超高速預應力磨削實驗研究*

劉曉初，陳　凡，何銓鵬，馮明松，郭瑩瑩，黃　駿

(廣州大學 a.機械與電氣工程學院; b.金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州　510006)

?

超高速預應力磨削實驗研究*

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 a.機械與電氣工程學院; b.金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州510006)

基于一種預應力切削方法及理論，進行了GCr15軸承鋼預應力磨削實驗，對磨削力進行了測量，并分析了加工后的工件表面形貌。實驗結果表明：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，但基本不受預應力的影響；隨著預應力的增大，加工表面的殘余拉應力逐漸下降，逐漸產生殘余壓應力，磨削燒傷程度和凹痕深度略微加深，但預應力在某一區間時，工件表面質量較好，且存在殘余壓應力，從而驗證了超高速預應力磨削的可行性。

預應力；超高速磨削；表面形貌；GCr15軸承鋼

0　引言

已加工表面殘余應力是表面質量的重要指標，機械零件表面的殘余壓應力有利于其疲勞壽命和抗化學腐蝕性能的提高，而殘余拉應力的效果則相反[1-2]。而單純地切削、銑削、磨削等加工方法往往會在已加工表面形成殘余拉應力，不利于機械零件的疲勞壽命和抗化學腐蝕性能。為此，許多專家學者致力于研究機械零件已加工表面殘余壓應力的形成原理及控制方法。目前多種調整和控制工件表層殘余應力的方法，如熱處理、熨壓、滾壓、噴丸等，然而這些方法都需要專用設備，工藝操作難度較大，材料成本與工藝成本都較高，在應用上受到了一些限制[3]。還有些學者通過優化刀具參數和改變切削參數來獲得工件表面殘余壓應力[4]。1987年華南理工大學周澤華[5-6]教授根據切削加工的特點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力的預應力切削方法，為表面殘余應力的控制提供了理論依據。華南理工大學葉邦彥[7]等通過軸承套圈預應力硬態切削實驗而獲得了合適的殘余壓應力狀態和良好的表面質量。上海交通大學張雪萍[8]、美國普渡大學工業工程學院Liu C.Richar等研究了有利于提高硬態切削滾動軸承疲勞壽命的殘余應力臨界條件，提出了滾動軸承耦合具體服役工況的超精硬切削參數的優選方法體系；廈門大學郭隱彪、Dale W.Schwach等人研究表明，經高速硬態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磨削后的表面[9-10]。在超高速磨削方面，如湖南大學盛曉敏[11]先后研究了45鋼、40Cr和TC4鈦合金的超高速磨削工藝。南京航空航天大學田霖[12]等人進行了單顆磨粒高速超高速磨削試驗，測量了單顆磨削力，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。

基于一種預應力切削加工方法，對GCr15軸承鋼進行超高速磨削加工實驗，測量預應力加工時的磨削力，并對加工工件表面形貌進行掃描，揭示了預應力、磨削用量與磨削力之間的耦合規律。為超高速預應力磨削加工的可行性提供實驗依據。

1　實驗準備

1.1工件材料

為更明顯的觀測在預應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力值，采用未經熱處理過的GCr15軸承鋼材料，其化學成分如表1所示。工件尺寸為20×20×60mm，采用的加工工序為先下料，通過線切割切除表面，使用50m/s的磨床對工件表面進行磨削加工，鉆中心孔，最后對工件攻絲處理，工件實物如圖1。

表1　GCr15的化學成分

圖1　試件實物圖

1.2夾具制作

超高速預應力磨削實驗過程中需要對工件施加預應力，為實現對工件兩端進行預應力拉伸，需制作特定的預應力拉伸裝置，本實驗中采用一種凹形夾具(如圖2所示)作為工件加工預應力拉伸裝置。當擰緊螺母時，螺栓受到拉力，從而工件兩端受到拉伸預應力，螺母擰的越緊，工件所受拉伸預應力越大，因此，可以通過控制螺母的松緊來獲得所需預應力值。

圖2　預應力拉伸裝置

1.3預應力值的測量

為能夠準確測量在加工工件表面的預應力大小，采用北京波普WS-3811數字式應變數據采集儀(圖3)對工件表面預應力進行實時測量，其相關預應力信號通過工件表面粘貼的應變片來檢測(圖4)。

本實驗中所采用的測量橋路為單臂1/4橋路，工件加工表面精度比較高，可以近似將工件當作連續體，近似將各個面表面變形看成為等應變。為了更精確計算工件表面應變，保持拉伸力情況不變，并對工件表面進行定量測定，工件在預應力情況下，達到穩定的時候開始對工件表面進行數據采集，最終取其穩定值中的最大值對其進行求解。

圖3　數字式應變數據采集儀　 　圖4　工件應變片貼片

由于工件獲得預應力是通過人為擰緊螺母來實現的，故在實驗過程中預應力的實際值與實驗預想值之間有存在誤差，但是這種誤差對于實驗之后的分析并沒有過多的影響。本實驗對六組工件進行了編號，第一組作為對照沒有施加預應力，其它組測量的預應值如表2。

表2　實驗預應力參數值

1.4超高速磨削加工設備

實驗選用由杭州機床廠生產的MKL7132X8/17型超高速數控強力成形磨床(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　實驗設備

考慮到砂輪工作表面對工件表面完整性的影響，在GCr15軸承鋼的預應力磨削實驗前利用金剛石滾輪對砂輪表面進行修整。

2　預應力磨削實驗設計

磨削實驗過程中，采用Kistler測力儀對加工過程中所產生的力進行測量和記錄，再將相關力學信號導入Matlab軟件進行后處理，得到相應的力學數據。具體的正交實驗方案如下表3～表6所示。

表3　變預應力加工參數磨削試驗

表4　變磨削深度加工參數磨削試驗

表5　變砂輪轉速加工參數磨削試驗

表6　變工作臺加工參數磨削試驗

磨削實驗加工完后，采用日本基恩士公司型號為：VHX-1000對工件表面磨削表面形貌進行測量，并針對性的對表面形貌進行分析。最后使用SRSS3-1型靜態應變儀對工件表面殘余應力進行測量。

3　實驗結果分析

3.1磨削力分析

圖6　磨削力信號

在磨削過程中，利用Kistler9257BA測力儀將磨削力轉換成電信號，這些電信號經放大器和濾波器處理后可通過Matlab軟件(采用頻率為5000Hz)再次轉換成磨削力并顯示在計算機中。而測力儀可分別測量砂輪的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn和軸向磨削力Fa，但由于本實驗中工件始終水平放置，Fa的影響可忽略，所以只需研究磨削用量與Ft、Fn的耦合規律。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如圖6所示。

3.1.1預應力對磨削力的影響

圖7　預應力與Ft和Fn的關系

如圖7所示，在不同預應力條件下進行磨削，工件所受到的切向磨削力和法向磨削力變化不明顯，但比無預應力時的磨削力要稍大，且法向磨削力與切向磨削力的比值穩定在5左右。這是因為工件表面在預應力效應下發生了彈性形變，間接增加工件的表面強度，磨削力比無預應力磨削時大，而單位時間內起切削作用的總磨粒數沒有明顯變化，故預應力磨削時磨削力處于穩定的狀態。

3.1.2砂輪線速度對磨削力的影響

圖8　砂輪線速度與Ft和Fn的關系

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，這是因為砂輪線速度增大，即使單位時間內起切削作用的總磨粒數增多，但每顆磨粒的最大未變形磨屑厚度減小，導致磨削力減小。此外，由于砂輪與工件的接觸弧長變化非常小，相對法向磨削力而言，切向磨削力的變化不明顯。

3.1.3工件速度對磨削力的影響

圖9　工件速度與Ft和Fn的關系

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，工件速度約為5m/min時，磨削力趨于穩定狀態。這是因為工件速度增大，砂輪與工件的接觸弧長增長，且單位時間內材料的去除量增大，使單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度增大，從而導致磨削力增大。

3.1.4磨削深度對磨削力的影響

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，這是因為磨削深度增大，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增長，且起切削作用的總磨粒數增多，使磨削力增大。

圖10　磨削深度與Ft和Fn的關系

3.2工件表面殘余應力分析

本實驗中通過SRSS3-1應力在線檢測儀對工件表面殘余應力進行測量，工件在預應力磨削加工過程中工件表面殘余應力對應值如下圖所示，從圖11可以分析得出，工件表面殘余應力從未加工的320MPa殘余拉應力，經過預應力拉伸磨削加工之后，表面殘余應力值是呈現下降的趨勢。當預應力為15MPa左右時，工件加工表面會出現殘余壓應力，在預應力達到55.809MPa時，工件表面殘余應力降至-150MPa，為殘余壓應力可見超高速預應力磨削加工會產生殘余壓應力。

圖11　預應力與加工后工件表面殘余應力關系

3.3表面形貌分析

利用超景深顯微鏡分別將在不同預應力條件下(0～55.8MPa)磨削的工件表面放大500倍后進行分析，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則，只有朝著單一方向的紋理，這是因為實驗過程中砂輪始終保持逆時針旋轉狀態，即磨粒沿同一方向對工件表面進行滑擦、耕犁和切削。另一方面，磨削過程中工件表面的燒傷程度隨著預應力增大而略微加深，當預應力為55.8MPa時，會產生明顯的燒傷。對比圖11可知，預應力在30～40MPa左右時，工件表面不但可產生殘余壓應力，而且工件表面質量較好。由此可證明預應力超高速磨削加工時可行的。

4　結論

(1)磨削力與磨削深度、工件速度成正相關關系，與砂輪線速成負相關關系，但基本不受預應力的影響。

(2)實驗中，隨著預應力的增大，工件表面的燒傷程度、凹痕深度略微加深。

(3)預應力足夠大的情況下工件磨削后將形成殘余壓應力層，但在30～40MPa時加工后的工件表面質量較為理想，由此證明了預應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：機械工業出版社，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. 預應力加工表面殘余應力的理論分析[J]. 華南理工大學學報：自然科學版，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.滾動軸承超精硬切削參數優選方法體系[J].上海交通大學學報，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[M].北京：機械工業出版社，2010.

[12] 田霖，傅玉燦，楊路，等. 基于速度效應的高溫合金高速超高速磨削成屑過程及磨削力研究[J]. 機械工程學報，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，FENG 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

國家自然科學基金項目項目：輕薄軸承超高速離心式無心磨削及表面殘余應力形成機理研究(51275100)；廣州市科技計劃項目：基于一種制造新方法的軸承超高速離心式磨床的研發，(201508010051)；廣州市科技計劃項目：廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室(穗科信字[2013]163-19)

劉曉初(1964—)，男，教授，湖南耒陽人，廣州大學博士，研究方向為智能裝備及機器人、綠色設計與制造，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

TH16;TG506

A