18CrNiMo7-6鋼V型缺口成形外圓磨削三維表面粗糙度

中圖分類號：TG583 文獻標志碼：A

Abstract：To investigate the influence of forming outer circle grinding process parameters on the surface quality of 18CrNiMo7-6 gear steel，and determine the optimal combination of process parameters，this paper uses universal tool grinderand CBNforming grinding wheel to processa V-shaped notch byforming grinding.Taking the workpiece speed，the grinding wheel speedand the grinding wheel radial feed speed as the test variables；the threedimensional surface roughness amplitude parameters：surface roughness，root mean square roughness，surface skewness and surface kurtosis are used as the evaluation process indicators of surface quality.Single-factor experiments and orthogonal experiments are conducted separately.The experimental results indicate that as workpiece speed increases，surface roughness，root mean square roughness，and surface skewness alldecrease first and thenincrease，while surface kurtosis graduallydecreases；as grinding wheel speed increases，surface roughness and root mean square roughness also decrease first and then increase，while surface skewnessand surface kurtosis increase first and then decrease；as grinding wheel radial feed speed increases，both surface roughness and root mean square roughness gradually increase，while surface skewness and surface kurtosis first increase and then decrease.The degree of influence of the three variables on the three-dimensional surface roughnessof the workpiece，ranked from greatest to least，is：grinding wheel speed，grinding wheelradial feed speed，and workpiece speed.Theoptimalparameter combination identified fromthe comprehensive single-factor experiment and orthogonal experiment results is as follows： a workpiece speed of 900r/min ，a grinding wheel speed of 5 OOO r/min，and a grinding wheel radial feed speed of 0.15mm/min

Key Words：18CrNiMo7-6 steel; grinding machining;3D surface roughness;form grinding;grey relational analysismethod

在機械生產制造領域，許多零部件都包含缺口特征，如孔洞、圓角、肩部以及凹槽等.這些缺口特征容易導致應力集中[，進而降低零部件的疲勞強度.如何提高缺口零部件的可靠性和使用壽命，一直是機械生產和制造領域的切入點與關鍵點.缺口特征形狀復雜，尺寸緊湊，具有不易加工的特點，成形磨削作為一種特殊的加工方式，因其高精度、高效率及對復雜零部件的高適用性被廣泛應用于缺口零部件的加工中.作為精密加工的最后一道工序，如何提高缺口成形磨削后工件的表面質量一直深受學者的關注.

表面質量的優劣很大程度上取決于表面粗糙度，粗糙度高的零件表面存在較深的波谷，這些深谷相當于微觀缺口，微觀缺口的存在會加劇應力集中，而應力集中是疲勞失效的主要原因[2-3].因此，采用科學有效的方法來分析成型磨削對缺口特征表面粗糙度的影響是十分必要的.

Ohmori等4對ELID成形磨削技術進行研究，加工出一種表面粗糙度 R_a 達到了 8nm 的拋物面反射鏡. ΔZhu 等[5介紹了一種新型不規則（異形）滾子的成形磨削加工工藝，闡述了該成形磨削技術加工條件下表面粗糙度、輪廓精度和材料去除率的變化規律.Michalski建立了三維仿真模型，研究滾齒后的圓柱齒輪齒面三維表面形貌特征，并開展試驗，采用 等三維評定參數對齒面表面形貌進行了分析.Beamud等通過使用 S_a，S_z 和 S_pd 三維評價參數評估電拋光表面，分析電解工藝控制參數對316L不銹鋼電拋光的影響，并指出三維表面評估參數比二維參數具有更高的信息能力，能較好地改善表面紋理的評估情況.綜上所述，目前，國內外學者針對成形磨削技術及零部件加工表面粗糙度的研究已有不少成果，但是關于成形磨削工藝參數對缺口加工表面三維粗糙度的研究還較少.

試樣缺口處的幾何精度對理論應力集中系數 K_t 有直接影響.V型缺口疲勞試樣的缺口處具有尺寸小、精度要求高的特點，因此，加工過程通常首先需要按照缺口要求的角度和底部圓弧半徑進行粗加工，以保留磨削余量.隨后，通過成形磨削進行精加工，直至達到最終尺寸要求.吳少洋8針對 K_t=2.06 的V型缺口疲勞試樣缺口磨削過程展開仿真分析，加工底部半徑為 0.75mm 的V型缺口，采用單因素試驗探究了工藝參數對磨削結果的影響.而對于加工難度更大的底部半徑為 0.14mm 的V型缺口鮮有研究.

齒輪作為汽車及航空航天等交通運輸領域的核心零件一直深受關注.齒槽是一種典型的缺口特征，齒根彎曲疲勞是齒輪失效的一種重要方式，而齒根底部的應力集中是造成其失效的首要原因，所以降低齒根表面粗糙度對減少齒根疲勞其失效有重要意義.然而齒槽形狀復雜、尺寸緊湊，存在加工成本高且極難保證尺寸要求等問題，成形砂輪磨削可直接將毛壞加工為特定的形狀，不僅可以提高生產效率，還可以保證工件幾何形狀的一致性，更好地滿足加工復雜零部件的要求.

18CrNiMo7-6齒輪鋼是一種含碳量較低的優質結構鋼，因其良好的機械性能和加工性能，被廣泛應用于對核心韌性要求較高的重型和高應變齒輪零件[9-I].Zhang等[2]探究了高速外圓磨削工藝對18CrNiMo7-6鋼圓柱試樣表面層硬度和顯微組織的影響，并通過分析硬度和殘余應力的形成機制，對磨削參數進行了優化.朱浩陽等13通過開展單因素試驗，探究了外圓縱向磨削工藝參數對18CrNiMo7-6鋼圓柱形疲勞試樣表面完整性的影響.王棟等14研究了高速車銑加工工藝對18CrNiMo7-6鋼圓柱試樣表面粗糙度的影響，并確定了優化加工表面質量的最優參數組合.由此可見，關于加工工藝對18CrNiMo7-6鋼圓柱型試樣的研究比較完善，但是關于18CrNiMo7-6鋼V型缺口的磨削成形研究還比較缺乏．

三維表面參數從最初伯明翰大學定義的“ 14+3 2參數體系，到目前的IS025178標準體系，日漸發展完善.不同的評價參數適用不同場合，本文對不同評價參數的工程應用進行研究，發現表面性能的研究多集中在幅度參數與功能參數，而對表面性能影響程度最為顯著的是幅度參數.

因此，本文主要針對18CrNiMo7-6齒輪鋼開展底部半徑為 0.14mm 的V型缺口的成形磨削試驗，通過設計單因素試驗和正交試驗，探究磨削工藝參數，包括工件轉速 n_w 砂輪轉速 n_s 及砂輪徑向進給速度 v_r 對缺口底部三維表面粗糙度幅度參數的影響規律，如表面粗糙度 ∣S_a， 均方根粗糙度 S_q， 表面偏斜度S_sk 和表面峭度 S_ku ，并采用灰色關聯分析法得出以S_a，S_q，S_sk 和 S_ku 為工藝指標的較為合理的加工工藝參

數組合.

1試驗

1.1試驗材料

試驗材料為18CrNiMo7-6硬質合金鋼，將方料切割至長度為 80mm 、直徑為 14.5mm 的圓柱件，經粗車精車，成形磨削，最終加工至符合要求尺寸和精度的試樣，實物圖如圖1所示，試樣加工尺寸如圖2所示.缺口成形加工所用設備為瑞士EWAG公司的WS11萬能工具磨床，在加工過程中該機床通過吸塵功能收集磨屑，不使用磨削液.采用底部圓弧半徑0.14mm. 雙斜邊 60^° 的樹脂CBN成形砂輪，分別選用100/120#和230/270#粒度的砂輪進行粗磨和精磨加工，砂輪的具體參數如表1所示.通過磨床自帶顯微觀測系統觀察砂輪磨損情況，當底部半徑磨損到0.2mm 時對砂輪進行修整.

1.2成形磨削工藝參數

成形磨削加工時，砂輪相對于工件沿砂輪與工件中心連線方向做徑向進給運動，結合機床功能，選取工件轉速 n_w. 砂輪轉速 n_s 以及砂輪徑向進給速度 v_r 作為試驗自變量.預試驗結果表明，加工參數過小會放大機床的震動效應，導致較差的表面加工質量；而進給速度過大，工件表面會產生燒傷現象.所以最終選取 n_s 變化范圍為 4000～8000r/min ， n_w 變化范圍為 500～900r/min ， v_r 變化范圍為 0.1～0.2mm/min

正交試驗試驗量小、結果全面，但相對單一因素的多水平研究試驗結果不夠直觀，因此本文采用單因素試驗與正交試驗相結合的方法來進行研究.V型缺口成形磨削設備為瑞士EWAG公司的WS11萬能工具磨床，試驗采用成形切入磨削的方式.以n_wA_s 及 v_r 為自變量，開展單因素試驗，探究V型缺口成形磨削加工過程中，不同加工工藝參數對試樣三維表面粗糙度 S_a，S_q，S_sk 和 S_ku 的影響規律，具體試驗參數如表2所示.同時，為了進一步研究各工藝參數對三維表面粗糙度影響程度的強弱，開展三因素四水平正交試驗，并采用灰色關聯分析法得出較優的加工工藝參數，具體試驗參數如表3所示.

1.3三維表面粗糙度檢測設備及數據處理

本文使用的三維表面粗糙度檢測設備為Bruker公司的NPFLEX三維表面測量儀，該設備基于白光干涉原理，采用非接觸式測量方法，具有較高的檢測精度.因V形缺口測量區域是半徑為 0.14mm 的圓弧段，直接測量存在誤差，為了最大限度地減少測量誤差并確保數據的精確性與可靠性，對加工后的試樣缺口底部進行了5次旋轉測量，并取3個中值數據點進行處理.圖3為三維表面粗糙度數據處理，在檢測設備的檢測區域內選擇12個數據提取區域，如圖3（a）所示，分別記錄這些提取區域的三維參數評定值，本文取該點相對基準點的高度，再對三維參數評定值進行高斯擬合，得出該試樣缺口底部的三維表面粗糙度值，并與數據點下的平均值作比較，如圖3（b）所示.

2試驗結果分析

2.1單因素試驗結果分析

本節基于單因素試驗數據，系統分析了各工藝參數對三維表面粗糙度的作用機理和影響規律，并確定了一組較優參數組合.圖4＼～6為實驗結果的影響曲線.

2.1.1 工件轉速

由圖4可以看出，隨著工件轉速 n_w 的增大，V型缺口底部表面粗糙度 S_a 與均方根粗糙度 S_q 均呈現先減小后增大的趨勢，在 n_w 為 800r/min 時，兩者均達到最小值；表面偏斜度 S_sk 也呈現先減小后增大趨勢，在 n_w 為 700r/min 時， S_sk 達到最小值;表面峭度 S_ku 整體逐漸減小，在 n_w 為 900r/min 時， S_ku 達到最小值.究其原因，當砂輪轉速 n_s 和砂輪徑向進給速度 v_r 保持恒定時，若工件轉速 n_w 過低，單位時間內的有效磨粒作用次數較少，單顆磨粒磨削時間增長，磨粒軌跡間距擴大使理論殘留高度上升，磨粒之間的相互干涉導致工件表面可能出現燒傷現象.但當 n_w 增大到某一值時，單顆磨粒的最大未變形磨屑厚度相應增大，磨削深度也隨之增加，單顆磨粒磨削力增大，工件表面磨痕增大，加工表面質量變差，因此存在拐點，加工表面的波峰波谷數量及尖銳程度較低，表面粗糙度也較小.

2.1.2砂輪轉速

由圖5可以發現，隨著砂輪轉速 n_s 的增大，表面粗糙度 S_a 與均方根粗糙度 S_q 的值整體變化一致，均呈現先減小后增大的趨勢，在 n_s 為 5000r/min 時， S_a 與 S_q 均取得最小值;隨著砂輪轉速 n_s 的增大，表面偏斜度 S_sk 有一定程度的升高，但呈現出起伏的狀態，S_ku 呈現先增大后減小的趨勢，在 n_s 為 5000r/min 時，S_ku 取得最大值.這是因為在材料去除率不變的條件下，隨著砂輪轉速 n_s 的增大，單位時間內的有效磨粒數增加，單顆磨粒未變形磨屑厚度減小，磨削深度也隨之減小，粗糙度降低，波谷分布密度增加但平均深度減小，同時伴隨波谷銳度增大.隨著 n_s 的持續增大，大量磨粒參與磨削，砂輪線速度過高，切削厚度減小，比磨削能增加，耕梨和滑擦作用加劇，磨削區溫度上升，導致工件表面產生燒傷等缺陷15，粗糙度升高，波谷增多，銳度減小.

2.1.3砂輪徑向進給速度

由圖6可以看出，隨著砂輪徑向進給速度 v_r 的增大，V型缺口底部表面粗糙度 S_a 與均方根粗糙度 S_q 的值變化一致，均呈現逐漸增大的趨勢；表面偏斜度S_sk 和表面峭度 S_ku 整體變化一致，均呈現先增大后減小的趨勢，在 v_r 為 0.15mm/min 時，兩者達到最大值.究其原因，由于砂輪與工件的直徑都相對較小，單位時間內參與磨削的磨粒數量一定，導致單顆磨粒的磨削力增大，磨粒的磨削深度增加，因此工件表面質量變差，粗糙度值增大，波峰數量和尖銳程度也增大，在 v_r 為 0.15mm/min 時，波峰數量和尖銳程度達到最大.

綜合試驗結果發現，較優參數分別為：工件轉速 800r/min ，砂輪轉速 5000r/min ，砂輪徑向進給速度 0.1mm/min. 圖7為18CrNiMo7-6鋼原材料在各因素較優參數組合下缺口底部的三維表面形貌圖，圖中（I）為三維形貌原始圖，（Ⅱ）為展開圖.可以發現缺口底部紋路較為均勻，但在兩側存在較深的波谷，這可能是由于砂輪底部圓弧與斜邊過渡銜接處磨粒分布不夠均勻.

2.2正交試驗結果分析

2.2.1正交試驗結果

以三維表面粗糙度參數：表面粗糙度 S_a， 均方根粗糙度 S_qΩ， 表面偏斜度 S_sk 和表面峭度 S_ku 為評價工藝指標，根據表3的正交試驗工藝參數，開展 L16（4³） 的正交試驗，得出正交試驗結果如表4所示.

2.2.2灰色關聯分析法優化

運用灰色關聯法進行分析時，為了避免數據值域和單位的影響，需要將原始數據進行無量綱化處理，計算公式如式（1）所示[16]：

式中：i為工藝指標 ;j 為試驗次數 {x_i（j） 為第 i 個指標下的第j次試驗結果.數據無量綱化處理后如表5所示.

對經過無量綱化處理后的數據進行灰色關聯系數和灰色關聯度的求解.灰色關聯系數為衡量無量綱化處理后的數據與理想狀態下的數據的關系，通過對其比較排序，分析指標與研究對象關聯程度.灰色關聯系數計算如式（2）所示[7].

式中： y_i（j） 為無量綱化后的數據結果； y_i⁰（j） 為第 i 個

工藝指標下的理想值.由表5可知4個工藝指標的無量綱化序列最大值對應原始數據的最優值，均為1，故將 [1，1，1，1] 作為工藝指標下的理想值. ρ 為分辨系數， ρ∈[0，1] ，本文 ρ 取0.5.灰色關聯度計算公式如式（3）所示[18].

式中： m 為工藝指標個數， m=4;j 為試驗次數， j= 16.數據處理結果如表6所示.

基于正交試驗和灰色關聯分析法可知，同一工藝參數下不同水平的灰色關聯度主要取決于各項工藝參數的不同水平，該值的大小反映了各工藝參數不同水平對工藝指標的影響強弱，平均灰色關聯度越大，對應的工藝指標越接近最優值.不同工藝參數下各水平的灰色關聯度如表7所示.由正交試驗的特點可知：對于18CrNiMo7-6鋼V型缺口成形磨削正交試驗，砂輪轉速對工藝指標的影響程度最大，其次依次為砂輪徑向進給速度、工件轉速.

由表7可得到不同工藝參數各水平與灰色關聯度平均值的關系如圖8所示.其中（I）為 n_s 與灰色關聯度平均值的關系，（Ⅱ）為 n_w 與灰色關聯度平均值的關系，（Ⅲ）為 v_r 與灰色關聯度平均值的關系.由圖8可得，最為合理的工藝參數組合為：工件轉速900r/min ，砂輪轉速 5000r/min ，砂輪徑向進給速度0.15mm/min

可以發現，單因素試驗與正交試驗得到的最優工藝參數組合并不相同，對兩組工藝參數組合再次進行灰色關聯度分析.分析結果發現兩者的灰色關聯度值相等，均為0.667，但是由于在加工過程中砂輪徑向進給速度過小時存在一定的不穩定性，所以選取工件轉速 900r/min 砂輪轉速 5000r/min 砂輪徑向進給速度 0.15mm/min 為18CrNiMo7-6鋼原材料最為合理的工藝參數組合.圖9為 n_w=900r/min n_s=5000r/min ， v_r=0.15mm/min 時V型缺口底部三維形貌圖，其中（1）為三維形貌原始圖，（Ⅱ）為展開圖，從圖中可以看出缺口底部磨削紋路較淺，沒有較深的波谷和凸起波峰，整體形貌較好.

3結論

本文針對18CrNiMo7-6硬質合金鋼開展單因素試驗和正交試驗，探究V型缺口的成形加工過程中不同加工工藝參數對缺口底部三維表面粗糙度的影響規律，得到以下結論：

1）隨著工件轉速、砂輪轉速及砂輪徑向進給速度的增大，同一加工工藝參數下表面粗糙度 S_a 和均方根粗糙度 S_q 變化趨勢一致，而表面偏斜度 S_sk 和表面峭度 S_ku 變化規律不明顯.

2）在單因素試驗中，當工件轉速為 800r/min 砂輪轉速為 5 000r/min ，砂輪徑向進給速度為0.1mm/min 時，表面粗糙度分別取得最小值.

3V型缺口成形加工過程中加工工藝參數對三維表面粗糙度指標的影響程度由大到小依次為：砂輪轉速、砂輪徑向進給速度、工件轉速.

4在正交試驗中，利用灰色關聯法分析試驗結果得出較優工藝參數組合為工件轉速為 900r/min 砂輪轉速為 5 000r/min ，砂輪徑向進給速度為0.15mm/min

5）對單因素試驗和正交試驗結果進行對比分析，最終得出最優工藝參數組合為：工件轉速900r/min ，砂輪轉速 5000r/min ，砂輪徑向進給速度0.15mm/min

參考文獻

[1］黃向明，張特，尹人奇，等．基于機液聯合仿真的剪叉機構疲勞 壽命分析[J]．湖南大學學報（自然科學版），2021，48（2）： 21-30. HUANG X M，ZHANG T，YIN R Q，et al. Fatigue life analysis of scissor mechanism based on mechanical and hydraulic cosimulation[J].Journal ofHunanUniversity（Natural Sciences）， 2021，48（2）：21-30.（in Chinese）

[2]律譜.粗糙度對18CrNiMo7-6疲勞壽命的影響研究[D]．鄭 州：鄭州大學，2019. LUP．Eect of roughness on fatigue life of 18CrNiMo7-6[D]. Zhengzhou：Zhengzhou University，2O19.（in Chinese）

[3］王剛，韓曉宋，張悅，等.表層改性及應力集中對18CrNiMo7-6 合金鋼疲勞分散性的影響[J].鋼鐵，2023，58（8）：202-211. WANGG，HAN XS，ZHANG Y，et al. Effect of surface layer modification and stress concentration on fatigue dispersion of 18CrNiMo7-6 steel[J]. Ironamp; Steel，2023，58（8）：202-211. （in Chinese）

[4]OHMORI H，GUO JQ，LIN W M，et al. New fabrication process of deep paraboloidal mirror by combination of elid-grinding and electro-forming techniques for laman spectroscopy instrument [M]//Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millnnium.Boston，MA：Springer US，2002： 371-375.

[5]ZHU PL，CHEN TH，WANG SP.Form grinding technology of anirregular roller and the electrolytic in-process dressing for the form grinding wheel[J].Key Engineering Materials，2001， 202/203：193-198.

[6]MICHALSKI J. Surface topography of the cylindrical gear tooth flanks after machining[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，43（5）：513-528.

[7]BEAMUD E M，NUNEZ P J，GARCIA-PLAZA E，et al. Characterization of surface texture in electropolishing processes using3Dsurfacetopographyparameters[J].Procedia Manufacturing，2019，41：114-120.

[8］吳少洋.18CrNiMo7-6合金鋼外圓及缺口磨削仿真研究與試驗 驗證[D].鄭州：鄭州大學，2022. WUSY.Simulation study and experimental verification of cylindrical and notch grinding of 18CrNiMo7-6 alloy steel[D]. Zhengzhou：Zhengzhou University，2O20.（in Chinese）

[9]FU P，JIANG C H，JI V. Microstructural evolution and mechanical response of the surface of 18CrNiMo7-6 steel after multistepshotpeeningduringannealing[J].Materials Transactions，2013，54（12）：2180-2184.

[10］趙文杰，楊紹普，任學紅，等．高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6循環 變形行為實驗和本構模型[J]．湖南大學學報（自然科學版）， 2020，47（6）：52-58. ZHAOWJ，YANGSP，RENXH，etal.Cyclicdeformation experiment and constitutive model of high-speed railwaygear steel18CrNiMo7-6[J].JournalofHunan University（Natural Sciences），2020，47（6）：52-58.（inChinese）

[11]ZHANG Y X，YUAN S S，YANG X，et al.Dry hard turning versus grinding：the influence of machining-induced surface integrity on fatigue performance[J].Coatings，2023，13（5）：809.

[12]ZHANGYX，YUANSS，YANGX，etal．Effect of process parameters on hardness and microstructure of 18CrNiMo7-6 carburized steel in high-speed cylindrical grinding［J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2023，124（9）：3137-3147.

[13]朱浩陽，郜偉，張銀霞，等.外圓縱向磨削工藝對18CrNiMo7-6 鋼表面完整性的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2022， 42（3）：3 00-306. ZHUHY，GAOW，ZHANGYX，etal.Theeffectofcylindrical longitudinal grindingprocesson the surface integrityof 18CrNiMo7-6 steel [J].Diamond and Abrasive Grinding Tool Engineering，2022，42（3）：300-306.（inChinese）

[14]王棟，林洪旭，趙靜雯，等.高速切向車銑對18CrNiMo7-6鋼表 面完整性影響研究[J].中國機械工程，2023，34（7）：812-820. WANGD，LINHX，ZHAOJW，etal.Study on the effect of high speedtangential turningand millingon the surface integrityof 18CrNiMo7-6 steel[J].China MechanicalEngineering，2023， 34（7）：812-820.（in Chinese）

[15］趙靜雯.圓柱形疲勞試樣V型缺口成形磨削工藝優化研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2022. ZHAOJW.Study on optimization of grindingprocess forV-notch formingof cylindrical fatigue samples[D].Zhengzhou：Zhengzhou University，2022.（inChinese）

[16］童洲，談毅，段海峰，等．基于正交試驗和灰色關聯的模塊鍛 件熱處理工藝優化[J]．鍛壓技術，2021，46（8）：186-192. TONGZ，TAN Y，DUANHF，etal. Optimizationof heat treatment process for module forgings based on orthogonal test and gray correlation[J].Forgingamp; Stamping Technology，2021，46（8）： 186-192.（in Chinese）

[17]WANGQF，JIN JJ，MI C M，et al.Maximum entropy configuration model of objective index weight based on grey correlation deep coefficient[J]. Control and Decision，2013， 28（2）：235-240.

[18］陳真真.高速外圓磨削三維表面粗糙度研究與磨削力測量裝 置設計[D].鄭州：鄭州大學，2020. CHEN Z Z. Research on 3D surface roughness of high speed cylindrical grinding and design of grinding force measuring device[D].Zhengzhou：Zhengzhou University，202O.（in Chinese）