平面磨削GT35 殘余應力形成機理與可控工藝方案

付天章 李 媛 陳 明 尹 灤 李立杰 楊紀東

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以CrMo 低合金鋼為基體（粘接相），以硬度僅次于金剛石的TiC 粒子（HV3200）為硬質(zhì)相（含量為35%），用粉末冶金方法制備而成的一種介于鋼與硬質(zhì)合金之間的新型工程材料。這種硬質(zhì)合金材料的特點是硬質(zhì)相的熱穩(wěn)定性好（TiC 粒子的熔點為3 150 ℃）具有良好的抗高溫氧化性能。它的另一重要特性是TiC 晶粒呈圓形，在燒結(jié)過程中晶粒長大傾向小，因而所制成的合金摩擦系數(shù)小，略帶有自潤滑性。此外它還具有較好的機械物理性能，所以GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金被廣泛用于工具和模具工業(yè)。然而，GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金這一現(xiàn)代工程新材料目前在我國發(fā)展速度并不快，生產(chǎn)規(guī)模也不大。究其原因，除了人們對它的性能了解不夠以外，主要還在于對它的應用技術掌握不夠。

電機是陀螺儀復雜結(jié)構(gòu)的核心部件，其中軸承套等GT35 材料零件的質(zhì)量情況，直接影響陀螺儀的可靠性。在筆者單位的陀螺儀生產(chǎn)加工過程中，軸承套等GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料零件磨削后，有時會出現(xiàn)零件表面發(fā)生開裂的現(xiàn)象，在裝配過程中，轉(zhuǎn)子放置一段時間后有時也會出現(xiàn)零件發(fā)生尺寸變形的現(xiàn)象，究其原因，這些都是因為加工制造過程中產(chǎn)生微應力[1]，由于控制不當，出現(xiàn)的各種質(zhì)量表象，給陀螺儀的生產(chǎn)帶來了不小的困擾[2]。

本文針對陀螺電機軸承套等GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料零件由于加工殘余應力釋放導致出現(xiàn)表面開裂、尺寸變形等質(zhì)量問題，通過試驗驗證的方式[3-4]，總結(jié)了零件加工殘余應力與磨削加工參數(shù)的關系，對更好地開展低應力加工提供了參考。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

依據(jù)精度等級，硬質(zhì)合金的磨削可以分為普通、精密和超精密3 種加工方式。其中普通加工方式能夠達到微米級尺寸精度，而精密磨削加工方式可以達到亞微米級尺寸精度，超精密磨削的加工方式可以達到納米級尺寸精度。在我國航空、航天等重要領域，硬質(zhì)合金材料零件的尺寸精度要求都很高。但是硬質(zhì)合金材料屬于硬脆型復合材料，屬于較為典型的難加工材料，因此硬質(zhì)合金零件的磨削加工方式通常采用精密磨削[5-6]。周曉玉對加工參數(shù)與硬質(zhì)合金材料表面質(zhì)量的影響關系進行了研究，通過提升砂輪轉(zhuǎn)速，放慢工作臺移動速度以及縮減磨削進給量來提升材料表面形貌質(zhì)量[7]。王海燕采用X 射線衍射法測定平磨、粗磨、精磨以及拋光過程中WC-Co 硬質(zhì)合金表面的殘余應力對鈷相結(jié)構(gòu)、鈷相晶胞參數(shù)和WC-Co 間熱應力對鈷相晶胞參數(shù)的影響。結(jié)果表明磨拋過程中未檢測到鈷相轉(zhuǎn)變，而且磨削表面鈷相脫落導致了鈷相衍射峰的消失；磨拋過程中表面殘余壓應力逐漸從-969 MPa 變化到-61 MPa，鈷相fcc(200) 晶面衍射峰向低角度偏移，表明WC 相壓應力的減小使得Co 相晶格常數(shù)逐漸增大[8]。瞿為通過ANSYS 軟件中的APDL 參數(shù)設計語言，完成了對超細硬質(zhì)合金材料建模、網(wǎng)格劃分、加載、求解的整個過程，并對超細硬質(zhì)合金磨削表面殘余應力進行了實驗論證，得出了不同磨削參數(shù)下的磨削殘余應力值，對比了不同目數(shù)砂輪和不同WC 晶粒硬質(zhì)合金在同一磨削參數(shù)下的殘余應力值。研究發(fā)現(xiàn)，目數(shù)小的砂輪磨削時產(chǎn)生的殘余應力值要大，WC 晶粒度越小，磨削的殘余應力值越大，結(jié)果表明，實驗結(jié)果與有限元模擬大致相同[9]。

2 磨削表面殘余應力的形成機理

在磨削加工時，由于刀刃的負前角較大，會產(chǎn)生比較明顯的塑性變形。經(jīng)過砂輪刀刃切削過的表面，出現(xiàn)行進方向的塑性變形收縮，在垂直于行進方向的表面則會出現(xiàn)拉伸變形，也就是所謂的塑性凸出效應，致使零件表面產(chǎn)生殘余拉應力。垂直力與行進方向相反的摩擦力共同作用導致零件表面出現(xiàn)擠光現(xiàn)象。砂輪磨損或鋒利度不夠會形成更為明顯的擠光現(xiàn)象，該擠光現(xiàn)象會導致工件表面出現(xiàn)殘余壓應力。磨加工產(chǎn)生的熱量會形成熱膨脹現(xiàn)象，作用在溫度相對較低的零件基體上，其熱膨脹效果會被限制進而由于被壓縮產(chǎn)生應力。當溫度高于彈性變形所需的溫度時，溫度因為下降而生成表面殘余拉應力。

表面殘余應力的影響因素主要是力和溫度。這兩種因素對表面殘余應力的影響是一個非常復雜的力學過程，往往是各種因素綜合疊加的結(jié)果。磨削力的影響因素包含徑向磨削深度、工件進給速度、砂輪結(jié)合劑種類以及砂輪線速度等。

3 試驗研究對象

結(jié)合筆者單位陀螺儀的生產(chǎn)實際，選用某型號陀螺儀電機零件軸承套平面磨削加工作為研究對象。如圖1 所示，該軸承套零件全過程需經(jīng)過8 道加工工序，而本文主要針對第4 序平磨工序的加工工藝內(nèi)容來開展試驗。

圖1 軸承套工藝流程

4 試驗加工設備

本文試驗采用設備為筆者單位正在使用的柯爾柏斯來福臨機械（上海）有限公司生產(chǎn)的KP-36 型號精密平面磨床，該平面磨床是高精度和高可靠的實用性機床，是由德國BLOHM 公司設計的一款新式平面磨床。設備實際情況如圖2 所示。

圖2 KP-36 精密平面磨床

5 試驗方案設計

5.1 試驗原理及方法

按試驗因素的數(shù)量可以把試驗分為單因素試驗[10-11]和多因素試驗[12-13]。

本文后面介紹開展的各項試驗主要是通過磨削試驗來探索一定的規(guī)律，結(jié)合試驗的特點及試驗設計方法[14-15]，確定本試驗采用多因素試驗中的因素輪換法作為本次試驗的試驗方案[16]。

5.2 表面殘余應力的測量

表面殘余應力常用測量方法有盲孔法殘余應力測量[17]、磁測法殘余應力測量[18]、X 射線衍射法殘余應力測量[19]等。

在各種無損測定殘余應力的方法之中，X 射線衍射法被公認為最可靠和最實用的。它的基本原理是以測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際上是殘余應變，而殘余應力是通過胡克定律由殘余應變計算得到的，當試樣中存在殘余應力時，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時，產(chǎn)生的衍射峰也隨之移動，而且移動距離的大小與應力大小相關。用波長λ的X 射線，先后數(shù)次以不同的入射角照射到試樣上，測出相應的衍射角2θ，求出2θ對sin(2ψ)的斜率M，便可算出應力σψ。由于它適用于各種實體工件，而且能夠針對同一點以不同的φ角、ψ角進行測試，以探測組織結(jié)構(gòu)的影響，這項功能便具備了重要而獨特的用途。

后面介紹開展的各項試驗所采用的表面殘余應力測量方法為X 射線衍射法殘余應力測量法，表面殘余應力測量設備具體外觀如圖3 所示。

圖3 表面殘余應力測量設備

6 試驗數(shù)據(jù)與分析

6.1 軸承套平磨常用加工工藝參數(shù)

軸承套的加工工藝參數(shù)涉及金剛石結(jié)合劑種類、砂輪線速度、單次進給磨削深度以及工件進給速度等，實際使用的加工工藝參數(shù)設置見表1。

表1 軸承套平磨加工參數(shù)

6.2 砂輪線速度與表面殘余應力的關系

為了研究砂輪線速度與表面殘余應力的關系，現(xiàn)采用表2 中的加工參數(shù)進行多次重復磨削加工試驗并用平均值進行對比。

表2 軸承套平磨不同砂輪線速度加工參數(shù)

對不同的實驗加工參數(shù)下，零件的的殘余應力進行統(tǒng)計，應力數(shù)據(jù)的對比情況如圖4、圖5 所示。

圖4 不同砂輪線速度加工后徑向應力對比曲線

圖5 不同砂輪線速度加工后法向應力對比曲線

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，磨削表面的殘余應力隨砂輪線速度的增加而增大。

6.3 磨削深度與表面殘余應力的關系

為了研究磨削深度與表面殘余應力的關系，現(xiàn)采用表3 中的加工參數(shù)進行多次重復磨削加工試驗并用平均值進行對比。

表3 軸承套平磨不同磨削深度加工參數(shù)

對不同的實驗加工參數(shù)下，零件的的殘余應力進行統(tǒng)計，應力數(shù)據(jù)的對比情況如圖6、圖7 所示。

圖6 不同磨削深度加工后徑向殘余應力對比曲線

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，磨削表面的殘余應力隨磨削深度的增加而增大。

6.4 進給速度與表面殘余應力的關系

為了研究進給速度與表面殘余應力的關系，現(xiàn)采用表4 中的加工參數(shù)進行多次重復磨削加工試驗并用平均值進行對比。

表4 軸承套平磨不同進給速度加工參數(shù)

對不同的實驗加工參數(shù)下，零件的殘余應力進行統(tǒng)計，應力數(shù)據(jù)的對比情況如圖8、圖9 所示。

圖8 不同進給速度加工后徑向殘余應力對比曲線

圖9 不同進給速度加工后法向殘余應力對比曲線

實驗7、8、9 的應力數(shù)據(jù)的平均值隨進給速度的變化曲線如圖10、圖11 所示。

圖10 徑向殘余應力隨進給速度的變化曲線

圖11 法向殘余應力隨進給速度的變化曲線

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，磨削表面的殘余應力隨工件進給速度的增加先減小后增大。

為了研究進給速度18 m/min 是否為最優(yōu)值，現(xiàn)采用表5 中的加工參數(shù)進行進一步試驗驗證。

表5 軸承套平磨不同進給速度加工參數(shù)

對不同的實驗加工參數(shù)下，零件的的殘余應力進行統(tǒng)計，應力數(shù)據(jù)的對比情況如圖12、圖13 所示。

圖12 不同進給速度加工后徑向殘余應力對比曲線

圖13 不同進給速度加工后法向殘余應力對比曲線

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在18 m/min 的工件進給速度下磨削表面的殘余應力最小，為最優(yōu)參數(shù)。

6.5 砂輪結(jié)合劑種類與表面殘余應力關系

為了研究砂輪結(jié)合劑種類與表面殘余應力的關系，現(xiàn)采用表6 中的加工參數(shù)進行多次重復磨削加工試驗并用平均值進行對比。

表6 軸承套平磨不同進給速度加工參數(shù)

對不同的實驗加工參數(shù)下，零件的的殘余應力進行統(tǒng)計，應力數(shù)據(jù)的對比情況如圖14、圖15所示。

圖14 不同種類砂輪結(jié)合劑加工后徑向殘余應力對比曲線

圖15 不同種類砂輪結(jié)合劑加工后法向殘余應力對比曲線

從圖中可以看出，采用樹脂結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削后的表面殘余應力比采用青銅結(jié)合劑要小。

7 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗證

優(yōu)化后的平面磨削加工工藝參數(shù)見表7，采用4080 平磨機床對該參數(shù)進行批量驗證，表面殘余應力結(jié)果如圖16、圖17 所示。

表7 優(yōu)化后的加工參數(shù)

圖16 徑向殘余應力統(tǒng)計

圖17 法向殘余應力統(tǒng)計

從圖中可以看出，整個批次的工件表面殘余應力為300～400 MPa，且波動性較小，達到了預期效果。

8 結(jié)語

如圖18、圖19 及表8 所示，在GT35 鋼結(jié)硬質(zhì)合金平面磨削工藝參數(shù)中徑向磨削深度為磨削殘余應力的主要影響因素，影響程度占比達49%。在其他影響因素中工件進給速度占比25%、結(jié)合劑種類占比16%、砂輪線速度占比10%；工件進給速度為18 m/min 時殘余應力最小；樹脂結(jié)合劑砂輪比青銅結(jié)合劑砂輪加工后零件殘余應力平均小10%。

表8 各因素影響程度占比

圖18 徑向殘余應力影響尺寸比例圖

圖19 法向殘余應力影響程度比例圖

采取青銅結(jié)合劑砂輪并選用0.002 mm 的徑向磨削深度、18 m/min 的工件進給速度以及30 m/s 的砂輪線速度為GT35 材料零件平面磨削殘余應力的可控工藝方案。