45鋼超聲輔助干磨削工藝參數(shù)與表面性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究*

黃于林 唐進(jìn)元 陳海鋒 郎獻(xiàn)軍

(①中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410083;②中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

超聲輔助加工技術(shù)是一種特種加工技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊接、車(chē)削、磨削和鉆孔等加工工藝中［1］。超聲振動(dòng)輔助磨削加工在脆硬材料高精度加工、高效加工方面獲得了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外研究人員在超聲輔助磨削加工陶瓷等難加工材料方面進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究［2－7］，研究結(jié)果表明:在磨削加工中添加超聲振動(dòng)可以有效地解決砂輪堵塞和磨削燒傷問(wèn)題，可以顯著地降低磨削力和磨削熱以及提高磨削表面質(zhì)量和磨削效率。但是，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的諸如45鋼之類(lèi)的普通金屬材料超聲振動(dòng)輔助磨削加工研究甚少，其原因是在磨削加工普通金屬材料方面，人們通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)磨削加工工藝深入研究、已經(jīng)能夠達(dá)到加工精度與性能的要求。因此，忽視了對(duì)普通金屬材料超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)的研究。

綠色制造技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，而干切削加工技術(shù)無(wú)疑是綠色加工技術(shù)的重要內(nèi)容。在干切削加工過(guò)程中不使用冷卻液，減少了環(huán)境污染和降低了生產(chǎn)費(fèi)用，因此干切削技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注［8－9］。但和車(chē)削或者銑削加工相比，磨削加工所需要的能量要大，且摩擦功率所占的份額較高，通過(guò)磨屑帶走的熱量就比較少，容易造成熱量在磨削區(qū)的積聚，使磨削區(qū)溫度迅速升高，造成工件燒傷以及金相組織的破壞。因此，在傳統(tǒng)磨削的加工工藝中很難應(yīng)用干磨削加工技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)干磨削加工，必須設(shè)法減少所需的單位切削能量、減少傳入工件的熱量以及快速疏導(dǎo)磨削區(qū)的熱量。

由于超聲輔助磨削加工具有降低磨削溫度以及減少磨削燒傷等優(yōu)點(diǎn)，為探索普通金屬材料超聲輔助干磨削加工技術(shù)的特色與規(guī)律，本文對(duì)45鋼進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助干磨削加工實(shí)驗(yàn)，研究了不同超聲振幅對(duì)磨削表面粗糙度的影響以及比較了超聲振動(dòng)輔助干磨削和普通干磨削表面的燒傷和表面殘余應(yīng)力情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為超聲振動(dòng)輔助干磨削技術(shù)的深入研究提供基礎(chǔ)參考。

1 超聲振動(dòng)輔助干磨削實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為超聲振動(dòng)輔助干磨削實(shí)驗(yàn)裝置圖，該裝置由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭、變幅桿支架以及機(jī)床等組成。變幅桿前端與工具頭通過(guò)雙頭螺栓連接，變幅桿與換能器通過(guò)螺紋連接，整個(gè)裝置通過(guò)變幅桿支架來(lái)固定。其中，超聲波發(fā)生器將50～60 Hz的(AC)市電轉(zhuǎn)化為20 kHz電振蕩信號(hào)，提供給換能器，然后換能器將電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)變幅桿將位移振幅放大傳給工具頭，最終使用砂輪磨削加工工具頭前端。根據(jù)各種變幅桿的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)的要求選擇階梯形變幅桿。依據(jù)變幅桿設(shè)計(jì)理論對(duì)變幅桿進(jìn)行理論計(jì)算設(shè)計(jì)［10］，工具頭按全諧振理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)變幅桿和超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析［11－12］，分析結(jié)果與理論設(shè)計(jì)結(jié)果一致。為了研究不同超聲振幅對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響，利用超聲波振幅測(cè)量?jī)x測(cè)量了在空載非磨削條件下超聲振動(dòng)系統(tǒng)工具頭前端的振幅。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了完成超聲振動(dòng)輔助干磨削加工實(shí)驗(yàn)以及對(duì)磨削表面進(jìn)行測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)包括以下設(shè)備:(1)機(jī)床:臥軸矩臺(tái)平面磨床，型號(hào)M7130;(2)超聲波發(fā)生器:型號(hào)ZJS－2000型連續(xù)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器;(3)超聲波換能器:型號(hào)YP－5020－4D;(4)表面粗糙度測(cè)試儀:型號(hào)Intra 2;(5)超聲波振幅測(cè)量?jī)x:型號(hào)YP0901B;(6)光學(xué)表面輪廓儀:型號(hào)Wyko NT9100。

1.3 磨削條件

超聲振動(dòng)輔助干磨削實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1:

表1 磨削實(shí)驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨削燒傷

圖2為兩種磨削方式下的磨削表面。由圖2可以看出:和超聲振動(dòng)輔助干磨削得到的表面相比，普通干磨削得到的表面存在明顯的燒傷。這是由于在干磨削過(guò)程中，沒(méi)有磨削液流過(guò)磨削區(qū)，磨削產(chǎn)生的熱量更多地進(jìn)入到工件，使得工件的溫度比濕磨削時(shí)的溫度高，高溫使得磨削表面金相組織發(fā)生變化，在磨削表面出現(xiàn)氧化變色。而在超聲振動(dòng)輔助干磨削過(guò)程中，由于磨削力的降低使得產(chǎn)生的磨削熱量減少，進(jìn)而流入工件的熱量減少，從而降低了磨削區(qū)的溫度，因此，超聲振動(dòng)輔助干磨削的表面燒傷比較輕微。

2.2 表面殘余應(yīng)力

圖3是通過(guò)X射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)得的磨削加工表面殘余應(yīng)力。從圖中可以看出，超聲振動(dòng)輔助干磨削加工后的表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，而普通干磨削(振幅為零)加工后的表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力易引起工作表面疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，喪失尺寸精度甚至變形;而殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力能延緩或抑制疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，提高疲勞強(qiáng)度和耐蝕性能。由磨削殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因可以看出，磨削表面溫度越高時(shí)，殘余拉應(yīng)力越大，降低磨削表面的溫度，就會(huì)使殘余拉應(yīng)力減小。

2.3 表面粗糙度與三維表面微觀形貌

2.3.1 不同振幅對(duì)磨削表面粗糙度的影響

在超聲振動(dòng)輔助磨削得到的表面粗糙度的研究中，進(jìn)給量、工作臺(tái)速度以及砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員做了大量的研究，研究的結(jié)果表明:超聲振動(dòng)輔助磨削得到的表面粗糙度值小于普通磨削得到的表面粗糙度值，超聲振動(dòng)輔助磨削得到的表面粗糙度隨進(jìn)給量、工作臺(tái)速度以及砂輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律和普通磨削得到的表面粗糙度的變化規(guī)律一致。但超聲振幅對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律的研究甚少。因此，本文主要研究了超聲振幅對(duì)表面粗糙度的影響。圖4和圖5給出了表面粗糙度Ra和Rq隨超聲振幅的變化規(guī)律，其中Ra為輪廓算術(shù)平均偏差，Rq為輪廓均方根偏差。表面粗糙度數(shù)據(jù)是通過(guò)觸針式表面粗糙度儀測(cè)量得到的，測(cè)量方向垂直于磨痕方向。為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)均為通過(guò)測(cè)量5次然后取的平均值。將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)二階多項(xiàng)式采用最小二乘法擬合得到了如圖4和圖5所示的曲線。從圖4和圖5可以看出:在相同加工條件下，超聲振動(dòng)輔助干磨削加工45鋼得到的表面粗糙度Ra和Rq的值小于普通磨削(振幅為零)得到的表面粗糙度Ra和Rq的值，這說(shuō)明超聲振動(dòng)輔助磨削可以在一定程度上減小磨削表面的粗糙度值，提高磨削表面的質(zhì)量;在相同的加工參數(shù)下，超聲振幅對(duì)表面粗糙度也有影響?？傮w上，表面粗糙度Ra和Rq的值先隨著超聲振幅的增大而減小，然后隨著超聲振幅的增大而增大。在不同的修整參數(shù)下，磨削表面的粗糙度值最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的超聲振幅也不相同。當(dāng)修整砂輪時(shí)，進(jìn)給速度f(wàn)d越大，磨削表面的粗糙度值達(dá)到最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的超聲振幅值也越大。從圖中可以看到:fd分別為 50 μm/r、60 μm/r和70 μm/r時(shí)，Ra和Rq達(dá)到最小時(shí)的振幅分別為12 μm、15 μm 和 18 μm 左右。

2.3.2 不同振幅對(duì)磨削表面微觀形貌的影響

圖6是使用光學(xué)表面輪廓儀觀察在不同超聲振幅下磨削加工45鋼得到的表面微觀形貌。磨削加工條件:進(jìn)給量ap為20 μm，工作臺(tái)速度vw為 3.75 m/s;砂輪修整參數(shù):修整深度ap為10 μm，進(jìn)給速度f(wàn)d為50 μm/r。

表2 不同振幅下磨削表面三維形貌表面參數(shù)測(cè)量值μm

其中:Sq為表面形貌的均方根偏差;Sa為表面形貌的算術(shù)平均偏差。

從圖6可以看出:在相同的磨削條件下，在不同的超聲振幅下得到了不同的表面微觀形貌。超聲振動(dòng)輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌優(yōu)于普通干磨削(振幅為零)加工得到的表面微觀形貌，但是在不同的超聲振幅下，磨削表面的微觀形貌也不相同。很明顯，當(dāng)超聲振幅為12 μm時(shí)，其表面微觀形貌優(yōu)于其他振幅下的表面微觀形貌。當(dāng)超聲振幅過(guò)小或者過(guò)大時(shí)，磨削表面有著明顯的溝槽，且溝槽深且窄。

為了定量分析磨削表面的微觀形貌，使用光學(xué)表面輪廓儀的分析軟件計(jì)算了磨削表面微觀形貌的三維參數(shù)Sa和Sq，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)二次多項(xiàng)式采用最小二乘法擬合得到表面微觀形貌參數(shù)隨超聲振幅變化的規(guī)律曲線，如圖7所示。由表2和圖7可以看出:超聲振動(dòng)輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌參數(shù)Sa和Sq的值分別小于普通干磨削(振幅為零)加工得到的表面微觀形貌參數(shù)Sa和Sq的值;與普通干磨削相比，超聲振動(dòng)輔助磨削所得到表面微觀形貌參數(shù)Sa和Sq的值最大分別減小30.11%和27.59%。隨著超聲振幅的增大，表面微觀形貌參數(shù)Sa和Sq的值減小，當(dāng)振幅值增加到12 μm時(shí)，Sa和Sq達(dá)到最小值，之后隨著超聲振幅的進(jìn)一步增大，Sa和Sq的值也增大。這和二維表面粗糙度Ra和Rq隨超聲振幅變化的規(guī)律一致。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為單顆金剛筆修整砂輪的理論截形示意圖，其中fd為砂輪修整進(jìn)給量，ad為修整深度，bd為金剛石有效寬度，Rth為砂輪理論表面粗糙度。由磨削原理［13］可知:當(dāng)金剛石刃口形狀不變，并且修整深度ad一定時(shí)，修整進(jìn)給量fd越大，砂輪的理論表面粗糙度Rth越大。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量不同的砂輪軸向進(jìn)給速度來(lái)確定不同的修整進(jìn)給量fd。當(dāng)砂輪軸向進(jìn)給速度越大，修整進(jìn)給量fd越大，進(jìn)而砂輪的理論表面粗糙度Rth也就越大。在磨削過(guò)程中，砂輪的表面粗糙度將按一定的比例反映到磨削表面上，形成磨削表面加工粗糙度。

由磨削原理［13］可知:磨削表面的溝槽是由于磨粒切削刃尖端在磨削表面加工后留下的。對(duì)工件施加軸向超聲振動(dòng)(如圖9所示)，改變了工件與磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這有利于磨粒切削刃將磨削表面的峰去除掉，進(jìn)而改變了磨削表面的粗糙度。從理論上說(shuō)，當(dāng)超聲振幅A大于磨削時(shí)兩個(gè)磨粒切削刃間距，磨削表面峰就會(huì)被磨粒去除掉，但是當(dāng)隨著振幅增大時(shí)，由于高頻的超聲振動(dòng)，工件的最大瞬時(shí)速度也會(huì)增大，當(dāng)工件與磨粒作用時(shí)，可能會(huì)使得磨粒切削刃變平，從而使得兩個(gè)磨粒切削刃的間距增大，進(jìn)而使得磨削表面的表面粗糙度值增大，因此隨著超聲振幅A的增加，表面粗糙度先減小后增大。當(dāng)修整砂輪的進(jìn)給量fd即砂輪的軸向進(jìn)給速度不同時(shí)，砂輪修整后兩個(gè)磨粒切削刃的間距就不同，因此表面粗糙度值達(dá)到最小時(shí)對(duì)應(yīng)的超聲振幅也不同。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)45鋼進(jìn)行了超聲振動(dòng)干磨削加工實(shí)驗(yàn)，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下可以得出以下結(jié)論:

(1)和普通干磨削相比，超聲振動(dòng)輔助干磨削能夠減少磨削表面燒傷;

(2)在一定的磨削條件下，普通干磨削后的表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而在相同的加工條件下，超聲振動(dòng)干磨削后的表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力;

(3)在相同的加工條件下，在不同的超聲振幅下超聲振動(dòng)輔助干磨削得到的表面粗糙度也不相同;總體上，隨著超聲振幅的增加，表面粗糙度值先減小后增大。在不同的砂輪修整情況下，磨削表面的表面粗糙度最小值對(duì)應(yīng)的超聲振幅值也不相同。隨著砂輪修整進(jìn)給速度f(wàn)d的增加，磨削表面粗糙度值達(dá)到最小時(shí)對(duì)應(yīng)的超聲振幅也增大;

(4)在相同的加工條件下，超聲振動(dòng)輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌優(yōu)于普通干磨削加工得到的表面微觀形貌。但在不同的超聲振幅情況下，超聲振動(dòng)輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌也不相同，當(dāng)超聲振幅過(guò)小或者過(guò)大時(shí)，磨削表面有著明顯的溝槽，且溝槽深且窄。

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