20CrMnTi鋼齒面局部點磨削力實驗

劉　謙， 楊理鈞， 田欣利， 王　龍， 閆鵬輝

(1. 裝甲兵工程學院裝備維修與再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072;2. 陜西法士特齒輪有限責任公司工藝研究所， 陜西 西安 710119)

?

20CrMnTi鋼齒面局部點磨削力實驗

劉謙1， 楊理鈞1， 田欣利1， 王龍1， 閆鵬輝2

(1. 裝甲兵工程學院裝備維修與再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072;2. 陜西法士特齒輪有限責任公司工藝研究所， 陜西 西安 710119)

摘要：為研究20CrMnTi鋼齒面局部點磨削過程的磨削機理，建立了20CrMnTi鋼齒面局部點磨削實驗系統，提供了一種探索磨齒機理的模擬手段，跟蹤觀察了齒面劃痕的磨削效果和微觀形貌，擬定正交試驗條件，測量了不同試驗條件下局部點磨削過程的磨削力變化。結果表明：磨痕顯微形貌存在明顯的塑性隆起、應變硬化和熱軟化跡象；試件磨削力隨著磨削速度的增大而減小，卻隨著進給速度和磨削深度的增大而增大；相對于法向磨削力，進給速度對切向磨削力的作用更為顯著。

關鍵詞：20CrMnTi鋼； 齒面； 磨削力； 磨削機理

齒輪不僅是機械傳動的核心元件，而且是制造業的關鍵基礎件[1-2]。磨削加工是18CrMnNiMo、20CrMnTi和20CrMnMo等[3-6]滲碳鋼齒輪的最終工序和主要精加工手段，其中蝸桿砂輪磨齒和成型砂輪磨齒已成為市場競爭的主流技術[7-9]。目前，國內學者已針對磨齒進行了實驗研究，如：趙艷杰等[10]闡述了蝸桿砂輪磨齒的工作原理，主要針對蝸桿砂輪磨齒中的齒輪燒傷問題，對產生燒傷的原因進行了分析并提出了解決措施；丁軍鵬[11]進行了成形磨齒實驗，研究了粗磨和精磨下磨削工藝參數的影響，為磨齒加工提供了實驗依據。但上述實驗大多針對磨齒全過程，關于磨齒局部點磨削的研究還較少。利用蝸桿砂輪展成法磨削直齒輪和用擴口杯砂輪磨削螺旋錐齒輪時，理想狀態下齒面與砂輪為點或線的局部接觸。齒面上每個瞬時磨削的局部點近似于普通外圓磨削，齒面磨削的接觸弧為延長擺線，過程復雜且受偶然因素影響較大。因此，為方便研究磨削過程，筆者運用薄片砂輪對20CrMnTi鋼齒面局部點進行磨削，研究不同加工參數作用下的磨削痕跡和磨削力，提供一種初步探索高效精密磨削工藝的可行性手段，以期更好了解局部點磨齒的磨削機理，為下一步的蝸桿砂輪展成磨齒實驗提供指導。

1實驗材料

采用圖1所示的薄片型燒結金剛石砂輪對齒面局部點進行磨削，其砂輪外徑為100mm。工件采用20CrMnTi滲碳淬火鋼齒條，模數為4mm，齒長為100mm, 齒寬為30mm，表面硬度為58～62HRC，密度為7 800kg/m3，彈性模量為207GPa，泊松比為0.25。

圖1薄片型燒結金剛石砂輪

圖2為20CrMnTi滲碳鋼的齒面局部點磨削實驗系統。將薄片砂輪固定在FANUCBV75立式加工中心主軸高速旋轉，在無冷卻液條件下完成對齒面磨削力的測量實驗，且取3次實驗所測磨削力最大值的平均值作為衡量指標。

選用瑞士KISTLER94272型號的高性能應變片式車銑鉆磨通用測力儀，測量范圍設為0～1 000N，采樣頻率設為10kHz。采用愛國者GE-5光學放大鏡觀察劃痕效果，其可與電腦連接，在顯示屏上顯示待測物品的形貌。采用NovaNanoSEM450型環境掃描電子顯微鏡觀察齒面磨削痕跡的微觀形貌。

圖2齒面局部點磨削實驗系統

2結果與分析

金屬材料變形過程常伴有大應變、高應變率和較高的溫升，同時存在應變硬化、應變率強化以及熱軟化3種作用[12-13]。圖3、4分別為對20CrMnTi鋼齒面放大50倍的磨痕效果及磨削痕跡的微觀形貌。可以看出：1)磨痕兩側會形成塑性隆起，溝槽底部材料有塑性應變強化和熱軟化痕跡；2)磨痕底部沿磨削方向存在磨粒產生的微觀劃擦痕跡。由上述現象可推測：20CrMnTi齒面去除時也存在應變硬化、應變率強化及熱軟化3種作用。

圖3磨痕效果微觀形貌

圖4磨削痕跡微觀形貌

在磨削過程中，砂輪主要受到沿砂輪線速度方向的切向摩擦力和垂直于齒面方向的法向摩擦力；而在垂直進給方向上，磨痕兩側對磨粒的摩擦力和擠壓力很小，可以忽略。針對磨削速度、進給速度和磨削深度3個磨削用量因素，根據表1中正交試驗條件對20CrMnTi鋼齒面局部點磨削的磨削力進行研究。

表2、3分別為法向磨削力和切向磨削力的直觀分析和方差分析結果。由表2可知：磨削速度、進給速度和磨削深度3個因素在各水平下平均法向磨削力的極差分別為2.55、0.6、7.4，F比分別為0.301、0.017、2.682，這說明對法向磨削力的影響程度按進給速度、磨削速度、磨削深度依次增強。同樣，由表3可知：進給速度、磨削速度和磨削深度對切向磨削力的影響程度依次增強；此外，切向磨削力的進給速度F比為0.131,顯然大于法向磨削力的0.017，說明進給速度對切向磨削力的影響程度大于法向磨削力。

分別取表2、3中不同水平的磨削用量作為橫坐標，以對應不同水平條件下的平均法向力和平均切向力作為縱坐標，繪出各磨削用量與平均磨削力之間的變化關系曲線，如圖5所示。由圖5(a)可知：磨削力隨著磨削速度的增大而減小。其原因為：當砂輪線速度增大時，導致單位時間內參與切削的磨粒數量增多，且相對減小了單顆磨粒的最大未變形切屑厚度。由圖5(b)可知：磨削力隨著進給速度的增大而略有增大的趨勢，但變化不明顯。其原因為：隨著進給速度的增大，單位時間內去除的材料有所增多。由圖5(c)可知：磨削力隨著磨削深度的增大而增大。其原因為：隨著磨削深度的增大，導致切屑未變形厚度和切屑變形抗力的增大。

圖5平均磨削力隨磨削用量的變化關系曲線

3結論

通過建立20CrMnTi鋼齒面局部點磨削實驗系統，對磨削力和磨痕顯微形貌進行了探討，磨痕形貌分析表明磨痕溝槽底部材料有塑性應變強化和熱軟化痕跡，可推測齒面材料去除過程同時存在應變硬化、應變率強化以及熱軟化3類作用；對20CrMnTi鋼齒面局部點磨削的磨削力進行了正交試驗分析，發現進給速度、磨削速度和磨削深度對法向磨削力的影響程度依次增強，且與法向磨削力相比，進給速度對切向磨削力的作用更顯著；磨削力隨著進給速度和磨削深度的增大而增大，但隨著磨削速度的增大而減小。對齒面局部點磨削力和磨痕形貌的研究為下一步研究齒面磨削機理提供了指導。

參考文獻：

[1]張展.齒輪傳動的失效及其對策[M]. 北京：機械工業出版社,2011：3-8.

[2]金榮植.齒輪的熱處理畸變、裂紋與控制方法[M]. 北京：機械工業出版社,2014：208-211.

[3]孟羽,謝付英,周小明,等.20CrMnTi鋼齒輪滲碳淬火開裂原因分析[J].金屬熱處理,2011,36(3):109-110.

[4]程曉敏,吳興文,陶應龍.20CrMnTi鋼滲碳層深度和表層碳濃度分布的數值模擬[J].金屬熱處理,2004,29(2):53-55.

[5]黃建斌,彭振,王從曾.18CrMnNiMo齒輪磨削裂紋及淬火裂紋失效分析[J].熱加工工藝,2005,(9):60-61.

[6]彭庚翠.20CrMnMo鋼重載齒輪軸磨削裂紋控制與熱處理工藝改進[J].金屬熱處理,2011,36(4):93-95.

[7]呂張來,李志峰,趙旭.漸開線螺旋齒輪的成形磨削研究[J].機械設計與制造,2013,(10):136-138.

[8]何坤,李國龍,周泓曲,等.凸節曲線非圓齒輪蝸桿砂輪磨削加工方法[J].重慶大學學報,2015,38(1):140-147.

[9]郭輝,趙寧,項云飛,等.六軸數控蝸桿砂輪磨齒機磨削面齒輪的方法[J]. 機械工程學報,2015,51(11):186-194.

[10]趙艷杰,屈飛虎,呼延亮,等.基于蝸桿砂輪磨齒機的齒輪磨齒燒傷分析[J].機械工程師,2016,36(1):209-210.

[11]丁軍鵬.齒輪成形磨削工藝參數優化及實驗研究[D].洛陽：河南科技大學，2011.

[12]ChenHF,TangJY,ZhouW.ModelingandPredictingofSurfaceRoughnessforGeneratingGrindingGear[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology, 2013, 213(5):717-721.

[13]TangJY,YinF,ChenXM.ThePrincipleofProfileModifiedFace-gearGrindingBasedonDiskWheel[J].MechanismandMachineTheory, 2013, 70(6):1-15.

(責任編輯: 尚菲菲)

Experiment of Local Point Grinding Force on the Tooth Surface of 20CrMnTi Steel

LIUQian1,YANGLi-jun1,TIANXin-li1,WANGLong1,YANPeng-hui2

(1.NationalDefenseKeyLaboratoryforRemanufacturingTechnology,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China；2.TechnologicalResearchInstitute,ShaanxiFashiteGearCo.Ltd.,Xi’an710119,China)

Keywords:20CrMnTisteel;toothsurface;grindingforce;grindingmechanism

Abstract：Tostudygrindingmechanismonlocalpointgrindingof20CrMnTisteeltoothsurface,thelocalpointgrindingtestsystemoftoothsurfaceisestablished,whichprovidesasimulationmethodtoexplorethegrindingmechanism.Themicroscopicmorphologyandtheeffectofgrindingtraceareobserved,andthechangesofgrindingforcesignalsindifferentgrindingconditionsaremeasuredbydrawinganorthogonalexperiment.Themicrotopographyofgrindingtraceshowsthatthereareobviousplasticbulge,strainhardeningandthermalsoftening.Thegrindingforcedecreaseswiththeincreaseofgrindingspeed,butincreaseswiththeincreaseoffeedspeedandgrindingdepth.Theeffectoffeedrateontangentialforceismoresignificantthanthatofnormalforce.

文章編號：1672-1497(2016)03-0090-04

收稿日期：2016-03-25

基金項目：國家科技重大專項(2015ZX04003006)

作者簡介：劉謙(1973-)，男，副教授，博士。

中圖分類號：TG580.1；TH142.2

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.019