精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除方法及其加工工藝實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)佳亮 代子鵬 張振高 潘艷杰

(北京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

CrMn軸承鋼作為高端軸承套圈的原材料，其高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，為其精加工帶來(lái)了困難[1]。傳統(tǒng)軸承加工工藝是采用陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削和油石研磨做為軸承套圈滾道精密和超精密最后兩道加工工序[2]，陶瓷結(jié)合劑砂輪和油石在加工中尺寸變化較大，導(dǎo)致加工精度和質(zhì)量變差，品質(zhì)一致性難以保證，影響了軸承的使用壽命[3]。

ELID磨削技術(shù)具有砂輪形狀精度保持性好，砂輪修銳過程在線、連續(xù)，磨削力小、磨削熱少，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工表面穩(wěn)定的精準(zhǔn)微細(xì)去除，從而獲得高精度和高壓應(yīng)力值的已加工表面[4]的優(yōu)點(diǎn)，可以提高加工精度，降低加工成本[5-7]。

1 精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除加工方法和機(jī)理的理論分析

在ELID精密磨削過程中，砂輪可實(shí)現(xiàn)在線電解修銳，磨粒在磨削過程中能夠始終保持恒定的出刃高度(理論上為磨粒平均直徑的1/3左右)和鋒利切削狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)已加工表面的精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除。精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除：一方面體現(xiàn)在單次走刀時(shí)，當(dāng)砂輪粒度、磨料濃度和砂輪線速度等砂輪參數(shù)選定后，砂輪的單次進(jìn)給量(小于磨粒平均直徑的1/3)和每次走刀去除量及在此去除量下獲得的已加工表面精度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；另一方面體現(xiàn)在加工余量(工序間的加工余量)一定時(shí)，采用粒度依次減小的砂輪進(jìn)行磨削去除時(shí)，用小粒度砂輪的磨削痕跡覆蓋大粒度砂輪留下的磨削痕跡所需要的磨削次數(shù)、單次進(jìn)給量和線速度值是穩(wěn)定可控的。

“精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除”要求磨粒在磨削過程中具有長(zhǎng)期保持耐磨性和鋒利性的能力。ELID 磨削在線修銳的非線性電解作用使砂輪磨削表面在電解修銳同時(shí)迅速生成鈍化膜附著在砂輪表面，抑制砂輪過度電解。電解修銳作用和鈍化膜對(duì)電解的抑制作用在磨削過程中同時(shí)連續(xù)的發(fā)生著，且兩種作用達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。既使砂輪在磨削時(shí)時(shí)刻保持鋒利狀態(tài)，又能夠確保砂輪的形狀精度長(zhǎng)期保持不變(損耗非常小：離子級(jí)的電解去除作用對(duì)砂輪的尺寸影響微乎其微)[8-9]，因此，ELID磨削技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除，是理想的精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削加工方法。

2 單次走刀精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及加工工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)基于ELID磨削加工原理以及精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除加工方法和機(jī)理，使用裝有ELID磨削工藝系統(tǒng)的精密平面磨床，開展對(duì)CrMn軸承鋼精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除工藝實(shí)驗(yàn)研究，此次實(shí)驗(yàn)所使用的CrMn軸承鋼化學(xué)成分見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表2。本實(shí)驗(yàn)電源的電解修銳參數(shù)選擇為：電解電壓為100 V，電解電流為10 A，砂輪與電極間的電解間隙保持在0.5～0.8 mm；砂輪單次進(jìn)給量定為砂輪磨粒平均直徑的1/3。

表1 CrMn軸承鋼化學(xué)成分表

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

二次回歸通用旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具有能在實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少的情況下，以正交性犧牲確保預(yù)測(cè)精度一致性可靠的特點(diǎn)，非常適合此次工藝的實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中以金屬結(jié)合劑砂輪中磨料的粒度、濃度和線速度3個(gè)砂輪參數(shù)作為變量，按以上順序依次記為Z1、Z2、Z3，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表3所示的各實(shí)驗(yàn)因素所能達(dá)到的最小分辨率，制定所述三因素的上、下水平表，如表4所示。三因素的水平編碼如表5所示。依據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)并進(jìn)行20組實(shí)驗(yàn)。樣件加工效果如圖1所示。在樣件表面上隨機(jī)選取3處使用TR300 粗糙度形狀檢測(cè)儀器進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，粗糙度測(cè)量?jī)x的評(píng)定長(zhǎng)度為0.8 mm×5 mm。將3次測(cè)量結(jié)果平均值作為樣件表面粗糙度的評(píng)價(jià)數(shù)值。檢測(cè)過程如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表6所示。

表3 各實(shí)驗(yàn)因素與結(jié)果控制的最小分辨率

表4 各實(shí)驗(yàn)因素上、下水平表

表5 各實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表

表6 CrMn軸承鋼精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除工藝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)非線性二次回歸分析原理，二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：i、j為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的編碼水平，i,j=1,2,3,4；b0、bi、bij、bii為各變量及變量組合的回歸系數(shù)。根據(jù)表6的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果[10]，采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)回歸系數(shù)(b0、bi、bij、bii)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型為：

Y1=99.166 3+37.163 9X1-2.622 7X2-

0.375 0X1X2-2.875 0X1X3-3.500 0X2X3

(2)

由公式知，當(dāng)選定砂輪濃度、粒度和線速度后，單次走刀量保持不變時(shí)，每次加工所獲得的加工表面粗糙度值在理論上是一定的。

2.3 樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型顯著性檢驗(yàn)

為判斷數(shù)學(xué)模型預(yù)判的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況是否有較好的擬合程度，需通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立表7，由回歸平方和除以總平方和得到可以有效的反映對(duì)數(shù)學(xué)模型的擬合效果的判定系數(shù)R2，其值與1越接近，說明方程所求數(shù)值越接近實(shí)際加工的真實(shí)數(shù)值，方程的擬合性越高[11]。

表7 表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表

由表6得到本實(shí)驗(yàn)的判定系數(shù)為R2=0.998 5 (R2≥0.9時(shí)擬合效果較好)。此方程的顯著性是很高的，說明借助此數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際加工結(jié)果進(jìn)行預(yù)判在理論上是可行的。

2.4 樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型能否在實(shí)際加工中很好的預(yù)測(cè)砂輪粒度、濃度、線速度與工件表面粗糙度之間關(guān)系，隨機(jī)選用3組參數(shù)，每組參數(shù)進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，將10次實(shí)驗(yàn)的平均值與樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)出的理論值相對(duì)比，驗(yàn)證此方程的可靠性，如表8所示。

表8 樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由表8知，實(shí)驗(yàn)粗糙度平均值與理論粗糙度的誤差值均能夠保證在5%之內(nèi)，存在一定的誤差的原因是在砂輪燒結(jié)過程中磨料與結(jié)合劑在混合攪拌中無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分的均勻。

上述實(shí)驗(yàn)顯著性檢驗(yàn)和可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，樣件表面粗糙度值預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型用來(lái)判斷不同工藝參數(shù)組合下獲得的已加工表面的粗糙度值是穩(wěn)定可靠的。單次走刀量一定時(shí)，可以通過調(diào)整ELID磨削工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除。

3 加工余量一定時(shí)精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究

通過二次回歸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得了加工表面粗糙度與砂輪粒度、濃度及線速度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。得到了ELID磨削條件下可實(shí)現(xiàn)單次進(jìn)刀穩(wěn)定精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除的結(jié)論。當(dāng)加工余量一定時(shí)，ELID磨削能否實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞進(jìn)穩(wěn)定的最優(yōu)去除(用下一道工序細(xì)粒度砂輪的淺磨削痕跡全覆蓋上道工序粗粒度砂輪留下的深磨削痕跡)，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究：選用W40和W10兩種不同粒度的鐵基砂輪對(duì)軸承鋼先后進(jìn)行精密磨削和超精密磨削兩道工序的磨削加工實(shí)驗(yàn)。

為使每道工序加工后得到的已加工表面粗糙度值最低，采用lingo軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化得到砂輪濃度和線速度的理論最優(yōu)組合為砂輪濃度126.36%、砂輪線速度30 m/s。根據(jù)理論最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)合已有的ELID磨削實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軸承鋼的磨削加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化校正實(shí)驗(yàn)，得出砂輪濃度和線速度實(shí)際最優(yōu)參數(shù)組合為：砂輪濃度125%、砂輪線速度為29 m/s。將此作為實(shí)際工藝實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，進(jìn)行軸承鋼的精密和超精密加工實(shí)驗(yàn)：精密加工工序的工藝參數(shù)為砂輪粒度W40、砂輪濃度125%、砂輪線速度為29 m/s、單次進(jìn)給量13 μm；超精密加工工序的工藝參數(shù)為砂輪粒度W10、砂輪濃度125%、砂輪線速度29 m/s、單次進(jìn)給量3 μm、兩道工序間的加工余量15 μm。

采用上述兩道工序的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，先后對(duì)軸承鋼進(jìn)行精密和超精密ELID磨削加工實(shí)驗(yàn)。獲得精密加工表面如圖3和超精密加工表面如圖3。圖中可看出：采用粒度為W40砂輪精密磨削后的加工表面磨粒留下的磨削痕跡比較粗和深(Ra61 nm)；該表面經(jīng)過W10砂輪5次超精密磨削后，表面留下的磨削痕跡明顯變細(xì)變淺(Ra16 nm)。說明W40精密加工工序留下的磨削痕跡完全可以被W10超精密加工工序的磨削痕跡所覆蓋，且去除量和去除時(shí)間穩(wěn)定可控。由此可知，當(dāng)工序加工余量恒定時(shí)，ELID磨削能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工余量精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)基于磨削原理和ELID磨削機(jī)理，提出了“精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除”的加工方法和概念。

(2)采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合方法建立了砂輪粒度、磨料濃度、砂輪線速度與加工精度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

(3)依據(jù)lingo軟件和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軸承鋼進(jìn)行了ELID磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以最優(yōu)參數(shù)組合為實(shí)際加工參數(shù)，分別采用W40和W10的鐵基砂輪對(duì)軸承鋼(加工余量為15 μm)進(jìn)行精密和超精密加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)工序加工余量恒定時(shí)，ELID磨削能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工余量精準(zhǔn)遞進(jìn)磨削去除。