超高強度鋼CSS-42L磨削力與比能研究*

南京航空航天大學機電學院 楊長勇 徐九華 顧珅珅 黃大順 傅玉燦

傳動系統(tǒng)是直升機3大關鍵部件(包括發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和旋翼)之一，在直升機傳動系統(tǒng)的所有構件中，齒輪、軸承是關鍵基礎構件[1]。由于齒輪與軸承總是在一個包含拉-壓交變應力、剪切應力、沖擊應力、磨損以及溫度、腐蝕介質(zhì)的復雜環(huán)境中運行，導致齒輪與軸承的性能好壞與壽命長短直接決定了傳動系統(tǒng)的性能和可靠性[2]。此外，隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，直升機傳動系統(tǒng)對構件材料與性能的要求不斷提高。現(xiàn)有的以低合金鋼AISI 52100為代表的一代鋼以及以二次硬化鋼M50NiL為代表的二代鋼已經(jīng)難以滿足這些要求，因此，以CSS-42L超高強度鋼為代表的三代鋼的研制與應用逐漸引起了國內(nèi)外的廣泛重視[3-4]。相比于一代鋼和二代鋼，新型CSS-42L鋼具有優(yōu)異的物理力學性能，尤其是在高強度和高韌性的匹配方面更加突出，這使得該類鋼種在齒輪、軸承等傳動系統(tǒng)零件中具有廣闊應用前景。

但是CSS-42L鋼優(yōu)異的物理力學性能(尤其是高強度、高硬度和高斷面收縮率)也給其機械加工，尤其是切削和磨削加工帶來了難題，屬于典型的難加工材料。磨削加工時磨削力大、磨削溫度高，砂輪易磨損、使用壽命短，現(xiàn)有關于其磨削加工性的研究不夠系統(tǒng)和深入，加工中只能依靠工藝人員的經(jīng)驗選擇砂輪種類，并在具體磨削過程中試湊工藝參數(shù)，存在工具壽命短、加工效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、加工成本高等問題[4-5]。鑒于此，非常有必要評價CSS-42L鋼的磨削加工性，探索磨削工藝參數(shù)對磨削過程的影響規(guī)律，為確立優(yōu)化的加工工藝參數(shù)提供依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)，這對于實現(xiàn)CSS-42L鋼的高效精密加工具有重要意義。

本文進行了TG砂輪緩進深切磨削CSS-42L鋼試驗研究，以磨削力、力比、磨削比能為評價指標，系統(tǒng)地對CSS-42L鋼的磨削加工性進行評價。

1 試驗條件與方法

試驗用機床選用德國BLOHM公司生產(chǎn)的高速平面磨床(型號：PROFIMAT MT 408)。砂輪為新型TG陶瓷磨料砂輪，砂輪外徑400mm，工作面寬度20mm，磨料粒度80#(尺寸200～160μm)，硬度等級G級，結合劑是經(jīng)過特定磨削條件調(diào)制的陶瓷結合劑(代號VXP)，最高使用線速度為45m/s。工件材料為CSS-42L超高強度鋼，通過光譜分析得到其化學成分列于表1，其基本物理力學性能列于表2。工件尺寸為25mm×25mm×5mm。

表1 CSS-42L鋼化學成分

表2 CSS-42L鋼的物理力學性能

根據(jù)緩進給磨削特點和前期預試驗的結果，綜合考慮設備的實際情況，選取的試驗條件列于表3。試驗過程采用單點金剛石筆修整器對TG砂輪進行修整，修整參數(shù)列于表4。

表3 試驗條件

表4 TG砂輪修整參數(shù)

磨削力的測量采用瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的KISTLER 9272測力儀傳感器，可同時采集豎直、水平和軸向3個方向的磨削力和一個方向的扭矩。與之相配的電荷耦合放大器型號為KISTLER 5070A 10100，其4個通道可同時接收測力儀產(chǎn)生的4個方向的信號，本試驗中采樣頻率為3kHz。磨削試驗裝置如圖1所示。

圖1 磨削力測量系統(tǒng)Fig.1 Measuring system of gringing force

2 試驗結果與分析

磨削力由剪切、耕犁、滑擦和冷卻液的楔形壓力等部分組成，磨削力對磨削功率、工件表面粗糙度、加工硬化和工件表面殘余應力有重要影響。因此，磨削力被認為是磨削過程中最重要的物理量之一；又因為其具有容易被測量的特點，所以常被用作監(jiān)測磨削狀態(tài)的重要參數(shù)。試驗測得的磨削力信號，反映了砂輪從切入到切出整個工件磨削的過程。在砂輪未接觸工件時，力值基本為零；砂輪切入工件時，隨著砂輪和工件接觸弧長增大，參與磨削的有效磨粒數(shù)增加，單顆磨粒切屑厚度增大，切向磨削力和法向磨削力逐漸增大；當砂輪完全切入工件，處于穩(wěn)定磨削階段，此時切向與法向磨削力均處在相對穩(wěn)定的階段；隨著砂輪逐漸切出工件，切向與法向磨削力隨著參與磨削的有效磨粒數(shù)的減少亦隨之減小。計算時，磨削力的實際值取穩(wěn)定磨削階段力信號的平均值。

2.1 切深對磨削力的影響

圖2和圖3分別為工件進給速度vw=400mm/min時，不同砂輪線速度下法向磨削力和切向磨削力隨切深的變化情況?？梢钥闯?，在其他磨削參數(shù)不變的前提下，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線速度的增加而減小，各砂輪線速度下的磨削力差值也較小，平均在10N左右。同時，法向磨削力和切向磨削力均隨著切深的增加呈明顯的上升趨勢，當切深從0.1mm上升到0.4mm時，對于vs=25m/s，法向磨削力從16N增加到90N，切向力僅從12N增加到51N。在此條件下，磨削力比(法向磨削力和切向磨削力的比值)也從1.3上升到1.8。當工件進給速度vw保持不變時，隨著砂輪線速度vs的增大，速比q=vs/vw增加，磨屑變得更薄、更長，所以磨削力變小。磨削力隨著切深ap的增加而增大的趨勢明顯，說明切深ap對緩進深切磨削時的磨削力影響很大。這是因為，在砂輪線速度vs和工件進給速度vw相同的情況下，切深增加意味著砂輪與工件的接觸長度增加，單顆磨粒切除的最大未變形材料的厚度變大，同時砂輪結合劑、磨屑及工件之間的滑擦作用也增強，因而磨削力也隨之增大；磨削力比增大，是因為磨屑厚度的增加造成砂輪切入工件的難度增大[6]。

圖2 切深對法向力的影響 (vw=400mm/min)Fig.2 Effect of depth of cut on normal grinding force (vw=400mm/min)

圖3 切深對切向力的影響(vw=400mm/min)Fig.3 Effect of depth of cut on tangential grinding force(vw=400mm/min)

2.2 工件進給速度對磨削力的影響

圖4和圖5分別為在切深ap=0.2mm時，不同砂輪線速度下工件進給速度對法向磨削力和切向磨削力的影響情況。可以看出，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線速度vs的增加而減小，隨著工件進給速度vw的增加而上升。同時，與以上切深ap對法向磨削力和切向磨削力的影響類似，當工件進給速度從vw=200mm/min上升到vw=800 mm/min時，以vs=25m/s時為例，法向磨削力從20N上升至75N，而切向力僅從14N上升到40N，磨削力比也隨之從1.4上升至1.9。究其原因，隨著砂輪線速度vs的增加，速比q=vs/vw也隨之變大，在其他條件相同時，磨屑變得薄而長，故磨削力變小，而工件進給速度vw的增加會引起速度q的下降，使磨屑變得厚而短，故磨削力變大。而磨削力比快速上升的原因與之前所述相同，也是因為單顆磨粒切厚變大，使得砂輪切入工件材料的難度增加。

2.3 材料去除率對磨削力的影響

圖4 工件進給速度對法向力的影響(ap=0.2mm)Fig.4 Effect of workpiece speed on normal grinding force(ap=0.2mm)

圖5 工件進給速度對切向力的影響(ap=0.2mm)Fig.5 Effect of workpiece speed on tangential grinding force(ap=0.2mm)

單位寬度材料去除率Zw'定義為單位寬度砂輪在單位時間內(nèi)去除的材料體積，是緩進深切磨削過程中的一個重要參數(shù)[7]。

圖6和圖7分別顯示了切深ap=0.3mm時，3種不同的砂輪線速度下，法向磨削力和切向磨削力隨單位寬度材料去除率Zw'的變化情況。圖中可以看出，法向磨削力和切向磨削力均隨著砂輪線速度的下降和單位寬度材料去除率的增加而上升。砂輪線速度vs=25m/s時，單位寬度材料去除率從1.0mm3/(mm·s)增大到3.0mm3/(mm·s)時，法向磨削力從25N增大到100N，切向磨削力從15N增大到56N，磨削力比從1.67增大到了1.79。

2.4 磨削比能

磨削比能指單位時間內(nèi)去除單位材料體積所消耗的能量[8]，是反映材料磨削加工性的重要指標，可由下式計算得出[9]：

式中，es為磨削比能(J/mm3)，F(xiàn)t為切向磨削力(N)，vs為砂輪線速度，vw為工件進給速度，ap為切深，b為磨削寬度(mm)。

圖6 材料去除率對法向力的影響Fig.6 Effect of material removal rate on normal grinding force

圖7 材料去除率對切向力的影響Fig.7 Effect of material removal rate on tangential grinding force

當量磨削厚度表示在砂輪單位寬度上接觸長度范圍內(nèi)同時參加工作的磨粒切下的未變形切屑截面積所集合成的一個假想的截面厚度，與磨削力、磨削比能之間的關系不隨速度比q的變化而變化[10]。可表示為：

結合試驗參數(shù)及測得的部分磨削力數(shù)據(jù)，可得到TG砂輪磨削CSS-42L鋼時，磨削比能隨當量磨削厚度的變化曲線，如圖8所示。可以看出，當量磨削厚度aeq＜0.06μm時，磨削比能es隨著當量磨削厚度的增大，急劇下降，從aeq=0.016μm時的120J/mm3減小到aeq=0.06μm 時的約 80J/mm3；當aeq＞0.06μm 后，磨削比能的下降趨勢變得非常緩慢，從aeq=0.06μm時的80J/mm3減小到aeq=0.16μm時的約70J/mm3。說明在當量磨削厚度較小時，磨削比能較大，即在當量磨削厚度小的情況下去除單位體積的CSS-42L鋼材料所需的能量較多。這主要是因為，隨著當量磨削厚度的減小，未變形切屑厚度變小，金屬晶格內(nèi)部位錯存在缺陷的概率就越小[11]，磨粒剪切金屬的過程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生應力集中的概率和應力集中點就越少，造成塑性變形所需要消耗的能量更多。因此，在TG砂輪進行CSS-42L鋼緩進深切磨削時，應選取合適的磨削工藝參數(shù)，在滿足當量磨削厚度大于0.06μm的條件下，盡可能提高材料去除率。

圖8 磨削比能隨當量磨削厚度的變化Fig.8 Specific grinding energy versus equal depth of cut

3 結論

本文采用TG砂輪進行了CSS-42L鋼緩進深切磨削試驗，通過分析不同磨削用量條件下，CSS-42L鋼的磨削力、力比和磨削比能，研究了CSS-42L鋼的磨削加工性。主要結論如下：

(1)隨著砂輪線速度的增加，磨削力下降，隨著工件進給速度、切深和材料去除率的增大，磨削力變大。在試驗范圍內(nèi)，切深、工件進給速度和材料去除率對磨削力影響十分顯著，砂輪線速度的影響相對較小。

(2)增大砂輪線速度，磨削力比減小，增大工件進給速度和切深，磨削力比增大；試驗條件下，磨削力比最小為1.3，最大為1.9。

(3)TG砂輪緩進深切磨削CSS-42L鋼時，磨削比能隨著當量磨削厚度的增大，呈下降的趨勢；當aeq＜0.06μm 時，磨削比能es的降幅較大，當aeq＞0.06μm時，磨削比能下降趨勢變得十分平緩，最小值約在70J/mm3；在選取磨削工藝參數(shù)時，應使當量磨削厚度大于0.06μm。

[1] 王衛(wèi)剛, 陳仁良, 蔡賀新. 齒輪減速器在直升機動力傳動系統(tǒng)中的應用. 機械研究與應用, 2010, 3：48-52.

[2] 梁桂明, 朱象矩, 黃希忠. 齒輪技術的發(fā)展趨勢. 中國機械工程 , 1995, 6(3)：25-27.

[3] John M B. Bearing steel technology. Pennsylvania： ASTM international, 2002.

[4] 趙振業(yè). 航空高性能齒輪鋼的研究與發(fā)展. 航空材料學報,2000, 20(3)：148-157.

[5] Karpuschewski B, Knoche H J, Hipke M. Gear finishing by abrasive processes. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2008,57：621-640.

[6] 王珉. 磨削力與砂輪磨損的關系. 淮南礦業(yè)學院學報,1983(3)：38-48.

[7] Yang C Y, Xu J H, Ding W F, et al. Dimension accuracy and surface integrity of creep feed ground titanium alloy with monolayer brazed CBN shaped wheels. Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(5)：585-590.

[8] Ren Y H, Zhang B, Zhou Z X. Specific energy in grinding of tungsten carbides of various grain sizes. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2009, 58(1)：299-302.

[9] 盛曉敏, 唐昆, 宓海青, 等. TC4鈦合金高效深磨磨削力及比磨削能特征研究.中國機械工程, 2009,20(1)：24-28.

[10] 任敬心, 華定安. 磨削原理. 北京,電子工業(yè)出版社, 2011.

[11] Backer W R, Marshall E R, Shaw M C. The size effect in metal cutting. Transactions of the ASME, 1974, 10(1)：61-71.