗沖擊性[3]。砂輪線速度是磨削工藝中的一項(xiàng)重要參數(shù)，方丁等人[4]研究砂輪線速度對(duì)TC4鈦合金顯微硬度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：砂輪線速度的提高會(huì)降低工件表面的顯微硬度，而工件轉(zhuǎn)速的提高則會(huì)增大工件表層組織硬度。CHEN等[5]研究了砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨著砂輪線速度的增加呈現(xiàn)先降低后增加趨勢(shì)。張銀霞等[6]研究了砂輪線速度對(duì)凸輪軸表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，他們得出凸輪軸表面殘余壓應(yīng)力隨砂輪線速度增加而增大的結(jié)論。合理地控制砂輪線速度對(duì)于優(yōu)化磨削工藝參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義，隨著柴油機(jī)凸輪軸設(shè)計(jì)寬度的不斷增加，凸輪軸的加工難度不斷加大，擺動(dòng)磨削被運(yùn)用到凸輪軸的加工中去[7-8]。然而，目前關(guān)于擺動(dòng)磨削工藝對(duì)凸輪軸表面質(zhì)量作用規(guī)律的研究較少，而砂輪線速度作為擺動(dòng)磨削中的一個(gè)重要參數(shù)，有必要闡明其對(duì)凸輪軸表面質(zhì)量的影響機(jī)制。

本文作者擬通過(guò)改變擺動(dòng)磨削砂輪線速度，分析線速度對(duì)凸輪軸表面粗糙度、金相組織、硬度和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，研究砂輪線速度對(duì)凸輪軸表面質(zhì)量的作用機(jī)制，并對(duì)線速度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文中研究對(duì)改善擺動(dòng)磨削加工凸輪軸表面質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

凸輪軸是船用柴油機(jī)的核心部件之一，其功能是一個(gè)正時(shí)結(jié)構(gòu)，控制進(jìn)排氣閥的開(kāi)關(guān)。凸輪軸工作環(huán)境復(fù)雜，不僅需要承受交變脈沖動(dòng)載荷，凸輪與挺柱之間相對(duì)滑動(dòng)速度也較高，容易造成凸輪嚴(yán)重的表面磨損，因此制備凸輪軸需要具有高強(qiáng)度和耐磨性的材料。40Cr鋼是機(jī)械制造中應(yīng)用最廣泛的鋼種之一，經(jīng)過(guò)淬火和高溫回火后具有較高的表面強(qiáng)度、抗疲勞性和耐磨性，是制造凸輪軸的理想材料，其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位：%

在擺動(dòng)磨削線速度vs=50、60、65 m/s加工條件下的凸輪軸上取樣，砂輪直徑Rs=125 mm，磨削深度ap=0.003 mm，工件轉(zhuǎn)速vw=1 800 mm/min，砂輪擺動(dòng)頻率f=90次/min，砂輪擺幅A=2 mm，對(duì)應(yīng)圖1中的No.13、No.15和No.16樣品。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，工件經(jīng)磨削加工和自然冷卻后，從頂部圓區(qū)(D)、過(guò)渡區(qū)1(G1)、基圓區(qū)(J)到過(guò)渡區(qū)2(G2)部位切割的樣件尺寸如圖1和圖2所示。為了避免型線因素差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，此研究的不同線速度對(duì)比樣品都是在同一型線凸輪的頂部圓區(qū)(D)切割的。此研究主要對(duì)對(duì)樣件表面進(jìn)行粗糙度、金相組織、硬度和殘余應(yīng)力的測(cè)試，并通過(guò)機(jī)制分析與討論優(yōu)化出對(duì)應(yīng)高表面加工質(zhì)量的擺動(dòng)磨削線速度。

圖1 實(shí)驗(yàn)用凸輪軸示意

圖2 樣品尺寸示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)凸輪軸樣件xOz面進(jìn)行打磨和拋光，運(yùn)用維氏顯微硬度儀(INNOVATEST FALCON 400)測(cè)量樣品表面至心部的硬度分布，測(cè)量路徑如圖2中黃色箭頭所示，壓痕間隔為1 mm，加載力為5 N，加載時(shí)間為10 s。用硝酸酒精溶液對(duì)拋光后樣品的xOz面進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕完成后用酒精沖洗并吹干，通過(guò)三維金相顯微鏡(Olympus DSX1000)觀察樣品從表面到心部的微觀組織分布情況，硬度測(cè)試和金相表征方向如圖2黃色箭頭所指。采用VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡對(duì)凸輪軸試樣表面進(jìn)行微觀形貌表征，獲得樣品表面的二維圖和三維圖，根據(jù)三維形貌照片提取出試樣輪廓線，并分析得到輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)、輪廓最大高度(Rz)和輪廓單元平均寬度(Rsm)。運(yùn)用X射線衍射法[9]對(duì)擺動(dòng)磨削凸輪軸表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備使用加拿大Proto公司的PROTO iXRD組合式殘余應(yīng)力分析儀，設(shè)備參數(shù)：入射角ψ為-20°～20°，擺動(dòng)角度為3°，曝光時(shí)間為2 s，管電壓為20 kV，管電流為4 mA，光斑直徑為2 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度

在保持其他因素不變的條件下，獲得不同砂輪線速度下40Cr凸輪軸樣品的表面形貌(圖3)，根據(jù)圖3得到不同試樣的表面輪廓線和粗糙度變化規(guī)律，分別如圖4(a)和(b)所示。由圖4(b)可以看出，當(dāng)vs由50 m/s增加至60 m/s時(shí)，Ra呈略微增加趨勢(shì)；而當(dāng)vs由60 m/s增加至65 m/s時(shí)，Ra呈略微減小趨勢(shì)。對(duì)于Rz，當(dāng)vs由50 m/s增加至60 m/s時(shí)，Rz呈增加趨勢(shì)；當(dāng)vs由60 m/s增加至65 m/s時(shí)，Rz呈減小趨勢(shì)。對(duì)于Rsm，當(dāng)vs由50 m/s增加至60 m/s時(shí)，Rsm呈增加趨勢(shì)；當(dāng)vs由60 m/s增加至65 m/s時(shí)，Rsm繼續(xù)增加，且增加趨勢(shì)相比50 m/s和60 m/s條件下的試樣更大。

圖3 凸輪軸表面形貌(a)，表面高度變化(b)及表面三維圖(c)

圖4 表面輪廓線(a)和表面粗糙度(b)隨線速度的變化

在不同的砂輪線速度下，樣品的表面完整性略有差異。在砂輪線速度由50 m/s增加到60 m/s時(shí)，砂輪對(duì)凸輪軸樣品表面的磨削力不斷增大，磨削力的增大導(dǎo)致凸輪軸樣品表面的磨痕增多，磨粒軌跡密度降低[10]，如圖3(d)和圖4所示。當(dāng)砂輪線速度從60 m/s繼續(xù)增加到65 m/s時(shí)，凸輪軸表面的粗糙度隨著砂輪線速度的增加而降低。這是因?yàn)殡S著砂輪線速度的提高，在一定的磨削區(qū)域內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)磨粒數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加[11-12]，從而導(dǎo)致磨削時(shí)磨粒與磨粒軌跡之間相互干涉產(chǎn)生的殘留高度降低，同時(shí)砂輪線速度的增加也會(huì)使得單顆磨粒未變形磨屑厚度減小[13-14]，所以線速度為65 m/s樣品相對(duì)于線速度為60 m/s樣品可以獲得較低的表面粗糙度。以上分析表明：線速度為65 m/s時(shí)，凸輪軸樣品具有較好的表面完整性。

2.2 金相組織

不同線速度樣品凸輪軸表面的金相組織如圖5所示，可以看出，樣品表層組織由馬氏體、鐵素體和珠光體組成。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，以上3種不同組織的含量分別為92%、6.6%和1.4%。擺動(dòng)磨削過(guò)程中，凸輪軸表面的溫度為500～700 ℃[15]，此溫度范圍不會(huì)產(chǎn)生相含量的變化。因此，隨著砂輪線速度的增加，凸輪軸表面的金相組織基本不變。

圖5 不同擺動(dòng)磨削線速度樣品的金相組織

2.3 硬度

圖6(a)為不同線速度擺動(dòng)磨削40Cr樣品表面至心部的顯微硬度分布曲線。在任何砂輪線速度下，樣品的顯微硬度均沿表面至心部呈梯度降低趨勢(shì)，這與中頻淬火凸輪軸表面至心部不同的微觀組織分布有關(guān)[16]。當(dāng)砂輪線速度為65 m/s時(shí)，即圖中16號(hào)樣品曲線，樣品表面的顯微硬度最大，為621HV；隨著砂輪線速度的減小，凸輪軸表面的硬度呈現(xiàn)不斷減小趨勢(shì)，線速度為60 m/s和50 m/s凸輪軸試件表面的硬度分別為612HV和596HV。在擺動(dòng)磨削加工過(guò)程中，材料內(nèi)部發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)的交叉和倍增，在宏觀上表現(xiàn)為加工硬化效應(yīng)，磨削加工凸輪軸表面的硬度與凸輪軸表層組織的微觀塑性變形有關(guān)，不斷累積的塑性變形可以提高晶界的變形阻力，有利于顯微硬度的提高。所以，凸輪表面硬度隨著線速度的增加呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)。

圖6 不同線速度磨削加工凸輪軸樣品心部至表面的硬度分布曲線(a)和表面硬度變化(b)

2.4 殘余應(yīng)力

圖7給出了不同砂輪線速度擺動(dòng)磨削40Cr鋼樣品的殘余應(yīng)力分布曲線。凸輪型面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力[17-18]，x方向殘余應(yīng)力值較大，y方向殘余應(yīng)力值較小?？梢钥闯?，調(diào)整砂輪線速度時(shí)，樣品的最大殘余應(yīng)力值和殘余應(yīng)力衰減幅度存在一定的差異。在y方向上，殘余應(yīng)力隨著砂輪線速度增大而增大，當(dāng)砂輪線速度從50 m/s增加到60 m/s時(shí)，樣品的殘余應(yīng)力增大速度明顯較快。x方向上殘余應(yīng)力呈先增加后減小的趨勢(shì)，砂輪線速度為60 m/s樣品的殘余壓應(yīng)力最大，為-206 MPa，而砂輪線速度為50 m/s處理樣品的殘余應(yīng)力僅為-107 MPa。當(dāng)砂輪線速度增加到65 m/s時(shí)，樣品表面x方向上的最大殘余應(yīng)力略微減小為-186 MPa，而y方向上的殘余應(yīng)力持續(xù)增加到-124 MPa。從殘余應(yīng)力合力方面來(lái)看，當(dāng)線速度從50 m/s增加到60 m/s時(shí)，殘余應(yīng)力合力大幅增加，而當(dāng)砂輪線速度增加到65 m/s，殘余應(yīng)力略微減小，砂輪線速度為60 m/s時(shí)凸輪軸表面的殘余應(yīng)力合力最大，為-224 MPa。塑性形變和熱循環(huán)過(guò)程被認(rèn)為是影響材料表面殘余應(yīng)力的重要原因，在擺動(dòng)磨削過(guò)程中，凸輪軸與砂輪的不斷摩擦使凸輪軸表面產(chǎn)生較大的塑性變形，形變量的增加將導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的增大[19]。但是，隨著砂輪線速度的不斷增加，磨削熱量不斷增大，凸輪軸表面由于冷卻速度較快首先收縮，芯部由于相對(duì)溫度較高而抗拒收縮，從而使工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力使凸輪軸表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，抵消了磨削形變產(chǎn)生的部分殘余壓應(yīng)力，所以砂輪線速度繼續(xù)增加至65 m/s時(shí)，凸輪軸表面殘余壓應(yīng)力呈下降趨勢(shì)[20]。最終，在塑性形變和熱循環(huán)的綜合作用下，60 m/s樣品具有最大的表面殘余壓應(yīng)力，如圖7所示。

圖7 表面殘余應(yīng)力隨磨削速率的變化曲線

磨削速度對(duì)凸輪軸表面質(zhì)量的影響可以體現(xiàn)在粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力3個(gè)方面。首先，線速度的增加會(huì)導(dǎo)致凸輪軸表層組織塑性形變的增大[21]和熱量的增大，而凸輪軸表面塑性形變的增大可以提高抗局部塑性變形阻力，有利于凸輪軸表層組織顯微硬度的增大。其次，塑性形變量的增加又會(huì)導(dǎo)致凸輪軸表層殘余壓應(yīng)力增大，而磨削熱量隨磨削線速度增加又會(huì)誘發(fā)磨削凸輪表面殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，使得表面塑性形變產(chǎn)生的部分殘余壓應(yīng)力被抵消，所以，隨著砂輪線速度的增加，殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。最后，從表面完整性考慮，隨著磨削線速度的增加，磨粒磨削力增大，凸輪軸樣品表面的磨痕增多，磨粒軌跡密度降低，故粗糙度隨著線速度的增加呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)。砂輪擺動(dòng)磨削加工機(jī)制如圖8所示。綜上，vs=65 m/s凸輪軸樣品具有相對(duì)較好的表面質(zhì)量。

圖8 砂輪擺動(dòng)磨削加工機(jī)制

3 結(jié)論

砂輪線速度是擺動(dòng)磨削加工過(guò)程中的關(guān)鍵因素之一。本文作者從多個(gè)角度分析了其對(duì)40Cr合金鋼凸輪軸材料表面質(zhì)量的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

(1)以砂輪線速度為單因素變量，研究砂輪線速度對(duì)凸輪軸表面質(zhì)量的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：隨著vs的增加，Ra和Rz呈先增加后降低的趨勢(shì)，而Rsm呈持續(xù)增加趨勢(shì)。當(dāng)vs=50 m/s時(shí)，樣品的表面粗糙度最小。

(2)線速度的增加會(huì)導(dǎo)致凸輪軸表層組織塑性變形的增大，塑性變形的增加會(huì)提高晶界的變形阻力，使位錯(cuò)產(chǎn)生倍增和交叉，因此磨削加工凸輪軸樣件表層組織硬度呈不斷增加趨勢(shì)，vs為65 m/s樣品的顯微硬度最大，可以達(dá)到621HV。

(3)在擺動(dòng)磨削加工過(guò)程中，凸輪軸與砂輪的不斷摩擦使其表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，磨削速度由50 m/s增加至60 m/s時(shí)，形變量的增加導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的增大，而磨削熱量也隨著磨削線速度的增加而增大，表層組織和心部組織溫度分布的不均勻?qū)е履ハ鞴ぜ砻媸芾牟渴軌海瑢?dǎo)致形變誘發(fā)殘余壓應(yīng)力被抵消，所以砂輪線速度繼續(xù)增加至65 m/s時(shí)，殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，60 m/s樣品具有最大的殘余壓應(yīng)力。

(4)3種線速度下凸輪軸樣件的表面粗糙度和表面硬度值比較接近，而vs=65 m/s樣品的表面殘余壓應(yīng)力相對(duì)較高。所以綜合考慮以上各因素，在vs=65 m/s凸輪軸樣品表面質(zhì)量相較于其他砂輪線速度下的加工樣品來(lái)說(shuō)較好，此時(shí)凸輪軸樣品表面的粗糙度為0.418 mm，硬度為621HV，殘余壓應(yīng)力為223.5 MPa。