考虑磨削余量分配的齿轮钢磨削工艺优化

黄身桂，栾晓圣，言兰，陈首虹，姜峰（.华侨大学机电及自动化学院，福建厦门360；.华侨大学制造工程研究院，福建厦门360）

考虑磨削余量分配的齿轮钢磨削工艺优化

黄身桂1，2，栾晓圣2，言兰1，陈首虹1，姜峰2
（1.华侨大学机电及自动化学院，福建厦门361021；2.华侨大学制造工程研究院，福建厦门361021）

以40CrNiMo钢为研究对象，对原有磨削工艺进行优化，探讨减少工作台进给次数、去掉半精磨工艺对磨削质量的影响.结果表明：原有粗磨＋半精磨＋精磨工艺改为粗磨＋精磨两道工艺是可行的，且在保持总磨削余量一定的条件下，通过减少工作台进给次数的方法可以降低粗磨过程多次走刀造成的磨削表面硬化，同时提高了加工效率；粗磨产生的磨削表面硬化对降低半精磨、精磨后的磨削表面粗糙度有利，但表面硬化伴随着磨削亚表层金相组织变化和残余应力等不利因素.

磨削工艺；余量分配；加工效率；40CrNiMo钢；表面质量

齿轮钢材料种类繁多，综合力学性能要求高，通常采用磨削加工.然而，齿轮钢磨削加工过程中磨削温度高、砂轮磨损快、加工硬化趋势强，往往导致磨削加工效率低、表面质量差［1－3］，使加工质量和加工效率成为一对突出矛盾，进而导致生产成本大幅度提高［4－6］.为此，研究齿轮钢磨削工艺优化，在保证磨削加工质量的同时提高加工效率，就具有十分重要的现实意义.已有研究可发现，磨削余量的分配对提高加工效率和表面质量起着至关重要的作用，合理的磨削余量分配对降低生产成本有明显效果［7－19］.尽管目前针对齿轮钢的磨削加工已有大量研究，但基于提高加工效率和表面质量，考虑磨削余量分配对齿轮钢的磨削工艺优化的研究却鲜有提及.本文研究通过重新分配磨削余量对齿轮钢的磨削工艺进行优化，通过测量磨削表面粗糙度、表层／亚表层显微硬度、磨削表面残余应力等多种手段评价磨削表面完整性，在获得良好的加工表面质量的同时进一步提高加工效率［20］.

1 磨削试验设计

1.1 试验条件

40CrNiMo齿轮钢，热处理后硬度为HRC52－57，其化学成分及基本力学性能分别如表1，2所示.表1，2中：w为质量分数；σb为抗拉强度；σs为屈服强度；ψ为断面收缩率；E为弹性模量；ν为泊松比.

平面磨削试样尺寸为30mm×15mm×10mm，其中，10mm是砂轮宽度方向；30mm是工件进给方向；15mm是磨削深度方向.磨削示意图，如图1所示.

表1 齿轮钢40CrNiMo的化学成分Tab.1 Chemical elements of gear steel 40CrNiMo %

表2 齿轮钢40CrNiMo的基本力学性能Tab.2 Mechanical properties of gear steel 40CrNiMo

图1 磨削示意图Fig.1 Grinding schematic

磨削试验使用的磨床型号为BLOHM－Planomat HP408型高速精密平面成型磨床（德国Schleifring公司），机床主轴功率达到24.5kW，主轴转速为0～8 000r·min－1（无级调速），最大砂轮（直径×宽度×孔径）为400mm×80mm×127mm，磨削面积为800mm×400mm，工件进给速度（vw）可调范围为30～40 000mm·min－1.砂轮型号为PSX 1 400×50×160，SA80J9V50（江西南昌精益磨料磨具有限公司），最大线速度（vs）为35m·s－1.每进行一组试验前都对砂轮进行修整.

1.2 磨削工艺参数

由于使用砂轮的最高线速度受限，因此，磨削工艺参数的改进方案以某公司齿轮磨削典型工艺参数为基础进行改进，主要包括去掉半精磨工艺和改变工作台进给速度.即在保持金属去除量一致的前提下，设计改进磨削工艺方案两种，每个工艺方案有多个工件进给速度.改进前后的磨削工艺参数，如表3所示.表3中：vs为砂轮线速度；vw为工作台进给速度；n为工作台进给次数；SC，SHF，SF，Stot分别表示粗磨、半精磨、精磨进刀量和总进刀量；改进前磨削工艺为每组2个试样，共2个试样，而改进后工艺Ⅰ，Ⅱ为每组1个试样，共5个试样.3种磨削方案下磨削余量分配对比，如图2所示.图2中：s为余量.

表3 齿轮磨削原有工艺与改进工艺Tab.3 Initial grinding processes and improved grinding processes

续表Continue table

2 试验结果与分析

2.1 表面粗糙度

采用ZYGO白光干涉仪进行粗糙度的测量，得到不同磨削工艺条件下已加工表面的表面粗糙度（Ra），如表4所示.随机测量6个位置取平均值，取样面积为3.09mm×1.42mm.其中，3.09 mm是工件进给方向；1.42mm是砂轮宽度方向；物镜为10倍；测量模式为VSI；全解析度，平行于测量表面横向分辨率1.1μm，垂直于测量表面方向分辨率0.001nm，拼接区域重合度10%.

由表4可知：随着粗磨过程工件进给速度的增加，精磨后粗糙度值呈现下降的趋势.主要原因是随着工件进给速度的增加，粗磨后表面的硬度有增加的趋势，材料的硬度越大，相同磨削工艺参数条件下，精密磨削得到的表面粗糙度值越低.因此，粗磨过程中一定的加工硬化对于最终磨削表面粗糙度的降低是有利的.

图2 不同方案下磨削余量分配对比Fig.2 Allowance distribution of different grinding processes

表4 不同磨削方案下的表面粗糙度Tab.4 Surface roughness of different grinding processes

图3 测点位置示意图Fig.3 Measurement of vickers hardness

2.2 磨削表层／亚表层的维氏硬度变化

利用离磨削表面不同深度的维氏硬度量化磨削表面的变质情况，测点分布情况如图3所示.图3中：前5个点间隔30μm；后10个点间隔60μm；加载载荷为0.5N；加载时间为15s.测量3个位置取平均值，结果如图4所示.图4中：h为亚表面深度.

由图4可知：在磨削工艺改进方案Ⅰ中，粗磨引起的磨削表面硬化层在精磨过后基本可以去除；而磨削工艺改进方案Ⅱ中，粗磨引起的磨削表面硬化层在精磨过后，只有工件进给速度5 000mm·min－1的试验组基本去除，而其他试验组均有一定的硬化层残留.磨削变质层（硬化层＋软化层）深度最小为450μm（磨削工艺改进方案Ⅰ，工件进给速度7 000mm·min－1），最大为840μm（磨削工艺改进方案Ⅰ，工件进给速度3 000mm·min－1；磨削工艺改进方案Ⅱ，工件进给速度3 000，4 000mm·min－1）.

2.3 磨削残余应力

磨削残余应力测试在X射线残余应力测试仪上进行，基本测试参数：Cr靶；电压为20kV；电流为5 mA；衍射晶面为｛211｝；弹性模量为210GPa；泊松比为0.3；无应力衍射角为156.4°；ψ选用0°，±25°，±35°，±45°.测量两个方向的残余应力，其中，X方向测得的是工件进给方向的残余应力；Y方向测得的是磨削宽度方向的残余应力.采用互相关法确定X射线衍射峰的位置，进而计算峰偏移和残余应力.图5为残余应力的测量位置，在磨削宽度方向上等距测量5个点的残余应力.不同磨削工艺得到的工件进给方向和磨削宽度方向的残余应力，如图6～7所示.图6，7中：σ为残余应力.

图4 工艺改进前后的磨削亚表层硬度对比Fig.4 Comparison of surface hardness between initial and improved grinding process

图5 残余应力的测量位置Fig.5 Measurement of residual stress

由图6，7可知：磨削残余应力以压应力为主，只有磨削改进工艺方案Ⅰ中工件进给速度为7 000mm·min－1的已加工表面，工件进给方向的残余应力呈现拉应力状态.过高的压应力往往伴随金相组织的变化，对零件的使用性能会有较大影响.因此，磨削改进工艺方案Ⅱ中工件进给速度为2 000mm· min－1的已加工表面性能不可靠.此外，磨削宽度方向上5个点的磨削残余应力的一致性越高越好.一致性越高，说明表面的应力稳定性越好，长时间时效后的应力释放均匀，变形均匀.磨削原始工艺、磨削改进工艺方案Ⅰ，工件进给速度为5 000mm·min－1；磨削改进工艺方案Ⅱ，工件进给速度6 000mm·min－1的残余应力状态较好.

图6 工艺改进前后的工件进给方向残余应力的比较Fig.6 Comparison of residual stress between initial and improved grinding

图7 工艺改进前后的磨削宽度方向残余应力的比较Fig.7 Comparison of residual stress between initial and improved grinding process

3 结论

1）粗磨产生的磨削表面硬化对降低半精磨、精磨后的磨削表面粗糙度有利，但是表面硬化伴随着磨削亚表层金相组织变化和残余应力等不利因素.因此，粗磨工艺参数的优化有实际意义.

2）在保持金属去除量一致的前提下，通过减少工作台进给次数的方法可以降低粗磨过程多次走刀造成的磨削表面硬化.同时，提高了加工效率.

3）根据试验结果可以发现，磨削工艺改进方案Ⅱ中，工件进给速度5 000mm·min－1试验组得到的磨削表面综合质量最优，表面质量各项指标均超过原始工艺.同时，粗磨的金属去除率提高了150%.

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（责任编辑：黄仲一 英文审校：崔长彩 ）

Optimization on Grinding Process of Gear Stell Considering Allowance Distribution

HUANG Shengui1，2，LUAN Xiaosheng2，YAN Lan1，CHEN Shouhong1，JIANG Feng2
（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2.Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

The effects of reducing frequency of strokes and eliminating semi－fine grinding process on the grinding quality of 40CrNiMo gear steel were investigated.It was found removal of the semi－fine grinding process from existing coarse／semi－fine／fine processing sequence is feasible and at a constant total grinding allowance，a decrease of strokes number can successfully reduce surface hardening and subsequently improve the machining efficiency.It was also evidenced that the surface hardening left by coarse grinding can reduce the surface roughness of semi－fine and fine grinding however the undesirable sub－surface damage and residual stress would associate.These findings are of practical significance for optimization of grinding process.

grinding process；allowance distribution；grinding efficiency；40CrNiMo steel；surface quality

TG 5

A

1000－5013（2016）04－0401－05

10.11830／ISSN.1000－5013.201604002

2016－05－20

姜峰（1981－），男，副教授，博士，主要从事高效精密加工和先进制造技术的研究.E－mail：jiangfeng＠hqu.edu.cn.

国家自然科学青年基金资助项目（51405168）；福建省自然科学基金面上资助项目（2016J01237）；华侨大学高层次人才科研启动项目（13Y0385，13Y0386）