18CrNiMo7-6鋼旋轉彎曲疲勞試樣磨削工藝優化*

王 棟，李 寧，張錦濤

(鄭州大學 a.機械與動力工程學院；b.河南省資源與材料工業技術研究院，鄭州 450001)

0 引言

目前，高端裝備零部件存在壽命短、可靠性差、結構重等三大問題，我國總體仍處于成形制造階段[1]。在齒輪、軸等零件破壞中有50%～90%屬于疲勞斷裂，是最常見的破壞形式[2]。隨著航空航天等高科技產業的發展，高端裝備制造業對長壽命關鍵零部件具有迫切需求，趙振業院士提出無應力集中抗疲勞概念，大力倡導第三代先進制造技術—抗疲勞制造，相比于成形制造，抗疲勞制造將關鍵構件的疲勞壽命提高幾十倍至幾百倍，可靠性也得到顯著提高。

大多數描述材料疲勞性能的S-N曲線，都是利用小尺寸試樣在旋轉彎曲對稱循環載荷作用下得到的，且常見的齒輪失效原因是彎曲疲勞[3]。一些學者[4-8]對滲碳影響旋轉彎曲疲勞性能的程度開展了研究，發現對零部件表面進行滲碳處理可以改善材料的彎曲疲勞性能。滲碳被認為是提高承受彎曲疲勞和滾動接觸疲勞的高應力機械零件表面耐磨性最廣泛使用的工藝之一，滲碳在工件表面和近表面引入殘余壓應力，從而可以提高彎曲疲勞性能[9-10]。滲碳后經過淬火，能夠獲得高的硬度以及疲勞強度，使零部件能夠承受較大的沖擊載荷。但目前對滲碳淬火后旋轉彎曲疲勞試樣的磨削加工工藝以及形位公差、尺寸公差測量的研究很少。一些試驗采用逐級升高砂紙目數手工磨拋的方式對疲勞試樣進行磨削，由于無法控制研磨速度、研磨壓力等參數一致，可能致使試樣的標距段由圓形變為橢圓形，影響試驗結果的準確性。由于零件在熱處理過程中產生內應力會導致不同程度的變形，影響零部件的精度及使用，甚至產生變形超公差、開裂等問題而導致產品報廢，并且國標GB/T4337-2015標準旋轉彎曲疲勞試樣的形位公差要求比較高，所以有必要對熱處理后旋轉彎曲疲勞試樣變形量檢測以及磨削加工工藝展開研究，提高疲勞試驗結果的準確性。

旋轉彎曲疲勞試樣形狀對稱，兩端存在過渡圓弧，相比于普通外圓磨削增加了磨削加工的困難性。本文針對滲碳淬火后18CrNiMo7-6鋼旋轉彎曲疲勞試樣磨削加工工藝優化，對熱處理后試樣變形量進行檢測，設計磨削旋轉彎曲疲試樣試驗方案以去除變形量，并對磨削后試樣表面進行同軸度、殘余應力、三維表面粗糙度檢測，為材料抗疲勞設計提供依據。

1 磨削加工試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為18CrNiMo7-6鋼，化學成分如表1所示，經過滲碳淬火之后，具有較高的抗拉強度、表面硬度以及較好的耐磨性，同時得到堅韌的心部，是精密高速重載齒輪等關鍵零部件的主導應用材料。本文經過滲碳淬火后，在250 kN軸向疲勞試驗系統上進行軸向拉伸試驗，得到的抗拉強度為1839 MPa，屈服強度為1423 MPa。

表1 試驗材料18CrNiMo7-6化學成分表(%)

1.2 試樣毛坯制備

標準旋轉彎曲疲勞試樣如圖1所示，試樣毛坯材料經過自由鍛造，鍛造比為3，滲碳淬火后表面硬度升高，造成車削加工性能變差，因此預先在CAK4085數控車床上加工疲勞試樣毛坯，留有磨削余量，經過熱處理后精加工成所設計的疲勞試樣。

圖1 旋轉彎曲疲勞試樣

1.2.1 磨削余量確定

考慮熱處理變形，試樣最后毛坯尺寸應包括三部分：加工余量、可能產生撓曲的尺寸以及產生表面氧化脫碳、裂紋的尺寸。根據機械加工工藝手冊[11]按照試樣最大直徑12 mm，長度100 mm選擇最大磨削余量為0.3 mm。

1.2.2 滲碳層深度的確定

滲碳層深度增加與疲勞性能升高并非成正比，較厚的滲碳層反而導致疲勞性能下降，為了獲得最大的疲勞性能，有效滲碳層深度t與試樣直徑d應滿足如式1所示的關系[8]，因此確定滲碳層深度范圍為0.6～0.9 mm，加上單邊磨削余量0.15 mm，故總滲碳層深度為0.75～1.05 mm。

(1)

采用掛裝的方式進行熱處理，熱處理工藝為：在920 ℃下保持碳含量1.17%進行強滲5 h；然后保持碳含量0.8%進行擴散3 h爐冷至830 ℃，保溫0.5 h，出爐，隨后加熱至830 ℃進行淬火并回火，熱處理后旋轉彎曲疲勞試樣毛坯如圖2所示。

圖2 熱處理后的試樣毛坯

1.3 試樣熱處理變形檢測方案

熱處理導致軸類零件產生彎曲變形[12]，影響疲勞試驗的準確性，在磨削加工前對彎曲跳動變形量進行檢測，以判斷在磨削加工能否去除彎曲變形量。本文將熱處理后的試樣毛坯裝夾在MKE1620A數控端面外圓磨床前、后頂尖之間，公共基準軸線由兩頂尖模擬，隨機抽取20個試樣進行檢測，每個試樣測3個截面，取3個截面中跳動量最大值作為徑向圓跳動誤差。

1.4 熱處理后試樣磨削加工試驗方案

如圖3所示，旋轉彎曲疲勞試樣由夾持端、過渡圓弧段、標距段三部分組成。標距段是工作部分，用于評定疲勞性能；過渡圓弧起過渡連接作用。夾持端的磨削屬于普通外圓磨削，易于保證加工精度。而標距段和過渡圓弧加工不好，會導致試樣斷裂在過渡圓弧，使試驗無效，所以設計合理的標距段、過渡圓弧磨削加工工藝的方案，對于保證旋轉彎曲疲勞試驗的準確性至關重要。

圖3 旋轉彎曲疲勞試樣圖

1.4.1 試驗設備

試驗是在由上海機床廠生產的MKA1320/H數控外圓磨床上進行，配備SIEMENS 802D操作系統，砂輪線速度35 m/s，頭架轉速30～300 r/min，能自動實現砂輪修整與補償。選擇粒度偏精磨(80)，硬度中軟(L)的鉻鋼玉平行砂輪，型號為PA80L5V35。

1.4.2 試樣磨削方案設計

圖4 方案1砂輪修整示意圖

本文采用成形磨削進行加工，把試樣形狀分解為直線、圓弧等幾何線形，然后分段磨削，使其連接光滑、圓整。用金剛石筆把將砂輪修整成為與工件型面相對的型面。因為砂輪修整型面是凸圓弧與平面連接，故砂輪圓弧半徑比所需磨削半徑小0.01 mm，即22.99 mm，以保證幾何形狀的一致性。根據疲勞試樣的形狀，本文設計了兩種磨削方案：

磨削方案1：把砂輪修整為左、右兩側半徑為22.99 mm的圓弧，中間寬度為20.16 mm平面的成型砂輪，如圖4所示。磨削加工時，進刀一次即可把試樣過渡圓弧及中間標距段磨削加工到。

圖5 方案2砂輪修整示意圖

磨削方案2：把砂輪修整為左、右兩側半徑為22.99 mm的圓弧，中間寬度為19.16 mm平面的成型砂輪，如圖5所示。磨削時先加工試樣部分標距段，然后砂輪再向左縱向移動0.5 mm，后向右移動1 mm，完成磨削。

1.4.3 磨削用量的確定

(1)砂輪修整參數的確定

砂輪輪廓形狀是否失真以及磨粒鋒利程度對工件表面的加工質量具有重要影響，試樣表面精度要求為Ra0.32 μm，所以砂輪應修整得比較平細，修整速度、縱向進給量不宜過大，粗修、精修往復修整多次，選擇砂輪修整參數如表2所示。

表2 砂輪修整參數

(2)磨削工藝參數的確定

根據機械加工工藝手冊[9]，粗磨后精磨前外圓磨削直徑余量為0.025 mm，故本文粗磨是d從6.3 mm到6.05 mm，精磨是d從6.05 mm到6.025 mm，研磨余量0.025 mm。砂輪速度va為35 m/s。試樣直徑比較小，粗糙度要求比較高，所以工件轉速應低一點，選擇轉速42 r/min。確定進給速度的原則是當工件的加工質量能得到保證時，應選擇較高的進給速度，以提高生產效率，選擇橫向進給速度0.16 mm/min，縱向進給速度0.20 mm/min。

1.5 磨削后表面完整性檢測方案

1.5.1 殘余應力檢測

在LDR標準型高速X射線殘余應力分析儀進行檢測，取6根磨削后的試樣，在標距段上不同的3個點進行表面殘余應力檢測，分別檢測0°與90°方向上的表面殘余應力，取3點的平均值作為測量值。

1.5.2 三維表面粗糙度檢測

采用NPFLEX三維形貌儀測量三維表面粗糙度，采樣面積為2 mm×2 mm，取樣區域為試樣標距段，每隔90°測一條母線，每條母線測3個點，共測4條母線，合計12個點，去除最大值和最小值，取平均值作為實測值，以保證測量結果的準確性。

1.5.3 同軸度檢測

用兩個相同V形塊支承基準部位，然后用打表法測量被測部位，基準軸線由V形塊模擬。轉動被測零件，測量4個不同截面，取各截面測量差值的最大值作為該試樣的同軸度誤差。

2 疲勞試樣磨削加工結果與分析

2.1 滲碳淬火后試樣變形量檢測結果分析

從圖6可以看出，除1號與4號試樣徑向跳動變形量達到30 μm以上，絕大部分徑向跳動變形量在20 μm。而磨削余量為0.3 mm，故熱處理變形在磨削過程中完全可以去除。由于變形量的存在，在對試樣圓柱面進行磨削時并非比較均勻，因為砂輪總先從彎曲跳動最高點處開始磨削，然后逐漸向圓心方向磨削。等軸徑被磨圓、磨直后，才均勻磨削試樣表面。

圖6 徑向圓跳動變形量正態分布圖

2.2 兩種試樣磨削方案結果對比

如圖7所示，方案1砂輪只需一次進刀，就可以磨削到整個圓弧面，效率高。試樣同軸度誤差平均為33.5 μm，超出國標所規定的15 μm。因為其是切入式磨削，徑向磨削力比較大，導致產生較大彎曲變形，并且在方案1磨削的部分試樣上發現過渡圓弧上的氧化層并未完全去除，這是因為對刀時，砂輪中心與試樣中心不完全重合導致磨削向左(或向右)偏斜，致使右側(或左側)圓弧不能得到完全磨削。對方案2的試樣進行同軸度測量，其同軸度誤差平均為9.3 μm，符合技術要求。方案2砂輪修整平面僅修整19.16 mm，比方案1少1 mm，然后砂輪再分別左右移動，采用分段磨削的方法避免了一次切入式磨削，減少了磨削力，對中性比較好。

圖7 磨削方案1與方案2同軸度誤差對比

2.3 磨削加工疲勞試樣加工過程分析

方案2復合磨削如圖8所示，分為4段：磨削標距段、磨削左側圓弧、磨削右側圓弧、磨削夾持端。

圖8 方案2復合磨削

(1)砂輪首先對標距段進行磨削，磨削方式為切入式磨削，因為標距段長度為20.16 mm，而成型砂輪型面平面寬度為19.16 mm,所以試樣標距段在左右兩側各剩0.5 mm的長度未磨削，如圖9所示。

圖9 磨削中間段

(2)砂輪向左移動0.5 mm作縱向磨削，磨削標距段左側所剩0.5 mm的同時對左側過渡圓弧進行磨削，如圖10所示。

圖10 磨削左側段

(3)砂輪向右側移動1 mm作縱向磨削。

(4)磨削夾持端。

這種磨削方式既保證了過渡圓弧與標距段光滑連接，又保證過渡圓弧能得到完全磨削。經過復合磨削加工的試樣如圖11所示，經過完全磨削加工后的試樣如圖12所示。

圖11 復合磨削加工試樣 圖12 完整磨削加工試樣

2.4 磨削加工疲勞試樣表面完整性檢測結果分析

2.4.1 三維表面粗糙度及三維形貌檢測結果

如圖13所示，磨削加工后旋轉彎曲疲勞試樣標距段表面算術平均偏差Sa、表面均方根偏差Sq、表面偏斜度Ssk數值相對比較穩定，分別穩定在0.208 μm、0.266 μm、-0.662 μm左右，在國標規定的表面粗糙度(0.32 μm)范圍之內，符合技術要求。而Sz、Sku、Sv波動程度大于Sa、Sq、Ssk，但總體來說分布相對比較穩定，大體在3.648 μm、4.74 μm、-2.67 μm。試樣表面偏斜度Ssk全部小于0，說明試樣在評定基準面下的表面微觀形貌有比較大的“深谷”。表面峭度Sku全部大于3 μm，說明表面微觀形貌高度分布比較集中在中心表面上，表面形貌如圖14所示。

圖13 磨削加工后試樣標距段表面粗糙度

圖14 磨削加工后試樣三維表面形貌

2.4.2 表面殘余應力檢測結果

如圖15所示，經過磨削加工后不同試樣之間表面殘余應力比較穩定，其中0°方向的表面殘余應力穩定在-233.84 MPa左右，呈現為表面殘余壓應力，表面層的性能對零件的靜強度影響不大，但對疲勞強度影響顯著，在表面層內建立殘余壓應力，有利于提高零部件的疲勞強度。

圖15 磨削加工后疲勞試樣表面殘余壓應力

3 結論

(1)對滲碳淬火后18CrNiMo7-6旋轉彎曲疲勞試樣徑向圓跳動變形量進行檢測，檢測結果為20 μm，驗證了所確定的0.2 mm磨削余量選擇的合理性。

(2)設計兩種針對滲碳淬火后旋轉彎曲疲勞試樣磨削加工方案，并對磨削后試樣進行同軸度誤差檢測與對比，確定合理的磨削加工方案。

(3)分析復合磨削試樣加工過程，對磨削后試樣進行檢測：表面殘余應力為-233.84 MPa，表面粗糙度Sa為0.208 μm，同軸度誤差為0.009 3 mm，符合國標要求，磨削出標準旋轉彎曲疲勞試樣，為滲碳淬火旋轉彎曲疲勞試樣磨削加工提供合理方案。