18CrNiMo7-6鋼高速外圓磨削的殘余應力

張銀霞 楊 鑫 原少帥 朱建輝 王 棟

1. 鄭州大學抗疲勞制造技術河南省工程實驗室，鄭州，450001

2. 超硬材料磨具國家重點實驗室，鄭州， 450001

0 引言

高速磨削是磨削領域中最引人關注的高效加工技術之一，是將超硬磨料磨具性能充分發揮的集大成者[1]，不但具有高的金屬磨除率，還能獲得優良的表面質量和精度，擴大了磨削工藝的使用范圍[2]。

高速磨削過程中，由于熱應力、機械作用力和工件金相組織相變應力等因素的共同作用，磨削加工會在工件表面及表層產生殘余應力。殘余應力作為表面完整性[3-4]的一個重要指標，對工件材料的加工精度、疲勞性能、脆性斷裂、應力腐蝕開裂及硬度等均有較大影響[5]。國內外學者對磨削殘余應力做了很多研究，朱大虎[6]研究了TC4鈦合金高速外圓磨削對工件殘余應力的影響，發現隨著砂輪線速度的提高，工件軸向和切向的殘余應力由壓應力逐漸過渡到拉應力并呈現上升趨勢；陳鑫等[7-8]研究了高速平面磨削砂輪線速度對18CrNiMo7-6鋼工件表面殘余應力的影響，砂輪線速度從60 m/s增加到160 m/s時，材料表面殘余壓應力呈現出先增大后減小的趨勢，120 m/s時的表面殘余壓應力最大；NI等[9-10]對SiC陶瓷材料進行高速外圓磨削試驗，發現砂輪線速度和工件轉速均較高時，垂直與平行于磨削方向的殘余壓應力減小至接近于0；NAKAYAMA等[11]使用陶瓷立方氮化硼(CBN)砂輪對20CrMo4材料進行高速外圓磨削試驗，發現砂輪線速度超過200 m/s時，工件表面粗糙度與磨削力均隨砂輪線速度的提高而降低；HA等[12]對一種模具鋼進行了高速平面磨削工藝試驗，發現磨削深度為1～2 μm時殘余拉應力急劇增大，2～10 μm時有增大趨勢但變化較小。

由上述文獻可知，不同的工件材料及高速磨削工藝參數對工件的表層殘余應力影響非常復雜,為獲得較高的殘余壓應力，需要開展針對性的研究工作。

18CrNiMo7-6鋼是一種性能優異的滲碳淬硬鋼，但目前對該材料高速外圓磨削加工殘余應力的研究較少。筆者基于超硬陶瓷CBN砂輪高速外圓磨削工藝，對18CrNiMo7-6鋼進行單因素試驗，研究磨削工藝參數對磨削加工表層殘余應力分布規律的影響及形成原因，為制定抑制殘余拉應力、提高工件加工表面完整性的高速外圓磨削工藝提供參考依據。

另外，沿深度方向的殘余應力檢測需要對外圓面進行多次剖層，現有的剖層工具極易出現偏斜、滑移，無法準確控制剖層方向，難以保證圓柱工件軸向和徑向的剖層精度，導致殘余應力測量結果誤差大，筆者研制了一種能提高剖層精度和效率的圓柱工件外圓面剖層輔助夾具。

1 試驗

1.1 試驗材料及性能介紹

18CrNiMo7-6滲碳鋼的熱處理工藝如下：首先在920 ℃下保持碳含量1.17%強滲6 h，然后在碳含量1.0%的條件下擴散3 h，之后在碳含量0.78%的條件下擴散4 h，最后爐冷至830 ℃淬火并回火。熱處理后，材料的滲碳層厚度約為1.6 mm，表面硬度可達62.8HRC。該材料滲碳淬火后化學成分及材料的力學性能如表1、表2所示。熱處理后的工件經磨削預處理，試驗工件尺寸為φ35 mm×80 mm。

表1 18CrNiMo7-6材料化學成分(質量分數)

表2 18CrNiMo7-6材料力學性能

1.2 試驗設備及條件

磨削試驗在CNC8325型超高速凸輪軸復合磨床上進行，其最高的砂輪線速度vs=200 m/s；所使用的砂輪是鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司生產的陶瓷結合劑CBN砂輪，其形狀代號為14A1 500×30×127×5×20，砂輪濃度為175%，粒度分別為120/140、230/270與W20；修整方式為燒結金剛石滾輪修整；冷卻方式為水基磨削液(21-2型磨削液)冷卻；磨削方式為切入式逆磨，每個工件進行2組試驗。

1.3 高速磨削試驗方案的制定

試驗的目的旨在研究高速磨削工藝參數對18CrNiMo7-6滲碳鋼殘余應力的影響，選取砂輪線速度vs、工件線速度vw、砂輪徑向進給速度vfr和砂輪粒度開展單因素磨削試驗，部分預試驗后確定的具體試驗參數如表3所示，其中，磨削深度為0.5 mm。

1.4 殘余應力的檢測

1.4.1檢測設備與技術參數

殘余應力的檢測使用加拿大Proto公司的大功率X射線衍射[13]殘余應力分析儀，檢測參數如表4所示。檢測圓柱工件X方向(切向)、Y方向(軸向)的殘余應力σx和σy，如圖1所示。

表3 高速磨削單因素試驗參數設定

表4 X射線殘余應力分析儀參數設置

圖1 工件結構及殘余應力檢測方向

對工件進行多次剖層才能完成深度方向的殘余應力檢測，采用的剖層設備是Proto 8818-V3電解拋光機。試驗中，保持腐蝕電壓和流量不變，通過調節腐蝕時間發現剖層深度與腐蝕時間成近似線性相關，如圖2所示。

圖2 剖層深度與腐蝕時間的關系

1.4.2殘余應力的檢測及剖層輔助夾具的設計

為提高殘余應力檢測時的剖層效率和檢測精度，設計制作了剖層輔助夾具，如圖3所示。

(a) 輔助夾具結構組成

將圓柱工件置于支撐V形塊與導電V形塊的上方，并使前者略低于后者，保證圓柱工件與導電V形塊的充分接觸，形成導電回路，實現電解腐蝕剖層。支撐V形塊通過4根支撐柱與夾緊導向塊連接，夾緊導向塊的一側有觀察槽。夾緊導向塊前后面設置的弧形通槽頂端貼有海綿墊片，在夾緊工件的同時可以保護工件面不被劃傷。剖層工具從導向筒伸入、與圓柱工件接觸，通過電解腐蝕原理實現剖層。支撐V形塊的前方設置有指示牌插槽，槽內安裝設置有360°刻線圓盤的指示牌，通過在工件端面畫線可以精準控制工件旋轉的角度。支撐V形塊一側面上有標尺，可以控制圓柱工件的軸向移動，確定剖層位置。

2 結果與討論

2.1 砂輪線速度對殘余應力的影響

圖4所示為砂輪粒度120/140，vw= 101 mm/s，vfr= 0.4 mm/min時，砂輪線速度vs對工件表面殘余應力的影響，隨著vs的增加，X方向、Y方向的表面殘余壓應力均有增大趨勢，但基本趨于穩定值。這是因為vs的增加導致單顆磨粒的最大未變形切屑厚度agmax減小，工件磨削層材料塑性變形深度相應減小，雖然熱脈沖數增大、摩擦加劇，但高速磨削使磨粒上堆積的熱量在傳導到工件之前就被磨屑帶走，因此工件表面溫度較低，熱應力影響較小，殘余壓應力小幅增大。

圖4 砂輪線速度對表面殘余應力的影響

圖5是原始工件X、Y方向殘余應力沿深度方向的分布圖，可以發現，在0～50 μm區間內，工件X、Y方向存在較大的拉應力且峰值發生在26 μm附近；距表面深度為100 μm時殘余應力開始趨于穩定值-100 MPa，此時，殘余應力分布已到達穩定狀態。設定的磨削深度0.5 mm足以把原始表面的拉應力層完全去除。因此，磨削后工件表層殘余應力的分布能夠揭示磨削工藝參數對殘余應力的影響。

圖5 原始工件殘余應力分布

圖6所示為不同砂輪線速度vs下工件表層殘余應力的分布。由圖6可知，兩個方向的殘余應力變化趨勢基本一致，除vs=60 m/s外，其余vs的殘余應力均為壓應力且最大值發生在距表面5 μm以內的區域；之后，隨深度的增加，殘余壓應力逐漸減小并趨于穩定，不再有明顯變化。由此可見，較高的砂輪線速度(vs≥ 60 m/s)可為工件表層引入殘余壓應力，且vs影響工件殘余壓應力變化的層深約為70 μm。

(a) X方向

vs= 60 m/s時，Y方向出現殘余拉應力，這是因為vs= 60 m/s時的agmax相對較大，磨削層材料塑性變形和比磨削能也相對較大，熱堆積嚴重，由磨削熱產生的熱應力處于主導地位，所以其殘余壓應力明顯小于其他工藝參數，甚至出現殘余拉應力。

2.2 工件線速度對殘余應力的影響

圖7 工件線速度對表面殘余應力的影響

工件線速度vw對殘余應力分布的影響如圖8所示，X方向和Y方向的殘余應力分布規律較為接近且均為壓應力，其中，最大殘余壓應力發生在0～5 μm區間內，之后隨表面深度的增加迅速減小至最小殘余壓應力并穩定至-100 MPa附近，這個過程中的最小殘余壓應力發生在10～25 μm區間內，vw影響殘余應力層深約為40 μm，隨后殘余應力處于穩定狀態。在本組試驗中，各工藝參數之間對殘余應力分布沒有表現出明顯的規律性，這說明不同vw對殘余應力分布影響不大。vw=110 mm/s時的殘余壓應力均為最大值。

(a) X方向

2.3 砂輪徑向進給速度對殘余應力的影響

如圖9所示，砂輪粒度120/140，vs= 90 m/s，vw= 101 mm/s時，砂輪徑向進給速度vfr對工件表面殘余應力的影響較大。vfr從0.1 mm/min增加到0.3 mm/min時，工件表面X方向的殘余壓應力出現波動，隨后在0.3～0.5 mm/min的區間內持續下降，最小殘余壓應力為-98.89 MPa；隨著vfr的增加，Y方向殘余壓應力總體呈現線性遞減的趨勢，應力在擬合線上下波動。這是因為vfr增大時，磨削層材料塑性變形的作用加大，比磨削能加大，磨粒與工件的摩擦、擠壓作用加劇，磨削溫度迅速升高，熱應力影響較大，表面殘余壓應力逐漸減小。

圖9 砂輪徑向進給速度對表面殘余應力的影響

如圖10所示，vfr對殘余應力層分布的影響較大，隨深度的增加，X方向與Y方向的殘余應力分布規律較為接近，總體表現為，工件的殘余應力是最大殘余壓應力，隨后殘余壓應力沿深度方向逐漸減小至穩定值或變為殘余拉應力，應力分布與vs、vw具有一致性。不同的是，vfr對殘余應力深度方向分布的影響明顯具有規律性，隨深度的增加，應力呈現“塔”形分布，當vfr從0.2 mm/min增加至0.6 mm/min時，0.2～0.4 mm/min區間內的應力為壓應力，0.5～0.6 mm/min區間內的應力為拉應力，其應力影響層深約為100～150 μm。

(a) X方向

Y方向應力隨vfr的增大呈現“塔”形分布，并出現殘余拉應力?！八毙畏植嫉脑蛑饕?，隨著vfr的增加，砂輪與工件的擠壓、摩擦作用加劇，磨粒在單位時間內磨除的材料增多，材料塑性變形加劇，磨削力較大，直接導致vfr在0.5～0.6 mm/min時的磨削溫度較高。此時，磨削熱產生的熱應力起主導作用，隨后的冷卻過程中，表面金屬遇冷收縮并受下層金屬的束縛，在距表面10～30 μm處形成殘余拉應力。vfr為0.2～0.4 mm/min時，磨削溫度較低，未出現殘余拉應力。

2.4 砂輪粒度對殘余應力的影響

表5所示為vs=90 m/s，vw=101 mm/s，vfr= 0.1 mm/min時，砂輪粒度對工件表面殘余應力的影響，粒度230/270砂輪磨削的工件表面殘余壓應力最小，粒度W20砂輪磨削的工件表面殘余壓應力稍大于粒度120/140砂輪磨削的工件表面殘余壓應力。這是因為，W20砂輪粒度較小，為保證其具有一定的切削能力，砂輪較軟且砂輪組織具有主動造孔。磨削過程中，結合劑容易破碎，不斷有新的磨粒參與切削，磨粒與工件的接觸以切削為主，摩擦和耕犁較少。同時，由于磨粒尺寸小、工件磨削層材料塑性變形小，因此工件表面溫度低，因磨削熱而產生的殘余拉應力較??；磨粒的不斷加入導致磨粒對工件的擠光作用加劇，工件表面產生較大的殘余壓應力。

表5 不同砂輪粒度工件表面殘余應力

120/140砂輪的粒度相對較大，砂輪內部的氣孔結構也相對較大，因此獲得了更大的容屑空間，更好的潤滑、冷卻效果。同時，磨粒的出刃高度大，在修整良好的前提下，磨削力和比磨削能較小。120/140砂輪的硬度相對較大，磨粒不易脫落，鈍化的磨粒依然參與切削，使得磨削溫度有一定的提高，因此，工件表面雖然產生的是殘余壓應力，但壓應力小于W20砂輪磨削的工件。230/270粒度的砂輪雖然具備一定的切削能力，但其內部氣孔尺寸與占比較粒度120/140的砂輪較小，砂輪自銳性又不如粒度W20的砂輪，所以冷卻與散熱條件不如120/140砂輪與W20砂輪，工件表面溫度高，熱應力作用明顯，其表面殘余壓應力低于120/140砂輪與W20砂輪，X方向和Y方向的應力趨勢表現出一致性。

砂輪粒度對殘余應力分布的影響如圖11所示，X方向與Y方向的整體趨勢一致，應力平衡前，Y方向的應力略大于X方向的應力，粒度120/140、W20砂輪產生的殘余應力分布較為接近且均為殘余壓應力，應力影響層深約為40 μm。粒度230/270砂輪產生的應力中出現殘余拉應力，這是因為磨削熱產生的熱應力成為主導因素。粒度230/270砂輪的應力影響層深較粒度W20、120/140砂輪明顯增大，約為80～100 μm。

(a) X方向

通過表5、圖11可知，砂輪粒度對工件表面殘余應力與深度方向的應力分布具有較大影響，且工件表面殘余應力與深度方向的殘余應力分布具有一定相關性。230/270砂輪磨削產生的表面殘余應力明顯小于其他兩者，并在深度方向上出現了殘余拉應力。粒度120/140與粒度W20的砂輪磨削工件產生的表面殘余應力較為接近，深度方向的應力分布整體趨勢也較為接近，說明不同粒度砂輪磨削工件產生的表面殘余應力可以在一定程度上反映深度方向的應力分布。

3 結論

(1)高速(vs≥ 60 m/s)外圓磨削工藝可以為18CrNiMo7-6淬硬鋼表面引入殘余壓應力。應力大小受工藝參數的影響而出現波動，其中，砂輪線速度呈現規律性波動，隨砂輪線速度的增加，表面殘余壓應力逐漸增大；工件線速度和砂輪徑向進給速度的變化沒有規律。

(2)相同工藝參數下，X、Y方向表面與深度方向的殘余應力分布趨勢基本一致，Y方向應力略大于X方向應力。

(3)磨削工藝參數對表層殘余應力的深度與數值有較大影響，其中，砂輪徑向進給速度的影響最大，部分工藝參數下的應力層深可達到100～150 μm；砂輪線速度的影響次之，應力層深約為70 μm；工件線速度沒有明顯的影響規律，試驗部分工件的表層殘余應力出現“塔”形分布。

(4)砂輪粒度對工件表層殘余應力的分布有較大影響，其中，粒度230/270的砂輪影響最大，應力影響層深達到80～100 μm，部分殘余應力為拉應力，粒度120/140、W20的砂輪應力分布較為接近；不同粒度砂輪磨削工件產生的表面殘余應力可在一定程度上反映深度方向的應力分布。