42CrMo鋼窄深槽磨削表面性能的試驗研究

郝建宇，梁國星，程 強，張 宇

（太原理工大學機械與運載工程學院精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

窄深槽[1]是指槽的深寬比大于2，槽寬小于4mm的一種特殊結構，如液壓泵轉子槽，其加工是機械領域的難題。隨著超硬磨料及磨削加工技術的發展，單層電鍍CBN砂輪深切緩進給磨削窄深槽替代了銑削加工，然而，在深切緩進給磨削中存在著磨削表面質量差及磨削燒傷等問題[2]，對窄深槽類零部件的耐磨性及抗疲勞特性有顯著影響[3]，因此，對窄深槽磨削表面性能的研究非常重要。

針對磨削表面性能，眾多學者做了大量研究。文獻[4]對成形磨削20CrMnTi齒輪鋼的表面性能進行研究，分析了工藝參數對齒輪表面粗糙度值Ra、表層顯微硬度及顯微組織的影響，得出磨削齒輪合理的工藝參數。文獻[5]研究了GH4169合金磨削表面塑性變形層的微觀結構，得出了GH4169合金磨削表層發生了劇烈塑性變形，相比于基體組織，磨削亞表層組織的晶粒和晶界存在沿磨削方向的拉伸和歪扭變形。文獻[6]分別運用立方氮化硼及白剛玉砂輪對Aermet100鋼進行磨削，對比分析了磨削變質層硬度分布及其殘余應力的分布。然而目前對磨削表面性能的研究大多針對平面磨削而缺乏深切緩進給磨削的研究[7]。

在亞表層顯微組織的觀察中，傳統的金相侵蝕法常常存在顯微組織襯度不足，金相鑒別能力較差。彩色金相技術（干涉層法），其原理為在拋光試樣表面生成一層透光薄膜，光在薄膜上的干涉效應使不同顯微組織產生不同顏色，使不同組織具有良好的襯度，利于復雜顯微組織的觀察[8]。針對42CrMo鋼窄深槽磨削表面性能，開展單因素試驗研究，在亞表層顯微組織分析中采用彩色金相技術，得出磨削工藝參數對窄深槽磨削表面性能的影響規律，為窄深槽磨削加工提供理論指導。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

42CrMo鋼為中超高強度鋼，具體化學成分，如表1所示。該鋼具有較高的淬透性，常在調質狀態下使用，熱處理工藝簡單，具有良好的力學性能和機械加工性能，是用于制造變速器齒輪和連桿等重要零件的原材料[9]。試驗采用調質處理的42CrMo試樣塊進行窄深槽磨削加工，基體材料硬度變化范圍為320HV-340HV，硬度平均值為331HV。

表1 42CrMo的化學成分（%，質量分數）Tab.1 Chemical Composition of 42CrMo（%，mass fraction）

2.2 試驗方案

試驗所用機床為MV-40 加工中心，其主軸最大轉速為10000 r/min，供氣壓力為0.6MPa。使用單層電鍍CBN（立方氮化硼）砂輪對42CrMo鋼工件進行窄深槽磨削，試樣塊的尺寸為（30×30×20）mm，砂輪基體材料為45 鋼，厚度為1.8mm，直徑為280mm，電鍍層CBN目數為100/120目。窄深槽磨削方式為干式逆磨，試驗裝置，如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental Equipment

試驗圍繞表面性能評價指標中的四個重要指標，包括表面粗糙度值Ra、表面形貌、顯微硬度及亞表層顯微組織，建立單因素試驗，得出不同磨削參數對窄深槽側面的表面粗糙度值Ra、表面形貌及顯微硬度分布影響規律，分析磨削后亞表層顯微組織，單因素試驗磨削工藝參數，如表2所示。

表2 磨削工藝參數Tab.2 The Parameters of Grinding Process

2.3 試驗檢測設備

試驗中表面粗糙度值Ra使用共焦三維輪廓測量儀Think Focus SM-1000進行測量，分別在窄深槽側面垂直于磨削方向上測量表面粗糙度，取樣長度lc=0.8mm，評定長度為4mm[10]，計算其平均值，在光學顯微鏡下觀察窄深槽側面的表面形貌。

對表2中不同磨削參數下的窄深槽試件，截取磨削區中間部分進行鑲嵌。對鑲嵌的工件使用砂紙打磨后拋光至鏡面，采用顯微硬度計HMV-G21ST測量磨削面深度方向的硬度分布，硬度測量施加載荷為245.2mN，加載時間為15s。窄深槽側面亞表層顯微組織觀察采用金相暗場顯微鏡（MDS400）；金相顯示采用彩色金相技術（干涉層法），染色劑配比為焦亞硫酸鉀（3g）+氨磺酸（1g）+蒸餾水（100ml），對試件染色約40s后，先后用水和酒精進行沖洗，然后吹干。

3 結果與分析

3.1 磨削參數對表面形貌的影響

3.1.1 砂輪線速度對表面形貌的影響

當vw=2mm/min、ap=10mm時，隨著砂輪線速度由75m/s降為55m/s，其表面粗糙度值Ra從0.42μm 降為0.30μm，如圖2 所示。不同砂輪線速度下窄深槽側面的表面形貌，如圖3所示。不同砂輪線速度下均觀察到較清晰的耕犁痕跡，當砂輪線速度為55m/s時，磨痕較深且分布不均勻，磨削表面有脆性剝落現象發生，在較深磨痕處存在鋸齒狀磨削邊緣，產生原因為在窄深槽磨削過程中，磨削深度達10mm，磨削力大，磨削溫度高，散熱條件差，砂輪耕犁產生劇烈的塑性變形使材料堆積在磨粒前方，磨粒切削使部分材料發生側面流動，形成鋸齒狀磨痕邊緣。鋸齒狀磨痕承受外力容易脫落，進而造成材料剝落現象的發生，嚴重影響表面質量。隨著砂輪線速度增加至75m/s，單位時間內參與磨削的磨粒數量增多，單顆磨粒最大未變形磨削厚度減小，磨粒成屑切入工件表面深度減小，磨痕變淺變窄，脆性剝落及鋸齒狀邊緣的磨痕減少，磨削表面質量改善。

圖2 vs與Ra的關系Fig.2 Relationship Between vs and Ra

圖3 不同砂輪線速度的表面形貌Fig.3 Surface Morphology with Different Grinding Wheel Linear Velocity

3.1.2 工件進給速度對表面形貌的影響

當vs=75m/s、ap=10mm 時，隨著工件進給速度由3mm/min降為1mm/min，磨削表面粗糙度值Ra由0.38μm降為0.24μm，磨削表面質量改善，如圖4所示。不同進給速度下的磨削表面形貌，如圖5所示。

圖4 vw與Ra的關系Fig.4 Relationship Between vw and Ra

圖5 不同工件進給速度的表面形貌Fig.5 Surface Morphology with Different Feed Speed

工件進給速度為1mm/min時，工件表面磨痕清晰，兩側隆起較低，磨削區域幾乎沒有脆性剝落痕跡及鋸齒狀去除紋理，磨削表面質量較好，呈現典型的塑性去除特性。隨著工件進給速度的增加，磨削表面磨痕變深，脆性剝落現象嚴重，表面質量較差。

分析其原因：隨著工件進給速度的增加，單位時間內砂輪磨削的工件材料增加，造成單顆磨粒未變形磨削厚度增加，因此導致磨痕變深，表面存在非常明顯的剝落坑及鋸齒狀切削紋理，磨削表面質量變差。

3.1.3 磨削深度對表面形貌的影響

當vs=75m/s、vw=2mm/min時，磨削深度由7mm增加為15mm，窄深槽表面粗糙度值Ra由0.18μm增加至0.51μm，磨削表面質量惡化非常嚴重，如圖6所示。不同磨削深度下窄深槽側面形貌明顯不同，如圖7所示。

圖6 ap與Ra的關系Fig.6 Relationship Between ap and Ra

圖7 不同磨削深度的表面形貌Fig.7 Surface Morphology with Different Grinding Depth

當磨削深度ap=7mm時，磨削表面磨痕較淺，磨削紋路清晰，部分劃痕呈現輕微鋸齒狀邊緣，脆性剝落現象較少。隨著磨削深度的增加，單顆磨粒切削深度增加，當磨削深度達到15mm時，磨削表面紋路變差，痕變深變寬，磨削表面脆性剝落現象嚴重，磨削表面質量惡化。

3.2 磨削參數對顯微硬度的影響

顯微硬度沿磨削面深度方向分布曲線總體呈現降低趨勢，如圖8所示。不同砂輪線速度下窄深槽側面深度方向的硬度分布，如圖8（a）所示。不同砂輪線速度下工件表面均有不同程度硬化產生，當vs=55m/s時，工件硬化層深度方向最大硬度為478HV，相較于基體硬度提高了約44.4%，相比于vs=75m/s，磨削溫區度升高，亞表層組織奧氏體化程度高，產生更多的板條馬氏體組織，磨削區硬化程度高。不同進給速度下窄深槽側面沿深度方向的硬度分布，如圖8（b）所示。當vw=1mm/min時，窄深槽側面產生輕微的硬化現象，當工件進給速度增大到3mm/min，磨削溫度升高，硬化程度增大。不同磨削深度下窄深槽側面沿深度方向的硬度分布曲線，如圖8（c）所示。

圖8 沿深度方向的硬度分布Fig.8 Hardness Distribution Along the Depth Direction

當磨削深度為7mm時，窄深槽側面基本沒有硬化現象產生，當磨削深度增至15mm時，磨削區溫度升高，產生更多的板條馬氏體組織，磨削區硬化程度增大。

3.3 窄深槽磨削加工亞表層顯微組織

運用彩色染色劑對鑲嵌好的試件進行染色，其原理為在鐵素體、馬氏體表面反應生成一層薄膜，在金相顯微鏡視場中呈現不同顏色，而滲碳體顏色不變呈現白色。調質處理的42CrMo鋼基體組織，如圖9（a）所示。顆粒狀滲碳體彌散分布于細晶粒狀的鐵素體基體上，為典型的回火索氏體組織。當vs=75m/s，vw=3mm/min，ap=10mm時窄深槽側面的亞表層顯微組織，如圖9（b）所示；磨削亞表層顯微組織特征與基體明顯不同，生成了板條馬氏體組織，其原因為窄深槽磨削過程中磨粒與工件之間劃擦、耕犁、切削產生的磨削溫度高，達到42CrMo鋼奧氏體相變溫度，磨粒切過磨削表面快速冷卻生成板條馬氏體組織，由于42CrMo鋼含量碳較高，奧氏體向馬氏體的轉變過程并沒有完全完成，仍然有部分殘留奧氏體組織。而鐵素體向奧氏體轉變速度高于滲碳體溶解速度，且磨削中奧氏體保溫時間短，磨削亞表層仍有滲碳體組織殘留，所以磨削亞表層產生板條馬氏體、殘余奧氏體及滲碳體組織。由于最表層組織承受磨削力大，磨削溫度最高，會造成最表層奧氏體晶粒細化，磨削表面快速冷卻，奧氏體組織來不及再結晶，因此最表層的板條馬氏體組織產生明顯的晶粒細化。

圖9 42CrMo鋼顯微組織圖Fig.9 Microstructure of 42CrMo Steel

4 結論

（1）建立窄深槽磨削實驗，分析了磨削工藝參數對窄深槽側面的表面形貌的影響規律。隨著砂輪線速度vs的增加、工件進給速度vw及磨削深度ap的減小，磨削表面鋸齒狀劃痕及脆性剝落現象減少，磨削表面質量改善。（2）不同磨削工藝參數下，窄深槽側面硬度沿深度方向降低，均產生不同程度的硬化，隨著砂輪線速度vs的降低、工件進給速度vw及磨削深度ap的增加，磨削區溫度升高，奧氏體化程度增大，生成更多的板條馬氏體組織，窄深槽側面硬化程度增加。（3）調質處理的42CrMo鋼窄深槽磨削側面亞表層生成板條狀馬氏體、殘余奧氏體及殘余滲碳體組織，而磨削最表層板條馬氏體發生晶粒細化。