45鋼超聲輔助干磨削工藝參數與表面性能參數實驗研究*

黃于林 唐進元 陳海鋒 郎獻軍

(①中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083;②中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083)

超聲輔助加工技術是一種特種加工技術，已經廣泛應用于焊接、車削、磨削和鉆孔等加工工藝中［1］。超聲振動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用。國內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行了大量的理論和實驗研究［2－7］，研究結果表明:在磨削加工中添加超聲振動可以有效地解決砂輪堵塞和磨削燒傷問題，可以顯著地降低磨削力和磨削熱以及提高磨削表面質量和磨削效率。但是，對工業生產中廣泛使用的諸如45鋼之類的普通金屬材料超聲振動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，人們通過對傳統磨削加工工藝深入研究、已經能夠達到加工精度與性能的要求。因此，忽視了對普通金屬材料超聲振動輔助加工技術的研究。

綠色制造技術是當今制造業發展的趨勢之一，而干切削加工技術無疑是綠色加工技術的重要內容。在干切削加工過程中不使用冷卻液，減少了環境污染和降低了生產費用，因此干切削技術受到了廣泛的關注［8－9］。但和車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，通過磨屑帶走的熱量就比較少，容易造成熱量在磨削區的積聚，使磨削區溫度迅速升高，造成工件燒傷以及金相組織的破壞。因此，在傳統磨削的加工工藝中很難應用干磨削加工技術。為了實現干磨削加工，必須設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磨削區的熱量。

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點，為探索普通金屬材料超聲輔助干磨削加工技術的特色與規律，本文對45鋼進行了超聲振動輔助干磨削加工實驗，研究了不同超聲振幅對磨削表面粗糙度的影響以及比較了超聲振動輔助干磨削和普通干磨削表面的燒傷和表面殘余應力情況，實驗結果為超聲振動輔助干磨削技術的深入研究提供基礎參考。

1 超聲振動輔助干磨削實驗

1.1 實驗裝置

圖1為超聲振動輔助干磨削實驗裝置圖，該裝置由超聲波發生器、換能器、變幅桿、工具頭、變幅桿支架以及機床等組成。變幅桿前端與工具頭通過雙頭螺栓連接，變幅桿與換能器通過螺紋連接，整個裝置通過變幅桿支架來固定。其中，超聲波發生器將50～60 Hz的(AC)市電轉化為20 kHz電振蕩信號，提供給換能器，然后換能器將電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動，通過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。根據各種變幅桿的優缺點以及實驗的要求選擇階梯形變幅桿。依據變幅桿設計理論對變幅桿進行理論計算設計［10］，工具頭按全諧振理論進行設計，然后使用ANSYS有限元分析軟件對變幅桿和超聲振動系統進行了模態分析和諧響應分析［11－12］，分析結果與理論設計結果一致。為了研究不同超聲振幅對磨削表面質量的影響，利用超聲波振幅測量儀測量了在空載非磨削條件下超聲振動系統工具頭前端的振幅。

1.2 實驗設備

為了完成超聲振動輔助干磨削加工實驗以及對磨削表面進行測量，本實驗包括以下設備:(1)機床:臥軸矩臺平面磨床，型號M7130;(2)超聲波發生器:型號ZJS－2000型連續調節超聲波發生器;(3)超聲波換能器:型號YP－5020－4D;(4)表面粗糙度測試儀:型號Intra 2;(5)超聲波振幅測量儀:型號YP0901B;(6)光學表面輪廓儀:型號Wyko NT9100。

1.3 磨削條件

超聲振動輔助干磨削實驗條件見表1:

表1 磨削實驗條件

2 實驗結果與分析

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程中，沒有磨削液流過磨削區，磨削產生的熱量更多地進入到工件，使得工件的溫度比濕磨削時的溫度高，高溫使得磨削表面金相組織發生變化，在磨削表面出現氧化變色。而在超聲振動輔助干磨削過程中，由于磨削力的降低使得產生的磨削熱量減少，進而流入工件的熱量減少，從而降低了磨削區的溫度，因此，超聲振動輔助干磨削的表面燒傷比較輕微。

2.2 表面殘余應力

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

2.3 表面粗糙度與三維表面微觀形貌

2.3.1 不同振幅對磨削表面粗糙度的影響

在超聲振動輔助磨削得到的表面粗糙度的研究中，進給量、工作臺速度以及砂輪轉速對表面粗糙度的影響規律，國內外眾多研究人員做了大量的研究，研究的結果表明:超聲振動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，超聲振動輔助磨削得到的表面粗糙度隨進給量、工作臺速度以及砂輪轉速的變化規律和普通磨削得到的表面粗糙度的變化規律一致。但超聲振幅對表面粗糙度的影響規律的研究甚少。因此，本文主要研究了超聲振幅對表面粗糙度的影響。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律，其中Ra為輪廓算術平均偏差，Rq為輪廓均方根偏差。表面粗糙度數據是通過觸針式表面粗糙度儀測量得到的，測量方向垂直于磨痕方向。為了獲得準確的測試數據，每個數據均為通過測量5次然后取的平均值。將測量得到的數據點通過一個二階多項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，這說明超聲振動輔助磨削可以在一定程度上減小磨削表面的粗糙度值，提高磨削表面的質量;在相同的加工參數下，超聲振幅對表面粗糙度也有影響。總體上，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。在不同的修整參數下，磨削表面的粗糙度值最小時，對應的超聲振幅也不相同。當修整砂輪時，進給速度fd越大，磨削表面的粗糙度值達到最小時，對應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，Ra和Rq達到最小時的振幅分別為12 μm、15 μm 和 18 μm 左右。

2.3.2 不同振幅對磨削表面微觀形貌的影響

圖6是使用光學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:進給量ap為20 μm，工作臺速度vw為 3.75 m/s;砂輪修整參數:修整深度ap為10 μm，進給速度fd為50 μm/r。

表2 不同振幅下磨削表面三維形貌表面參數測量值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。超聲振動輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌優于普通干磨削(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，當超聲振幅為12 μm時，其表面微觀形貌優于其他振幅下的表面微觀形貌。當超聲振幅過小或者過大時，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，使用光學表面輪廓儀的分析軟件計算了磨削表面微觀形貌的三維參數Sa和Sq，其計算結果見表2。根據表2的數據，通過一個二次多項式采用最小二乘法擬合得到表面微觀形貌參數隨超聲振幅變化的規律曲線，如圖7所示。由表2和圖7可以看出:超聲振動輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌參數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Sa和Sq的值;與普通干磨削相比，超聲振動輔助磨削所得到表面微觀形貌參數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Sa和Sq的值減小，當振幅值增加到12 μm時，Sa和Sq達到最小值，之后隨著超聲振幅的進一步增大，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律一致。

2.3.3 實驗結果分析

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:當金剛石刃口形狀不變，并且修整深度ad一定時，修整進給量fd越大，砂輪的理論表面粗糙度Rth越大。實驗通過測量不同的砂輪軸向進給速度來確定不同的修整進給量fd。當砂輪軸向進給速度越大，修整進給量fd越大，進而砂輪的理論表面粗糙度Rth也就越大。在磨削過程中，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。對工件施加軸向超聲振動(如圖9所示)，改變了工件與磨粒的相對運動，這有利于磨粒切削刃將磨削表面的峰去除掉，進而改變了磨削表面的粗糙度。從理論上說，當超聲振幅A大于磨削時兩個磨粒切削刃間距，磨削表面峰就會被磨粒去除掉，但是當隨著振幅增大時，由于高頻的超聲振動，工件的最大瞬時速度也會增大，當工件與磨粒作用時，可能會使得磨粒切削刃變平，從而使得兩個磨粒切削刃的間距增大，進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。當修整砂輪的進給量fd即砂輪的軸向進給速度不同時，砂輪修整后兩個磨粒切削刃的間距就不同，因此表面粗糙度值達到最小時對應的超聲振幅也不同。

3 結語

本文對45鋼進行了超聲振動干磨削加工實驗，在本文的實驗條件下可以得出以下結論:

(1)和普通干磨削相比，超聲振動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力為拉應力，而在相同的加工條件下，超聲振動干磨削后的表面殘余應力為壓應力;

(3)在相同的加工條件下，在不同的超聲振幅下超聲振動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應的超聲振幅值也不相同。隨著砂輪修整進給速度fd的增加，磨削表面粗糙度值達到最小時對應的超聲振幅也增大;

(4)在相同的加工條件下，超聲振動輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌優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，超聲振動輔助干磨削加工得到的表面微觀形貌也不相同，當超聲振幅過小或者過大時，磨削表面有著明顯的溝槽，且溝槽深且窄。

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