單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨削力實(shí)驗(yàn)研究

張 琤，李 光，馬志飛，梁國(guó)星，呂 明

(太原理工大學(xué) 精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

磨削作為一種精密加工方法，是利用磨料去除材料從而獲得所需要的表面，通常用于加工表面質(zhì)量要求較高的零件[1]。磨削加工本質(zhì)上是磨粒與工件材料之間的相互作用，整個(gè)過(guò)程中參與磨削的磨粒較多，磨削過(guò)程較為復(fù)雜。單顆磨粒磨削過(guò)程不受其他磨粒及磨屑的影響，因此研究單顆磨粒磨削是認(rèn)識(shí)復(fù)雜磨削的重要手段。從單顆磨粒磨削角度進(jìn)行研究,能夠有效解釋磨削過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象[2-3]。

早期的一些學(xué)者們采用單顆磨粒磨削的方法進(jìn)行了脆性材料加工機(jī)理的研究，得出：磨粒以微量切深去除脆性材料時(shí)，脆性材料產(chǎn)生塑性變形[4-5]；但是關(guān)于單顆磨粒磨削金屬材料的研究相對(duì)較少。AISI 1045碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷熱加工性能優(yōu)異，機(jī)械性能好[6]。早期關(guān)于AISI 1045鋼磨削力的研究主要是建立磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)回歸分析進(jìn)行修正[7-8]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，部分學(xué)者通過(guò)有限元模擬了磨粒種類、磨粒形狀對(duì)磨削力的影響[9-11]，發(fā)現(xiàn)CBN磨粒的磨削力比金剛石磨粒的小，錐形磨粒的單位寬度法向力比球形磨粒的小，而切向力較大。后來(lái)又有學(xué)者進(jìn)行了單顆金剛石磨粒的劃擦試驗(yàn)，探討了塑性隆起、材料去除率以及磨削線速度對(duì)磨削力的影響，得出：隨著磨削線速度的增加，法向力增大而切向力減小，材料隆起高度減小[12-16]；但是當(dāng)磨削溫度很高時(shí)，金剛石磨粒與AISI 1045鋼中的鐵發(fā)生反應(yīng)，影響了磨削效果。

為了得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文以單顆PCBN磨粒為研究對(duì)象，使用Kistler 9119AA2型三維測(cè)力儀實(shí)時(shí)記錄磨削力，分析了不同工藝參數(shù)下磨削力、表面質(zhì)量、磨屑形態(tài)的變化規(guī)律，以便為單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的研究提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 單顆磨粒砂輪設(shè)計(jì)

對(duì)于單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，目前最常用的方法是將單顆磨粒固定在砂輪基體上，工件處于固定狀態(tài)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)砂輪實(shí)現(xiàn)工件磨削加工。這種實(shí)驗(yàn)方法更加符合砂輪磨削的實(shí)際過(guò)程，便于進(jìn)行磨削溝痕形貌檢測(cè)。圖1為單顆磨粒砂輪示意圖。砂輪基體外圓直徑為350 mm，PCBN磨粒頂端處的外圓直徑為400 mm，即單顆磨粒砂輪外徑為400 mm.砂輪采用對(duì)稱設(shè)計(jì)以保證砂輪整體的動(dòng)平衡度；結(jié)合局部配重法調(diào)整砂輪平衡特性，使砂輪達(dá)到高速回轉(zhuǎn)動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 單顆磨粒砂輪示意圖Fig.1 Schematic of single abrasive wheel

1.2 磨削力的測(cè)量與計(jì)算

實(shí)驗(yàn)采用Kistler 9119AA2型三維測(cè)力儀測(cè)量單顆磨粒磨削過(guò)程中3個(gè)方向的磨削力Fx、Fy、Fz，磨削力分量正方向如圖2所示。圖2中，θ為夾角；vs為磨削線速度；ap為磨削深度；vw為進(jìn)給速度；R為砂輪半徑。

圖2 單顆磨粒磨削力分解示意圖Fig.2 Grinding force decomposition diagram of single abrasive

在單獨(dú)一條磨削溝痕的磨削過(guò)程中，軸向磨削力很小，根據(jù)前期的測(cè)試結(jié)果可忽略不計(jì)；x方向進(jìn)給，y方向固定。單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨削力應(yīng)為切向磨削力Ft和法向磨削力Fn的合力。法向磨削力和切向磨削力與三維測(cè)力儀輸出的Fx、Fy的關(guān)系如下：

Fn=Fycosθ-Fxsinθ,

(1)

Ft=Fysinθ+Fxcosθ.

(2)

在單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)中，磨削深度ap遠(yuǎn)小于砂輪半徑R，因此夾角θ近似為0.由上式可得，F(xiàn)n≈Fy，F(xiàn)t≈Fx；即在單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)中，法向磨削力近似等于測(cè)力儀輸出的Fy，切向磨削力近似等于Fx.

1.3 實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)用工件材料為AISI 1045鋼，調(diào)質(zhì)處理后材料硬度為36HRC.工件規(guī)格為30 mm×30 mm×50 mm；工件表面經(jīng)過(guò)精磨加工，具有較高的原始表面質(zhì)量。磨削方式采用逆磨，無(wú)冷卻潤(rùn)滑，環(huán)境溫度為27 ℃.單顆磨粒修型為近似偏置圓錐，轉(zhuǎn)動(dòng)單顆磨?；w可實(shí)現(xiàn)不同負(fù)前角的切入磨削，兩磨粒負(fù)前角調(diào)整范圍為-10°～-50°.單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

磨削試驗(yàn)在MV-40立式加工中心上進(jìn)行，主軸最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min.通過(guò)調(diào)整加工中心主軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期的磨削線速度，進(jìn)而對(duì)工件進(jìn)行單顆磨粒的磨削實(shí)驗(yàn)，并收集磨屑。同時(shí)，利用三維測(cè)力儀實(shí)時(shí)測(cè)量磨削過(guò)程中的磨削力。在磨削深度和磨粒前角保持不變的條件下，分析磨屑形態(tài)和溝痕形貌。

1-進(jìn)給方向；2-單顆磨粒砂輪；3-PCBN磨粒；4-工件；5-測(cè)力儀圖3 單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.3 Single abrasive grinding test device

2 結(jié)果與分析

2.1 單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨削力

固定單顆磨粒磨削線速度vs=55 m/s、磨削深度ap=30 μm、工件進(jìn)給速度vw=0.2 m/min，用三維測(cè)力儀測(cè)量動(dòng)態(tài)磨削力，結(jié)果如圖4所示。

由單顆磨粒磨削實(shí)驗(yàn)原理可知，PCBN磨粒每磨削一道溝痕，測(cè)力儀輸出的磨削力曲線必對(duì)應(yīng)一個(gè)磨削力峰值。選取一個(gè)波峰進(jìn)行放大，可觀測(cè)到單顆磨粒作用力的時(shí)間歷程曲線，見圖4.

由單一溝痕磨削力與時(shí)間的關(guān)系曲線可知，磨

圖4 單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨削力測(cè)量結(jié)果(右側(cè)圖為左側(cè)圖的局部放大圖)Fig.4 Grinding force of single abrasive in grinding AISI 1045 steel

削力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，在一個(gè)完整的磨粒磨削金屬材料的過(guò)程中，隨著磨粒切入工件的深度的增加，磨削力逐漸增加；而后磨粒逐漸切出工件，切入深度逐漸減小，磨削力逐漸減小。從圖4(c)可以看出，軸向的磨削力Fz并不趨于零；主要原因是，單顆磨粒沿軸向進(jìn)給時(shí)與工件表面相互作用，產(chǎn)生了進(jìn)給方向的軸向力。

2.1.2 不同磨削線速度下的磨削力

固定磨粒磨削深度為30 μm、磨粒前角為-30°，在單顆磨粒磨削線速度分別為55，60，65，70 m/s的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著磨削線速度的增加，單顆磨粒磨削力逐漸減小。這是因?yàn)椋S著砂輪磨削線速度的增加，材料塑性功增加，去除過(guò)程中材料軟化效應(yīng)明顯，致使單顆磨粒磨削力減小。

圖5 磨削力隨磨削線速度變化關(guān)系曲線Fig.5 Curves between grinding force and grinding speed

2.1.3 不同磨削深度下的磨削力

固定磨削線速度為55 m/s、磨粒前角為-30°，在磨削深度分別為10，20，30，40 μm的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。磨削力隨磨削深度變化的曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著磨削深度的增加，磨削力增加；因?yàn)樵龃竽ハ魃疃龋チＤハ骱穸入S之增加，磨屑變厚，磨粒受到的磨削力增加。

圖6 磨削力隨磨削深度變化關(guān)系曲線Fig.6 Curves between grinding force and grinding depth

2.1.4 不同磨粒前角下的磨削力

固定磨削線速度為55 m/s、磨削深度為30 μm，在磨粒前角分別為-10°，-20°，-30°，-40°的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。磨削力隨磨粒前角變化的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著磨粒負(fù)前角的增加，磨削力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；這是因?yàn)?，較大的前角使得磨粒沿磨削方向的受力變小，同時(shí)磨削的效率隨之上升。

圖7 磨削力隨磨粒前角變化關(guān)系曲線Fig.7 Curves between grinding force and abrasive rake angle

2.2 磨削溝痕形貌分析

在切入端，磨粒與工件表面接觸之初只發(fā)生彈性滑擦，不產(chǎn)生磨削痕跡。隨著磨粒向前推進(jìn)，磨粒磨削進(jìn)入耕犁階段，工件材料在磨粒推擠作用下發(fā)生塑性變形，開始形成磨削溝痕。圖8為AISI 1045鋼在vw=0.2 m/min，vs=55 m/s的條件下所獲得的磨削溝痕SEM圖。

圖8 磨削溝痕形貌特征Fig.8 Surface topography characteristics of grinding groove mark

由圖8(a)可知，隨著工件的進(jìn)給，磨粒切入工件的深度增加，磨削溝痕寬度逐漸增加。而在單顆磨粒磨削中段，磨削溝痕的寬度變化較小，磨粒進(jìn)入穩(wěn)定磨削工件材料階段，產(chǎn)生磨屑，并逐步分離，如圖8(b)所示。

從圖8還可以看出：磨削溝痕形狀基本與PCBN磨粒外形相契合，為近似錐形頂角形狀；磨削溝痕表面細(xì)微磨痕為PCBN磨粒微切削刃在磨削過(guò)程中形成的磨削痕跡。在磨粒持續(xù)推擠作用下，與磨粒接觸區(qū)域的樣件材料發(fā)生塑性流動(dòng)，磨粒向磨削方向移動(dòng)，產(chǎn)生磨屑。由于單顆磨粒法向力沿磨粒頂角分解在兩側(cè)，與進(jìn)給方向垂直，材料在無(wú)側(cè)向約束條件下向兩側(cè)溢出，并受磨粒切向磨削力影響，產(chǎn)生側(cè)向前方的流動(dòng)，形成毛刺；切入端毛刺較少，磨削溝痕中段以后增多。其主要原因是：采用逆磨工藝磨削時(shí)，單顆磨粒沿弧線上不同位置的磨削深度不一致，切入端切深小，切出端切深大，造成切出端材料的塑性變形大，材料側(cè)向流動(dòng)明顯。這一現(xiàn)象充分說(shuō)明，選用較小的切深，可有效提高工件的表面質(zhì)量。

2.3 磨削線速度對(duì)磨痕形貌的影響

固定磨粒磨削深度為30 μm、磨粒前角為-30°，在單顆磨粒磨削線速度分別為55，60，65，70 m/s的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)樣件溝痕中部的形貌，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，增大磨削線速度，可弱化加工表面的磨削溝痕。磨削線速度為55 m/s時(shí)，磨削表面微磨削形成的溝痕深，毛刺多，溝痕兩側(cè)凸起較大，表面粗糙度最大值為170 μm.當(dāng)磨削線速度增加至70 m/s時(shí)，樣件表面形成的溝痕變淺，毛刺少，表面較為平整光滑，粗糙度最大值為130 μm. 隨著磨削線速度的增加，單顆磨粒更頻繁地磨削材料，單次磨削材料厚度變薄，工件表面磨削痕變淺，紋理較細(xì)。其原因是材料在不同拉伸、壓縮以及剪切速度下，力學(xué)性能存在很大差異。磨削線速度越大，材料所表現(xiàn)的屈服極限和強(qiáng)度極限越大。相對(duì)于低速磨削，高速磨削時(shí)，磨粒對(duì)工件材料的作用機(jī)制發(fā)生了變化，材料的塑性應(yīng)變降低，塑性變形量減小，材料向兩側(cè)產(chǎn)生流動(dòng)的邊界閾值升高，材料溢出程度降低。因而采用較高的磨削線速度加工工件時(shí)，工件表面具有較好的平整性。

圖9 不同磨削線速度下單顆磨粒磨削磨痕形貌云圖Fig.9 Grinding surface topography diagram of single abrasive with different grinding wheel speed

2.4 磨屑形態(tài)分析

單顆磨粒磨削時(shí)，磨屑不受其他磨粒的擠壓作用，磨屑破損量小，大部分被排出并保留良好的原始形狀。掃描電鏡下磨屑形貌如圖10所示。

圖10 單顆磨粒磨削的磨屑形貌SEM圖Fig.10 SEM diagram of grinding chips morphology of single abrasive

從圖10可以看出，磨屑的表面呈鋸齒狀，其形狀大致分為兩類：卷曲形和螺旋形。在單顆磨粒的磨削過(guò)程中，材料在磨粒的作用下經(jīng)歷彈性變形和塑性變形，最終在分離區(qū)斷裂形成磨屑。這一過(guò)程中，材料的塑性變形功主要用于材料的溫升；當(dāng)達(dá)到材料的軟化溫度時(shí)，材料發(fā)生屈服蠕變，在主剪切區(qū)域出現(xiàn)絕熱剪切滑移，從而吸收大量的能量，致使局部溫度降低；然后繼續(xù)累積變形功，再次剪切滑移，多次間歇性的絕熱剪切形成鋸齒狀磨屑；材料受力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，磨屑斷裂，并從磨粒的前刀面擠壓排出，實(shí)現(xiàn)分離，最終形成不同彎曲形態(tài)的鋸齒狀磨屑。單顆磨粒的磨削實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，卷曲形鋸齒狀磨屑常出現(xiàn)在較低速度下的磨削加工，螺旋形鋸齒狀磨屑多存在于較高速度下的磨削加工。

3 結(jié)論

1) 單顆PCBN磨粒磨削AISI 1045鋼時(shí)，在切入端先后經(jīng)歷滑擦、耕犁和磨削成形的過(guò)程。磨削溝痕表面細(xì)微磨痕為PCBN磨粒微切削刃在切削過(guò)程中形成的磨削痕跡。

2) 磨削力隨著磨削線速度增加而逐漸降低，隨磨削深度增加而增加，隨磨粒前角的增加而減小。

3) 隨著單顆磨粒磨削線速度的增加，磨削溝痕表面呈現(xiàn)光滑狀態(tài)，溝槽形狀變得規(guī)整，表面磨痕變淺，毛刺減少。

4) 單顆磨粒磨削AISI 1045鋼的磨屑主要有卷曲形和螺旋形兩種，磨屑形狀的差異主要是由磨粒磨削方式的不同造成的。