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      研磨工藝對18CrNiMo7-6鋼表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

      2020-02-27 05:56:24
      表面技術(shù) 2020年1期
      關(guān)鍵詞:滲碳磨粒研磨

      (鄭州大學(xué) 抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450001)

      作為一種精密超精密加工方法,研磨加工具有加工精度高、加工質(zhì)量優(yōu)的特點(diǎn)[1],被廣泛應(yīng)用于金屬零部件、石英玻璃以及藍(lán)寶石等的表面精加工[2-4]。在研磨加工過程中,工件表面的加工質(zhì)量取決于研磨工藝參數(shù)的合理選擇,加工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到零部件的使用性能和整機(jī)設(shè)備的安全可靠性。

      表面粗糙度和殘余應(yīng)力作為評價工件表面質(zhì)量的兩大重要指標(biāo),得到重要關(guān)注[5]。原一高等[6]通過W9Mo3Cr4V高速鋼的散料研磨試驗(yàn)指出,隨磨料粒度的增大,工件材料去除率、表面粗糙度及殘余應(yīng)力均增大。陳建等[7]研究了研磨工藝參數(shù)對W9Mo3Cr4V高速鋼工件表面粗糙度及殘余應(yīng)力的影響,指出研磨壓力和磨料粒度對工件表面粗糙度影響較為顯著,研磨速度影響較弱,工件表面殘余壓應(yīng)力隨研磨壓力、磨料粒度及研磨速度的增大而增大。

      18CrNiMo7-6鋼是一種低碳合金鋼,其材料性能在滲碳前后有很大差異。經(jīng)滲碳淬火后,表面硬度高,且耐磨性好,心部韌性好。由于其優(yōu)越的力學(xué)性能,該材料被廣泛應(yīng)用于高速重載齒輪等領(lǐng)域[8]。陳鑫等[9]對18CrNiMo7-6鋼進(jìn)行了高速平面磨削試驗(yàn),得到了高速磨削工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力和表面粗糙度的影響規(guī)律。吳政協(xié)等[10]探討了不同后混合水射流噴丸工藝對18CrNiMo7-6鋼表面性能的影響,得到了噴丸工藝參數(shù)對其表面粗糙度、殘余應(yīng)力及顯微硬度等的影響規(guī)律。目前尚未見到關(guān)于18CrNiMo7-6鋼研磨加工工藝參數(shù)的研究報道。

      本文基于平面研磨的特點(diǎn)和加工原理[11],通過單因素試驗(yàn),探討了磁性樹脂基金剛石研磨墊粒度、研磨壓力、研磨速度及研磨時間等工藝參數(shù)對18CrNiMo7-6鋼工件滲碳前后表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響,為其合理選擇和安排研磨工藝提供依據(jù)。

      1 研磨加工原理

      平面研磨的加工原理如圖1所示[12]。研磨試驗(yàn)以UNIPOL-1200M自動壓力研磨拋光機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺,將磁性樹脂金剛石研磨墊通過磁力片吸附固定在磨拋盤上,磨拋盤和載樣盤均可以不同速度正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。將工件試樣置于載樣盤盤孔內(nèi),在氣體壓力作用下進(jìn)行研磨工藝試驗(yàn)。試樣尺寸為φ22 mm×11 mm,每組工藝參數(shù)組合下布置3個試樣。研磨墊局部如圖2所示。

      2 研磨工藝試驗(yàn)

      2.1 材料

      試驗(yàn)材料為18CrNiMo7-6合金鋼,工件經(jīng)線切割后,采用100#—120#砂輪進(jìn)行磨削預(yù)處理,再用金剛石研磨墊開展研磨試驗(yàn)。經(jīng)磨削處理后,滲碳前后工件表面粗糙度Ra為0.3~0.4 μm,滲碳面硬度為59.6~62.8HRC,殘余拉應(yīng)力為41.53 MPa。基體面硬度為39.0~41.0HRC,殘余拉應(yīng)力為254.39 MPa。

      2.2 試驗(yàn)方案

      采用單因素試驗(yàn)方案[13-14]進(jìn)行18CrNiMo7-6鋼工件的研磨工藝試驗(yàn),旨在探討磁性樹脂基金剛石研磨墊粒度、研磨壓力、研磨速度及研磨時間等工藝參數(shù)對滲碳前后工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響。研磨單因素試驗(yàn)方案見表1。研磨前用無水乙醇對工件進(jìn)行超聲波清洗,用水平儀對磨拋盤表面進(jìn)行校準(zhǔn)。研磨過程中實(shí)時觀察壓力值和水流速度等設(shè)備狀態(tài),以保證研磨工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性[15]。采用NPFLEX三維表面輪廓儀對工件研磨前后的表面粗糙度進(jìn)行測量,每個工件表面測3~5個點(diǎn),取平均值。采用高速X射線殘余應(yīng)力分析儀對工件研磨前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量,每個工件表面測3~5個點(diǎn),取平均值。

      表1 研磨單因素試驗(yàn)方案Tab.1 Single factor test scheme for lapping

      3 分析與討論

      3.1 研磨墊粒度對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

      研磨墊粒度對研磨加工過程有很大影響,不僅對研磨加工過程的摩擦力、磨削溫度有影響,還對工件已加工表面質(zhì)量有較大影響。滲碳工件研磨前后的表面形貌如圖3所示,研磨墊粒度對滲碳前后工件表面粗糙度的影響如圖4所示。可以看出,工件已加工表面粗糙度隨著研磨墊粒度的增大而減小。當(dāng)磨粒尺寸較大時,工件研磨后表面有比較粗且深的劃痕溝槽存在;而磨粒尺寸較小時,單顆磨粒的有效切深較小,不易引起大的變形,因此工件研磨后表面粗糙度較低,表面質(zhì)量較好。工件表面硬度、耐磨性在滲碳熱處理后均有所提高,滲碳面表面粗糙度要低于基體面。3000#研磨墊研磨后,滲碳面和基體面表面粗糙度Ra分別為15 nm和17 nm。

      研磨墊粒度對工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖5所示??梢钥闯?,隨著研磨墊磨料粒度的增大,18CrNiMo7-6鋼滲碳前后工件表面的殘余應(yīng)力值均逐漸增大,但基體表面殘余應(yīng)力的增大幅度小于滲碳表面。基體表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力,而當(dāng)粒度為1500#和3000#時,滲碳表面會呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

      當(dāng)研磨墊粒度為400#時,基體面殘余壓應(yīng)力值最大可達(dá)-506.54 MPa。在研磨加工過程中,磨粒作為刀具,具有較大的負(fù)前角,導(dǎo)致磨粒在工件表面刻劃產(chǎn)生較大的塑性變形和壓應(yīng)力,不均勻的塑性變形殘留在工件表面,進(jìn)而形成殘余壓應(yīng)力。當(dāng)磨粒尺寸較大時,同時作用在工件表面的磨料數(shù)量則相對較少,單個磨粒的作用力變大,磨粒在工件表面刻劃出的劃痕和溝槽更加明顯,工件表面不均勻的塑性變形也較為顯著,致使殘余壓應(yīng)力較大。

      滲碳面由于其滲碳淬火的熱處理工藝,表面硬度較大,耐磨性較好,熱塑性變形引起的拉應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。細(xì)粒度的磨料參與研磨后,不足以抑制熱塑變形效應(yīng),使得工件表面呈現(xiàn)出殘余拉應(yīng)力。研磨墊粒度為400#時,殘余壓應(yīng)力為-587.29 MPa。當(dāng)研磨墊粒度較大時,工件表面表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力,粒度為3000#時,拉應(yīng)力值為571.74 MPa。

      3.2 研磨壓力對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

      研磨壓力作為研磨工藝參數(shù)中的主要因素,對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力均有較大的影響。研磨壓力對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖6所示。從圖6可知,隨著研磨壓力的逐漸增大,工件已加工表面粗糙度逐漸減小。這是由于隨著研磨壓力的不斷增大,實(shí)際參與研磨的有效磨粒數(shù)量相對增多,固結(jié)于樹脂結(jié)合劑中的磨粒逐漸出刃,參與磨削,研磨初期較大的劃痕和溝槽逐漸被后來出刃高度低的磨粒加以修整,進(jìn)而降低已加工表面粗糙度。

      從圖7可知,相同研磨條件下,滲碳后表面粗糙度值小于滲碳前,且壓力越大,粗糙度差值越大。研磨壓力為0.1 MPa時,滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.124 μm和0.113 μm;研磨壓力為0.3 MPa時,滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.116 μm和0.083 μm。研磨壓力增大時,工件與磨粒的接觸面積變大,同時參與研磨的磨粒數(shù)量相應(yīng)增多,單顆磨粒的平均切深減小,工件表面粗糙度值較小,表面質(zhì)量較好。

      從圖8可知,隨著研磨壓力的增大,工件表面的殘余壓應(yīng)力增大。由于研磨壓力的增大,相應(yīng)地增大了磨粒對工件表面的壓應(yīng)力,導(dǎo)致工件表面的塑性變形程度變大,使得工件表面殘余壓應(yīng)力值增大?;w材料由于未經(jīng)過熱處理,隨著壓力的增大,其塑性變形程度較大,因此基體面的殘余應(yīng)力值高于滲碳面。研磨壓力為0.1 MPa時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-343.71 MPa和-175.01 MPa;研磨壓力為0.3 MPa時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-369.90 MPa和-311.68 MPa。

      3.3 研磨速度對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

      研磨速度對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖9所示。從圖9可知,隨著研磨速度的逐漸增大,工件表面粗糙度逐漸減小。在研磨初期,工件表面凹凸不平,材料去除不均勻,隨著研磨速度的增大,工件與磨粒的接觸次數(shù)增多,單位時間內(nèi)作用在工件表面的磨粒數(shù)增加,隨著磨粒和工件表面的接觸變得充分,初期的磨削變得均勻,工件表面質(zhì)量逐步得到改善。研磨速度為10 r/min時,滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.129 μm和0.116 μm;研磨速度為40 r/min時,滲碳前后表面粗糙度Ra分別為0.105 μm和0.083 μm。

      研磨速度對滲碳前后工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖10所示。從圖10可知,工件表面殘余壓應(yīng)力值隨研磨速度的提高而增大。提高研磨速度,增加了工件和磨粒的接觸次數(shù),工件表面的塑性變形程度相對變大。因此,隨著研磨速度的提高,殘余應(yīng)力值增大。研磨速度為10 r/min時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-343.01 MPa和-197.01 MPa;研磨速度為40 r/min時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-429.42 MPa和-322.0 MPa。

      3.4 研磨時間對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響

      研磨時間作為衡量研磨效果的一項(xiàng)關(guān)鍵因素,其長短對工件表面粗糙度和殘余應(yīng)力有不可忽略的影響。研磨時間對滲碳前后工件表面粗糙度的影響規(guī)律如圖11所示。從圖11可知,隨著研磨時間的延長,工件表面粗糙度呈現(xiàn)出下降趨勢。當(dāng)其他參數(shù)固定不變時,通過延長研磨時間,可以降低工件表面粗糙度,但當(dāng)研磨時間達(dá)到一定時限,表面粗糙度變化會逐漸減小。

      研磨時間對滲碳前后工件表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律如圖12所示。從圖12可知,工件表面的殘余壓應(yīng)力值隨研磨時間的延長而增大。研磨初期,磨粒較為鋒利,磨粒切深較大。隨著時間的推移,磨粒不斷鈍化,磨粒與工件接觸面積變大,磨粒切深較小,但又有新的磨粒出刃,進(jìn)一步劃擦、磨削工件,加快了工件的塑性變形,引起殘余壓應(yīng)力的增大。研磨時間為5 min時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-382.93 MPa和-245.05 MPa;研磨時間為20 min時,滲碳前后表面殘余應(yīng)力分別為-430.34 MPa和-371.68 MPa。

      4 結(jié)論

      1)對于18CrNiMo7-6鋼滲碳前后的工件,隨著研磨墊粒度的增大,加工表面粗糙度值減小,研磨墊粒度為3000#時,滲碳件和基體件表面粗糙度Ra分別為15 nm和17 nm。

      2)隨著研磨墊粒度的增大,殘余應(yīng)力值增大。當(dāng)研磨墊粒度為3000#時,滲碳件表面可增大至殘余拉應(yīng)力571.74 MPa,而基體件表面仍然呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力-7.37 MPa;當(dāng)研磨墊粒度為400#時,均呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力,滲碳前后分別為-506.54 MPa和-587.29 MPa。

      3)研磨墊粒度為800#時,隨著研磨壓力、研磨速度及研磨時間的增大,滲碳前后工件表面粗糙度值均減小,且表面殘余壓應(yīng)力值增大。優(yōu)化后研磨工藝參數(shù)組合為:研磨墊粒度800#,研磨壓力0.2 MPa,研磨速度40 r/min,研磨時間10 min。此工藝能夠得到較小的表面粗糙度值和較大的表面殘余壓應(yīng)力。

      4)在同樣的研磨加工條件下,由于滲碳處理后工件表面硬度高,耐磨性較好,并且研磨過程中產(chǎn)生的塑性變形較小,所以滲碳件研磨加工表面粗糙度值小于基體件表面粗糙度,且滲碳件表面殘余應(yīng)力值大于基體件表面殘余應(yīng)力。

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