砂輪線速度對擺動磨削凸輪表面質量影響研究

王燕，朱艷麗，姚旭，楊飛，陳浩安，陳建志，李國超

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212028；2.河南柴油機重工有限責任公司，河南洛陽 471039；3.陜西柴油機重工有限公司，陜西咸陽 713105)

0 前言

實際應用中機械工件會有較高的加工精度要求和較小的表面粗糙度要求，因此，利用磨具以較高線速度去除工件表層材料的磨削工藝[1]被廣泛應用。磨削加工切削深度很小，一次行程中所能切除的金屬層很薄，因而加工精度高，表面粗糙度小。磨削加工降低零件的表面粗糙度有利于緩解表面應力集中，提高加工零件的疲勞壽命。同時，在磨削加工過程中，工件表面會產生加工硬化現象和殘余壓應力，加工硬化后的表面有利于增大裂紋萌生抗力，而殘余壓應力的引入則可以消減外加疲勞載荷，有利于提高工件的疲勞壽命[2]。

作為凸輪軸實際加工的最后一道工序，磨削工藝參數的變化會影響工件表面質量，從而對疲勞性能產生重要影響。在實際應用中常要求凸輪軸表面具有良好的耐磨性和抗沖擊性[3]。砂輪線速度是磨削工藝中的一項重要參數，方丁等人[4]研究砂輪線速度對TC4鈦合金顯微硬度的影響時發現：砂輪線速度的提高會降低工件表面的顯微硬度，而工件轉速的提高則會增大工件表層組織硬度。CHEN等[5]研究了砂輪線速度對表面粗糙度的影響，發現表面粗糙度隨著砂輪線速度的增加呈現先降低后增加趨勢。張銀霞等[6]研究了砂輪線速度對凸輪軸表面殘余應力的影響規律，他們得出凸輪軸表面殘余壓應力隨砂輪線速度增加而增大的結論。合理地控制砂輪線速度對于優化磨削工藝參數具有重要的指導意義，隨著柴油機凸輪軸設計寬度的不斷增加，凸輪軸的加工難度不斷加大，擺動磨削被運用到凸輪軸的加工中去[7-8]。然而，目前關于擺動磨削工藝對凸輪軸表面質量作用規律的研究較少，而砂輪線速度作為擺動磨削中的一個重要參數，有必要闡明其對凸輪軸表面質量的影響機制。

本文作者擬通過改變擺動磨削砂輪線速度，分析線速度對凸輪軸表面粗糙度、金相組織、硬度和殘余應力的影響規律，研究砂輪線速度對凸輪軸表面質量的作用機制，并對線速度參數進行優化。文中研究對改善擺動磨削加工凸輪軸表面質量具有重要的指導意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

凸輪軸是船用柴油機的核心部件之一，其功能是一個正時結構，控制進排氣閥的開關。凸輪軸工作環境復雜，不僅需要承受交變脈沖動載荷，凸輪與挺柱之間相對滑動速度也較高，容易造成凸輪嚴重的表面磨損，因此制備凸輪軸需要具有高強度和耐磨性的材料。40Cr鋼是機械制造中應用最廣泛的鋼種之一，經過淬火和高溫回火后具有較高的表面強度、抗疲勞性和耐磨性，是制造凸輪軸的理想材料，其標準化學成分見表1。

表1 40Cr鋼的化學成分組成(質量分數) 單位：%

在擺動磨削線速度vs=50、60、65 m/s加工條件下的凸輪軸上取樣，砂輪直徑Rs=125 mm，磨削深度ap=0.003 mm，工件轉速vw=1 800 mm/min，砂輪擺動頻率f=90次/min，砂輪擺幅A=2 mm，對應圖1中的No.13、No.15和No.16樣品。為保證實驗數據的精度，工件經磨削加工和自然冷卻后，從頂部圓區(D)、過渡區1(G1)、基圓區(J)到過渡區2(G2)部位切割的樣件尺寸如圖1和圖2所示。為了避免型線因素差異對實驗結果的影響，此研究的不同線速度對比樣品都是在同一型線凸輪的頂部圓區(D)切割的。此研究主要對對樣件表面進行粗糙度、金相組織、硬度和殘余應力的測試，并通過機制分析與討論優化出對應高表面加工質量的擺動磨削線速度。

圖1 實驗用凸輪軸示意

圖2 樣品尺寸示意

1.2 實驗方法

對凸輪軸樣件xOz面進行打磨和拋光，運用維氏顯微硬度儀(INNOVATEST FALCON 400)測量樣品表面至心部的硬度分布，測量路徑如圖2中黃色箭頭所示，壓痕間隔為1 mm，加載力為5 N，加載時間為10 s。用硝酸酒精溶液對拋光后樣品的xOz面進行腐蝕處理，腐蝕完成后用酒精沖洗并吹干，通過三維金相顯微鏡(Olympus DSX1000)觀察樣品從表面到心部的微觀組織分布情況，硬度測試和金相表征方向如圖2黃色箭頭所指。采用VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡對凸輪軸試樣表面進行微觀形貌表征，獲得樣品表面的二維圖和三維圖，根據三維形貌照片提取出試樣輪廓線，并分析得到輪廓算術平均偏差(Ra)、輪廓最大高度(Rz)和輪廓單元平均寬度(Rsm)。運用X射線衍射法[9]對擺動磨削凸輪軸表面的殘余應力進行檢測，檢測設備使用加拿大Proto公司的PROTO iXRD組合式殘余應力分析儀，設備參數：入射角ψ為-20°～20°，擺動角度為3°，曝光時間為2 s，管電壓為20 kV，管電流為4 mA，光斑直徑為2 mm。

2 實驗結果與分析

2.1 表面粗糙度

在保持其他因素不變的條件下，獲得不同砂輪線速度下40Cr凸輪軸樣品的表面形貌(圖3)，根據圖3得到不同試樣的表面輪廓線和粗糙度變化規律，分別如圖4(a)和(b)所示。由圖4(b)可以看出，當vs由50 m/s增加至60 m/s時，Ra呈略微增加趨勢；而當vs由60 m/s增加至65 m/s時，Ra呈略微減小趨勢。對于Rz，當vs由50 m/s增加至60 m/s時，Rz呈增加趨勢；當vs由60 m/s增加至65 m/s時，Rz呈減小趨勢。對于Rsm，當vs由50 m/s增加至60 m/s時，Rsm呈增加趨勢；當vs由60 m/s增加至65 m/s時，Rsm繼續增加，且增加趨勢相比50 m/s和60 m/s條件下的試樣更大。

圖3 凸輪軸表面形貌(a)，表面高度變化(b)及表面三維圖(c)

圖4 表面輪廓線(a)和表面粗糙度(b)隨線速度的變化

在不同的砂輪線速度下，樣品的表面完整性略有差異。在砂輪線速度由50 m/s增加到60 m/s時，砂輪對凸輪軸樣品表面的磨削力不斷增大，磨削力的增大導致凸輪軸樣品表面的磨痕增多，磨粒軌跡密度降低[10]，如圖3(d)和圖4所示。當砂輪線速度從60 m/s繼續增加到65 m/s時，凸輪軸表面的粗糙度隨著砂輪線速度的增加而降低。這是因為隨著砂輪線速度的提高，在一定的磨削區域內，單位時間內磨粒數也會相應增加[11-12]，從而導致磨削時磨粒與磨粒軌跡之間相互干涉產生的殘留高度降低，同時砂輪線速度的增加也會使得單顆磨粒未變形磨屑厚度減小[13-14]，所以線速度為65 m/s樣品相對于線速度為60 m/s樣品可以獲得較低的表面粗糙度。以上分析表明：線速度為65 m/s時，凸輪軸樣品具有較好的表面完整性。

2.2 金相組織

不同線速度樣品凸輪軸表面的金相組織如圖5所示，可以看出，樣品表層組織由馬氏體、鐵素體和珠光體組成。經統計，以上3種不同組織的含量分別為92%、6.6%和1.4%。擺動磨削過程中，凸輪軸表面的溫度為500～700 ℃[15]，此溫度范圍不會產生相含量的變化。因此，隨著砂輪線速度的增加，凸輪軸表面的金相組織基本不變。

圖5 不同擺動磨削線速度樣品的金相組織

2.3 硬度

圖6(a)為不同線速度擺動磨削40Cr樣品表面至心部的顯微硬度分布曲線。在任何砂輪線速度下，樣品的顯微硬度均沿表面至心部呈梯度降低趨勢，這與中頻淬火凸輪軸表面至心部不同的微觀組織分布有關[16]。當砂輪線速度為65 m/s時，即圖中16號樣品曲線，樣品表面的顯微硬度最大，為621HV；隨著砂輪線速度的減小，凸輪軸表面的硬度呈現不斷減小趨勢，線速度為60 m/s和50 m/s凸輪軸試件表面的硬度分別為612HV和596HV。在擺動磨削加工過程中，材料內部發生位錯運動，導致位錯的交叉和倍增，在宏觀上表現為加工硬化效應，磨削加工凸輪軸表面的硬度與凸輪軸表層組織的微觀塑性變形有關，不斷累積的塑性變形可以提高晶界的變形阻力，有利于顯微硬度的提高。所以，凸輪表面硬度隨著線速度的增加呈現持續增加趨勢。

圖6 不同線速度磨削加工凸輪軸樣品心部至表面的硬度分布曲線(a)和表面硬度變化(b)

2.4 殘余應力

圖7給出了不同砂輪線速度擺動磨削40Cr鋼樣品的殘余應力分布曲線。凸輪型面殘余應力表現為壓應力[17-18]，x方向殘余應力值較大，y方向殘余應力值較小。可以看出，調整砂輪線速度時，樣品的最大殘余應力值和殘余應力衰減幅度存在一定的差異。在y方向上，殘余應力隨著砂輪線速度增大而增大，當砂輪線速度從50 m/s增加到60 m/s時，樣品的殘余應力增大速度明顯較快。x方向上殘余應力呈先增加后減小的趨勢，砂輪線速度為60 m/s樣品的殘余壓應力最大，為-206 MPa，而砂輪線速度為50 m/s處理樣品的殘余應力僅為-107 MPa。當砂輪線速度增加到65 m/s時，樣品表面x方向上的最大殘余應力略微減小為-186 MPa，而y方向上的殘余應力持續增加到-124 MPa。從殘余應力合力方面來看，當線速度從50 m/s增加到60 m/s時，殘余應力合力大幅增加，而當砂輪線速度增加到65 m/s，殘余應力略微減小，砂輪線速度為60 m/s時凸輪軸表面的殘余應力合力最大，為-224 MPa。塑性形變和熱循環過程被認為是影響材料表面殘余應力的重要原因，在擺動磨削過程中，凸輪軸與砂輪的不斷摩擦使凸輪軸表面產生較大的塑性變形，形變量的增加將導致殘余壓應力的增大[19]。但是，隨著砂輪線速度的不斷增加，磨削熱量不斷增大，凸輪軸表面由于冷卻速度較快首先收縮，芯部由于相對溫度較高而抗拒收縮，從而使工件內部產生殘余應力，溫度變化導致的熱應力使凸輪軸表面產生殘余拉應力，抵消了磨削形變產生的部分殘余壓應力，所以砂輪線速度繼續增加至65 m/s時，凸輪軸表面殘余壓應力呈下降趨勢[20]。最終，在塑性形變和熱循環的綜合作用下，60 m/s樣品具有最大的表面殘余壓應力，如圖7所示。

圖7 表面殘余應力隨磨削速率的變化曲線

磨削速度對凸輪軸表面質量的影響可以體現在粗糙度、硬度和殘余應力3個方面。首先，線速度的增加會導致凸輪軸表層組織塑性形變的增大[21]和熱量的增大，而凸輪軸表面塑性形變的增大可以提高抗局部塑性變形阻力，有利于凸輪軸表層組織顯微硬度的增大。其次，塑性形變量的增加又會導致凸輪軸表層殘余壓應力增大，而磨削熱量隨磨削線速度增加又會誘發磨削凸輪表面殘余拉應力的產生，使得表面塑性形變產生的部分殘余壓應力被抵消，所以，隨著砂輪線速度的增加，殘余壓應力呈現先增加后降低的變化趨勢。最后，從表面完整性考慮，隨著磨削線速度的增加，磨粒磨削力增大，凸輪軸樣品表面的磨痕增多，磨粒軌跡密度降低，故粗糙度隨著線速度的增加呈現不斷增大趨勢。砂輪擺動磨削加工機制如圖8所示。綜上，vs=65 m/s凸輪軸樣品具有相對較好的表面質量。

圖8 砂輪擺動磨削加工機制

3 結論

砂輪線速度是擺動磨削加工過程中的關鍵因素之一。本文作者從多個角度分析了其對40Cr合金鋼凸輪軸材料表面質量的影響規律，得到的主要結論如下：

(1)以砂輪線速度為單因素變量，研究砂輪線速度對凸輪軸表面質量的影響規律，研究發現：隨著vs的增加，Ra和Rz呈先增加后降低的趨勢，而Rsm呈持續增加趨勢。當vs=50 m/s時，樣品的表面粗糙度最小。

(2)線速度的增加會導致凸輪軸表層組織塑性變形的增大，塑性變形的增加會提高晶界的變形阻力，使位錯產生倍增和交叉，因此磨削加工凸輪軸樣件表層組織硬度呈不斷增加趨勢，vs為65 m/s樣品的顯微硬度最大，可以達到621HV。

(3)在擺動磨削加工過程中，凸輪軸與砂輪的不斷摩擦使其表面產生嚴重的塑性變形，磨削速度由50 m/s增加至60 m/s時，形變量的增加導致殘余壓應力的增大，而磨削熱量也隨著磨削線速度的增加而增大，表層組織和心部組織溫度分布的不均勻導致磨削工件表面受拉而心部受壓，導致形變誘發殘余壓應力被抵消，所以砂輪線速度繼續增加至65 m/s時，殘余壓應力呈現下降趨勢，60 m/s樣品具有最大的殘余壓應力。

(4)3種線速度下凸輪軸樣件的表面粗糙度和表面硬度值比較接近，而vs=65 m/s樣品的表面殘余壓應力相對較高。所以綜合考慮以上各因素，在vs=65 m/s凸輪軸樣品表面質量相較于其他砂輪線速度下的加工樣品來說較好，此時凸輪軸樣品表面的粗糙度為0.418 mm，硬度為621HV，殘余壓應力為223.5 MPa。