18CrNiMo7-6鋼高速外圓磨削殘余應(yīng)力和硬度的試驗(yàn)分析*

張銀霞，原少帥，王子樂(lè)，楊 鑫，郜 偉

(鄭州大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院/抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

高速/超高速磨削具有高的材料磨除率，能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗加工和難磨除材料的高效率低損傷磨削[1]。超高速磨削可以提高生產(chǎn)效率，提高零件質(zhì)量[2]。高速/超高速磨削加工能夠保證產(chǎn)品零件的高精度和高表面質(zhì)量，已經(jīng)成為現(xiàn)代磨削的重要發(fā)展趨勢(shì)[3]。

表面完整性不僅包含表面形貌特征，也包含表面物理化學(xué)變化特征[4]。磨削表面完整性包括：表面粗糙度、波度、硬度、殘余應(yīng)力、組織相變等，各因素之間有一定的關(guān)系[5]。殘余應(yīng)力和硬度作為表面完整性的2個(gè)重要指標(biāo)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王棟等[6]進(jìn)行了高速平面磨削試驗(yàn)，揭示了磨削參數(shù)對(duì)18CrNiMo7-6鋼表面硬度的變化規(guī)律。張銀霞等[7]探究了研磨工藝對(duì)18CrNiMo7-6鋼殘余應(yīng)力的影響。ZHOU等[8]通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對(duì)GCr15合金鋼表面完整性的影響。NI等[9]進(jìn)行了高速外圓磨削試驗(yàn)，砂輪線速度最高為80 m/s，探究了磨削參數(shù)對(duì)SiC材料殘余應(yīng)力的影響。黃惠茹等[10]采用剝層法，探索了45鋼的工件硬度和殘余應(yīng)力，指出殘余應(yīng)力和硬度存在一定的冪函數(shù)關(guān)系。孫淵等[11]分析了殘余應(yīng)力對(duì)工件硬度的影響，指出殘余應(yīng)力不同對(duì)硬度的影響不同。

18CrNiMo7-6為歐洲標(biāo)準(zhǔn)的一種優(yōu)質(zhì)表面滲碳鋼，該鋼表面硬度高、耐磨性好，由于其優(yōu)越的力學(xué)性能，該材料被用于鍛造大型部件(如直升機(jī)軸)等諸多領(lǐng)域[12-13]。目前，關(guān)于18CrNiMo7-6鋼高速外圓磨削的研究較少，本試驗(yàn)通過(guò)單因素試驗(yàn)探究了砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速、砂輪徑向進(jìn)給速度及砂輪CBN磨料粒度對(duì)18CrNiMo7-6鋼表面殘余應(yīng)力和硬度的影響，砂輪線速度最高達(dá)到120 m/s，建立殘余應(yīng)力和硬度的定性關(guān)系。

1 試驗(yàn)樣件與方法

1.1 試驗(yàn)樣件

試驗(yàn)樣件為18CrNiMo7-6合金鋼，該樣件經(jīng)920 ℃滲碳、830 ℃淬火并回火，熱處理后的化學(xué)成分含量見(jiàn)表1所示，熱處理的樣件在普通磨床磨削加工后尺寸為φ35 mm×80 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

磨削試驗(yàn)首先在MK1320型普通外圓磨床上進(jìn)行，以去除工件表面滲碳處理形成的黑色氧化皮，然后通過(guò)CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床進(jìn)行高速外圓磨削試驗(yàn)。高速外圓磨削所用的砂輪由鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產(chǎn)提供，為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪(V-CBN)，砂輪相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2所示；修整輪選用燒結(jié)金剛石滾輪(規(guī)格參數(shù)代號(hào)為S-14A1-125×12×28×2.2×8)。

表1 18CrNiMo7-6材料化學(xué)成分含量

表2 砂輪相關(guān)參數(shù)

殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備為加拿大Proto公司的大功率X射線衍射殘余應(yīng)力分析儀，硬度檢測(cè)設(shè)備為HV-1000型顯微硬度計(jì)，設(shè)備如圖1所示。

(a)X射線衍射殘余應(yīng)力分析儀X-ray diffraction residual stress analyzer(b)HV-1000型顯微硬度計(jì)HV-1000 microhardness tester圖1 殘余應(yīng)力分析儀和顯微硬度計(jì)Fig. 1 Residual stress analyzer and micro hardness tester

高速外圓磨削圓柱工件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，殘余應(yīng)力檢測(cè)[14]包括X方向和Y方向，即圓柱工件的周向和軸向；硬度檢測(cè)[15]沿圓柱工件的周向。殘余應(yīng)力分析儀選用的靶材為Cr-Kα，衍射晶面{211}，光斑直徑為1 mm；硬度檢測(cè)類型為洛氏硬度HRC，加載力為1 N，保載時(shí)間15 s。高速外圓磨削試驗(yàn)方案見(jiàn)表3所示。

圖2 工件結(jié)構(gòu)及X、Y方向示意Fig. 2 Workpiece structure and X, Y directions

表3 高速外圓磨削試驗(yàn)方案Tab. 3 Test scheme for high speed cylindrical grinding

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力和硬度的影響

砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖3所示。由圖3可知：隨著砂輪線速度vs的增大，工件表面X、Y方向的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值均先增大后趨于平穩(wěn)，且X方向殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值小于Y方向的(圖3中，負(fù)值表示殘余壓應(yīng)力，正值表示殘余拉應(yīng)力)。這是因?yàn)殡S著vs的增大，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)目增加，磨粒與工件的摩擦、擠壓作用增大，磨削溫度升高，但高速磨削使工件表面熱能傳導(dǎo)到下一層之前就被磨屑帶走，所以熱應(yīng)力的影響較小，此時(shí)機(jī)械應(yīng)力影響較大，殘余壓應(yīng)力增大。

砂輪線速度對(duì)硬度的影響如圖4所示。由圖4可知：隨著vs的增大，工件表面硬度先減小后增大，硬度值在vs為75 m/s時(shí)最小。這是因?yàn)椋ぜ捕鹊母叩褪悄ハ鳟a(chǎn)生的加工硬化和溫度對(duì)材料的軟化綜合作用的結(jié)果。根據(jù)圖4曲線，當(dāng)vs處于60～75 m/s時(shí)，磨削溫度升高，工件表面材料軟化，硬度值有所降低。當(dāng)vs處于90～120 m/s時(shí)，高速磨削突破了臨界速度，磨削溫度降低，材料軟化程度下降，同時(shí)vs的增大使工件表面加工硬化效果更加突出，故硬度增大。

圖3 砂輪線速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 3 Effect of wheel speed on residual stress

圖4 砂輪線速度對(duì)硬度的影響Fig. 4 Effect of wheel speed on hardness

2.2 工件轉(zhuǎn)速對(duì)殘余應(yīng)力和硬度的影響

工件轉(zhuǎn)速對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖5所示。由圖5可知：隨著工件轉(zhuǎn)速nw的增大，X、Y方向的表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值均先增大后出現(xiàn)波動(dòng)。這是因?yàn)閚w的增大導(dǎo)致vs與nw的磨削速比q減小，磨屑形狀加大，磨削加劇，磨削溫度升高，殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合影響下逐漸增大；隨著nw的持續(xù)增大，材料去除率及磨屑脫落速度增大，磨屑帶走了大量熱能，此時(shí)熱應(yīng)力的影響減小，殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)。

圖5 工件轉(zhuǎn)速對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 5 Effect of workpiece speed on residual stress

工件轉(zhuǎn)速對(duì)硬度的影響如圖6所示。由圖6可知：隨著工件轉(zhuǎn)速nw的增大，工件表面硬度先略微增大，隨后減小又增大。這是因?yàn)楫?dāng)工件轉(zhuǎn)速nw處于30～75 r/min時(shí)，工件與砂輪的磨削加劇，致使磨削溫度升高，材料發(fā)生軟化，故硬度整體上呈減小趨勢(shì)，隨著nw的持續(xù)增大，磨屑脫落速度加快使一部分熱能散出，磨削溫度下降，材料軟化程度下降，故硬度略有提高。

圖6 工件轉(zhuǎn)速對(duì)硬度的影響Fig. 6 Effect of workpiece speed on hardness

2.3 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力和硬度的影響

砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著砂輪徑向進(jìn)給速度vfr的增大，X、Y方向的表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值整體上均有減小的趨勢(shì)；當(dāng)vfr為0.6 mm/min時(shí)，X方向的殘余壓應(yīng)力最小值為-98.89 MPa；當(dāng)vfr為0.5 mm/min時(shí)，Y方向的殘余壓應(yīng)力最小值為-198.18 MPa。這是因?yàn)関fr增大，使得砂輪的徑向磨損增大，磨削溫度升高，磨削熱造成的熱塑性變形加大，此時(shí)熱應(yīng)力的影響較大，殘余壓應(yīng)力整體上逐漸減小。

圖7 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 7 Effect of wheel feed rate on residual stress

砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)硬度的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著砂輪徑向進(jìn)給速度vfr的增大，工件表面的硬度整體上呈減小趨勢(shì)，硬度值在擬合線附近上下波動(dòng)，vfr為0.6 mm/min時(shí)，硬度取得最小值為52.30 HRC。這是因?yàn)関fr增大使相同時(shí)間內(nèi)參加磨削的磨粒數(shù)增加，磨削溫度升高，溫度對(duì)材料軟化的影響程度增大，硬度整體上逐漸減小。

圖8 砂輪徑向進(jìn)給速度對(duì)硬度的影響Fig. 8 Effect of wheel feed rate on hardness

2.4 砂輪CBN磨料粒度對(duì)殘余應(yīng)力和硬度的影響

砂輪CBN磨料粒度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖9所示。由圖9可知：不同CBN磨料粒度砂輪高速磨削后工件表面殘余應(yīng)力絕對(duì)值的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小，X、Y方向趨勢(shì)一致，且均為殘余壓應(yīng)力。究其原因，M10/20磨粒尺寸較小，擁有較強(qiáng)自銳性以滿足新磨粒的出露，同時(shí)，較小的磨粒與工件磨削引起的塑性變形小，產(chǎn)生的磨削熱較少，磨削熱引起的拉應(yīng)力被抑制，故工件表面的殘余壓應(yīng)力較大；120/140的砂輪磨粒較大，磨削過(guò)程中單顆磨粒的切削力較大，產(chǎn)生的磨削溫度較高，磨削熱造成的熱塑性變形較大，殘余壓應(yīng)力在熱應(yīng)力的影響下較小；230/270的磨粒尺寸介于前兩者之間，但砂輪內(nèi)部氣孔尺寸較120/140砂輪的小，砂輪自銳性又不如M10/20，因此散熱較差，磨削產(chǎn)生的溫度最高，熱應(yīng)力的影響最大，工件表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值最小。

砂輪粒度對(duì)硬度的影響如圖10所示。由圖10可知：不同粒度砂輪高速磨削后工件表面硬度的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小。由以上分析，230/270的砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削溫度最大，材料受溫度軟化的程度最高，故硬度最小；120/140的砂輪磨粒尺寸大，但其較大的氣孔尺寸使一部分磨削熱有效散出，材料軟化程度較低，其磨削后工件表面硬度較大；M10/20砂輪自銳性較強(qiáng)，磨粒尺寸最小，引起的塑性變形及磨削溫度較前兩者最小，材料軟化程度最低，故其磨削后工件表面硬度最大。

圖9 砂輪CBN磨料粒度對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 9 Effect of CBN abrasive size of grindingwheel on residual stress

圖10 砂輪CBN磨料粒度對(duì)硬度的影響Fig. 10 Effect of CBN abrasive size of grindingwheel on hardness

2.5 殘余應(yīng)力和硬度的相關(guān)性

熱處理后的工件通過(guò)普通外圓磨床加工，得到φ35 mm×80 mm的原始工件，選擇5組原始工件，分別測(cè)得其表面殘余應(yīng)力和硬度值，如圖11所示。從圖11可以看出：5組原始工件表面X、Y方向的殘余應(yīng)力均為殘余拉應(yīng)力，工件表面的硬度值區(qū)間為45.8～53.1 HRC。

圖11 原始工件表面殘余應(yīng)力與硬度曲線Fig. 11 Residual stress and hardness curve of original workpiece

高速外圓磨削不同工藝參數(shù)對(duì)工件表面周向殘余應(yīng)力和硬度的影響如圖12所示(實(shí)線對(duì)應(yīng)殘余應(yīng)力，虛線對(duì)應(yīng)硬度)，橫軸分別對(duì)應(yīng)表3中單因素變量的各個(gè)水平。從圖12可以看出：高速外圓磨削可為工件表面引入殘余壓應(yīng)力，工件表面的硬度區(qū)間為52.30～58.75 HRC，殘余壓應(yīng)力大的位置對(duì)應(yīng)的硬度也較大，反之亦同。通過(guò)對(duì)比圖11、圖12可以看出：對(duì)于18CrNiMo7-6滲碳鋼，其高速外圓磨削前后工件表面的殘余應(yīng)力和硬度有如下關(guān)系：工件表面存在拉應(yīng)力時(shí)硬度值較低，工件表面存在壓應(yīng)力時(shí)硬度值較高。

圖12 工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和硬度的影響Fig. 12 Effect of parameters on residual stress and hardness

3 結(jié)論

(1)對(duì)于18CrNiMo7-6滲碳鋼，高速外圓磨削可為工件表面引入殘余壓應(yīng)力，X方向的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值小于Y方向的值；同時(shí)，高速外圓磨削可以提高工件表面的硬度。

(2)隨著砂輪線速度vs的增大，工件表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值先增大后趨于平穩(wěn)，工件表面硬度先減小后逐漸增大；工件轉(zhuǎn)速nw對(duì)工件表面殘余壓應(yīng)力和硬度的影響不具單調(diào)性；工件表面殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值和硬度隨著砂輪徑向進(jìn)給速度vfr的增大整體上均呈減小趨勢(shì)；不同磨料粒度砂輪磨削在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值和硬度的大小依次為M10/20的最大，120/140的次之，230/270的最小。

(3)18CrNiMo7-6滲碳鋼高速外圓磨削時(shí)的殘余應(yīng)力和硬度有如下關(guān)系：表面存在拉應(yīng)力時(shí)硬度值較低，表面存在壓應(yīng)力時(shí)硬度值較高。高速外圓磨削工藝使工件表面的應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，表面硬度值提高了11%～14%，這對(duì)于提高零件的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)疲勞壽命有著較為重要的意義。