干式磨削ANSID2淬硬模具鋼的表面完整性實驗研究

郭偉剛　趙從容　吳曉蘇　袁巨龍　鄧乾發

1.浙江工業大學特種裝備制造及先進加工技術教育部重點實驗室,杭州,310014 2.杭州職業技術學院,杭州,310018

干式磨削ANSID2淬硬模具鋼的表面完整性實驗研究

郭偉剛1,2趙從容2吳曉蘇2袁巨龍1鄧乾發1

1.浙江工業大學特種裝備制造及先進加工技術教育部重點實驗室,杭州,310014 2.杭州職業技術學院,杭州,310018

干式磨削具有加工效率高、加工成本低、環境污染小等優勢，廣泛應用于模具加工制造行業。作為零件制造工藝鏈的最后環節，磨削加工后的工件表面完整性決定了產品質量和使用壽命。以淬硬模具鋼ANSID2為加工對象，通過實驗研究干式磨削條件下磨削淬硬模具鋼的加工表面完整性，分析并確定了進給速度、磨削深度等磨削參數對磨削表面層的組織結構、表面層顯微硬度、加工表面粗糙度、殘余應力分布等表面特性的影響規律,為制訂合理的磨削參數、實現淬硬模具鋼干式磨削工藝的優化提供指導。

干式磨削，表面完整性，淬硬模具鋼;實驗

0　引言

隨著現代制造業的快速發展，高效加工和綠色制造成為發展趨勢，高精密和高附加值的零件制造對制造精度和效率提出了更高的要求。磨削加工是精密制造的關鍵加工工藝，廣泛應用于模具加工制造業。傳統磨削過程中，需要注入大量冷卻液以降低磨削溫度，防止工件表面燒傷。冷卻液的大量使用會造成環境污染，其使用和處理費用增加了制造成本[1-3]。干式磨削是指在磨削加工過程中不使用任何冷卻液或磨削液的加工方法[4],由于不需要在加工過程中加入冷卻液，減少了冷卻液的使用和處理費用，降低了加工成本以及加工過程對環境的影響，高效干式磨削成為模具精密磨削加工的發展趨勢。

磨削加工通常作為模具制造工藝鏈的最后環節，其磨削表面完整性決定了產品質量和使用壽命。干式磨削由于缺乏冷卻與潤滑，磨削過程中易引起工件表面熱燒傷，與濕式磨削相比難以控制工件的表面完整性。而磨削加工過程參數對磨削區工件表面溫度、表面完整性等具有重要影響。因此，磨削過程影響因素分析、工藝優化以及相關機理研究成為目前干式磨削領域的研究熱點。張秀麗等[5]進行了玻璃纖維增強復合材料的干式磨削試驗，研究了磨削深度、磨粒粒徑等參數對磨削力的影響;霍文國等[6-7]進行了鈦合金的干式磨削試驗，研究了表面粗糙度、表層組織及硬度隨磨削深度及進給速度的變化趨勢,但所制備的超硬磨料砂輪使用了固體自潤滑結合劑;于曉琳等[8]研究了高體積分數SiCp/Al復合材料干式磨削的表面形成機制，發現工件進給速度對表面粗糙度的影響比磨削深度更顯著[8];此外,Tawakoli等[9]以及Aurich等[10]均通過研究發現,與普通砂輪相比，磨粒結構化排布的砂輪在干式磨削過程中磨削力和表面損傷更小，但表面粗糙度稍大;Anderson等[11]則建立了干式磨削的熱場分布數值模型并進行了實驗驗證。

上述研究揭示了干式磨削過程中磨削過程參數對加工表面特性的影響規律，但都僅對磨削加工表面完整性的某一方面或某幾方面因素進行了研究。本文針對干式磨削表面完整性進行全面系統的實驗研究：以前述研究為基礎，選取砂輪進給速度與磨削深度作為磨削參數，進行ANSI D2淬硬模具鋼的干式磨削實驗，通過實時測量磨削加工溫度，檢測加工表面的粗糙度、殘余應力分布和表面層硬度等加工質量評價指標，并觀察磨削后表面層組織結構，全面分析磨削參數對加工表面完整性的影響，從而為ANSI D2淬硬模具鋼的干式磨削加工參數優化提供指導。

1　實驗條件與方法

1.1實驗材料

ANSI D2是一種優質高鉻冷作模具鋼，其化學成分如表1所示。ANSI D2具有良好的淬透性、高強度、高硬度和高耐磨性，是一種典型的難加工材料，廣泛應用于模具制造業。本實驗中所用淬硬模具鋼ANSI D2試件硬度為HRC61，其金相組織由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成，如圖1所示。

表1　淬硬模具鋼ANSI D2化學成分(質量分數)　%

圖1　ANSI D2基體金相組織圖

1.2實驗設備及實驗參數

磨削實驗采用WA46L8V白剛玉砂輪在MA6025萬用磨床上進行。磨削實驗參數見表2。實驗過程中，磨削溫度采用熱電偶測量，通過NI9219數據采集卡實時采集溫度信號。磨削實驗系統示意圖見圖2。磨削表面完整性的研究主要通過磨削表面層的殘余應力分布、顯微硬度分布和表面粗糙度等指標進行分析。表面粗糙度通過SRM-1測量儀測量,表面層顯微硬度采用HVS-1000A數顯測量儀測量,表面層殘余應力通過XRD-7000型X射線衍射儀測量。已加工表面層的金相組織通過Keyence VHX-600光學顯微鏡觀測。

表2　磨削實驗參數

注:逆磨,不加冷卻液。

2　實驗結果及討論

2.1磨削溫度

磨削溫度是影響加工表面完整性的重要因素，也是研究磨削表面形成機理的重要條件。圖3所示為試件7在磨削過程中實測的磨削溫度曲線。由圖3可見，當砂輪經過磨削表面的熱電偶時，溫度信號在0.8 s內迅速升高到1180 ℃，然后以300 ℃/s的速度迅速降溫。可見，磨削加工是一個典型的快冷快熱的過程，這是引發磨削表面組織相變和表面成形的關鍵因素。

圖3　磨削試件7溫度曲線

結合表2,由圖4可以看出,磨削參數對磨削溫度有很大影響。如圖4a所示，隨著磨削深度的增大,磨削溫度迅速升高,在磨削深度為0.04 mm(試件1)和0.08 mm(試件2)時,磨削溫度在相變溫度Ac3下,對磨削表面層產生回火作用。在磨削深度為0.12 mm(試件3)和0.16 mm(試件4)時,磨削溫度高達1000 ℃以上,遠高于相變溫度Ac3。如圖4b所示,在磨削深度固定在0.10 mm時,磨削溫度均高于相變溫度Ac3，磨削溫度先隨進給速度的增加而升高，當進給速度為16 mm/s時，磨削溫度反而降低。這表明當磨削進給速度增加到一定量時，砂輪和工件表面的接觸時間減少，由于工件吸收的熱量減少,造成磨削區工件溫度降低。

(a)不同磨削深度下的工件表面磨削溫度

2.2磨削表面變質層

由于磨削溫度的作用，在磨削表面將產生變質層。隨著磨削溫度的變化，磨削表面變質層的厚度和組織結構也會相應改變。磨削表面組織結構分為白層、過渡層和黑層。將磨削工件表面的截面制成金相試樣拋光為鏡面，腐蝕后在Keyence VHX-600光學顯微鏡下觀測，可以觀測到不同的磨削表面層組織結構。圖5所示為試件1的表面層金相組織。與基體材料金相組織相比，試件1和試件2磨削表面層產生均勻黑色晶粒形成的黑層。這種黑層是由于磨削表面層溫度低于相變溫度Ac3，表面發生回火作用而形成的。觀測其他6個試件的磨削表面層組織，發現均由白層、過渡層和黑層形成。圖6所示為試件4的磨削表面層組織結構，可見其表面白層由均勻致密的白色晶粒和小顆粒硬質點組成，在表面白層下是過渡層，過渡層內同時存在白層和黑層的晶粒，在過渡層下是黑層。表面白層的形成與磨削溫度密切相關。產生這種組織結構的原因為：當磨削表面層溫度高于相變溫度Ac3時,表面層將產生相變,磨削表面經歷快冷快熱過程，形成二次淬火馬氏體組織而產生白層。雖然磨削表面溫度很高，但是在磨削表面層內部存在巨大的溫度梯度分布情況，沿磨削表面向下溫度迅速降低,當表面層內溫度低于相變溫度Ac3時，將產生回火黑層組織。所以，磨削表面變質層的形成是由磨削表面溫度決定的。

圖5　試件1表面層金相組織

(a)白層部分

(b)過渡層部分

(c)黑層部分圖6　試件4磨削表面層金相組織

(a)不同磨削深度下的工件表面變質層厚度

(b)不同進給速度下的工件表面變質層厚度圖7　磨削深度和進給速度對磨削表面變質層厚度的影響

磨削表面變質層的厚度受磨削參數的影響也很大。如圖7a所示，試件1～4表面變質層深度隨磨削深度的增大(表2)變質層厚度和組織結構變化很大。試件1和試件2表面變質層為黑層，變質層厚度在200 μm左右，而試件3和試件4表面變質層由白層、過渡層和黑層組成，試件4的變質層厚度高達1000 μm,其黑層厚度高達400 μm。可見,表面變質層厚度隨磨削深度的變化趨勢與磨削溫度變化趨勢(圖4a)一致。表面變質層的形成是由磨削溫度及磨削熱的影響區深度決定的。如圖7b所示，試件5～8的表面變質層均由白層、過渡層和黑層組成，其中白層厚度均在200～300 μm 左右，而黑層厚度差異很大，試件5黑層厚度最大，高達450 μm，而試件7和試件8黑層厚度較小，均在150 μm 左右。可見,磨削進給速度對黑層和表面變質層厚度的影響很大。磨削進給速度小，砂輪與工件表面接觸時間長，磨削熱大量聚集，傳入工件表面，在工件表面層形成較大的熱影響區和溫度梯度分布，因此在遠離加工表面且磨削溫度低于相變溫度Ac3時，產生回火黑層組織。隨著進給速度增加，砂輪與工件表面接觸時間縮短,磨削熱聚集減弱，在工件表面層產生的熱影響區變小，表面變質層厚度和黑層厚度也相應減小。因此，選擇合適的磨削深度和較大進給速度可以將磨削表面變質層和黑層厚度控制在一定范圍內，提高表面質量和零件壽命。

2.3磨削表面層顯微硬度

磨削表面層顯微硬度是研究磨削表面完整性的重要指標，也是反映表面層金相組織的重要參考。如圖8a所示,磨削深度對磨削表面層顯微硬度分布的影響較大，試件1和試件2由于磨削溫度較低，表面產生黑層回火組織。該回火組織硬度較低，以回火屈氏體為主，造成磨削表面硬度降低。從顯微硬度分布來看，低硬度回火組織厚度約為200 μm。試件3和試件4磨削溫度較高，并且在磨削過程中快冷快熱作用下產生二次淬火馬氏體組織，這種均勻致密白色組織硬度較高,因此磨削表面硬度較高，試件3表面硬度高達925HV,遠高于試件基體硬度712HV(61HRC)。較高的磨削溫度和溫度梯度分布造成白層以下產生硬度較低的回火組織，從顯微硬度分布觀察分析看出，試件3和試件4表面變質層厚度分別達到550 μm和1000 μm。可見，選擇合適的磨削深度可以有效控制表面層組織,在產生高硬度白層的同時減小變質層厚度，特別是較軟的黑層厚度，有利于提高零件表面質量和使用壽命。

(a)不同磨削深度下的工件表面層顯微硬度

(b)不同進給速度下的工件表面層顯微硬度圖8　磨削深度和進給速度對磨削表面層顯微硬度的影響

如圖8b所示，由于在磨削深度0.10 mm的條件下，試件5～8均在表面產生二次淬火馬氏體組織組成的白層，因此表面硬度均高于基體硬度。試件5和試件6的進給速度較小，磨削熱易于聚集，工件表面熱影響區與溫度梯度較大,導致低硬度黑層厚度較大。隨著進給速度的增大,試件7和試件8工件表層熱影響區較小，相應黑層厚度也較小，與金相組織觀測分析結果吻合。因此，選擇較大進給速度可有效控制磨削變質層厚度，特別是黑層厚度。

2.4磨削表面層殘余應力

磨削表面層殘余應力分布直接影響零件使用壽命。如圖9所示,由試件3和試件4表面層殘余應力分布對比可看出，試件3磨削表面兩個方向的殘余應力σxx、σyy均為殘余壓應力，大小為200 MPa左右,而試件4兩個方向的殘余應力σxx、σyy均為殘余拉應力。由于試件4磨削溫度高達1590 ℃，且試件4表面層組織分布極不均勻，有較厚的黑層,所以在磨削快冷快熱的過程中，因組織間密度不同,熱脹冷縮量不同，對表面層產生殘余拉應力。相反，試件3磨削深度較小，磨削溫度遠低于試件4的磨削溫度，因此其表層組織分布較均勻，且由于磨粒的擠光作用，在工件表面產生了殘余壓應力。試件8與試件3相比，磨削溫度略低，但是由于采用了較大的進給速度,使熱影響區減小，因而表面殘余應力更均勻。可見,選用適合的磨削深度可以獲得表面殘余壓應力，提高零件的抗疲勞性能，而選用較高的進給速度也能改善殘余應力分布，獲得良好的表面層殘余應力分布狀況。

(a)試件3的磨削表面層殘余應力

(b)試件4的磨削表面層殘余應力

(c)試件8的磨削表面層殘余應力 圖9　磨削表面層殘余應力對比

2.5磨削表面粗糙度

表面粗糙度是滿足零件設計要求的重要指標，磨削加工是零件制造的最后精加工環節，控制其加工表面粗糙度十分重要。如圖10a所示，隨著磨削深度的增大，試件1至試件4的表層磨削溫度逐漸升高，塑性變形作用增強，磨粒與工件之間會產生黏附現象,造成磨削表面粗糙度值逐漸增大。如圖10b所示，隨著進給速度的增大，磨削表面粗糙度迅速增大，分析其原因為：當進給速度較低時，主要通過砂輪磨粒的切削作用實現材料去除，工件表面粗糙度主要由磨粒切削產生的劃痕交疊而成，劃痕兩側耕犁導致的塑性隆起較小。而隨著進給速度的不斷增大，材料表面塑性流動顯著增加，耕犁作用明顯，部分材料沒有被磨粒切除，而是從磨粒的側面流動，在劃痕兩側形成塑性隆起，導致表面粗糙度迅速增大。因此，在選用進給速度時，必須考慮能夠獲得滿足設計要求的表面粗糙度。

(a)不同磨削深度下的工件表面粗糙度

(b)不同進給速度下的工件表面表面粗糙度圖10　磨削深度和進給速度對磨削表面粗糙度的影響

基于上述對磨削淬硬模具鋼ANSI D2的表面完整性實驗研究，在選擇磨削參數時，選用磨削深度0.10 mm、進給速度16 mm/s時,可以獲得適合的磨削溫度,在表面產生高硬度二次淬火馬氏體組織,以保護工件表面,同時控制表面變質層厚度和黑層厚度，獲得良好的磨削表面殘余壓應力,在此參數下獲得的加工表面粗糙度Ra=0.21 μm。

3　結論

本文通過對干式磨削淬硬模具鋼表面完整性進行綜合實驗研究,以淬硬模具鋼ANSI D2為例,分析了磨削參數對干式磨削加工表面完整性的影響。

(1)在干式磨削條件下,磨削深度對磨削加工溫度起主要影響作用。較大磨削深度產生較高的磨削溫度，在磨削表面產生高硬度二次淬火馬氏體的同時，將同時產生較大的表面變質層厚度和黑層厚度，并產生表面殘余拉應力，使磨削表面質量惡化。較小的磨削深度會使表面磨削溫度過低而產生低硬度的回火黑層組織，不利于保護零件表面。

(2)在干式磨削條件下，較大的進給速度有利于防止磨削熱的大量積聚，可以降低磨削溫度，較好地控制磨削表面熱影響區，減小表面變質層厚度和黑層的厚度，在表面獲得良好的殘余壓力狀態。但是，較大的進給速度會使表面粗糙度變大，因此需要選擇能夠滿足粗糙度設計要求的進給速度。

(3)在本文加工條件下，對于干式磨削淬硬模具鋼ANSI D2,首先應該選擇合適的磨削深度0.10 mm，控制加工時的磨削溫度在合理的范圍內,保證二次淬火馬氏體的產生。然后,在滿足表面粗糙度的條件下選取較大的進給速度16 mm/s,以抑制黑層厚度，并提高加工效率。

(4)磨削參數對磨削加工表面完整性有較大影響。采取干式磨削，選擇合理的磨削加工參數可以在保證獲得良好的表面完整性的條件下，提高磨削加工效率。同時由于完全不采用冷卻液，故可以減小冷卻液的使用和處理成本，從而節約資源、保護環境，實現綠色制造。

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(編輯蘇衛國)

Experimental Study of Surface Integrity for Hardened Mould Steel ANSI D2 Using Dry Grinding

Guo Weigang1,2Zhao Congrong2Wu Xiaosu2Yuan Julong1Deng Qianfa1

1.Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Machining Technology, Ministry of Education,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310014 2.Hangzhou Vocational & Technical College,Hangzhou,310018

Dry grinding was widely used in the manufacturing of mold because of its advantages including high machining efficiency,low cost and little pollution.As one of the last steps in the manufacturing process,the ground surface integrity determined the product quality and life.Herein surface integrity of hardened mould steel ANSI D2 under dry grinding was experimentally studied.the influences of feeding speed and cutting depth on surface integrity including the surface structures,micro-hardness, surface roughness and residual stress were studied,which provides guidance for the determination of grinding parameters and the optimization of dry grinding process of hardened mould steel.

dry grinding;surface integrity;hardened mould steel;experiment

2014-10-15

國家自然科學基金資助項目(51375455);浙江省自然科學基金資助項目(LQ13E050002)

TG156< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.002

郭偉剛,男,1980年生。浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室博士研究生,杭州職業技術學院副教授。主要研究方向為超精密加工技術與裝備、先進模具設計與制造。發表論文20余篇。趙從容，女，1969年生。杭州職業技術學院講師。吳曉蘇，男，1963年生。杭州職業技術學院教授。袁巨龍，男，1962年生。浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室教授、博士研究生導師。鄧乾發，男，1972年生。浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室助理研究員。