考慮磨削余量分配的齒輪鋼磨削工藝優化

黃身桂，欒曉圣，言蘭，陳首虹，姜峰（.華僑大學機電及自動化學院，福建廈門360；.華僑大學制造工程研究院，福建廈門360）

考慮磨削余量分配的齒輪鋼磨削工藝優化

黃身桂1，2，欒曉圣2，言蘭1，陳首虹1，姜峰2
（1.華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021；2.華僑大學制造工程研究院，福建廈門361021）

以40CrNiMo鋼為研究對象，對原有磨削工藝進行優化，探討減少工作臺進給次數、去掉半精磨工藝對磨削質量的影響.結果表明：原有粗磨＋半精磨＋精磨工藝改為粗磨＋精磨兩道工藝是可行的，且在保持總磨削余量一定的條件下，通過減少工作臺進給次數的方法可以降低粗磨過程多次走刀造成的磨削表面硬化，同時提高了加工效率；粗磨產生的磨削表面硬化對降低半精磨、精磨后的磨削表面粗糙度有利，但表面硬化伴隨著磨削亞表層金相組織變化和殘余應力等不利因素.

磨削工藝；余量分配；加工效率；40CrNiMo鋼；表面質量

齒輪鋼材料種類繁多，綜合力學性能要求高，通常采用磨削加工.然而，齒輪鋼磨削加工過程中磨削溫度高、砂輪磨損快、加工硬化趨勢強，往往導致磨削加工效率低、表面質量差［1－3］，使加工質量和加工效率成為一對突出矛盾，進而導致生產成本大幅度提高［4－6］.為此，研究齒輪鋼磨削工藝優化，在保證磨削加工質量的同時提高加工效率，就具有十分重要的現實意義.已有研究可發現，磨削余量的分配對提高加工效率和表面質量起著至關重要的作用，合理的磨削余量分配對降低生產成本有明顯效果［7－19］.盡管目前針對齒輪鋼的磨削加工已有大量研究，但基于提高加工效率和表面質量，考慮磨削余量分配對齒輪鋼的磨削工藝優化的研究卻鮮有提及.本文研究通過重新分配磨削余量對齒輪鋼的磨削工藝進行優化，通過測量磨削表面粗糙度、表層／亞表層顯微硬度、磨削表面殘余應力等多種手段評價磨削表面完整性，在獲得良好的加工表面質量的同時進一步提高加工效率［20］.

1 磨削試驗設計

1.1 試驗條件

40CrNiMo齒輪鋼，熱處理后硬度為HRC52－57，其化學成分及基本力學性能分別如表1，2所示.表1，2中：w為質量分數；σb為抗拉強度；σs為屈服強度；ψ為斷面收縮率；E為彈性模量；ν為泊松比.

平面磨削試樣尺寸為30mm×15mm×10mm，其中，10mm是砂輪寬度方向；30mm是工件進給方向；15mm是磨削深度方向.磨削示意圖，如圖1所示.

表1 齒輪鋼40CrNiMo的化學成分Tab.1 Chemical elements of gear steel 40CrNiMo %

表2 齒輪鋼40CrNiMo的基本力學性能Tab.2 Mechanical properties of gear steel 40CrNiMo

圖1 磨削示意圖Fig.1 Grinding schematic

磨削試驗使用的磨床型號為BLOHM－Planomat HP408型高速精密平面成型磨床（德國Schleifring公司），機床主軸功率達到24.5kW，主軸轉速為0～8 000r·min－1（無級調速），最大砂輪（直徑×寬度×孔徑）為400mm×80mm×127mm，磨削面積為800mm×400mm，工件進給速度（vw）可調范圍為30～40 000mm·min－1.砂輪型號為PSX 1 400×50×160，SA80J9V50（江西南昌精益磨料磨具有限公司），最大線速度（vs）為35m·s－1.每進行一組試驗前都對砂輪進行修整.

1.2 磨削工藝參數

由于使用砂輪的最高線速度受限，因此，磨削工藝參數的改進方案以某公司齒輪磨削典型工藝參數為基礎進行改進，主要包括去掉半精磨工藝和改變工作臺進給速度.即在保持金屬去除量一致的前提下，設計改進磨削工藝方案兩種，每個工藝方案有多個工件進給速度.改進前后的磨削工藝參數，如表3所示.表3中：vs為砂輪線速度；vw為工作臺進給速度；n為工作臺進給次數；SC，SHF，SF，Stot分別表示粗磨、半精磨、精磨進刀量和總進刀量；改進前磨削工藝為每組2個試樣，共2個試樣，而改進后工藝Ⅰ，Ⅱ為每組1個試樣，共5個試樣.3種磨削方案下磨削余量分配對比，如圖2所示.圖2中：s為余量.

表3 齒輪磨削原有工藝與改進工藝Tab.3 Initial grinding processes and improved grinding processes

續表Continue table

2 試驗結果與分析

2.1 表面粗糙度

采用ZYGO白光干涉儀進行粗糙度的測量，得到不同磨削工藝條件下已加工表面的表面粗糙度（Ra），如表4所示.隨機測量6個位置取平均值，取樣面積為3.09mm×1.42mm.其中，3.09 mm是工件進給方向；1.42mm是砂輪寬度方向；物鏡為10倍；測量模式為VSI；全解析度，平行于測量表面橫向分辨率1.1μm，垂直于測量表面方向分辨率0.001nm，拼接區域重合度10%.

由表4可知：隨著粗磨過程工件進給速度的增加，精磨后粗糙度值呈現下降的趨勢.主要原因是隨著工件進給速度的增加，粗磨后表面的硬度有增加的趨勢，材料的硬度越大，相同磨削工藝參數條件下，精密磨削得到的表面粗糙度值越低.因此，粗磨過程中一定的加工硬化對于最終磨削表面粗糙度的降低是有利的.

圖2 不同方案下磨削余量分配對比Fig.2 Allowance distribution of different grinding processes

表4 不同磨削方案下的表面粗糙度Tab.4 Surface roughness of different grinding processes

圖3 測點位置示意圖Fig.3 Measurement of vickers hardness

2.2 磨削表層／亞表層的維氏硬度變化

利用離磨削表面不同深度的維氏硬度量化磨削表面的變質情況，測點分布情況如圖3所示.圖3中：前5個點間隔30μm；后10個點間隔60μm；加載載荷為0.5N；加載時間為15s.測量3個位置取平均值，結果如圖4所示.圖4中：h為亞表面深度.

由圖4可知：在磨削工藝改進方案Ⅰ中，粗磨引起的磨削表面硬化層在精磨過后基本可以去除；而磨削工藝改進方案Ⅱ中，粗磨引起的磨削表面硬化層在精磨過后，只有工件進給速度5 000mm·min－1的試驗組基本去除，而其他試驗組均有一定的硬化層殘留.磨削變質層（硬化層＋軟化層）深度最小為450μm（磨削工藝改進方案Ⅰ，工件進給速度7 000mm·min－1），最大為840μm（磨削工藝改進方案Ⅰ，工件進給速度3 000mm·min－1；磨削工藝改進方案Ⅱ，工件進給速度3 000，4 000mm·min－1）.

2.3 磨削殘余應力

磨削殘余應力測試在X射線殘余應力測試儀上進行，基本測試參數：Cr靶；電壓為20kV；電流為5 mA；衍射晶面為｛211｝；彈性模量為210GPa；泊松比為0.3；無應力衍射角為156.4°；ψ選用0°，±25°，±35°，±45°.測量兩個方向的殘余應力，其中，X方向測得的是工件進給方向的殘余應力；Y方向測得的是磨削寬度方向的殘余應力.采用互相關法確定X射線衍射峰的位置，進而計算峰偏移和殘余應力.圖5為殘余應力的測量位置，在磨削寬度方向上等距測量5個點的殘余應力.不同磨削工藝得到的工件進給方向和磨削寬度方向的殘余應力，如圖6～7所示.圖6，7中：σ為殘余應力.

圖4 工藝改進前后的磨削亞表層硬度對比Fig.4 Comparison of surface hardness between initial and improved grinding process

圖5 殘余應力的測量位置Fig.5 Measurement of residual stress

由圖6，7可知：磨削殘余應力以壓應力為主，只有磨削改進工藝方案Ⅰ中工件進給速度為7 000mm·min－1的已加工表面，工件進給方向的殘余應力呈現拉應力狀態.過高的壓應力往往伴隨金相組織的變化，對零件的使用性能會有較大影響.因此，磨削改進工藝方案Ⅱ中工件進給速度為2 000mm· min－1的已加工表面性能不可靠.此外，磨削寬度方向上5個點的磨削殘余應力的一致性越高越好.一致性越高，說明表面的應力穩定性越好，長時間時效后的應力釋放均勻，變形均勻.磨削原始工藝、磨削改進工藝方案Ⅰ，工件進給速度為5 000mm·min－1；磨削改進工藝方案Ⅱ，工件進給速度6 000mm·min－1的殘余應力狀態較好.

圖6 工藝改進前后的工件進給方向殘余應力的比較Fig.6 Comparison of residual stress between initial and improved grinding

圖7 工藝改進前后的磨削寬度方向殘余應力的比較Fig.7 Comparison of residual stress between initial and improved grinding process

3 結論

1）粗磨產生的磨削表面硬化對降低半精磨、精磨后的磨削表面粗糙度有利，但是表面硬化伴隨著磨削亞表層金相組織變化和殘余應力等不利因素.因此，粗磨工藝參數的優化有實際意義.

2）在保持金屬去除量一致的前提下，通過減少工作臺進給次數的方法可以降低粗磨過程多次走刀造成的磨削表面硬化.同時，提高了加工效率.

3）根據試驗結果可以發現，磨削工藝改進方案Ⅱ中，工件進給速度5 000mm·min－1試驗組得到的磨削表面綜合質量最優，表面質量各項指標均超過原始工藝.同時，粗磨的金屬去除率提高了150%.

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（責任編輯：黃仲一 英文審校：崔長彩 ）

Optimization on Grinding Process of Gear Stell Considering Allowance Distribution

HUANG Shengui1，2，LUAN Xiaosheng2，YAN Lan1，CHEN Shouhong1，JIANG Feng2
（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2.Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

The effects of reducing frequency of strokes and eliminating semi－fine grinding process on the grinding quality of 40CrNiMo gear steel were investigated.It was found removal of the semi－fine grinding process from existing coarse／semi－fine／fine processing sequence is feasible and at a constant total grinding allowance，a decrease of strokes number can successfully reduce surface hardening and subsequently improve the machining efficiency.It was also evidenced that the surface hardening left by coarse grinding can reduce the surface roughness of semi－fine and fine grinding however the undesirable sub－surface damage and residual stress would associate.These findings are of practical significance for optimization of grinding process.

grinding process；allowance distribution；grinding efficiency；40CrNiMo steel；surface quality

TG 5

A

1000－5013（2016）04－0401－05

10.11830／ISSN.1000－5013.201604002

2016－05－20

姜峰（1981－），男，副教授，博士，主要從事高效精密加工和先進制造技術的研究.E－mail：jiangfeng＠hqu.edu.cn.

國家自然科學青年基金資助項目（51405168）；福建省自然科學基金面上資助項目（2016J01237）；華僑大學高層次人才科研啟動項目（13Y0385，13Y0386）