超高速預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)研究*

劉曉初，陳　凡，何銓鵬，馮明松，郭瑩瑩，黃　駿

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院; b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州　510006)

?

超高速預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)研究*

劉曉初a,b，陳凡a,b，何銓鵬a,b，馮明松a,b，郭瑩瑩a，黃駿a,b

(廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院; b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510006)

基于一種預(yù)應(yīng)力切削方法及理論，進(jìn)行了GCr15軸承鋼預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)，對(duì)磨削力進(jìn)行了測(cè)量，并分析了加工后的工件表面形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磨削力隨砂輪線速度的增大而減小，隨工件速度、磨削深度的增大而增大，但基本不受預(yù)應(yīng)力的影響；隨著預(yù)應(yīng)力的增大，加工表面的殘余拉應(yīng)力逐漸下降，逐漸產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，磨削燒傷程度和凹痕深度略微加深，但預(yù)應(yīng)力在某一區(qū)間時(shí)，工件表面質(zhì)量較好，且存在殘余壓應(yīng)力，從而驗(yàn)證了超高速預(yù)應(yīng)力磨削的可行性。

預(yù)應(yīng)力；超高速磨削；表面形貌；GCr15軸承鋼

0　引言

已加工表面殘余應(yīng)力是表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，機(jī)械零件表面的殘余壓應(yīng)力有利于其疲勞壽命和抗化學(xué)腐蝕性能的提高，而殘余拉應(yīng)力的效果則相反[1-2]。而單純地切削、銑削、磨削等加工方法往往會(huì)在已加工表面形成殘余拉應(yīng)力，不利于機(jī)械零件的疲勞壽命和抗化學(xué)腐蝕性能。為此，許多專家學(xué)者致力于研究機(jī)械零件已加工表面殘余壓應(yīng)力的形成原理及控制方法。目前多種調(diào)整和控制工件表層殘余應(yīng)力的方法，如熱處理、熨壓、滾壓、噴丸等，然而這些方法都需要專用設(shè)備，工藝操作難度較大，材料成本與工藝成本都較高，在應(yīng)用上受到了一些限制[3]。還有些學(xué)者通過(guò)優(yōu)化刀具參數(shù)和改變切削參數(shù)來(lái)獲得工件表面殘余壓應(yīng)力[4]。1987年華南理工大學(xué)周澤華[5-6]教授根據(jù)切削加工的特點(diǎn)和材料彈性變形的原理，首次提出了一種新的控制已加工表面殘余應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力切削方法，為表面殘余應(yīng)力的控制提供了理論依據(jù)。華南理工大學(xué)葉邦彥[7]等通過(guò)軸承套圈預(yù)應(yīng)力硬態(tài)切削實(shí)驗(yàn)而獲得了合適的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)和良好的表面質(zhì)量。上海交通大學(xué)張雪萍[8]、美國(guó)普渡大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院Liu C.Richar等研究了有利于提高硬態(tài)切削滾動(dòng)軸承疲勞壽命的殘余應(yīng)力臨界條件，提出了滾動(dòng)軸承耦合具體服役工況的超精硬切削參數(shù)的優(yōu)選方法體系；廈門大學(xué)郭隱彪、Dale W.Schwach等人研究表明，經(jīng)高速硬態(tài)車削的軸承套圈表面雖存在白層，但是其接觸疲勞壽命高于傳統(tǒng)磨削后的表面[9-10]。在超高速磨削方面，如湖南大學(xué)盛曉敏[11]先后研究了45鋼、40Cr和TC4鈦合金的超高速磨削工藝。南京航空航天大學(xué)田霖[12]等人進(jìn)行了單顆磨粒高速超高速磨削試驗(yàn)，測(cè)量了單顆磨削力，磨削力隨著砂輪線速度的上升呈先增加后減小再增大的趨勢(shì)。

基于一種預(yù)應(yīng)力切削加工方法，對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行超高速磨削加工實(shí)驗(yàn)，測(cè)量預(yù)應(yīng)力加工時(shí)的磨削力，并對(duì)加工工件表面形貌進(jìn)行掃描，揭示了預(yù)應(yīng)力、磨削用量與磨削力之間的耦合規(guī)律。為超高速預(yù)應(yīng)力磨削加工的可行性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1工件材料

為更明顯的觀測(cè)在預(yù)應(yīng)力磨削加工前后表面形貌變化以及仿真工件表面加工表面殘余應(yīng)力值，采用未經(jīng)熱處理過(guò)的GCr15軸承鋼材料，其化學(xué)成分如表1所示。工件尺寸為20×20×60mm，采用的加工工序?yàn)橄认铝?，通過(guò)線切割切除表面，使用50m/s的磨床對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工，鉆中心孔，最后對(duì)工件攻絲處理，工件實(shí)物如圖1。

表1　GCr15的化學(xué)成分

圖1　試件實(shí)物圖

1.2夾具制作

超高速預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)工件施加預(yù)應(yīng)力，為實(shí)現(xiàn)對(duì)工件兩端進(jìn)行預(yù)應(yīng)力拉伸，需制作特定的預(yù)應(yīng)力拉伸裝置，本實(shí)驗(yàn)中采用一種凹形夾具(如圖2所示)作為工件加工預(yù)應(yīng)力拉伸裝置。當(dāng)擰緊螺母時(shí)，螺栓受到拉力，從而工件兩端受到拉伸預(yù)應(yīng)力，螺母擰的越緊，工件所受拉伸預(yù)應(yīng)力越大，因此，可以通過(guò)控制螺母的松緊來(lái)獲得所需預(yù)應(yīng)力值。

圖2　預(yù)應(yīng)力拉伸裝置

1.3預(yù)應(yīng)力值的測(cè)量

為能夠準(zhǔn)確測(cè)量在加工工件表面的預(yù)應(yīng)力大小，采用北京波普WS-3811數(shù)字式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀(圖3)對(duì)工件表面預(yù)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，其相關(guān)預(yù)應(yīng)力信號(hào)通過(guò)工件表面粘貼的應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)(圖4)。

本實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量橋路為單臂1/4橋路，工件加工表面精度比較高，可以近似將工件當(dāng)作連續(xù)體，近似將各個(gè)面表面變形看成為等應(yīng)變。為了更精確計(jì)算工件表面應(yīng)變，保持拉伸力情況不變，并對(duì)工件表面進(jìn)行定量測(cè)定，工件在預(yù)應(yīng)力情況下，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候開(kāi)始對(duì)工件表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終取其穩(wěn)定值中的最大值對(duì)其進(jìn)行求解。

圖3　數(shù)字式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀　 　圖4　工件應(yīng)變片貼片

由于工件獲得預(yù)應(yīng)力是通過(guò)人為擰緊螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中預(yù)應(yīng)力的實(shí)際值與實(shí)驗(yàn)預(yù)想值之間有存在誤差，但是這種誤差對(duì)于實(shí)驗(yàn)之后的分析并沒(méi)有過(guò)多的影響。本實(shí)驗(yàn)對(duì)六組工件進(jìn)行了編號(hào)，第一組作為對(duì)照沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力，其它組測(cè)量的預(yù)應(yīng)值如表2。

表2　實(shí)驗(yàn)預(yù)應(yīng)力參數(shù)值

1.4超高速磨削加工設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用由杭州機(jī)床廠生產(chǎn)的MKL7132X8/17型超高速數(shù)控強(qiáng)力成形磨床(圖5)，其中包括由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司研制的CBN砂輪(最大線速度為200m/s)，并使用冷卻效果較好的SY-1水基磨削液。

圖5　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

考慮到砂輪工作表面對(duì)工件表面完整性的影響，在GCr15軸承鋼的預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)前利用金剛石滾輪對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整。

2　預(yù)應(yīng)力磨削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

磨削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用Kistler測(cè)力儀對(duì)加工過(guò)程中所產(chǎn)生的力進(jìn)行測(cè)量和記錄，再將相關(guān)力學(xué)信號(hào)導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行后處理，得到相應(yīng)的力學(xué)數(shù)據(jù)。具體的正交實(shí)驗(yàn)方案如下表3～表6所示。

表3　變預(yù)應(yīng)力加工參數(shù)磨削試驗(yàn)

表4　變磨削深度加工參數(shù)磨削試驗(yàn)

表5　變砂輪轉(zhuǎn)速加工參數(shù)磨削試驗(yàn)

表6　變工作臺(tái)加工參數(shù)磨削試驗(yàn)

磨削實(shí)驗(yàn)加工完后，采用日本基恩士公司型號(hào)為：VHX-1000對(duì)工件表面磨削表面形貌進(jìn)行測(cè)量，并針對(duì)性的對(duì)表面形貌進(jìn)行分析。最后使用SRSS3-1型靜態(tài)應(yīng)變儀對(duì)工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1磨削力分析

圖6　磨削力信號(hào)

在磨削過(guò)程中，利用Kistler9257BA測(cè)力儀將磨削力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些電信號(hào)經(jīng)放大器和濾波器處理后可通過(guò)Matlab軟件(采用頻率為5000Hz)再次轉(zhuǎn)換成磨削力并顯示在計(jì)算機(jī)中。而測(cè)力儀可分別測(cè)量砂輪的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn和軸向磨削力Fa，但由于本實(shí)驗(yàn)中工件始終水平放置，F(xiàn)a的影響可忽略，所以只需研究磨削用量與Ft、Fn的耦合規(guī)律。其中，vs=150m/s、vw=2m/min、ap=0.01mm下的法向磨削力和切向磨削力信號(hào)如圖6所示。

3.1.1預(yù)應(yīng)力對(duì)磨削力的影響

圖7　預(yù)應(yīng)力與Ft和Fn的關(guān)系

如圖7所示，在不同預(yù)應(yīng)力條件下進(jìn)行磨削，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力變化不明顯，但比無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)的磨削力要稍大，且法向磨削力與切向磨削力的比值穩(wěn)定在5左右。這是因?yàn)楣ぜ砻嬖陬A(yù)應(yīng)力效應(yīng)下發(fā)生了彈性形變，間接增加工件的表面強(qiáng)度，磨削力比無(wú)預(yù)應(yīng)力磨削時(shí)大，而單位時(shí)間內(nèi)起切削作用的總磨粒數(shù)沒(méi)有明顯變化，故預(yù)應(yīng)力磨削時(shí)磨削力處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.1.2砂輪線速度對(duì)磨削力的影響

圖8　砂輪線速度與Ft和Fn的關(guān)系

如圖8所示，隨著砂輪線速度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力總體呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樯拜喚€速度增大，即使單位時(shí)間內(nèi)起切削作用的總磨粒數(shù)增多，但每顆磨粒的最大未變形磨屑厚度減小，導(dǎo)致磨削力減小。此外，由于砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)變化非常小，相對(duì)法向磨削力而言，切向磨削力的變化不明顯。

3.1.3工件速度對(duì)磨削力的影響

圖9　工件速度與Ft和Fn的關(guān)系

如圖9所示，隨著工件速度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力呈上升趨勢(shì)，工件速度約為5m/min時(shí)，磨削力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)楣ぜ俣仍龃?，砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)增長(zhǎng)，且單位時(shí)間內(nèi)材料的去除量增大，使單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度增大，從而導(dǎo)致磨削力增大。

3.1.4磨削深度對(duì)磨削力的影響

如圖10所示，隨著磨削深度的增大，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)槟ハ魃疃仍龃?，單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度增大，砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)增長(zhǎng)，且起切削作用的總磨粒數(shù)增多，使磨削力增大。

圖10　磨削深度與Ft和Fn的關(guān)系

3.2工件表面殘余應(yīng)力分析

本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)SRSS3-1應(yīng)力在線檢測(cè)儀對(duì)工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，工件在預(yù)應(yīng)力磨削加工過(guò)程中工件表面殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)值如下圖所示，從圖11可以分析得出，工件表面殘余應(yīng)力從未加工的320MPa殘余拉應(yīng)力，經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力拉伸磨削加工之后，表面殘余應(yīng)力值是呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為15MPa左右時(shí)，工件加工表面會(huì)出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，在預(yù)應(yīng)力達(dá)到55.809MPa時(shí)，工件表面殘余應(yīng)力降至-150MPa，為殘余壓應(yīng)力可見(jiàn)超高速預(yù)應(yīng)力磨削加工會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

圖11　預(yù)應(yīng)力與加工后工件表面殘余應(yīng)力關(guān)系

3.3表面形貌分析

利用超景深顯微鏡分別將在不同預(yù)應(yīng)力條件下(0～55.8MPa)磨削的工件表面放大500倍后進(jìn)行分析，各表面形貌如圖12所示。

圖12　工件表面形貌(500×)

從圖12可以看出，磨削后其表面形貌比較規(guī)則，只有朝著單一方向的紋理，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中砂輪始終保持逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，即磨粒沿同一方向?qū)ぜ砻孢M(jìn)行滑擦、耕犁和切削。另一方面，磨削過(guò)程中工件表面的燒傷程度隨著預(yù)應(yīng)力增大而略微加深，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為55.8MPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的燒傷。對(duì)比圖11可知，預(yù)應(yīng)力在30～40MPa左右時(shí)，工件表面不但可產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而且工件表面質(zhì)量較好。由此可證明預(yù)應(yīng)力超高速磨削加工時(shí)可行的。

4　結(jié)論

(1)磨削力與磨削深度、工件速度成正相關(guān)關(guān)系，與砂輪線速成負(fù)相關(guān)關(guān)系，但基本不受預(yù)應(yīng)力的影響。

(2)實(shí)驗(yàn)中，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，工件表面的燒傷程度、凹痕深度略微加深。

(3)預(yù)應(yīng)力足夠大的情況下工件磨削后將形成殘余壓應(yīng)力層，但在30～40MPa時(shí)加工后的工件表面質(zhì)量較為理想，由此證明了預(yù)應(yīng)力磨削加工是可行的。

[1] LIN Z C，LAI Winling. The study of ultra-precision machining and residual stress for Ni-P alloy with different cutting speeds and depth of cut[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2000，97(3)：200-210.

[2] OUTEIRO J C， UMBRELLOB D， MSAOUBIC R. Experimental and numerical modeling of the residual stresses induced in orthogonal cutting of AISI 316L steel[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006， 46： 1786-1794.

[3] 周澤華. 金屬切削理論[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[4] Thiele J D，Melkote S N. Effect of cutting-edge geometry and workpiece hardness on surface residual stresses in finish hard turning of A ISI 52100 steel [J]. Transactions of ASME, 2000 , 122(11)：642- 649.

[5] Zhou Z H，et al. Pre-stressed machining proceedings 9thICPR[C].Cincinnati，1987,257-262.

[6] 胡華南，周澤華，陳澄洲. 預(yù)應(yīng)力加工表面殘余應(yīng)力的理論分析[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1994 ，22(2)：1-9.

[7] YE B Y，LIU X C，LIU J P，et al.New method of pre-stress grinding for gearlike cylindrical surface of linear bearing[J].Journal of Key Engineering Materials，2006，304：593-600.

[8] 張雪萍，LIU C Richard，劉龍泉.滾動(dòng)軸承超精硬切削參數(shù)優(yōu)選方法體系[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(7)：1101-1104.

[9] GUO Y B，SAHNI J.A comparative study of hard turned and cylindrically ground white layers[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2004，44(2)：135-145.

[10] SCHWACH D W，GUO Y B.A fundamental study on the impact of surface integrity by hard turning on rolling contact fatigue[J]. International Journal of Fatigue，2006，28(12)：1838-1844.

[11] 盛曉敏.超高速磨削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[12] 田霖，傅玉燦，楊路，等. 基于速度效應(yīng)的高溫合金高速超高速磨削成屑過(guò)程及磨削力研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(9)：169-176.

(編輯李秀敏)

The Research of Ultra High-speed Pre-stressed Grinding Experiment

LIU Xiao-chua,b，CHEN Fana,b，HE Quan-penga,b，F(xiàn)ENG Ming-songa,b，GUO Ying-yinga，HUANG Juna,b

(a.School of Mechanical and Electrical Engineering;b. Key Laboratory of High-performance Metal Materials Reinforced Grinding Machining，Guangzhou University，Guangzhou 510006,China)

Based on the method and theory of pre-stress cutting, an experiment of GCr15 bearing steel in pre-stressed grinding was preformed. In this experiment, grinding force is measured and machining workpiece surface is analysied. The research show that grinding force decreased with increasing wheel speed，decreasing workpiece speed or grinding depth，but wasn’t almost affected by pre-stress.With the increase of pre-stress，residual tensile stress on machined surface decreases and residual compressive stress appears gradually , grinding burn and defect depth deepened slightly. While when pre-stress is in a certain range, the workpiece surface owned a good quality and the residual compressive stress existed at the same time. Therefore, the feasibility of the ultra high-speed pre-stressed grinding could be verified.

pre-stress；ultra-high speed grinding；workpiece surface；GCr15 bearing steel

1001-2265(2016)08-0030-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.009

2015-10-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目項(xiàng)目：輕薄軸承超高速離心式無(wú)心磨削及表面殘余應(yīng)力形成機(jī)理研究(51275100)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目：基于一種制造新方法的軸承超高速離心式磨床的研發(fā)，(201508010051)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目：廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(穗科信字[2013]163-19)

劉曉初(1964—)，男，教授，湖南耒陽(yáng)人，廣州大學(xué)博士，研究方向?yàn)橹悄苎b備及機(jī)器人、綠色設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

TH16;TG506

A